熊偉華，王大兵，王鳳車

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一六研究所，連云港 571069）

振動(dòng)試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)及頻率響應(yīng)特性研究

熊偉華，王大兵，王鳳車

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一六研究所，連云港 571069）

采用CAE有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行了輔助設(shè)計(jì)，快速高效的設(shè)計(jì)并制造出了一種滿足于振動(dòng)試驗(yàn)要求的試驗(yàn)夾具，該夾具具有一定的通用性。通過對(duì)制造出的振動(dòng)試驗(yàn)夾具進(jìn)行的試驗(yàn)及分析，表明該夾具的實(shí)測(cè)頻率響應(yīng)與有限元分析結(jié)果比較一致。滿足試驗(yàn)條件要求。

有限元分析；試驗(yàn)夾具；通用性；試驗(yàn)分析

引言

振動(dòng)是自然界及工程技術(shù)領(lǐng)域中經(jīng)常碰到的問題，由振動(dòng)引起的危害具有多方面性且嚴(yán)重性，在新研設(shè)備實(shí)際使用前，必須模擬真實(shí)的振動(dòng)環(huán)境對(duì)其進(jìn)行考核試驗(yàn)，以保證設(shè)備能夠安全、正常的工作。在對(duì)設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)檢測(cè)時(shí)，通常受試設(shè)備不能直接安裝在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上，需要借助振動(dòng)試驗(yàn)夾具，先將受試設(shè)備安裝在振動(dòng)夾具上，然后一起安裝在振動(dòng)臺(tái)上。由于振動(dòng)臺(tái)在運(yùn)動(dòng)和能量的傳遞過程中有試驗(yàn)夾具參與，故不能將振動(dòng)臺(tái)輸出的運(yùn)動(dòng)及能量完全、真實(shí)的傳遞給受試設(shè)備。因此，振動(dòng)試驗(yàn)夾具力學(xué)性能的優(yōu)劣、傳遞性能的好壞就直接決定試驗(yàn)結(jié)果的可信度。

在夾具設(shè)計(jì)前，應(yīng)根據(jù)受試設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定振動(dòng)試驗(yàn)夾具的基本結(jié)構(gòu)，通常情況下，整體鑄件結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能較連接件性能穩(wěn)定可靠。在考慮通用性情況下，可根據(jù)需要進(jìn)行必要的模塊化設(shè)計(jì)。在現(xiàn)今的振動(dòng)試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)通常采用CAE有限元分析軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，計(jì)算其固有頻率機(jī)器頻率響應(yīng)特性[1]。

1 夾具的設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)某電子設(shè)備，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為底部與背部均有安裝孔，且底部與背部安裝孔的間距隨不同型號(hào)而不同。由此，參考實(shí)際振動(dòng)臺(tái)的結(jié)構(gòu)及振動(dòng)試驗(yàn)夾具通用性要求，對(duì)夾具部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。夾具底座有六個(gè)螺紋孔與振動(dòng)臺(tái)面連接，受試樣品直接放在振動(dòng)臺(tái)面，底部則由壓塊直接進(jìn)行固定。考慮到通用性要求，夾具上方設(shè)計(jì)兩個(gè)可活動(dòng)的U形安裝板（如圖1），并且安裝板內(nèi)開槽，則背部的兩個(gè)安裝孔與夾具上方的兩塊安裝板通過螺桿連接固定。如此設(shè)計(jì)可滿足該型產(chǎn)品系列的試驗(yàn)要求，提高夾具的可利用率。

1.2 材料的選擇

在振動(dòng)試驗(yàn)夾具的設(shè)計(jì)過程中，主要考慮材料的強(qiáng)度、固有頻率以及頻率響應(yīng)特性。首先應(yīng)根據(jù)振動(dòng)臺(tái)的性能以及受試設(shè)備的重量大致確定夾具最大的設(shè)計(jì)重量，將計(jì)算得到最大設(shè)計(jì)重量作為約束條件，最低固有頻率作為目標(biāo)函數(shù)，夾具材料參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)夾具材料的選用進(jìn)行分析研究。因?yàn)閵A具最低固有頻率需避開試驗(yàn)頻率，因此要求夾具具有高頻特性，而結(jié)構(gòu)的固有頻率與材料模量相關(guān)。由振動(dòng)相關(guān)理論可知：

式中β是傳遞率。傳遞率是響應(yīng)幅值X與激勵(lì)幅值Y的比值，直接反映了夾具的傳遞特性。傳遞率小于1，表明夾具在運(yùn)動(dòng)能量傳遞過程中起到衰減作用，振動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)與能量未完全傳遞在受試設(shè)備上，相反，傳遞率大于1，表明夾具在運(yùn)動(dòng)能量傳遞過程中起放大作用。傳遞率太大，容易導(dǎo)致受試設(shè)備產(chǎn)生“過振動(dòng)”，不僅產(chǎn)生錯(cuò)誤的試驗(yàn)結(jié)論，也有可能會(huì)損壞受試設(shè)備或損壞振動(dòng)臺(tái)；然而傳遞率太小容易產(chǎn)生“欠振動(dòng)”，誤導(dǎo)檢測(cè)人員根據(jù)錯(cuò)誤的試驗(yàn)數(shù)據(jù)將不合格產(chǎn)品 判定為合格，從而導(dǎo)致受試設(shè)備未得到應(yīng)有的篩選，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果可信程度不高。

圖1 夾具結(jié)構(gòu)圖及安裝板結(jié)構(gòu)圖

上式中γ是頻率比。頻率比是激勵(lì)頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率的比值。結(jié)構(gòu)固有頻率可表達(dá)為：

式（2）中f是固有頻率，m是質(zhì)量，k是剛度。由于與剛度成正比，質(zhì)量成反比，所以夾具選材的直接控制固有頻率的因素是比剛度E/ρ，比剛度是材料的彈性模量與其密度的比值。所以夾具設(shè)計(jì)過程中，比剛度值越大越好，表明相同剛度下材料重量更輕，最后的結(jié)果就是夾具的最低固有頻率在滿足約束條件下，可得到較高固有頻率，進(jìn)而避開振動(dòng)試驗(yàn)的最高頻率[2]。

2 有限元分析

2.1 模態(tài)分析

根據(jù)以上對(duì)振動(dòng)臺(tái)夾具應(yīng)用材料的研究分析，在本夾具中選用比重小、比阻尼高的鋁合金材料。其參數(shù)入表1。

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，該產(chǎn)品試驗(yàn)頻率范圍及量值為表2所示。

2.1.1 垂向分析

1）約束條件：底座水平方向約束，垂向施加激勵(lì)，振動(dòng)架靠背安裝孔水平方向全約束，垂向自由；

采樣點(diǎn)：同一高度附近取兩節(jié)點(diǎn)，共取8個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2）前5階模態(tài)頻率及前5階振型（見表3）

表1 夾具材料參數(shù)

表2 夾具使用頻率范圍

由ANSYS計(jì)算結(jié)果可知，在5～100 Hz階段，所取節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)加速度與激勵(lì)加速度基本保持一致；而在100 ～160 Hz階段，所取節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)加速度微弱放大，且所取節(jié)點(diǎn)中越遠(yuǎn)離約束點(diǎn)放大效應(yīng)也越大。

2.1.2 水平X向分析

1）約束條件：底座Y、Z方向約束，X向施加激勵(lì)，振動(dòng)架靠背安裝孔水平方向全約束，垂向自由；

采樣點(diǎn)：同一高度附近取兩節(jié)點(diǎn)，共取8個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2）前5階模態(tài)頻率及前5階振型（見表4）

由ANSYS計(jì)算結(jié)果可知，同垂向相同，在5～100 Hz階段，所取節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)加速度與激勵(lì)加速度基本保持一致；而在100～110 Hz階段，所取節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)加速度微弱放大，且所取節(jié)點(diǎn)中越遠(yuǎn)離約束點(diǎn)放大效應(yīng)也越大。

2.1.3 水平Y(jié)向分析

1）約束條件：結(jié)合實(shí)際中使用時(shí)的約束條件，設(shè)置底座X、Z方向約束，Y向施加激勵(lì)，振動(dòng)架靠背安裝孔水平方向全約束，垂向自由；采樣點(diǎn)：同一高度附近取兩節(jié)點(diǎn)，共取8個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2）前5階模態(tài)頻率及前5階振型（見表5）

由ANSYS計(jì)算結(jié)果可知，同X向相同，在5～100 Hz階段，所取節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)加速度與激勵(lì)加速度基本保持一致；而在100～120 Hz階段，所取節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)加速度微弱放大，且所取節(jié)點(diǎn)中越遠(yuǎn)離約束點(diǎn)放大效應(yīng)也越大。在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，由于在Y向夾具的剛度更大，因此線性關(guān)系比X向更好。

表3 顯控臺(tái)振動(dòng)夾具表3前5階固有模態(tài)

表4 顯控臺(tái)振動(dòng)夾具表3前5階固有模態(tài)

表5 前5階固有模態(tài)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

按照以上的設(shè)計(jì)方法，制造出了該套振動(dòng)試驗(yàn)夾具。將該套振動(dòng)試驗(yàn)夾具安裝在振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn)，按照有限元中計(jì)算的頻率段進(jìn)行以方便進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。將振動(dòng)試驗(yàn)夾具安裝在振動(dòng)臺(tái)上后，在夾具頂端安裝了一個(gè)傳感器并編號(hào)為ch1，在靠近夾具中心安裝了一個(gè)傳感器并編號(hào)為ch2，在夾具的低端安裝了一個(gè)傳感器并編號(hào)為ch3。

X軸、Y軸和Z軸的測(cè)試結(jié)果見圖2。

從測(cè)試結(jié)果可知，5～60 Hz振動(dòng)試驗(yàn)夾具在低頻段時(shí)其頻響曲線基本保持在直線，且與控制曲線重合，說明該夾具在此段頻率范圍內(nèi)傳遞特性好；由于夾具在制造過程中產(chǎn)生的一些不可抗缺陷，當(dāng)測(cè)試頻率達(dá)到高頻時(shí)，響應(yīng)曲線發(fā)生波動(dòng)較大。從最大頻率段60～160 Hz測(cè)試曲線中取加速度最大比值點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，傳遞特性最大偏差+4.3 db，該值在接受范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

本次振動(dòng)臺(tái)通用型試驗(yàn)夾具的設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)夾具的實(shí)際使用環(huán)境及其安裝特點(diǎn)，并結(jié)合受試樣品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出的夾具。在使用有限元分析軟件ANSYS作為設(shè)計(jì)分析軟件，對(duì)夾具進(jìn)行模態(tài)分析、頻響分析，從理論上避開了試驗(yàn)條件的頻率范圍，并留有一定的余量。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，此套夾具完全滿足使用要求。

圖2 三軸向側(cè)視圖

這種設(shè)計(jì)方法不僅保證了夾具特別是大型通用夾具的一次設(shè)計(jì)成功率，節(jié)約了成本，而且設(shè)計(jì)出的夾具具有良好的指標(biāo)精度。

［1］孫忠濤，車英.振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)夾具設(shè)計(jì)及頻率響應(yīng)特性研究［J］.長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33（2）；61-67.

［2］方同.振動(dòng)理論及應(yīng)用［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002.

熊偉華（1987-），碩士研究生，研究方向：從事電子設(shè)備可靠性工作及結(jié)構(gòu)力學(xué)研究。

Research on Fixture Design of Vibration Test and Frequency Response Characteristic

XIONG Wei-hua，WANG Da-bing，WANG Feng-che
（No.617 Research Institute，China Shipbuilding Industry Corporation，Lianyungang 571069）

A multipurpose fixture which can match the specific demands of vibration test has been designed.Furthermore，the experiment fixture structure is simulated by using the finite element analysis software ANSYS.The fixture has its universality.Through testing and analyzing the fixture，the results show that the measured frequency response is in accord with that worked out by the software；and the product can meet the experiment requirements.

multipurpose；finite element analysis；experiment fixture；experiment analysis

TH122

A

1004-7204（2015）06-0054-04