振動試驗(yàn)下金屬夾具設(shè)計(jì)優(yōu)化方法研究

靳永強(qiáng)，劉其廣

（北京航空材料研究院，北京 100095）

1 緒論

近年來由于航空產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展，越來越多的航空產(chǎn)品呈現(xiàn)出多元化的創(chuàng)新，產(chǎn)品交付也越來越多的趨于成品交付的形式管理。航空產(chǎn)品以成品形式交付需要經(jīng)過各類考核試驗(yàn)的驗(yàn)證，考核試驗(yàn)要求大多依據(jù)GJB150進(jìn)行[1]。振動是在產(chǎn)品使用過程中，由于產(chǎn)品本身工作或者其它制件運(yùn)動引起的客觀現(xiàn)象，是一種工程技術(shù)領(lǐng)域中經(jīng)常碰到的問題。振動試驗(yàn)是考核試驗(yàn)中的一項(xiàng)重要考核指標(biāo)，為了保證產(chǎn)品能夠在振動環(huán)境中正常工作，在交付使用前，經(jīng)常用模擬振動考核試驗(yàn)（簡稱振動試驗(yàn)）的方式對其進(jìn)行各種振動環(huán)境的模擬考核。因此振動試驗(yàn)被越來越普遍地采用，同時也發(fā)揮著越來越重要的作用[2]。

振動試驗(yàn)過程應(yīng)盡量模擬真實(shí)的振動環(huán)境，采用機(jī)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)軌蜉^真實(shí)的反應(yīng)振動環(huán)境。但部分航空產(chǎn)品的尺寸較大，很難找到合適的振動試驗(yàn)臺或機(jī)體結(jié)構(gòu)成本過高，給振動試驗(yàn)帶來一定的困難。如直升機(jī)風(fēng)擋玻璃單件面積大于1m2，并且其安裝姿態(tài)為傾斜的空間立體結(jié)構(gòu)，因此設(shè)計(jì)振動夾具輔助振動試驗(yàn)是比較常規(guī)的做法。振動試驗(yàn)過程中，振動載荷將通過夾具傳遞到風(fēng)擋玻璃上，因此夾具設(shè)計(jì)是否合理，將直接影響整個振動試驗(yàn)的可信度，甚至試驗(yàn)結(jié)果的成功與否[3,4]。

振動夾具的主要作用為參考制件的安裝狀態(tài)固定制件，和振動臺固定并將振動載荷傳遞到制件上。評價夾具設(shè)計(jì)主要包括兩個方面：固定產(chǎn)品的方便性與可靠性、振動的傳遞特性[5]。并且一般情況下隨機(jī)振動試驗(yàn)比正弦振動試驗(yàn)對夾具設(shè)計(jì)和制造的要求更高也更為嚴(yán)格[6，7]。直升機(jī)風(fēng)擋振動試驗(yàn)為隨機(jī)振動試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中可能出現(xiàn)夾具開裂，變形，振動載荷失真等問題，會對試驗(yàn)結(jié)果和制件交付產(chǎn)生一定的影響。本文針對直升機(jī)風(fēng)擋玻璃振動試驗(yàn)夾具使用過程中出現(xiàn)的問題，對設(shè)計(jì)和制造過程中的優(yōu)化方案進(jìn)行了研究。

2 問題描述

直升機(jī)風(fēng)擋振動夾具的設(shè)計(jì)，參考風(fēng)擋在直升機(jī)上的安裝狀態(tài)，裝配面、連接方式和安裝角度均和飛機(jī)骨架相同。由于風(fēng)擋為自由曲率的曲面，面積約1m2，水平放置抬高量較大，使用一塊整體料加工的成本費(fèi)用太高，因此風(fēng)擋振動夾具的主體和支撐結(jié)構(gòu)，一般采用金屬件拼接結(jié)構(gòu)。

因部分型號要求風(fēng)擋交付前需進(jìn)行振動試驗(yàn)測試，夾具使用的頻率較高，對夾具的壽命提出了較高的要求。該類型的夾具在前期使用中曾經(jīng)，出現(xiàn)了一些問題：

（1）夾具在多次使用后安裝面和安裝孔變形，造成風(fēng)擋和夾具貼合變差或安裝孔錯位。

（2）夾具的拼接口位置發(fā)生開裂或錯位。

（3）夾具的振動響應(yīng)疊加放大。

導(dǎo)致以上問題的原因比較明確：即夾具發(fā)生變形或開裂主要是由于夾具的強(qiáng)度不夠?qū)е碌?；振動響?yīng)疊加放大主要是由于試驗(yàn)過程產(chǎn)生共振造成的。針對以上問題，本文從夾具的選材、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、強(qiáng)度優(yōu)化以及共振分析等方面進(jìn)行了分析。

3 夾具材料的選擇

夾具材料的選擇是夾具設(shè)計(jì)和制造的重要組成部分。振動夾具需要長期承受高頻振動載荷，需要較高的強(qiáng)度和剛度。由于直升機(jī)的主槳頻率較低，在100HZ以內(nèi)。夾具的固有頻率應(yīng)高于主槳的頻率，才可在試驗(yàn)過程中減少夾具對制件的影響。根據(jù)公式fn=使剛度k提高，質(zhì)量m盡量小，夾具的總的固有頻率fn才能高。夾具材料應(yīng)盡量選用重量輕和剛度大的材料，即材料的比剛度越大，對夾具設(shè)計(jì)更有利。表1列出了常用夾具的一些重要物理特性。

表1 常用夾具材料的主要物理特性[5]

經(jīng)對比常用的材料鋁、鎂和鋼的比剛度比較接近，從比剛度角度比較沒有明顯區(qū)別。

直升機(jī)的風(fēng)擋玻璃面積較大（約1m2），為保證風(fēng)擋和夾具安裝后接近直升機(jī)上的安裝狀態(tài)，夾具的整體尺寸較大。從重量角度考慮，鋼的密度約為鋁的3倍，鎂的4倍，鋁鎂材料比鋼結(jié)構(gòu)更適合作為夾具材料。同時鋁鎂臺金的阻尼特性也比鋼好。考慮鎂合金價格較高，并且燃點(diǎn)較低，加工和使用過程容易出現(xiàn)火災(zāi)等情況。因此選用鋁合金作為風(fēng)擋振動夾具的材料為較優(yōu)的選擇。

4 夾具強(qiáng)度和剛度

制造的夾具的材料確定后，能夠影響夾具強(qiáng)度和剛度的主要為，材料的截面尺寸、夾具結(jié)構(gòu)以及制造工藝方案。本文初步設(shè)計(jì)的振動試驗(yàn)夾具，包含裝配面、支撐結(jié)構(gòu)、平臺連接結(jié)構(gòu)等，如圖1所示。本夾具主要考慮的裝配面和制件的連接關(guān)系。試驗(yàn)過程中，支撐結(jié)構(gòu)和裝配面以及平臺連接面之間的連接部，出現(xiàn)了不同程度的裂紋，該現(xiàn)象表明連接部位強(qiáng)度不夠。試驗(yàn)過程中夾具上部的振動響應(yīng)幅值，出現(xiàn)了明顯大于設(shè)定值的情況，該現(xiàn)象表明，夾具的結(jié)構(gòu)剛性不夠。

圖1 初步設(shè)計(jì)的振動夾具示意圖

4.1 焊接性能優(yōu)化

由于鋁的焊接工藝性相對較差，采用不同的工藝和焊接方式，對焊接強(qiáng)度具有較大的影響。為提高夾具焊接位置的強(qiáng)度，本文做了如下優(yōu)化研究。

影響焊接質(zhì)量的主要因素：焊接表面質(zhì)量、焊接間隙、鈍邊尺寸和坡口角度等。

焊接間隙：焊接間隙過小時焊縫不容易焊透，焊接間隙過大時增加焊接的難度，填充量大影響焊接進(jìn)度，增加焊接應(yīng)力，容易產(chǎn)生焊接變形。

鈍邊尺寸：鈍邊尺寸過小容易贊成燒穿，鈍邊過大容易造成未焊透。

坡口角度：坡口角度過大只是會造成填充金屬增多，焊接時間變長，影響經(jīng)濟(jì)效益。并且會增大焊接的變形。坡度較小的為題熔深不足，容易造成夾渣，從而降低焊縫的強(qiáng)度。

因夾具的毛坯焊接完成后，在進(jìn)行裝配面和安裝孔的加工。焊接過程造成的變形，對夾具的最終外形產(chǎn)生的影響較小。因此如需增加焊接強(qiáng)度可增大鈍邊尺寸和坡口角度的方式，提高焊接強(qiáng)度。

考慮上述要求，考慮兩側(cè)焊接的對稱性，本文對焊縫對接面由平面更改為約90°角的V型缺口，即兩側(cè)的坡口角度都為45°，鈍邊尺寸也相應(yīng)增大。按此方案進(jìn)行了驗(yàn)證，對制造的效率和經(jīng)濟(jì)效益有一定的影響，但明顯可以提高焊接的強(qiáng)度。工藝優(yōu)化后，焊接強(qiáng)度由材料本體強(qiáng)度的約65%，增加到材料本體強(qiáng)度的85%以上。

因此采用焊接的方式對夾具的各個組成部分進(jìn)行連接，需充分考慮鈍邊尺寸和坡口角度對夾具強(qiáng)度的影響。采用平面對接的焊接方式，容易產(chǎn)生開裂問題，采用V型坡口角度，可有效緩解該問題。

4.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化

圖1振動夾具的下部支撐結(jié)構(gòu)主要為支撐上部裝配面，支撐結(jié)構(gòu)主要為豎向的立柱，該結(jié)構(gòu)有利于夾具在垂向振動中具有較好的穩(wěn)定性。但夾具在進(jìn)行橫向和側(cè)向振動過程中，支撐結(jié)構(gòu)與上部裝配面連接部分會產(chǎn)生較大的橫向力。由于夾具高度大于1m，僅底部連接振動臺，在橫向和側(cè)向振動過程中，造成頂端振動響應(yīng)增大。因此提高夾具的強(qiáng)度和剛度，是解決夾具破壞的主要方式。常規(guī)的提高夾具強(qiáng)度和剛度的方法主要有，選用較高強(qiáng)度的材料；增加材料的厚度提高強(qiáng)度；通過結(jié)構(gòu)增加夾具的強(qiáng)度和剛度。

在夾具選材一定的情況下，本文通過增加材料厚度和增強(qiáng)夾具的結(jié)構(gòu)等方式對夾具的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行了研究：

振動試驗(yàn)夾具在試驗(yàn)過程中需分別承受橫向、側(cè)向和垂向三個方向的載荷，原夾具結(jié)構(gòu)中，主要為垂向支撐，橫向和側(cè)向加強(qiáng)較少，造成夾具結(jié)構(gòu)存在缺陷，影響整體的強(qiáng)度和剛度。

本文通過以下方面對夾具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

（1）增加夾具橫向和側(cè)向加強(qiáng)筋的厚度。厚度增加后，加強(qiáng)筋的強(qiáng)度增加，焊接接觸面的面積增大，有利于提供夾具整體強(qiáng)度。

（2）增加夾具橫向和側(cè)向加強(qiáng)筋的寬度。寬度增加后，夾具的整體剛度提高。

（3）各豎向立柱之間設(shè)計(jì)連接結(jié)構(gòu)，提高夾具的整體剛性。

夾具結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 增強(qiáng)后的夾具結(jié)構(gòu)示意圖

5 共振響應(yīng)分析和剛度優(yōu)化

夾具固有頻率的分析和計(jì)算在夾具設(shè)計(jì)中占有很重要的地位，要保證夾具本身在試驗(yàn)過程中盡量不影響產(chǎn)品試驗(yàn)。因此振動夾具的最低固有頻率盡量遠(yuǎn)離振動試驗(yàn)頻帶。根據(jù)具體的問題夾具振動頻率的范圍，設(shè)計(jì)中要遠(yuǎn)離規(guī)定一些規(guī)定的頻率點(diǎn)，并盡力提高其自身的固有頻率[8]。

夾具的材料和結(jié)構(gòu)確定后，固有頻率為其確定的屬性。為保證振動夾具盡量不影響制件的振動響應(yīng)，參考直升機(jī)風(fēng)擋振動試驗(yàn)的要求，夾具的固有頻率應(yīng)遠(yuǎn)離主槳振動頻率，以免引起振動疊加，造成試驗(yàn)失真。本文通過計(jì)算仿真的形式，對夾具進(jìn)行掃頻分析，以確定夾具的固有頻率。參考夾具的固有頻率和試驗(yàn)要求中的主槳頻率，對夾具結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，從而保證夾具固有頻率遠(yuǎn)離主槳振動頻率。

參考本文4.2的優(yōu)化要求，對某型直升機(jī)風(fēng)擋振動夾具按進(jìn)行強(qiáng)度和剛度優(yōu)化，逐步增強(qiáng)夾具的支撐結(jié)構(gòu)，并對夾具三個方向在0～500HZ范圍內(nèi)，進(jìn)行掃頻振動仿真分析，根據(jù)其最大位移情況，分析夾具剛度的提高量。并對比夾具的固有頻率是否遠(yuǎn)離主槳振動頻率。圖3為橫向掃頻分析中，位移云紋圖。經(jīng)逐步優(yōu)化，夾具結(jié)構(gòu)剛性提高5倍后，三個方向的固有頻率理論值分別為：U1=276HZ；U2=246HZ；U3=276HZ。根據(jù)主機(jī)單位提供的試驗(yàn)要求，主槳頻率在20HZ～80HZ范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)夾具的固有頻率遠(yuǎn)大于直升機(jī)的主槳頻率。夾具剛性明顯提高，固有頻率對試驗(yàn)影響較小。

圖3 橫向振動掃頻位移結(jié)果圖

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行夾具制造，并根據(jù)GJB150A的要求，對夾具進(jìn)行試驗(yàn)載荷的驗(yàn)證。振動試驗(yàn)臺設(shè)備型號：DC-16000-160。掃頻分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 三個方向掃頻檢查曲線

經(jīng)驗(yàn)證夾具的固有頻率與計(jì)算結(jié)果接近?？紤]夾具的制造偏差，仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證的情況基本吻合，夾具的固有頻率遠(yuǎn)離主槳頻率。對夾具進(jìn)行耐久振動試驗(yàn)，幅值曲線均可控制在3db范圍內(nèi)。振動試驗(yàn)結(jié)束后夾具的外觀完好，焊縫無開裂情況發(fā)生。設(shè)計(jì)的夾具經(jīng)驗(yàn)證滿足使用要求。

7 結(jié)論

本文針對振動試驗(yàn)夾具在使用過程中產(chǎn)生局部開裂，振動相應(yīng)增大的問題進(jìn)行了分析。并對該類振動試驗(yàn)夾具加強(qiáng)方案進(jìn)行了研究。得到的主要結(jié)論如下：

（1）振動試驗(yàn)夾具的制造選用鋁合金相對較優(yōu)。

（2）夾具開裂的主要原因?yàn)椋哼B接部位的焊接質(zhì)量；夾具的橫向和側(cè)向的強(qiáng)度和剛度不足。

（3）分析了提高夾具的強(qiáng)度和剛度的主要因素，提出了夾具的加強(qiáng)方案；經(jīng)仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，提高夾具強(qiáng)度和剛度的方案可行。

（4）對振動試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)和制造過程中，需考慮和驗(yàn)證的主要因素，具有一定參考價值。