某機(jī)載顯示器振動試驗夾具設(shè)計

孫 濤，皮志超，羅立生，史治宇

(1.上海航翼高新技術(shù)發(fā)展研究院有限公司，上海 200082；2.國營長虹機(jī)械廠，廣西 桂林 541003；3.南京航空航天大學(xué) 航空學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

運20、C919以及空警2000等大飛機(jī)的橫空出世，標(biāo)志著我國在航空領(lǐng)域從量變到質(zhì)變的跨越，飛機(jī)性能的不斷提高對機(jī)載電子設(shè)備的可靠性提出了更高的要求。在機(jī)載電子設(shè)備的生產(chǎn)、運輸和使用過程中其都承受著各類振動、加速度、噪聲等動力學(xué)環(huán)境作用，從而常導(dǎo)致電子設(shè)備中緊固件松動、元器件焊點斷裂等故障。為了確保機(jī)載電子設(shè)備的安全可靠性，在機(jī)載電子設(shè)備的研制、運輸和維修中都應(yīng)按照國軍標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)振動試驗[1-4]。

振動試驗夾具的作用是將振動臺的能量和振動試驗譜的特性傳遞至試驗件。理想的振動夾具應(yīng)具有優(yōu)良的動態(tài)傳遞特性，如果夾具的傳遞特性不佳，則在振動試驗中會出現(xiàn)“過試驗”或者“欠試驗”的現(xiàn)象[5]，所以振動夾具設(shè)計是振動試驗成功與否的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前國內(nèi)還沒有完善的振動試驗夾具設(shè)計規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，20世紀(jì)60年代末曾給出一個夾具設(shè)計動特性表，見文獻(xiàn)[6]。近年來，國內(nèi)諸多學(xué)者對機(jī)載設(shè)備產(chǎn)品[7-10]以及機(jī)載外掛產(chǎn)品[11-13]的振動夾具設(shè)計開展了一系列研究，王紅瑞等[14]通過對比不同的振動夾具動特性得出基于動特性設(shè)計的夾具能更好地保證振動試驗過程中能量較好的傳遞。劉曉晨等[15]提出振動夾具的設(shè)計在考慮靜剛度要求的前提下更應(yīng)強(qiáng)調(diào)能夠表征振動過程的動態(tài)特性量，如振動傳遞率、放大因子、正交性系數(shù)等。文獻(xiàn)[16-19]闡述了振動試驗夾具的設(shè)計與測試方法。

本文根據(jù)某機(jī)載顯示器的振動試驗要求，開展了振動夾具的設(shè)計研究，并應(yīng)用商用軟件對夾具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元建模，開展了振動夾具的動特性分析，得到了夾具的固有頻率和振型、頻響函數(shù)以及PSD譜作用下的隨機(jī)振動加速度響應(yīng)，驗證了所設(shè)計振動夾具的動態(tài)特性滿足振動試驗要求。

1 機(jī)載顯示器振動夾具設(shè)計要求

1.1 振動夾具設(shè)計輸入條件

某機(jī)載顯示器外形如圖1所示，為立方體形狀，長×寬×高為250 mm×208 mm×165 mm，質(zhì)量大約7.6 kg，通過前端面兩個螺釘、后端面兩個定位銷的方式安裝在設(shè)備架上。

圖1 某機(jī)載顯示器

顯示器需要進(jìn)行15 Hz～2 000 Hz的隨機(jī)振動試驗，功率譜密度函數(shù)如圖2所示，試驗時間為10 min，方向垂直向上。

圖2 某機(jī)載顯示器振動試驗的功率譜密度

顯示器振動試驗所用電動振動臺系統(tǒng)型號為DC-10000，額定激振力為54 kN，頻率為2 Hz～2 500 Hz，動圈重量為40 kg，垂直擴(kuò)展臺重量為70 kg。由于振動臺臺面連接孔較少，為了便于夾具安裝于振動臺，設(shè)計了幾何尺寸如圖3所示的轉(zhuǎn)接板。

圖3 轉(zhuǎn)接板

1.2 振動夾具設(shè)計要求

振動夾具設(shè)計應(yīng)滿足國軍標(biāo)GJB150.16A-2009的規(guī)定，具體要求如下：①振動夾具需方便連接，并保證顯示器在振動試驗中與其機(jī)載工作狀態(tài)受力一致；②振動夾具的頻響特性應(yīng)盡量平坦，共振峰處放大因子不大于4，另外正交性運動要小于1、振動偏差不超過50%左右；③在試驗頻率范圍內(nèi)，振動夾具應(yīng)避免與顯示器發(fā)生共振耦合[20]；④振動夾具材料優(yōu)先選擇比剛度大、阻尼大的材料；⑤振動夾具滿足強(qiáng)度和變形要求，在試驗過程中沒有干涉。

2 振動夾具設(shè)計

依據(jù)設(shè)計輸入條件，可以按照如下的步驟進(jìn)行夾具設(shè)計：①夾具最大允許質(zhì)量預(yù)估，以避免試驗過程中總質(zhì)量超過振動臺的靜載荷和最大推力能力(盡量采用比剛度大、剛度阻尼大的材料)；②依據(jù)產(chǎn)品的尺寸形狀、安裝方式以及試驗狀態(tài)等因素進(jìn)行產(chǎn)品振動夾具的初始設(shè)計；③確定振動夾具的質(zhì)量和質(zhì)心位置，并結(jié)合產(chǎn)品的質(zhì)量和質(zhì)心計算振動夾具與產(chǎn)品裝配后的總質(zhì)心位置，并使其落于振動臺面中心處；④對初始設(shè)計夾具進(jìn)行有限元建模和分析，驗證振動夾具是否滿足剛度、強(qiáng)度以及動特性要求；⑤修改初始設(shè)計模型，重復(fù)第③和第④步，直至得到符合設(shè)計要求的振動夾具。

由于振動臺的額定推力的限制，最大允許夾具質(zhì)量可根據(jù)振動臺推力和試件質(zhì)量來估算，即：

(mf+mt+ma)a≤F.

(1)

其中:mf、mt和ma分別為夾具、產(chǎn)品和動圈的質(zhì)量；a為正弦加速度峰值或隨機(jī)振動加速度的均方根值；F為振動臺的最大推力。

根據(jù)機(jī)載顯示器夾具設(shè)計的輸入條件以及上述設(shè)計流程，顯示器的最終夾具設(shè)計圖以及夾具與顯示器的裝配圖(總質(zhì)心落于振動臺面中心)如圖4所示。

圖4 機(jī)載顯示器夾具三維圖

夾具通過19個M10的螺栓與振動臺連接，通過兩個直徑6 mm的定位銷和后端兩個M8的螺釘與顯示器連接，完全模擬產(chǎn)品機(jī)載安裝方式。夾具采用鋁材整體鑄造而成，其中定位銷設(shè)計為45鋼的機(jī)加部件，便于裝配和更換。

3 振動工裝的動力學(xué)分析

3.1 模態(tài)分析

應(yīng)用商用軟件MSC/Patran、Nastran對夾具進(jìn)行有限元建模和分析，易知夾具滿足強(qiáng)度和變形要求，不再贅述。由模態(tài)分析得到的振動夾具前5階固有頻率如表1所示，前4階模態(tài)振型如圖5所示。振動夾具的第1階固有頻率大于2 000 Hz，超過15 Hz～2 000 Hz的試驗頻段范圍，所以振動夾具不會與顯示器發(fā)生耦合共振。

表1 振動夾具前5階固有頻率

圖5 振動夾具前4階模態(tài)振型

3.2 頻響和隨機(jī)響應(yīng)分析

應(yīng)用有限元軟件，采用大質(zhì)量法進(jìn)一步對振動夾具進(jìn)行單位激勵下的加速度響應(yīng)分析，夾具與顯示器4個連接處的響應(yīng)函數(shù)等價于頻響函數(shù)，如圖6所示。由圖6可知，2 000 Hz以內(nèi)沒有共振峰。施加如圖2所示的加速度均方根7.851g的基礎(chǔ)激勵，可求得如圖4(a)所示的前后4個連接處的隨機(jī)加速度響應(yīng)，依據(jù)4個連接處的隨機(jī)響應(yīng)均方根值可計算得到夾具的正交運動特性以及4個連接處之間的響應(yīng)偏差，計算結(jié)果見表2。

圖6 夾具與顯示器4個連接處的頻響函數(shù)曲線

由表2可知：振動夾具Y方向激勵時，產(chǎn)品裝夾處測點的X向正交性系數(shù)最大為0.056，平均值為0.049；Z向正交性系數(shù)最大為0.072，平均值為0.057；4個裝夾處之間的相互偏差最大不超過4.89%。

表2 監(jiān)測點加速度響應(yīng)均方根、正交性系數(shù)及相對誤差

通過對振動夾具的模態(tài)、頻響和隨機(jī)振動響應(yīng)的計算，可知振動夾具的傳遞特性、正交性運動和裝夾處之間的允許偏差都滿足1.2節(jié)所列出的振動夾具動態(tài)設(shè)計要求。

4 結(jié)論

針對某機(jī)載顯示器產(chǎn)品，本文依據(jù)振動夾具設(shè)計要求和步驟，設(shè)計了機(jī)載顯示器的隨機(jī)振動試驗夾具，應(yīng)用商用有限元軟件建立了夾具的有限元模型，并進(jìn)行了模態(tài)、頻響和隨機(jī)振動響應(yīng)分析。由計算數(shù)據(jù)可知：①夾具的第1階固有頻率大于2 000 Hz；②夾具的頻響函數(shù)在15 Hz～2 000 Hz以內(nèi)基本平坦，沒有明顯的共振峰；③夾具與顯示器裝夾處的正交性運動系數(shù)最大不超過0.072，相互偏差最大不超過4.89%。結(jié)果顯示夾具具有優(yōu)秀的動態(tài)傳遞特性，能夠滿足振動試驗要求。