振動試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)研究

張海輝

摘 要：根據(jù)型號項(xiàng)目振動試驗(yàn)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了振動試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)的基本要求、方法步驟以及制作過程中應(yīng)注意的問題，討論了各類夾具的應(yīng)用范圍，對于產(chǎn)品振動試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)工作具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：夾具；振動；受力分析

振動試驗(yàn)是環(huán)境試驗(yàn)的重要組成部分，夾具在振動試驗(yàn)中發(fā)揮著極為重要的作用。不合理的夾具設(shè)計(jì)、制造及安裝使用容易產(chǎn)生“過振動”與“欠振動”，即使勉強(qiáng)達(dá)到了控制譜的要求，也必將加重振動系統(tǒng)的負(fù)荷，尤其在振動臺的動態(tài)響應(yīng)范圍較小時，矛盾會更加突出。而且不可能制造一個試驗(yàn)性夾具，在進(jìn)行完動態(tài)特性測試、結(jié)構(gòu)修改、觀察效應(yīng)后，再研制出用于環(huán)境試驗(yàn)的振動夾具，往往都會要求一次性設(shè)計(jì)、制造成功。

一、夾具的主要參數(shù)

振動試驗(yàn)的夾具可以分為很多類，有專為某個試件而做的專用夾具，也有適用于不同類型試件的通用夾具。無論夾具種類如何多變，都要求它的動態(tài)特性參數(shù)滿足一定的要求，確保試驗(yàn)的真實(shí)再現(xiàn)。一個成功的夾具需要在以下3方而達(dá)到要求：（1）夾具的共振頻率要高于某個特定頻率值，同時試件的一階諧振與夾具的一階諧振之比應(yīng)該在0.5～1.4之間；（2）夾具振動加速度傳遞特性應(yīng)在一3～+20db之間；（3）夾具的橫向振動應(yīng)盡量地小，通常不大于30%，最大不超過50%。

根據(jù)以上要求.設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)制造過程中就需要對剛度、重量、夾具重心的定位等幾個主要指標(biāo)進(jìn)行考慮。

二、夾具設(shè)計(jì)技術(shù)現(xiàn)狀

經(jīng)驗(yàn)法是目前夾具設(shè)計(jì)中運(yùn)用最為廣泛的方法之一，但是這種方法有先天不足之處。由于大中型夾具設(shè)計(jì)一般都應(yīng)用在航空與軍事等領(lǐng)域，關(guān)于它的設(shè)計(jì)理論及其論述較少，也沒有形成系統(tǒng)的理論和方法。

鄧柯萊法，是將基本的夾具結(jié)構(gòu)分為單獨(dú)的子結(jié)構(gòu)，分別計(jì)算其固有頻率，然后求出總體結(jié)構(gòu)的固有頻率。利用鄧柯萊法來設(shè)計(jì)夾具，具有簡單、快速的優(yōu)勢，但也存在不足：（1）鄧柯萊法推導(dǎo)過程的誤差較大；（2）此方法適合于高階固有頻率遠(yuǎn)大于第一階固有頻率的系統(tǒng)；（3）利用鄧柯萊法時，子結(jié)構(gòu)必須是一些較為簡單的規(guī)則結(jié)構(gòu)，以便于求解。這樣就限制了鄧柯萊法的廣泛應(yīng)用。

隨著現(xiàn)代結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展，將有限元模態(tài)分析與實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)合起來應(yīng)用于夾具設(shè)計(jì)將是一個快速、高效且滿足工程精度的設(shè)計(jì)方法。

夾具設(shè)計(jì)的原則：夾具設(shè)計(jì)首先要選擇材料，振動夾具的高頻特性對其材料的強(qiáng)度和疲勞特性提出了較高的要求。夾具設(shè)計(jì)時應(yīng)優(yōu)先選用比剛度大、阻尼大的材料，一般最常用的是鋁、鎂及其合金，盡可能不要選用鋼做夾具的材料。材料的比剛度大即夾具的質(zhì)量小而剛度大，可使振動試驗(yàn)影響變小且控制效果更好。

設(shè)計(jì)時使夾具的質(zhì)量盡可能小。根據(jù)強(qiáng)度理論，材料的固有頻率f與剛度k成正比，與質(zhì)量m成反比。對同一尺寸的金屬，鋁比鎂質(zhì)量大1/3，鋼比鎂質(zhì)量大4倍。應(yīng)防止因強(qiáng)度不足，導(dǎo)致夾具自身被振壞，最終損壞試驗(yàn)產(chǎn)品的現(xiàn)象發(fā)生。

夾具的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先采用對稱形式，一般選擇立方體、盒形、半球形和錐形。在振動試驗(yàn)過程中，盡可能使試件和夾具的合成質(zhì)心落在振動臺的中心線上，即“對中”。對于質(zhì)心較高的試件或夾具，夾具的平穩(wěn)性能就更加重要，可以避免振動臺臺面搖晃振動帶來的控制振動波形失真；同時，還應(yīng)特別關(guān)注夾具是否會產(chǎn)生橫向運(yùn)動，甚至于旋轉(zhuǎn)和滑移。

在選擇夾具的制造工藝時，應(yīng)盡量采用簡體、整體夾具，一般優(yōu)先采用整體鑄造工藝，其次可以選用焊接和螺接工藝。

三、夾具設(shè)計(jì)中的幾個問題

夾具的設(shè)計(jì)要求是使試驗(yàn)夾具相對重量最小、剛度最大，在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)不發(fā)生結(jié)構(gòu)共振。當(dāng)然，一個好的夾具主要還應(yīng)滿足以下要求：（1）夾具的第一階固有頻率應(yīng)高于試驗(yàn)產(chǎn)品第一階固有頻率的3～5倍，以避免發(fā)生夾具與受試產(chǎn)品的共振耦合；（2）夾具的阻尼要大；（3）夾具的橫向運(yùn)動（指垂直于激振方向的運(yùn)動）要小；（4）波形失真小。

1.夾具類型的選擇。夾具類型的種類有很多，設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)受試產(chǎn)品的尺寸、形狀和工作時的安裝方式來選擇。

（一） L型和T型夾具

L型夾具和T型夾具設(shè)計(jì)可以仿照轉(zhuǎn)接板的方法進(jìn)行，但是夾具上的垂直平板和筋板需要加強(qiáng)，這是因?yàn)樵谀承╊l段上垂直平板容易發(fā)生共振問題。

（二） 轉(zhuǎn)接板型

轉(zhuǎn)接板是一種最為常見的振動夾具。一般是簡單的平板，板上有螺孔或T型槽與振動臺而連接，有時受試產(chǎn)品直接安裝在轉(zhuǎn)接板上，有時轉(zhuǎn)接板上要安裝另外的試驗(yàn)夾具，受試產(chǎn)品再安裝在試驗(yàn)夾具上。選定轉(zhuǎn)接板夾具以后，需要根據(jù)產(chǎn)品的重量、安裝數(shù)量、安裝方式、尺寸和所使用的振動臺來決定夾具的結(jié)構(gòu)尺寸。

2. 夾具材料的選擇與共振頻率。從性能角度出發(fā)，材料應(yīng)具有較小的密度，較大的剛度和較高的阻尼；從加工角度出發(fā)，材料應(yīng)易于加工；從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，則要求材料價格較為便宜。直接影響固有頻率的因素是材料的彈性模量E與材料密度ρ之比。E/ρ的值也影響共振頻率，其值越大越好。在我們所進(jìn)行的振動試驗(yàn)中，一般選擇的材料為鋁硅合金或者ZL101，而不使用鋼材。

四、夾具的測試

對夾具的動態(tài)測量，可以暴露夾具的不足之處，可以為夾具的改進(jìn)提供詳細(xì)的參考數(shù)據(jù)。而我國現(xiàn)在對于夾具還沒有要求進(jìn)行專門的計(jì)量，所以夾具的測試并沒有引起大家的重視。這樣就往往會發(fā)生由于夾具的不合格，出現(xiàn)共振而造成超載試驗(yàn)，損壞試件。因此，可以利用一些自有的基本設(shè)備對夾具進(jìn)行一些簡單的測試。測試夾具最簡單的方法就是用正弦掃描試驗(yàn)來測定夾具的動態(tài)特性，繪出X-Y曲線圖，確定夾具的一階共振頻率和夾具上各點(diǎn)之間的傳遞系數(shù)比.

五、結(jié)語

夾具的設(shè)計(jì)在振動試驗(yàn)中起到關(guān)鍵的作用，同時夾具的設(shè)計(jì)涉及到很多問題，包括安裝、測量、振動傳遞等多個方面，需要考慮的問題也很多。一個好的夾具，不僅僅能保證試驗(yàn)的順利進(jìn)行，同時能使試驗(yàn)事半功倍，提高效率。另外，夾具的設(shè)計(jì)對試驗(yàn)成本影響也很大。因此夾具的設(shè)計(jì)者在試驗(yàn)中扮演著重要的角色。設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)多積累經(jīng)驗(yàn)，以求設(shè)計(jì)出簡單高效的振動夾具。

參考文獻(xiàn)：

[1] GJB 548 A-96，微電子試驗(yàn)方法和程序[S].

[2] 刑天虎.力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[3] 胡志強(qiáng)，法慶衍.隨機(jī)振動試驗(yàn)應(yīng)用技術(shù)[M].北京：中國計(jì)量出版社.1996.