彈載設備振動夾具設計與改進

曹彥偉，劉建杰

(中國空空導彈研究院， 河南 洛陽 471009)

彈載設備振動夾具設計與改進

曹彥偉，劉建杰

(中國空空導彈研究院， 河南 洛陽 471009)

在彈載設備的研制和交付過程中，振動試驗是其環(huán)境與可靠性試驗最關鍵的內容之一。振動夾具在振動試驗中起著重要的作用，其設計的好壞決定振動試驗成功與否。文中全面分析了彈載設備夾具設計的各種要求，設計出了一種符合要求的振動夾具，利用UG NX6軟件中高級仿真模塊對夾具進行了仿真分析，并對振動夾具進行了測試和結構改進。此文是對彈載設備振動夾具設計的經驗總結，可供彈載設備振動夾具設計參考。

彈載設備；振動夾具；固有頻率；UG高級仿真模塊

引 言

在彈載設備研制和交付過程中，無論是預研課題還是型號研制，如需進行繞飛試驗、系留、掛飛等外場試驗，振動試驗都是必不可少的一項力學環(huán)境試驗。振動試驗是檢驗產品可靠性的重要環(huán)節(jié)，能否通過振動試驗是產品能否進行外場試驗的一個重要指標。而振動夾具在振動試驗中扮演著很重要的角色，其功能是將振動臺的運動和能量傳給彈載設備，這要求夾具能將臺面運動不失真地傳遞給試驗件。試驗的成功與否、試驗的可信程度與試驗夾具的設計、制作及安裝使用水平密切相關[1]。

1 彈載設備振動夾具設計

1.1 彈載設備簡介

彈載設備位于導彈的前部，外形為圓柱形，包括最前端卵圓形天線罩，最大輪廓尺寸約為Ф210mm×1 000 mm，質量約為25 kg，重心位置大致在離最前端700 mm處。圖1為彈載設備的三維模型示意圖。

1.2 振動試驗條件

振動試驗條件為隨機振動，振動的譜形如圖2所示，頻率f1=500 Hz，頻率f2=1 500 Hz；功率譜密度W1=Ag2/Hz，功率譜密度W2=Bg2/Hz；振動方向包括X、Y、Z3個方向；振動時間為每個方向10 min。

圖1 彈載設備的三維模型示意圖

圖2 彈載設備隨機振動譜形圖

1.3 振動夾具的固有頻率要求

從根本上講，夾具是傳遞振動的，夾具的固有頻率是重要的。振動夾具設計的理論計算主要包括剛度、質量和固有頻率3個基本參數(shù)。夾具各階固有頻率的變化率與剛度元素的變化率成正比，與質量的變化率成反比[2]。簡言之，夾具剛度越大，質量就越小，夾具各階固有頻率就越大；相反，剛度越小、質量就越大，夾具各階固有頻率就越小。因此，在設計夾具時應主要考慮增大系統(tǒng)的剛度，減小系統(tǒng)的質量。

目前，我國尚未制定出夾具標準。美國桑地亞公司提出的夾具標準分別對試件大小、重量提出了要求，限制了出現(xiàn)共振峰的最低頻率，也限制了高頻段出現(xiàn)共振峰的個數(shù)及峰值大小以及3 dB共振帶寬的寬度，對正交運動給出了允許范圍，對試件固定點的允許值作了限制[1，3]。

1.4 振動夾具的材料要求

制作夾具首先要選擇材料，在設計中很少考慮材料的剛度和疲勞強度，主要是因為振動夾具高頻特性所要求的剛度使得夾具非常結實，很少因強度不足而損壞。夾具材料應選用比剛度大、阻尼大的材料。材料的比剛度大意味著質量輕而剛度大，因而夾具對推力的影響小而其頻響可展寬，對振動的影響小而傳遞力或參數(shù)的性能卻很好[1]。因此，鋁、鎂及其合金是最常用的材料。表1列出了常用夾具材料的一些重要的物理特性[1，4]。

表1 常用夾具材料的物理特性

1.5 振動夾具的質量要求

振動夾具的質量應盡可能輕，因為夾具的質量直接影響系統(tǒng)的總質量，影響振動臺裝上試件后所能達到的最大加速度數(shù)值。

1.6 振動夾具的連接要求

振動夾具既能方便地與振動臺面連接，也能方便地與試件連接，同時要滿足試驗條件(如3個方向的要求等)。

考慮2種連接方法，一種是設計成卡箍形式的結構夾持殼體，卡箍再與振動臺面連接，如圖3所示。這種結構連接簡單，質量輕，安裝方便，但安裝產品螺釘擰緊力矩不好控制，有時會在振動量級大、時間長時，出現(xiàn)卡不緊，滑脫現(xiàn)象。另一種是在殼體后端部增加轉接盤，如圖4所示。該連接結構為懸臂梁的結構，比較接近真實產品的工作狀態(tài)，但通過圓盤與導引頭連接，安裝螺釘數(shù)量較多，安裝不太方便。

圖3 彈載設備連接方式示意圖

圖4 彈載設備連接方式示意圖

1.7 加工制造和加工要求

夾具設計應使加工方便，加工的周期要短，工藝性好，價格盡可能低。在加工方法上，綜合考慮螺接法、鑄造法、焊接法或粘接法等各自的特點。

1.8 夾具的結構形式

夾具的結構形式分為轉接板、立方體、半球形、錐形、封閉盒形、圓筒形、“L”形、“T”形和開口盒式等[5]。

1.9 彈載設備振動夾具結構設計

綜合上述振動夾具的要求，經過分析考慮，選定“L”形的結構形式，材料為45號鋼，經機加工后焊接而成。彈載設備振動夾具的三維模型如圖5所示。

圖5 彈載設備振動夾具的三維模型圖

Y、Z方向的振動試驗可直接在振動臺面上進行，而X向的隨機振動需要在水平滑臺上進行。

2 彈載設備振動夾具仿真分析

振動夾具設計完成后，需要進行仿真分析，采用UG NX6軟件中的高級仿真模塊，夾具的三維模型不需轉換，從CAD模型直接進入高級仿真模塊進行分析。材料選用STEEL,單元采用自動劃分四面體單元，將整個底面作為固定約束條件。

經計算，1階模態(tài)的固有頻率為275.5 Hz。圖6所示為彈載設備振動夾具的1階模態(tài)，前5階模態(tài)的固有頻率見表2。

圖6 彈載設備振動夾具1階模態(tài)

表2 彈載設備振動夾具的固有頻率 Hz

1階2階3階4階5階275．5387．9425．5737．4810．3

3 彈載設備振動夾具測試

彈載設備振動夾具制成后，采用正弦掃描試驗法對夾具進行測試。測試方法為正弦對數(shù)掃頻：1g，10～2 000 Hz，1 Oct/min，測夾具的1階固有頻率及敏感軸向的均勻性。

采用在振動臺臺面控制的測試方式，在夾具不同位置布置傳感器，分別觀測某個軸向的響應曲線，通過該試驗比對各傳感器所感應信號的差異，從而得出均勻性及固有頻率。圖7為彈載設備夾具測試示意圖，圖8為測試結果曲線圖。由圖8可知，夾具的固有頻率為225 Hz。

圖7 彈載設備夾具測試示意圖

圖8 彈載設備夾具測試曲線圖

從仿真和測試結果看，彈載設備夾具的1階諧振頻率為225 Hz，其仿真計算值和實測值存在一些誤差。有限元的實體模型在簡化，計算，邊界條件，實際夾具結構、焊接加工、測試等方面存在差異，但該誤差在允許范圍內，是可以接受的。

在振動試驗中，可采用多點控制來彌補夾具設計的不足，使夾具產生的響應能滿足試驗要求。該夾具符合設計要求，并已實際應用于彈載設備的振動、沖擊、加速度和可靠性試驗等。

4 彈載設備振動夾具改進設計

為提高振動夾具的固有頻率，采用UG高級仿真模塊進行分析，對原來的夾具進行結構優(yōu)化改進設計。改進設計主要表現(xiàn)在2個方面：在材料選擇上,用鋁合金代替鋼；使豎直板向底板中間靠近，在豎直板另一側增加2個斜板以加強豎直板的剛度。改進后的振動夾具三維模型如圖9所示。

圖9 夾具改進后的三維模型圖

采用UG高級模塊進行仿真分析，并計算固有頻率。彈載設備振動夾具改進后的1階模態(tài)如圖10所示，前5階模態(tài)的固有頻率見表3。

圖10 振動夾具改進后的1階模態(tài)圖

表3 振動夾具改進后前5階固有頻率 Hz

1階2階3階4階5階353．1733．2871993．21017

采用UG高級仿真模塊分別對彈載設備振動夾具改進前后的仿真結果進行對比分析。彈載設備振動夾具原重76.8 kg，改進后重29.4 kg，減輕了47.4 kg; 改進后夾具的1階固有頻率為353.1 Hz，比原夾具提高了77.6 Hz，且改進后前5階固有頻率均有所提高。

5 結束語

仿真分析對比表明，改進后夾具的重量減輕了, 固有頻率提高了，夾具的傳遞特性也得到較大提高，但還需在夾具加工制造后通過測試及鑒定來予以驗證。彈載設備夾具的設計過程是一個不斷改進和測試驗證的過程，其固有頻率還可以通過改進結構、優(yōu)化設計、改進加工方法得到提高。

[1] 邢天虎. 力學環(huán)境試驗技術[M]. 西安：西北工業(yè)大學出版社, 2003.

[2] 賈啟芬,劉習軍. 機械與結構振動[M]. 天津：天津大學出版社, 2007.

[3] 吳瑞軒. 振動夾具的測試方法研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2010, 7(6): 252-255.

[4] 于韶明, 衛(wèi)國. 振動試驗夾具設計與實踐[J]. 裝備環(huán)境工程, 2014, 11(2): 81-85.

[5] 陳木本, 梁志恒. 導彈振動夾具設計通用規(guī)范[S]. 洛陽: 中國航空工業(yè)總公司第014中心, 1995.

曹彥偉(1971-)，男，高級工程師，主要研究方向為雷達導引頭結構設計。

Design and Improvement of Vibration Fixture for Missile-borne Equipment

CAO Yan-wei，LIU Jian-jie

(ChinaAirborneMissileAcademy,Luoyang471009,China)

In development and delivery of the missile-borne equipment, vibration test is one of the key tests in the environmental and reliability tests. The vibration fixture plays a significant role in the vibration tests and determines whether the vibration test is successful. Based on a comprehensive analysis of various requirements of the vibration fixture for the missile-borne equipment, a vibration fixture meeting the requirements is designed in this paper. Simulation analysis for the fixture is carried out by UG advanced simulation module. Then the fixture is tested and improved. This paper, as the design experience summary, can be used as the reference of vibration fixture design for the missile-borne equipment.

missile-borne equipment; vibration fixture; natural frequency; UG advanced simulation module

2014-12-10

TG75

A

1008-5300(2015)02-0037-04