李 真，張麗巍，鄧永芳

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所，重慶 400060）

引言

進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)的大部分產(chǎn)品，由于受外形尺寸和安裝方向等因素的制約，在進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)的時(shí)候，需要外加夾具與振動(dòng)臺(tái)固定連接。所以，振動(dòng)夾具的性能特性就直接影響到產(chǎn)品試驗(yàn)真實(shí)復(fù)現(xiàn)。而現(xiàn)在某些產(chǎn)品由于外形尺寸的變薄或外觀的要求比較高，在振動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)上就提出了更高的要求。

1 夾具的性能指標(biāo)

夾具使用的目的就是協(xié)助產(chǎn)品在試驗(yàn)中的真實(shí)復(fù)現(xiàn)，也就是說夾具性能參數(shù)的傳遞系數(shù)比應(yīng)該為1：1。但是受夾具材料性質(zhì)和結(jié)構(gòu)等因素的影響，夾具在傳遞振動(dòng)應(yīng)力的過程中會(huì)減小或者是放大應(yīng)力參數(shù)，這就對(duì)產(chǎn)品的試驗(yàn)產(chǎn)生了附加的影響[1]。因此，考核一個(gè)夾具的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是控制影響因素在有限的范圍之內(nèi)，使它的傳遞系數(shù)比盡量的接近1：1。目前國內(nèi)對(duì)于夾具的考核并沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而根據(jù)美國亞利桑那公司提供的參考，夾具應(yīng)該要滿足以下的指標(biāo)：

1）夾具的共振頻率要高于某個(gè)頻率值，同時(shí)試件的一階諧振與夾具的一階諧振之比應(yīng)該在0.5～1.4之間。

2）夾具振動(dòng)加速度傳遞特性應(yīng)在+20dB和-3dB之間。

3）夾具的橫向振動(dòng)應(yīng)盡量的小，通常不大于30%，最大不超過50%。

根據(jù)以上指標(biāo)，這就要求我們對(duì)夾具的材料和結(jié)構(gòu)做一些必要的考慮：

1）剛度：

剛度是選擇材料和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)最主要的依據(jù)，它是描述材料形變的指標(biāo)。我們用數(shù)學(xué)的方式來描述剛度。任何一種材料，在受到外力F作用的時(shí)候，材料的面積就會(huì)發(fā)生形變，在彈性范圍內(nèi)外力F和形變面積S是成比例的，但是當(dāng)外力達(dá)到屈服極限Q，外力F和形變面積S就不會(huì)成比例的增長，直至材料發(fā)生斷裂。外力F和形變面積S的特性曲線如圖1所示。

以低碳剛的受力情況為例進(jìn)行分析，從圖中可以看出外力F在達(dá)到屈服極限Q 后，形變?cè)谕饬]有怎么增長的情況下發(fā)生了劇變。這就說明剛度的大小是取決于外力F與形變面積S的比值，這就是楊氏模量E[2]。E越大材料的剛度就越好。

2）重量：

由于受振動(dòng)臺(tái)推力的限制，夾具還要受到重量的限制。夾具的重量主要是由以下公式計(jì)算得出：

F=（M1+M2+ M3）a

其中，F(xiàn)：振動(dòng)臺(tái)額定推力；M1：動(dòng)圈重量；

M2：試件重量；M3：夾具重量；a：加速度。

根據(jù)振動(dòng)臺(tái)的額定參數(shù)和實(shí)際試驗(yàn)中運(yùn)動(dòng)的最大加速度值，確定出夾具的重量范圍。應(yīng)該注意到的是，在有效的重量范圍內(nèi)，夾具的重量應(yīng)該盡可能的小，因?yàn)楦郊又亓繒?huì)降低軸向共振頻率。所以說，夾具重量對(duì)共振頻率的影響比材料剛度對(duì)共振頻率的影響要大。

3）比剛度：

比剛度＝剛度/質(zhì)量，對(duì)于同體積的材料而言，比剛度＝楊氏模量（E）/密度（ρ）

材料的比剛度大就意味著剛度大而質(zhì)量輕，這樣的夾具對(duì)振動(dòng)臺(tái)的推力影響較小，同時(shí)，頻響區(qū)域也可展寬。表1是常用幾種夾具材料的數(shù)據(jù)表，設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)實(shí)際的需要和成本要求，合理選擇夾具材料[2]。

圖1 外力下和形變面積S 的特性曲線

表1 夾具材料物理特性

2 “沙埋型”夾具的使用探討及設(shè)計(jì)

2.1 “沙埋型”夾具運(yùn)用的需要

夾具在固定產(chǎn)品的時(shí)候，考慮到剛性連接和實(shí)際安裝的需要，常采用的螺釘連接、引腳焊接和外殼直接受力等方式。但是，由于一些產(chǎn)品外殼厚度較薄，引腳直徑較小，在進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)的時(shí)候，如果直接對(duì)產(chǎn)品外殼單向受力，容易因?yàn)槭芰Σ痪鶆颍鴮?dǎo)致產(chǎn)品破裂；如果運(yùn)用引腳焊接的方式進(jìn)行連接，又容易造成引腳污染的后果[3]。因此，針對(duì)這類產(chǎn)品（如J型外殼），我們?cè)谶M(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)的時(shí)候，需要考慮一種新的夾具來確保它即可以進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)的考核，又要避免因?yàn)閵A具的因素而造成額外的損傷。

2.2 靜水壓力試驗(yàn)和灌臘封裝夾具的介紹

1）靜水壓力試驗(yàn):

當(dāng)一個(gè)物體A置于水中的時(shí)候，我們假設(shè)物體A在X(1、2)，Y(1、2)，Z(1、2)六個(gè)方向上所受到的壓力為P1～P6，物體A六個(gè)面上對(duì)應(yīng)所受到的壓力P而發(fā)生的形變分別為△S1～△S6。通過試驗(yàn)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)在均勻壓力下，材料幾乎無屈服現(xiàn)象。這就說明，均勻壓力幾乎不損壞材料。

2）灌臘封裝夾具：

但是，灌臘封裝夾具的使用需要滿足兩個(gè)前提：

①石蠟的溫度對(duì)產(chǎn)品沒有損害；

②對(duì)產(chǎn)品有影響的溫度極限可以熔化石蠟。

通過靜水壓力試驗(yàn)和灌臘封裝夾具的分析，我們對(duì)設(shè)計(jì)J型外殼這類產(chǎn)品的夾具可以有以下的推論：

①夾具應(yīng)該要使產(chǎn)品均勻的受力；

②夾具對(duì)產(chǎn)品不能產(chǎn)生額外的損傷，同時(shí)產(chǎn)品在使用的夾具的時(shí)候應(yīng)該盡量方便和快捷。

2.3 “沙埋型”夾具的設(shè)計(jì)

綜合上面的推論和實(shí)際需要，我們考慮用玻璃砂來替代水和石蠟作為產(chǎn)品傳導(dǎo)應(yīng)力的介質(zhì)，這樣即可保證產(chǎn)品在夾具內(nèi)部是均勻受力，又可避免高溫等因素對(duì)于產(chǎn)品的影響。同時(shí)利用玻璃砂來作介質(zhì)，還可以保證產(chǎn)品進(jìn)行加電振動(dòng)試驗(yàn)。基于均勻受力的考慮，我們?cè)O(shè)計(jì)這個(gè)夾具為一個(gè)封閉的盒型夾具，具體外觀圖和剖面圖如圖2、圖3。

1848至1854年是羅塞蒂生活在拉斐爾前派兄弟會(huì)大家庭中間的時(shí)期，這段時(shí)間里他的作品或可說是最能代表兄弟會(huì)精神主旨的創(chuàng)作了。代表作有《圣母瑪利亞的少女時(shí)代》、《受胎告知》、《邂逅》等。如1849 年展出的《圣母瑪利亞的少女時(shí)代》，就較為忠實(shí)地體現(xiàn)了拉斐爾前派此前立下的創(chuàng)作信條。給畫中做瑪利亞模特的就是羅賽蒂的妹妹克里斯蒂娜，圣安娜的模特則是他們的母親，老仆人威廉也被拉來做了圣母父親的模特。畫面亦絕不乏出色的細(xì)部描寫，都是精密正確的。

夾具采用比剛度較高的鋁合金，外形為封閉的盒型，頂蓋通過螺栓與底座相連。內(nèi)部為一個(gè)圓形的內(nèi)腔，當(dāng)產(chǎn)品置于空腔內(nèi)部時(shí)，在空腔內(nèi)均勻的填滿玻璃砂，通過頂蓋的固定來壓緊玻璃砂，是產(chǎn)品均勻的受力，保證產(chǎn)品在振動(dòng)的過程中不會(huì)發(fā)生松動(dòng)或諧振的現(xiàn)象。如果產(chǎn)品需要加電，則在頂蓋處開一個(gè)導(dǎo)線孔，引出導(dǎo)線后，將導(dǎo)線孔用石蠟封閉，確?？涨坏拿荛]。由于盒型夾具在高頻振動(dòng)時(shí)容易出現(xiàn)一階共振，而一階共振頻率的高低往往取決于底座基板厚度，所以底座基板的厚度應(yīng)該盡量的厚，一般不低于底座高度的20%。我們可以根據(jù)產(chǎn)品試驗(yàn)頻率范圍來確定底座基板的厚度，保證夾具在試驗(yàn)頻率的范圍內(nèi)不出現(xiàn)一階共振頻率。

圖2 夾具外形

圖3 夾具剖面圖

3 “沙埋型”夾具的參數(shù)測試評(píng)估

對(duì)夾具的進(jìn)行測量，可以揭露夾具的不足之處，可以為夾具的改進(jìn)提供詳細(xì)的參考數(shù)據(jù)。因此，我們利用正弦掃描試驗(yàn)來測定夾具的動(dòng)態(tài)特性，繪出g—Hz曲線圖，確定夾具的一階共振頻率和夾具上各點(diǎn)之間的傳遞系數(shù)比。

3.1 測試方法

以J型外殼的試驗(yàn)要求為據(jù)，我們對(duì)夾具進(jìn)行20Hz～2000Hz，加速度為1g的掃頻試驗(yàn)，以確定夾具上的應(yīng)力輸入點(diǎn)與產(chǎn)品放置出之間的傳遞系數(shù)比和試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)有無一階共振頻率點(diǎn)，其設(shè)備布置如圖4。

3.2 測試數(shù)據(jù)圖

圖5就是通過20Hz～2000Hz范圍內(nèi)進(jìn)行掃頻試驗(yàn)，測得加速度計(jì)1 和加速度計(jì)2兩點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，繪制出的g-Hz圖，通過圖示我們可以看出埋在石英砂內(nèi)的產(chǎn)品的受力情況。

3.3 數(shù)據(jù)評(píng)估

1）以上數(shù)據(jù)表明，埋于玻璃砂內(nèi)的產(chǎn)品的加速度傳遞是滿足國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 548B-2005《微電子試驗(yàn)方法和程序》[6]中的要求，傳遞誤差不超過±20%。

2）在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)一階共振頻率，夾具的指標(biāo)符合要求。

圖4 測試布局圖

圖5 g-Hz 曲線圖

3）夾具可以進(jìn)行6個(gè)方向的振動(dòng)試驗(yàn)。

4）產(chǎn)品均勻受力，沒有因?yàn)槭芰Σ痪鴮?dǎo)致產(chǎn)品損害，同時(shí)產(chǎn)品也沒有受到污染。

5）玻璃砂的松緊程度決定產(chǎn)品傳遞特性是否滿足要求。

4 結(jié)束語

通過對(duì)沙埋型夾具的探討，我們可以確定沙埋型夾具在一定的條件下可以使用。但是當(dāng)產(chǎn)品體積比較大或者振動(dòng)頻率比較高的時(shí)候，沙埋型夾具的傳遞特性就會(huì)比較差。這需要我們?cè)诮窈蟮脑囼?yàn)工作中做出更多的摸索和探討，改進(jìn)沙埋型夾具的設(shè)計(jì)，提高夾具的性能，使產(chǎn)品試驗(yàn)的復(fù)現(xiàn)性更加趨于實(shí)際。

[1]顏東升, 王一飛, 王元帥. 振動(dòng)試驗(yàn)操作技術(shù)探討 [J]. 裝備環(huán)境工程, 2012, 9(6): 131-134.

[2]張少實(shí). 新編材料力學(xué) [M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2002.

[3]胡志強(qiáng). 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)應(yīng)用技術(shù) [M]. 北京：中國計(jì)量出版社, 2003.

[4]于韶明, 衛(wèi)國, 楊峰, 等. 振動(dòng)試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)與實(shí)踐 [J]. 裝備環(huán)境工程, 2014, 11(2): 81-86.

[5]周金林, 付晨暉, 劉旭琳. 振動(dòng)試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)方法研究 [J]. 裝備環(huán)境工程, 2012, 9(6): 135-139.

[6]GJB 548B-2005 ,微電子試驗(yàn)方法和程序[S].