振動(dòng)試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)優(yōu)化及模態(tài)分析

劉新勝，徐 璐，王 萍，馮 超，張雅卿，張?jiān)茲?，?凡，王洪巖

(中國北方車輛研究所，北京 100071)

工作在各類運(yùn)載工具上的軍用電子產(chǎn)品，在壽命周期的各個(gè)階段，要直接或間接經(jīng)受各種自然環(huán)境和平臺(tái)振動(dòng)和沖擊激勵(lì)環(huán)境的影響，因此電子產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性的優(yōu)劣直接影響到車輛的性能和功能。為確認(rèn)評(píng)估電子產(chǎn)品在真實(shí)機(jī)械振動(dòng)、沖擊環(huán)境應(yīng)力中是否可靠，一般的做法是在環(huán)境試驗(yàn)室模擬振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)。在振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈、臺(tái)面、夾具與試件構(gòu)成一個(gè)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，夾具在試驗(yàn)中發(fā)揮著將試件與振動(dòng)臺(tái)相連接并實(shí)現(xiàn)載荷傳遞的重要作用，夾具的特性對(duì)于振動(dòng)響應(yīng)的影響顯著[1]，關(guān)系到試驗(yàn)?zāi)芊耥樌麑?shí)施，因此要求夾具在試驗(yàn)的頻率范圍內(nèi)具有良好的傳遞特性[2]，傳遞振動(dòng)臺(tái)的激勵(lì)不失真。為此，有必要對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的振動(dòng)臺(tái)夾具設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究[3]，但對(duì)于生產(chǎn)類型多、邊界條件較復(fù)雜的試件，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)夾具就無法滿足要求[4]。

本文以某型產(chǎn)品通用振動(dòng)夾具為研究對(duì)象，基于三維軟件進(jìn)行夾具的實(shí)體建模，并對(duì)其進(jìn)行了模態(tài)分析，得到夾具的固有頻率和振型，對(duì)原夾具進(jìn)行材料、結(jié)構(gòu)等多維度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其滿足產(chǎn)品的試驗(yàn)要求[5]。

1 振動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)

理想狀態(tài)下振動(dòng)夾具能夠使電子產(chǎn)品的力學(xué)參數(shù)不失真地、合理地傳遞到電子產(chǎn)品上[6]。但是，不合理設(shè)計(jì)的夾具也會(huì)使試驗(yàn)試件受到的振動(dòng)環(huán)境產(chǎn)生失真，造成“欠試驗(yàn)”或“過試驗(yàn)”，進(jìn)而直接影響到試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)判[7]。對(duì)于振動(dòng)試驗(yàn)的夾具設(shè)計(jì)，目前尚沒有該類夾具設(shè)計(jì)的國家標(biāo)準(zhǔn)，工程人員遵循的一般設(shè)計(jì)原則是：夾具的第1階固有頻率應(yīng)高于試驗(yàn)產(chǎn)品第l階固有頻率的3～5倍[8]，以減小或避免夾具在試驗(yàn)頻譜范圍內(nèi)產(chǎn)生共振耦合；夾具的阻尼要大，增強(qiáng)改變振動(dòng)幅值效果；夾具垂直于激振方向的橫向響應(yīng)要盡量?。徊ㄐ问д嫘?。

裝甲車輛電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)類型也較多，這其中以中小型試件為主，這對(duì)于小型、簡單夾具是容易做到的，但對(duì)于通用型中大型復(fù)雜夾具則是困難的，甚至是不可能的。為了滿足5～500 Hz的試驗(yàn)頻率范圍，夾具設(shè)計(jì)和計(jì)算時(shí)，其第1階頻率應(yīng)高于最高試驗(yàn)頻率，以避免發(fā)生夾具與試件的共振耦合。因此，對(duì)振動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象的分類不同采用不同的方法[9]。

1.1 材料的選擇

振動(dòng)夾具常用的金屬加工材料為鋼、鋁合金、鎂合金等，盡量選用比剛度大、阻尼大的材料，整個(gè)振動(dòng)頻率試驗(yàn)范圍內(nèi)，夾具的頻響特性應(yīng)平坦，無明顯的諧振峰值。常見的幾種材料的物理特性見表1。

表1 常用振動(dòng)夾具材料的主要物理特性

由于常用的金屬的E/p值接近，改變金屬材料不會(huì)明顯改變夾具的頻率特性[10]，主要考慮夾具質(zhì)量盡量輕以滿足振動(dòng)臺(tái)推力限制，振動(dòng)阻尼要大。因此，質(zhì)量成為設(shè)計(jì)夾具時(shí)的重要參考因素之一，鋁合金作為常用的工業(yè)金屬之一，其密度較小，阻尼特性比鋼要好，同時(shí)鋁合金材料質(zhì)量輕，價(jià)格便宜，也更易于加工。與同質(zhì)量的鋼件相比，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可有效提高夾具剛度。

1.2 夾具固有頻率要求

固有頻率是評(píng)價(jià)夾具動(dòng)力學(xué)性能的重要指標(biāo)[11]。當(dāng)夾具發(fā)生共振時(shí)，輸入和輸出將不再保持相同的值，而且夾具上各個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)也不相同，這樣就對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)產(chǎn)生了影響[12]。裝甲車輛電子產(chǎn)品等中小型試件的振動(dòng)試驗(yàn)中所使用的夾具應(yīng)為剛性夾具，目的是確保不失真地傳遞運(yùn)動(dòng)載荷，就是指在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)不發(fā)生共振。

各種文獻(xiàn)對(duì)柔性夾具固有頻率的設(shè)計(jì)要求并不統(tǒng)一，比較有代表性的是要求夾具的第1階固有頻率大于試件第1階固有頻率的3～5倍，秉持這個(gè)要求的相關(guān)文獻(xiàn)將夾具、試件簡化為二自由度模型，研究表明當(dāng)夾具的基頻大于試件基頻的3～5倍時(shí)，夾具對(duì)載荷的傳遞接近1∶1。實(shí)際上，試件與夾具是復(fù)雜的多自由度系統(tǒng)，系統(tǒng)在載荷頻率范圍內(nèi)存在多階模態(tài)頻率，與簡化的二自由度模型有很大的差異。二自由度模型無法真實(shí)地模擬多自由度系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性及響應(yīng)，因此也難以基于該模型對(duì)夾具提出符合實(shí)際的要求?；\統(tǒng)地要求夾具的基頻大于試件基頻的3～5倍是不合理的，對(duì)于大型試件也往往是無法實(shí)現(xiàn)的。

因此，無論試驗(yàn)對(duì)象是什么結(jié)構(gòu)類型，都是希望夾具的固有頻率盡可能高，在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)不發(fā)生共振，其實(shí)質(zhì)都是要求夾具的第1階固有頻率最大化。該要求對(duì)于試驗(yàn)頻率上限為幾百Hz的小型夾具是可以做到的。

1.3 夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾具的種類繁多，差別很大，有平板型、立方體型、L型和T型等多種類型。GJB 150.16A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法：振動(dòng)試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：試件的技術(shù)狀態(tài)應(yīng)與工作使用時(shí)一致，用于壽命周期內(nèi)工作使用時(shí)相同類型的固定裝置，把試件固定在試驗(yàn)夾具的安裝部位上。

隨著裝甲車輛的電子產(chǎn)品交付數(shù)量逐漸增多，不同試驗(yàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)類型也較多，這其中以中小型試件為主，進(jìn)入批產(chǎn)試驗(yàn)階段，根據(jù)試件尺寸、形狀和工作時(shí)的安裝方式來選擇夾具類型。為減少夾具數(shù)量，要求夾具可完成不同型號(hào)、適用不同結(jié)構(gòu)尺寸試件的振動(dòng)試驗(yàn)。

現(xiàn)有的夾具是一種通用型，夾具的外形尺寸為500 mm×450 mm×400 mm，主要包括底板、垂直于平板的前后框、2個(gè)側(cè)支筋板，底板上8個(gè)螺釘孔用于固定夾具體到固定座上，夾具的材料為A3鋼，采用焊接法完成加工。

2 夾具仿真分析及優(yōu)化

2.1 夾具改進(jìn)前的模態(tài)分析

在三維設(shè)計(jì)軟件確定振動(dòng)夾具模型后，通過仿真分析對(duì)振動(dòng)夾具進(jìn)行模態(tài)的分析，計(jì)算夾具的固有頻率及振型，找到夾具的振動(dòng)及受力薄弱環(huán)節(jié)并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，從而得到滿足要求的夾具。因產(chǎn)品低階模態(tài)對(duì)其振動(dòng)響應(yīng)較大，需要重點(diǎn)考慮，高階模態(tài)的影響在產(chǎn)品實(shí)際工作中可以忽略。本文主要分析夾具的前6階固有頻率和相對(duì)應(yīng)的振型，然后針對(duì)性地對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)改進(jìn)。首先完成了實(shí)體建模，因模型的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到分析的可行性和結(jié)果的準(zhǔn)確性，在系統(tǒng)資源允許的情況下，未對(duì)模型簡化處理，僅去除了用于部件安裝的螺紋孔。網(wǎng)格的劃分有效反映了原幾何形狀，采用標(biāo)準(zhǔn)形式劃分，夾具材料的特性為普通鋼，彈性模量、質(zhì)量密度見表1，劃分有限元網(wǎng)格的夾具如圖，網(wǎng)格單元數(shù)為11 154，邊界條件的設(shè)定為夾具的8個(gè)用于固定的光孔，因此對(duì)夾具的8個(gè)光孔施加幾何固定約束。振動(dòng)夾具前6階的共振頻率見表2，仿真模型網(wǎng)格劃分如圖1所示，第1～4階及第6階模態(tài)振型如圖2～圖6所示。

表2 振動(dòng)夾具的前6階固有頻率

圖1 振動(dòng)夾具仿真模型網(wǎng)格劃分

圖2 第1階模態(tài)振型

圖3 第2階模態(tài)振型

圖4 第3階模態(tài)振型

圖5 第4階模態(tài)振型

圖6 第6階模態(tài)振型

由分析可知，振動(dòng)夾具的第1階固有頻率121.53 Hz小于環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)的要求。夾具的第1階振型主要為垂直于平板的前后框頂部的前后變形，第2階振型為頂板及框架的左右變形，第4階振型為頂板及框架的左右變形。對(duì)上述可能出現(xiàn)的諧振的位置需要加強(qiáng)優(yōu)化。

2.2 夾具改進(jìn)后的措施模態(tài)分析

為了提高振動(dòng)試驗(yàn)夾具的固有頻率，對(duì)夾具嘗試如下幾個(gè)方面的設(shè)計(jì)改進(jìn)：1)改變材料，夾具的材質(zhì)由普通鋼改為鋁合金；2)增加剛度，底板的厚度由20 mm增加至40 mm，前后框底部中心安裝筋板，2個(gè)側(cè)支筋板做加厚及優(yōu)化結(jié)構(gòu)處理，同時(shí)加厚前后框，固定底板的螺栓由8個(gè)增加到16個(gè)幾何固定點(diǎn)約束，模擬試件實(shí)際使用狀態(tài)下的連接條件；3)降低高度，在滿足現(xiàn)有夾具通用性要求的前提下，夾具的高度由500 mm降低至360 mm，改進(jìn)后整體尺寸為360 mm×450 mm×450 mm。組合運(yùn)用上述改進(jìn)措施后進(jìn)行模態(tài)仿真，計(jì)算出夾具的固有頻率，劃分有限元網(wǎng)格的夾具圖，網(wǎng)格單元數(shù)為35 069。振動(dòng)夾具前6階的共振頻率見表3，仿真模型網(wǎng)格劃分如圖7所示，第1～4階及第6階模態(tài)振型如圖8～圖12所示。

表3 改進(jìn)后振動(dòng)夾具的前6階固有頻率

圖7 優(yōu)化后振動(dòng)夾具仿真模型網(wǎng)格劃分

圖8 優(yōu)化后第1階模態(tài)振型

圖9 優(yōu)化后第2階模態(tài)振型

由表3分析后可知，組合運(yùn)用改進(jìn)措施后，夾具的固有頻率提升明顯，第1階固有頻率516.78 Hz滿足試驗(yàn)要求，研究發(fā)現(xiàn)，改變夾具材料不能明顯提高固有頻率，提高固有頻率主要在于提高夾具底板及2個(gè)側(cè)支筋板的剛度及降低高度。

圖10 優(yōu)化后第3階模態(tài)振型

圖11 優(yōu)化后第4階模態(tài)振型

圖12 優(yōu)化后第6階模態(tài)振型

3 結(jié)語

振動(dòng)試驗(yàn)是環(huán)境試驗(yàn)的重要組成部分，夾具在振動(dòng)試驗(yàn)中發(fā)揮著極為重要的作用，不合理的夾具設(shè)計(jì)、制造及安裝使用容易產(chǎn)生“過試驗(yàn)”與“欠試驗(yàn)”，用仿真去驗(yàn)證設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中通過仿真更進(jìn)一步優(yōu)化材料、結(jié)構(gòu)、剛度、模態(tài)等多方面設(shè)計(jì)，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值，是滿足產(chǎn)品的試驗(yàn)要求，提高振動(dòng)試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)質(zhì)量的有效手段。為完成更多產(chǎn)品的試驗(yàn)任務(wù)，又建模仿真分析了可拼接組合方式的立方體夾具，主體夾具選擇六面體結(jié)構(gòu)，用于連接附屬子夾具與振動(dòng)臺(tái)底座并把振動(dòng)量值傳遞給子夾具，子夾具用于固定各試件。后續(xù)完成振動(dòng)夾具從理論到工程實(shí)踐，驗(yàn)證實(shí)際效果，提高工程應(yīng)用價(jià)值，保證振動(dòng)試驗(yàn)的順利完成。