某航天閥門(mén)產(chǎn)品力學(xué)試驗(yàn)夾具研制與試驗(yàn)分析

馮盟蛟，張文勝，次永偉，蔡平，張毅

（上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245）

引言

各種航天器不斷向著復(fù)雜、高性能方向發(fā)展，面臨的運(yùn)輸、裝卸、起落、發(fā)射、飛行、分離等過(guò)程中誘導(dǎo)產(chǎn)生的力學(xué)環(huán)境更加嚴(yán)酷[1]。為保證其良好的工作性能、精度、安全性與可靠性，航天器力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)成為解決問(wèn)題的關(guān)鍵[2]。其中振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)是航天器研制過(guò)程中的重要試驗(yàn)項(xiàng)目，其目的一方面是對(duì)航天器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證；另一方面就是對(duì)航天器的制造質(zhì)量進(jìn)行環(huán)境檢驗(yàn)，而設(shè)計(jì)合理的振動(dòng)試驗(yàn)夾具與控制策略則是試驗(yàn)真實(shí)性的重要保障，并能夠保證試驗(yàn)順利進(jìn)行。振動(dòng)試驗(yàn)夾具[3,4]是連接振動(dòng)臺(tái)和試件的過(guò)渡裝置，最主要的功能是通過(guò)機(jī)械連接，將振動(dòng)臺(tái)釋放的能量傳遞給試驗(yàn)產(chǎn)品。早在上世紀(jì)70年代，Klee B J[5]便對(duì)力學(xué)試驗(yàn)夾具技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并從夾具類型、材料、設(shè)計(jì)、制造與測(cè)試鑒定等方面進(jìn)行了全面的闡述，給出了夾具設(shè)計(jì)、制作、分析的完整流程與方法。在國(guó)外，自從工程技術(shù)人員將快速傅里葉變換（FFT）[6]、有限元方法、隨機(jī)振動(dòng)及譜分析[7]等理論知識(shí)應(yīng)用在工程實(shí)踐中，振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)顯著發(fā)展并制定了一系列的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，例如美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-810B 514.5《振動(dòng)》[8]。隨著數(shù)值分析和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，三維模擬建模和有限元仿真分析等技術(shù)也漸漸被運(yùn)用于振動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)分析[9]。目前很多國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)人員已經(jīng)開(kāi)展了很多的振動(dòng)試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化工作[10-14]。

目前多種運(yùn)載型號(hào)閥門(mén)研制試驗(yàn)過(guò)程中屢次發(fā)生試驗(yàn)裝置頻響特性差導(dǎo)致的試驗(yàn)失敗甚至產(chǎn)品報(bào)廢的現(xiàn)象，暴露出力學(xué)試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)存在嚴(yán)重技術(shù)短板，也暴露出“重產(chǎn)品輕試驗(yàn)裝置”這種設(shè)計(jì)思路的缺陷。力學(xué)試驗(yàn)裝置動(dòng)態(tài)特性的好壞直接影響試驗(yàn)的可靠性，甚至關(guān)乎整個(gè)試驗(yàn)成敗，動(dòng)態(tài)特性差的夾具會(huì)出現(xiàn)環(huán)境試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)件的考核處于欠考核或過(guò)考核狀態(tài)，達(dá)不到環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)考核的真正目的，不利于真實(shí)暴露產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造缺陷，給產(chǎn)品的研制進(jìn)程造成極大的障礙，為此夾具投入試驗(yàn)之前，必須掌握它的動(dòng)態(tài)特性[15]?；诖?，本文針對(duì)某航天閥門(mén)產(chǎn)品，根據(jù)閥門(mén)產(chǎn)品的振動(dòng)特性和試驗(yàn)要求，進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)夾具的研制設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)特性分析、試驗(yàn)驗(yàn)證等研究。

1 力學(xué)試驗(yàn)夾具的設(shè)計(jì)

1.1 航天閥門(mén)產(chǎn)品模型及力學(xué)實(shí)驗(yàn)條件

閥門(mén)產(chǎn)品作為運(yùn)載火箭增壓輸送系統(tǒng)重要的功能控制元件，對(duì)運(yùn)載火箭飛行試驗(yàn)成功起著至關(guān)重要的作用，在火箭發(fā)射飛行過(guò)程中，發(fā)生的各種故障，會(huì)極大降低產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性，給運(yùn)載火箭的飛行帶來(lái)極大的質(zhì)量隱患。經(jīng)粗略統(tǒng)計(jì)，一發(fā)火箭配套閥門(mén)產(chǎn)品數(shù)量少則8種（22件），多則34種（46件），鑒于運(yùn)載火箭閥門(mén)產(chǎn)品種類眾多，本文主要以排氣閥為研究對(duì)象，針對(duì)排氣閥的振動(dòng)試驗(yàn)，進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)夾具的研制和試驗(yàn)分析，圖1所示為排氣閥結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 排氣閥結(jié)構(gòu)示意圖

排氣閥振動(dòng)試驗(yàn)包括低頻正弦掃描試驗(yàn)（條件如表1所示）、正弦和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)（條件如表2所示），該排氣閥產(chǎn)品的X、Y、Z三個(gè)方向的一階固有頻率分別為397 Hz、401 Hz、397 Hz。試驗(yàn)過(guò)程中將產(chǎn)品固定在試驗(yàn)夾具上，按照低頻正弦振動(dòng)驗(yàn)收級(jí)、隨機(jī)振動(dòng)驗(yàn)收級(jí)的順序依次完成驗(yàn)收級(jí)振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)簡(jiǎn)圖如圖2所示。振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)要求控制輸入的振動(dòng)傳感器安裝在A口a面上，同時(shí)在B、C口安裝相應(yīng)的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)b、c。

1.2 力學(xué)試驗(yàn)夾具的設(shè)計(jì)

1.2.1 力學(xué)夾具傳遞特性基本理論

在振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，夾具接受振動(dòng)臺(tái)的激勵(lì)，并將這種激勵(lì)轉(zhuǎn)遞給被試件，假如將夾具整體視為一個(gè)慣性質(zhì)量，夾具和被試件之間采用螺栓連接，從動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)看，任何螺栓連接都可以視為彈性連接，因此，可將系統(tǒng)簡(jiǎn)化成如圖3所示。在圖3中，m1為夾具質(zhì)量；k為夾具與被試件的連接彈簧(連接螺栓)；m2為被試件質(zhì)量；c為夾具與被試件間的阻尼。

螺栓的彈性系數(shù)可用下式計(jì)算：

式中：

E—螺栓材料的彈性模量，kg/cm2；

S—螺栓的有效橫切面積，cm2；

L—螺栓的有效長(zhǎng)度，cm。

在圖3中，振動(dòng)臺(tái)通過(guò)彈簧k和阻尼c轉(zhuǎn)遞的力作用在一個(gè)有限的慣性質(zhì)量m2上，當(dāng)振動(dòng)臺(tái)給夾具一個(gè)激勵(lì)力F0sinωt時(shí)，夾具質(zhì)量(m1)自身的振動(dòng)幅值x1會(huì)隨著激勵(lì)頻率的變化按照?qǐng)D4的規(guī)律產(chǎn)生振動(dòng)。轉(zhuǎn)遞給被試件質(zhì)量(m2)的振動(dòng)（力）是彈簧力kx和阻尼力cωx之合力F1，即：

定義被試件質(zhì)量塊(m2)上得到的振動(dòng)力值F1（即夾具的轉(zhuǎn)遞力）與夾具質(zhì)量(m1)上的外部激勵(lì)力F0之比值，稱為絕對(duì)轉(zhuǎn)遞系數(shù)A（或稱轉(zhuǎn)遞率），轉(zhuǎn)遞率隨激勵(lì)頻率ω的變化狀況見(jiàn)圖4所示。

表1 低頻正弦掃描試驗(yàn)條件

表2 振動(dòng)試驗(yàn)條件

圖2 排氣閥振動(dòng)試驗(yàn)簡(jiǎn)圖

圖3 夾具與被試件連接簡(jiǎn)化圖

圖4 夾具傳遞振動(dòng)的絕對(duì)傳遞率圖

式中：

ωn—無(wú)阻尼的固有頻率；

C0—臨界阻尼系數(shù)。

在圖4中， f為激勵(lì)頻率，即傳遞振動(dòng)的頻率，fn為夾具的諧振頻率，兩者與傳遞率之間的關(guān)系如下：

1）f/ fn＜0.5：傳遞率小于2.0；

2）f/ fn= 1.0：傳遞率達(dá)到最大，放大的幅值與阻尼系數(shù)ξ成反比；

3） f/ fn＜1.41：傳遞率大于1.0；

4） f/ fn= 1.41：傳遞率等于1.0；

5） f/ fn＞1.41：夾具的振動(dòng)傳遞率是隨著激勵(lì)頻率的增高而減小。

從絕對(duì)轉(zhuǎn)遞系數(shù)A的表達(dá)式及圖4可知：振動(dòng)臺(tái)給與夾具的激勵(lì)能量（力值）與夾具的動(dòng)力特性相關(guān)，只有激勵(lì)頻率ω（ω=2πf） 與夾具的無(wú)阻尼固有頻率ωn之比小于1.41時(shí)，這種轉(zhuǎn)遞是有效的，當(dāng)這個(gè)比值大于1.41以后，振動(dòng)臺(tái)給與夾具的能量會(huì)有部分消耗在夾具的振動(dòng)上，只有一部分通過(guò)夾具轉(zhuǎn)遞給與夾具彈性連結(jié)的試驗(yàn)件上，ω/ωn的比值越大，消耗于夾具振動(dòng)的能量就越多，通過(guò)夾具轉(zhuǎn)遞給試驗(yàn)件的能量就越少。因此，在設(shè)計(jì)夾具時(shí)，夾具的諧振頻率最好是高于0.7倍的最高工作頻率值。

1.2.2 力學(xué)試驗(yàn)夾具模型設(shè)計(jì)

力學(xué)試驗(yàn)夾具采用的是對(duì)稱分布方式，兩側(cè)各兩根加強(qiáng)筋保證夾具的強(qiáng)度滿足要求，加強(qiáng)筋厚度為15 mm，選擇夾具的底板厚度為20 mm，中心垂直板的厚度為25 mm，左側(cè)底板設(shè)置2×4個(gè)安裝孔，右側(cè)底板設(shè)置4個(gè)孔位，試驗(yàn)夾具底板尺寸為550 mm×270 mm，材料選擇鋁合金（牌號(hào)LF5），具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

2 力學(xué)試驗(yàn)夾具結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

2.1 力學(xué)試驗(yàn)夾具仿真分析

2.1.1 力學(xué)試驗(yàn)夾具有限元模型建立

基于力學(xué)試驗(yàn)夾具的三維模型，通過(guò)有限元ANSYS仿真軟件，采用實(shí)體單元（Solid185單元）建立精細(xì)有限元模型（見(jiàn)圖6），該模型共由5 876個(gè)單元以及9 271個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，并采用多點(diǎn)約束中的純剛性（Rbe2）連接模擬試驗(yàn)夾具與振動(dòng)臺(tái)之間的螺栓連接。

2.1.2 力學(xué)試驗(yàn)夾具固有特性分析

模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析中必不可少的一項(xiàng)，計(jì)算出結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，可以了解構(gòu)件與支撐結(jié)構(gòu)間的相互影響。根據(jù)力學(xué)試驗(yàn)夾具三維模型，建立其有限元模型并進(jìn)行三個(gè)方向（X、Y、Z）的模態(tài)分析，模態(tài)結(jié)果如圖7所示，并與產(chǎn)品結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，具體對(duì)比結(jié)果如表3所示。

圖5 力學(xué)試驗(yàn)夾具模型示意圖

圖6 力學(xué)試驗(yàn)夾具有限元模型

圖7 力學(xué)試驗(yàn)夾具模態(tài)結(jié)果

觀察表3可知，產(chǎn)品一階固有頻率與夾具一階固有頻率（仿真結(jié)果）之比在0.1 ～ 1.4之間，滿足指標(biāo)要求，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和仿真結(jié)果的可靠性，為后續(xù)夾具生產(chǎn)加工提供理論依據(jù)。

2.2 力學(xué)試驗(yàn)夾具結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

2.2.1 力學(xué)試驗(yàn)夾具測(cè)試過(guò)程

根據(jù)夾具圖紙進(jìn)行生產(chǎn)加工后，試驗(yàn)夾具實(shí)物圖如圖8所示，夾具通過(guò)螺栓固定在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上，具體方向示意圖及夾具的安裝方式詳見(jiàn)圖8，試驗(yàn)過(guò)程中采用兩點(diǎn)平均控制，控制點(diǎn)粘貼在試驗(yàn)夾具底座上，測(cè)量點(diǎn)粘貼在產(chǎn)品與試驗(yàn)夾具連接的安裝面上靠近產(chǎn)品法蘭處，對(duì)產(chǎn)品三個(gè)方向分別施加正弦激勵(lì)，激勵(lì)條件見(jiàn)表1。

2.2.2 力學(xué)試驗(yàn)夾具試驗(yàn)結(jié)果評(píng)定

根據(jù)GJB 150.16A-2009中的規(guī)定，按照表1所列試驗(yàn)要求，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行并完成了X、Y、Z 三個(gè)方向的正弦掃頻試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，圖中可見(jiàn)試驗(yàn)夾具X向、Y向、Z向的一階固有頻率分別為783 Hz、649 Hz、1 180 Hz，其力學(xué)特性表如表4所示。

表3 力學(xué)試驗(yàn)夾具特性表

圖8 力學(xué)試驗(yàn)夾具安裝圖及坐標(biāo)定義圖

圖9 力學(xué)試驗(yàn)夾具三個(gè)方向的一階特性

表4 力學(xué)試驗(yàn)夾具特性表

觀察圖9，可通過(guò)半功率計(jì)算方法進(jìn)行品質(zhì)因子的計(jì)算，經(jīng)計(jì)算，該夾具在X向品質(zhì)因子為22.37，Y向品質(zhì)因子為10.816，Z向品質(zhì)因子為33.71，對(duì)應(yīng)的阻尼比分別為0.022，0.046，0.015， Y向、Z向的放大倍數(shù)為5.68、10.2，夾具的橫向振動(dòng)比均小于15 %，符合夾具的基本要求。從表4中可見(jiàn)，產(chǎn)品一階固有頻率與夾具一階固有頻率之比的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果相符，且數(shù)值均在0.1 ～ 1.4之間可滿足指標(biāo)要求。因此，本文所研制的夾具滿足性能要求，可用于排氣閥產(chǎn)品的振動(dòng)試驗(yàn)。

3 基于力學(xué)試驗(yàn)夾具的航天閥門(mén)產(chǎn)品試驗(yàn)分析

試驗(yàn)夾具經(jīng)過(guò)驗(yàn)證符合試驗(yàn)要求后，按照表2振動(dòng)條件進(jìn)行排氣閥產(chǎn)品振動(dòng)試驗(yàn)，產(chǎn)品安裝示意圖如圖10所示。

排氣閥產(chǎn)品通過(guò)螺栓固定在試驗(yàn)夾具上，試驗(yàn)夾具通過(guò)螺栓固定在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上，試驗(yàn)采用兩點(diǎn)平均控制，控制點(diǎn)粘貼在產(chǎn)品法蘭A口與試驗(yàn)夾具的連接界面上，測(cè)量點(diǎn)粘貼在產(chǎn)品法蘭B端面上。X向、Y向和Z向三個(gè)方向的振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果分別如圖11、圖12、圖13所示：圖中control為實(shí)際控制曲線；Ref為設(shè)定的試驗(yàn)曲線；Alarm-和Alarm+分別為報(bào)警下限和報(bào)警上限；Abort-和Abort+分別為中斷下限和中斷上限。

圖10 產(chǎn)品安裝示意圖

圖11 閥門(mén)產(chǎn)品X向試驗(yàn)曲線

圖12 閥門(mén)產(chǎn)品Y向試驗(yàn)曲線

圖13 閥門(mén)產(chǎn)品Z向試驗(yàn)曲線

由圖11～13可知，三個(gè)方向在產(chǎn)品低頻正弦振動(dòng)試驗(yàn)中控制點(diǎn)實(shí)際控制曲線(control)均受控良好，且都在允差允許的范圍內(nèi)；隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中控制點(diǎn)實(shí)際控制曲線(control)也均受控良好，并且都在允差允許的范圍內(nèi)。因此，可以得出結(jié)論：本文試驗(yàn)結(jié)果滿足指標(biāo)要求，排氣閥產(chǎn)品順利完成力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)考核，也進(jìn)一步證明了所研制的力學(xué)試驗(yàn)夾具的合理性和可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以航天閥門(mén)典型產(chǎn)品為研究對(duì)象，針對(duì)航天閥門(mén)典型產(chǎn)品的振動(dòng)試驗(yàn)特性和試驗(yàn)要求，進(jìn)行了產(chǎn)品力學(xué)試驗(yàn)夾具的設(shè)計(jì)和討論、仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證等工作，并通過(guò)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了本文試驗(yàn)夾具的合理性和可靠性，并將此試驗(yàn)夾具應(yīng)用在航天產(chǎn)品排氣閥振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，從而保證該閥門(mén)產(chǎn)品順利通過(guò)了低頻正弦振動(dòng)和高頻隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的考核，為后續(xù)試驗(yàn)夾具的研制和航天閥門(mén)產(chǎn)品力學(xué)試驗(yàn)的順利進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)。