航空電子產(chǎn)品振動試驗夾具設(shè)計

李青偉　趙路

摘 要：振動試驗夾具用于連接振動臺和試驗產(chǎn)品，并能盡可能不失真的將振動臺輸出的能量傳遞給試驗產(chǎn)品，在振動試驗中發(fā)揮著非常重要的作用，試驗的成功與否，試驗結(jié)果的可信程度，與試驗夾具的設(shè)計、制作及安裝使用水平息息相關(guān)。不合理的夾具將導(dǎo)致“過振動”或“欠振動”，使振動條件失真，無法達(dá)到預(yù)期效果，嚴(yán)重的會對試驗樣件造成破壞。本文首先闡述了振動夾具的設(shè)計要點，然后以LRM模塊為例設(shè)計其振動夾具，并使用ANSYS有限元仿真分析軟件進(jìn)行模態(tài)仿真，根據(jù)仿真結(jié)果對夾具進(jìn)行優(yōu)化處理，最后設(shè)計出優(yōu)質(zhì)的振動夾具。

關(guān)鍵詞：振動；夾具；ANSYS

中圖分類號： E926.391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）25-240-2

1 振動夾具的設(shè)計要點

1.1 振動夾具的基本設(shè)計要求

根據(jù)多年的工作實踐經(jīng)驗，同時翻閱了的大量的文獻(xiàn)資料，我們認(rèn)為合理可靠的振動夾具首先要保證在試驗頻率范圍內(nèi)不會與受試產(chǎn)品發(fā)生共振耦合，導(dǎo)致振動失真，其次應(yīng)盡可能地減少夾具的重量，增大其剛度和阻尼。一個優(yōu)質(zhì)的振動夾具主要應(yīng)滿足以下幾項要求：

①最佳的夾具應(yīng)使其最低的固有頻率比所需的最高施振頻率高50%左右，以免試驗時產(chǎn)生諧振，大多數(shù)航空電子產(chǎn)品的隨即振動試驗頻率范圍為10～2000Hz，因此夾具的理想一階固有頻率應(yīng)在3000Hz左右；

②夾具的第一階固有頻率應(yīng)高于受試產(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，導(dǎo)致過振動；

③夾具應(yīng)做得盡可能的小而簡單，由于振動臺的推力有限，為保證有足夠的推力富余量，在不降低剛度的情況下，夾具重量要盡量的輕；

④夾具應(yīng)采用對稱設(shè)計，重心位置應(yīng)當(dāng)靠近振動臺的幾何中心，以減小振動偏載力矩，高度方向上重心要低，以減小橫振力矩。

1.2 振動夾具材料的選擇

制作夾具首先要選擇材料，材料性能方面應(yīng)具有較小的密度、較大的剛度和較高的阻尼，且應(yīng)當(dāng)易于加工，同時要兼顧加工成本。直接影響夾具固有頻率與性能的因素是材料的彈性模量E與材料密度ρ之比，比值E/ρ非常重要，E決定材料的剛度，ρ決定材料的重量，其值越大越好。一般選擇的材料為鋁硅合金、鋁鎂合金或者ZL101，而不推薦使用鋼材。

1.3 振動夾具加工方式的選擇

夾具制造加工方法性能上的優(yōu)先級是：首先選擇鑄造成型，其次用整塊材料機械加工，其次選擇焊接，最后選擇螺接連接。整體機加夾具是最快最省的方法，且性能良好，大量應(yīng)用于結(jié)構(gòu)簡單、尺寸較小的產(chǎn)品中；此法不可行時應(yīng)優(yōu)先考慮鑄造夾具，鑄造夾具最顯著的優(yōu)點是鑄造合金的阻尼相當(dāng)高，但由于需要制作模具，所以生產(chǎn)成本較高；焊接夾具一般采用連續(xù)焊縫的惰性氣體保護焊，在焊接過程中容易因高溫而變形，此時應(yīng)考慮焊后的熱處理和機械補充加工；螺栓連接夾具由于是局部連接，容易形成微振動，且在高頻段容易失真，可靠性較差，要謹(jǐn)慎選用。

1.4 電裝部分的設(shè)計

航空電子設(shè)備在進(jìn)行隨即振動時，需要對試驗樣機進(jìn)行監(jiān)測，很多時候需要在振動夾具上布置電裝部分進(jìn)行轉(zhuǎn)接，電裝的設(shè)計主要應(yīng)注意兩個方面：第一，選用高強度印制板，印制板上的元器件和連接器應(yīng)當(dāng)具備較好的抗震性能，并應(yīng)采取一定的防震措施；第二，電纜布置要合理，長電纜要采取固定措施，如果對抗干擾無嚴(yán)格要求，優(yōu)先選用半柔電纜。

2 振動夾具的設(shè)計與仿真

2.1 建立三維模型

下面以現(xiàn)在航空電子產(chǎn)品中應(yīng)用較多的LRM模塊為例來分析夾具的設(shè)計，夾具模型如圖1所示，該夾具采用左右對稱設(shè)計，由60mm厚的2A12鋁合金扳機加而成，通過11個M8的螺釘固定在振動臺上，另外該夾具還具有以下幾個特點：第一，夾具有兩條平滑的導(dǎo)軌，用于裝夾LRM模塊，且尺寸、位置和表面精度均較高；第二，該夾具有帶印制板的電子裝置，對電裝部分應(yīng)加以保護；第三，夾具自身有多處螺釘連接（螺釘連接部位不是夾具主體部分），在裝配螺紋時，涂螺紋鎖固劑樂泰243。

2.2 模態(tài)仿真

利用ANSYS有限元仿真分析軟件，對夾具進(jìn)行模態(tài)仿真，試驗樣機的振動試驗頻率為10～2000Hz，則夾具的一階固有頻率在3000Hz左右為宜。由于夾具的電裝部分作為輔助裝置對試件的振動環(huán)境沒有明顯影響，因此在模態(tài)仿真時，可以去除夾具電裝，簡化后的夾具外形及網(wǎng)格劃分效果如圖2所示；發(fā)生在電裝位置的固有頻率對夾具主體無影響，不作為夾具整體的固有頻率。夾具的一階固有頻率如圖3所示，頻率值為3522.7Hz，表現(xiàn)為夾具兩側(cè)的翻動。頻率值較高，表明夾具還有優(yōu)化設(shè)計的余地。

2.3 優(yōu)化設(shè)計

由于該夾具整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計是滿足夾具設(shè)計原則的，因此只需減小其重量。返回CAD軟件修改夾具的三維模型，減小了夾具底部、側(cè)面和加強筋的厚度尺寸，原夾具的重量為5.52kg，優(yōu)化之后的重量為4.63kg，共減重了0.89kg，然后重新對夾具進(jìn)行仿真分析，其一階固有頻率如圖4所示，頻率值降為3108.6Hz，已經(jīng)基本滿足設(shè)計要求。優(yōu)化后的試驗夾具在投入使用的一年中，共經(jīng)歷了30余次隨即振動試驗，效果良好。

3 結(jié)論

優(yōu)質(zhì)的振動夾具應(yīng)保證能夠準(zhǔn)確地將振動臺的能量傳遞到試驗樣機，且不會發(fā)生共振耦合，本論文提供了一種夾具設(shè)計的思路，首先要了解夾具設(shè)計的基本原則，包括材料和加工方式的選擇、電裝部分的設(shè)計等內(nèi)容；其次使用CAD軟件建立三維模型；然后利用有限元仿真分析軟件（如ANSYS）進(jìn)行模態(tài)仿真；最后才能生產(chǎn)使用。有限元分析軟件的應(yīng)用大大地簡化了對固有頻率的計算，是提高結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量和效率的有效手段。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Dave S Steinberg. Vibration Analysis for Electronic Equipment，Third Edition[M]. 北京：航空工業(yè)出版社，2012.

[2] 胡波，何林.振動試驗夾具的設(shè)計[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2005，23（3）：45-48.