雷達組件綜合應力振動夾具的分析與優(yōu)化

陳路加，潘占，侯守武

（中國電子科技集團公司 第三十八研究所，合肥 230088）

引言

機載雷達組件是雷達數(shù)據發(fā)射和接收的核心部件。為降低雷達組件生命周期費用，依據相應產品規(guī)范開展綜合應力拷機試驗，以保證雷達組件，剔除早期失效，穩(wěn)定其可靠性。經歷綜合應力試驗篩選后，對有著集成度高、熱集中、器件品種多等重要特性的雷達組件的可靠性有很大提升[1-3]。綜合應力試驗剖面作為實驗的關鍵因素，根據國標和組件使用條件確定。綜合應力試驗夾具的設計一方面需滿足批量組件試驗進度要求，同時需要保證應力試驗剖面的有效傳遞，其一階共振頻率是衡量其設計質量的一個重要參數(shù)[4]。

1 試驗情況及故障現(xiàn)象

試驗用的雷達組件綜合應力試驗夾具共有36個組件安裝接口，其中左右側各18個，分為上下兩組。每個組件通過導引結構插在試驗夾具上，組件兩側的楔形鎖緊器擰緊后固定在試驗夾具支架上；組件中部的楔形鎖緊器使其中9個組件形成一個整體結構，組件試驗的狀態(tài)示意圖如圖1所。

圖1 組件試驗的狀態(tài)示意圖

綜合應力試驗振動應力試驗條件：組件綜合應力試驗，包括溫度應力、振動應力、電應力，由于溫度應力和電應力并不是本次關注的對象，且在同一振動時間段內振動應力剖面不變，所以試驗中僅考慮振動應力，綜合應力試驗的振動應力譜見圖2。

在綜合應力試驗裝夾過程中，為保證被試驗組件狀態(tài)均勻，安裝時按順序均勻緊固所有楔形鎖緊器。試驗進行一段時間后，逐步出現(xiàn)了蓋板磨損、組件助拔器斷裂和蓋板磨穿的現(xiàn)象，見圖3所示。

隨著試驗的進行，振動響應超范圍的表現(xiàn)越來越明顯，夾具也出現(xiàn)了支耳斷裂和支架振裂的結構故障。這種強烈的夾具結構件損壞在前期多次常規(guī)振動實驗中從未出現(xiàn)相關征兆和跡象，只在這次綜合應力實驗過程中逐步出現(xiàn)。 振動夾具結構故障如圖4所示。

2 故障原因分析

為了分析綜合應力實驗過程中出現(xiàn)故障原因，在組件安裝完成后，在試驗振動夾具上布置振動測點，檢測振動響應，如圖5所示。由于傳感器限制，在a1、a2、b1、b2、c1安裝三向傳感器，在c2、e1、e2安裝單向傳感器，單向傳感器監(jiān)測方向為豎直方向（y向）。因此后續(xù)數(shù)據處理及結果對比中，a1、a2、b1、b2、c1五個點有三個方向的測試數(shù)據，c2、e1、e2三個點僅有豎直方向（y向）的測試數(shù)據。

左側組件共布置有四個測點，自下而上編號依次為a1、b1、c1、e1，分別布置在左側第18行、第15行、第10行和第1行組件的中點位置。各點對應的通道編號為 a1 (1,3,2)，b1 (7,17,8)，c1 (21,22,23)，e1 (26)。各點豎直方向的振動響應均遠大于水平和法向的振動響應，左側組件振動響應先減小后增大，最底部（左側第18行）組件中點處豎直方向振動響應最大，為41 g。

右側組件共布置有四個測點，自下而上依次為a2、b2、c2、e2，分別布置在右側第18行、第15行、第10行和第1行組件的中點位置。各點對應的通道編號分別為 a2 (4,6,5)，b2 (18,20,19)，c2 (25)，e2 (27)。右側組件振動響應與左側相似，先減小后增大，最底部（右側第18行）組件中點處豎直方向振動響應最大，為19 g。

圖2 綜合應力試驗振動應力譜

圖3 組件結構故障表現(xiàn)

圖4 振動夾具結構故障表現(xiàn)

圖5 組件振動檢測點

根據測試的響應結果，出現(xiàn)了明顯的超范圍響應，為了判定振動夾具的疲勞損傷是否因為其一階共振頻率與綜合應力條件重疊，現(xiàn)場采集了白噪聲和綜合應力試驗振動激勵下的振動響應，白噪聲條件如表1所示。

在白噪聲和綜合應力條件激勵下，組件處測得的響應值如圖6和圖7所示。

可得出白噪聲測試結果，左列最大響應位于106 Hz附近，右列最大響應位于124 Hz附近。由此看出，此振動夾具的一階共振頻率已經下降至綜合應力試驗的窄帶激勵中心108 Hz±10 %范圍內或其附近。在綜合應力振動條件的激勵下，組件處測得的響應值左列振動響應均方根值為12.79～41.59 g，右列振動響應均方根值為14.19～25.19 g。響應值明顯超出了常規(guī)響應值。綜上可得出，振動夾具在綜合應力實驗過程中發(fā)生了明顯的一階共振頻率下的共振。

表1 白噪聲激勵條件

圖6 振動夾具裝夾組件在白噪聲激勵下響應

圖7 振動夾具裝夾組件在綜合應力激勵下響應

圖8 立柱安裝法蘭斷裂

根據檢測結果對表現(xiàn)故障的振動夾具進行拆解，維修松動和疲勞損傷的位置。在拆卸的過程中可以發(fā)現(xiàn)，支架與立柱的安裝螺釘有松動；組件兩側鎖緊器連接螺釘在試驗過程中和檢查過程中發(fā)現(xiàn)有松動和脫落；最嚴重的情況是，在立柱進行拆解的過程中，發(fā)現(xiàn)立柱與振動夾具骨架連接的安裝法蘭發(fā)生斷裂（見圖8）。都是強烈一階共振頻率下共振的明顯表象。

3 振動夾具優(yōu)化

為了解決振動夾具一階共振頻率與綜合應力試驗振動激勵頻率重疊的問題，采用增強夾具的剛度，提升夾具固有頻率的方法避開共振點?；诮Y構振動參數(shù)識別技術，在振動夾具組件裝夾列的上中下都加裝支撐架，使分成上下兩個部分的組件在裝夾時能夠形成一個整體，并通過支撐架和振動夾具骨架相連，增強剛度；同時，加厚立柱增強其剛性。改進后裝夾形式如圖9所示。

利用改進后的振動夾具作為夾具繼續(xù)進行綜合應力試驗。試驗前，為了驗證維修后振動夾具固有頻率的提升，在白噪聲和綜合應力試驗振動的激勵下測試振動夾具的振動響應，測試結果如圖10和圖11所示。

由上面振動響應測試結果得出，結構振動的最大響應頻率分別為155 Hz與165 Hz，有效避開了108 Hz±5 %和216 Hz±10 %尖峰帶寬，左側振動響應均方根值為8.51～11.95 g，右側振動響應均方根值為7.78～12.35 g，在正常響應范圍內。

在實際試驗過程中，組件蓋板磨損的情況基本解決，只有少數(shù)因為裝夾原因發(fā)生輕微磨損（見圖12）。組件結構件損壞的情況也很少出現(xiàn)。振動夾具改進效果滿足綜合應力試驗需求。

圖9 振動夾具加裝支撐架

圖10 在白噪聲激勵下振動夾具裝夾組件響應

圖11 在綜合應力試驗條件激勵下振動夾具裝夾組件響應

圖12 改進后組件蓋板磨損情況

后期試驗中，為了檢測組件上的振動響應、避免過試驗情況的發(fā)生，按照上述排布點安裝檢測點，通過實時監(jiān)測組件振動響應，避免經歷長期振動后夾具一階共振頻率下降或裝夾方式不合理造成的響應頻率與激勵共振的現(xiàn)象。

4 結論

原始振動夾具存在一階共振頻率與綜合應力試驗振動激勵頻率共振現(xiàn)象，原始振動夾具存在裝夾結構剛性不足以及固有頻率與加載綜合應力激勵頻率接近的問題。利用基于結構振動參數(shù)識別的剛度改進技術，在振動夾具的局部區(qū)域增加支撐筋板，增強結構件剛性，提高了整體結構的固有頻率，避開振動激勵條件中的窄帶，降低高能量頻帶內的振動響應；同時，綜合應力環(huán)境下的振動響應的實時監(jiān)測，周期性監(jiān)測組件上典型測點的振動響應，解決了綜合應力試驗中的組件一階固有頻率下共振造成的殼體損害問題。