顯控設備振動夾具設計及頻率響應分析

馬正剛，劉偉

（江蘇自動化研究所，連云港 222006）

引言

大型艦船顯控設備是安裝在水面艦艇上由操作人員操控的重要船用電子設備[1]，而顯控設備對環(huán)境適應性的要求隨著艦船電子設備高度集成化、信息化也越來越高。在樣機研制初期和鑒定試驗中環(huán)境適應性試驗是不可缺少的一項，其中振動與沖擊試驗對設備破壞性較大，不合格的夾具可能會導致設備減震器過載、機械結(jié)構(gòu)斷裂等問題影響試驗真實性。振動試驗中被試品一般都是通過振動夾具與振動臺面連接，其具有傳遞激勵和固定被試品的作用，試驗中作為過渡裝置傳遞振動臺能量，其力學傳遞特性與響應特性將影響試驗結(jié)果，振動夾具的設計研究對于力學振動試驗具有重要意義，因此在樣機試驗前需要對夾具進行設計分析，使用有限元軟件對夾具進行力學建模、傳遞特性計算，如果傳遞特性不符合試驗要求，可通過改變夾具結(jié)構(gòu)、在連接薄弱處添加加強筋板提高夾具的綜合性能，避免試驗過程中發(fā)生共振失效問題。

1 振動夾具設計

1.1 材料選擇

振動夾具的固有頻率是夾具的重要特性參數(shù)，材料的比剛度對夾具固有頻率影響較大，一般選用比剛度大、阻尼大的材料，常用的夾具材料參數(shù)如表1 所示，為了避免振動夾具與被試品之間的共振耦合現(xiàn)象，夾具設計通常要求其一階固有頻率要遠大于試驗設備的一階模態(tài)頻率值。

表1 常用夾具材料主要特性

考慮到夾具的頻率特性、制作工藝和設計成本，本文選用鋼作為振動夾具材料，材料密度7 800 kg/m3，楊氏模量2×1011Pa，泊松比0.3。

1.2 夾具質(zhì)量

避免在振動過程中出現(xiàn)共振，要求振動夾具的固有頻率盡量高，在保證剛度的情況下，振動夾具的質(zhì)量要輕，通常振動夾具的質(zhì)量為試件質(zhì)量的2~4 倍，同時還需要考慮振動臺的推力要求，確定試驗在加速度區(qū)所需的激振力大小，振動臺推力F 應滿足：

式中：

m1—樣品質(zhì)量；

m2—夾具質(zhì)量；

m3—振動臺動圈質(zhì)量；

a—加速度均方根值。

顯控臺振動試驗選用推力為20 t 的電動振動臺，振動臺擴展臺面尺寸為1.5×1.5 m，推力遠大于需要的激振力。

1.3 夾具結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)顯控設備振動試驗要求，樣機需開展振動試驗，標準中振動試驗條件為（5~60）Hz 的正弦振動，最大位移1 mm，最大加速度10 m/s2，樣品總重量（100~150）kg，隨機振動試驗條件為標準加速度激勵譜，如圖3 所示。

顯控設備的使用環(huán)境為水面艦載環(huán)境，其底部安裝有4 組隔振器，背部2 組隔振器配有安裝背架，根據(jù)顯控設備的實際安裝方式、尺寸等參數(shù)選擇夾具整體結(jié)構(gòu)形式為“L”型，即安裝背架與夾具安裝背板連接，底部隔振器與振動臺連接。振動夾具由安裝背板、底座、主支撐結(jié)構(gòu)焊接成型，為了提高振動夾具的整體剛度，在夾具主支撐結(jié)構(gòu)面設計加強筋板、側(cè)面設計三角筋板，夾具底座平面布設貫穿螺紋孔，安裝背板開設連接槽孔。為減小夾具整體重量，材料選用矩形鋼，夾具總質(zhì)量約165 kg，外形尺寸為1 500×480×1 250 mm，振動夾具三維模型如圖1 所示。

圖1 振動夾具三維模型

2 振動夾具結(jié)構(gòu)動力特性研究

2.1 振動夾具模態(tài)分析

本文的振動夾具采用焊接成型，建立夾具有限元模型時，將焊接結(jié)構(gòu)作為一個整體考慮[2]。將簡化后的夾具三維模型導入ANSYS Workbench 中，得到振動夾具仿真模型。同時修剪模型中多余的面和邊，檢查干涉情況，各部件之間均為焊接連接不會發(fā)生相對滑動，將各組件之間的接觸面設置為綁定接觸模式，采用自動形式對夾具進行網(wǎng)格劃分，有限元網(wǎng)格輸出節(jié)點數(shù)為36709，單元數(shù)為14556。

由于夾具底座端面預設有多組貫穿螺栓孔，夾具底座與振動臺通過螺栓緊固，為更準確地模擬實際情況，將夾具底座端面與螺孔內(nèi)表面均施加固定約束，夾具垂向自由。對振動夾具進行模態(tài)分析，固有頻率計算結(jié)果見表2，振動夾具模態(tài)振型如圖2 所示。

圖2 振動夾具模態(tài)振型圖

表2 固有頻率值

振動夾具模型的一階固有頻率為 158.24 Hz 大于振動頻率上限60 Hz，夾具正面筋板發(fā)生振動變形，安裝橫梁變形較小。二階模態(tài)最大變形發(fā)生在夾具右上端點處，其他階次均為整體扭擺變形，最大變形位移0.25 mm，根據(jù)模態(tài)計算結(jié)果，夾具結(jié)構(gòu)在150 Hz 內(nèi)不會發(fā)生共振，頻率響應特性符合設計要求。

2.2 振動夾具隨機振動分析

工程中通常使用隨機振動來考核產(chǎn)品的耐振能力,用來模擬設備在運輸、工作中的振動狀態(tài)，在模態(tài)分析的基礎上對夾具進行隨機振動分析，輸入激勵為試驗標準中梯形加速度功率譜密度（PSD），加速度總均方根值為6.056 g，激勵譜如圖3 所示。夾具約束情況與模態(tài)分析中一致，對夾具底座以及對應的固定螺栓孔分別施加三個軸向的激勵，模擬實際安裝狀態(tài)。

圖3 輸入加速度PSD

在模態(tài)一階振型中位移較大的區(qū)域選取采樣點，采樣點為安裝背板與顯控設備背架的連接點，如圖4 所示。提取采樣點在3 個軸向輸入激勵下的加速度功率譜密度響應值，如圖5 所示，采樣點的PSD 響應值整體滿足梯形譜要求，最大值0.045 g2/Hz，加速度PSD 響應值在高頻發(fā)生彎曲現(xiàn)象，建議加強安裝背板的剛度。夾具一階模態(tài)為158.24 Hz，在2 000 Hz 頻段內(nèi)未發(fā)生共振現(xiàn)象，證明夾具整體有較好的力學傳遞特性。

圖4 加速度PSD 響應采樣點

2.3 諧響應分析

采用模態(tài)疊加法計算振動夾具在正弦激勵下的頻率響應特性，輸入激勵條件為5~200 正弦振動，加速度幅值10 m/s2，加速度方向為X，Y，Z三個方向，阻尼系數(shù)為0.02 采用直接輸入法。夾具底座連接平面和連接螺栓孔均為固定約束條件，其他端自由，選取圖4 中采樣點，分別提取采樣點在三個軸向激勵下的加速度響應曲線，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 加速度響應結(jié)果

圖7 振動夾具測試曲線

分析各軸向激勵下采樣點的加速度響應結(jié)果，在正弦激勵下采樣的點加速度幅值隨激勵頻率逐漸增加，在一階共振點158.24 Hz 達到最大值，加速度響應值在高頻區(qū)域逐漸增大，x 方向激勵下響應點幅值最高達到2.5 g，主要是由系統(tǒng)共振引，在（5~60）Hz 內(nèi)未發(fā)生共振且加速度幅值較小，夾具整體動力特性符合設計要求。

3 試驗測試

夾具設計完成經(jīng)性能測試合格后，與顯控設備連接安裝在振動臺上開展振動試驗，試驗條件如表3 所示。選取x 軸向測試結(jié)果分析，在（5~60）Hz 試驗頻段內(nèi)，加速度響應曲線與控制曲線基本保持重合且高頻未發(fā)生共振現(xiàn)象，夾具在試驗頻段范圍內(nèi)力學傳遞特性良好，夾具設計符合試驗要求。

表3 試驗條件

4 結(jié)論

顯控設備振動夾具的一階固有頻率為158.24 Hz，遠高于試驗頻率上限要求，一階振型變形量較小。同時在（20~2 000）Hz 標準加速度功率譜密度激勵和（5~200）Hz 正弦激勵下，所選采樣點的激勵響應結(jié)果較好，在分析頻段內(nèi)未發(fā)生共振現(xiàn)象。夾具的整體頻率響應仿真分析和試驗測試結(jié)果符合設計要求，夾具的力學傳遞特性良好，可開展振動試驗測試項目。