呂召會(huì)

(南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039)

電子設(shè)備在運(yùn)輸和使用過(guò)程中會(huì)受到各種機(jī)械力的作用，比如振動(dòng)、沖擊等，直接影響電子設(shè)備的可靠性。為了檢查電子設(shè)備在機(jī)械振動(dòng)、沖擊環(huán)境中是否失效，通常的做法是模擬電子設(shè)備在真實(shí)環(huán)境下的工況進(jìn)行振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)，以確保電子設(shè)備在真實(shí)環(huán)境下可靠地工作。振動(dòng)試驗(yàn)夾具的功能就是作為一個(gè)結(jié)構(gòu)過(guò)渡件將振動(dòng)臺(tái)的激振力傳遞給被測(cè)設(shè)備，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，夾具對(duì)信號(hào)的放大要求在容許的范圍內(nèi)，并要有合理的性價(jià)比[1]。夾具的好壞將直接影響振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文針對(duì)某型電子設(shè)備機(jī)柜振動(dòng)試驗(yàn)夾具，從設(shè)計(jì)原則、選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核等方面闡述了夾具的設(shè)計(jì)過(guò)程，最后通過(guò)夾具模態(tài)測(cè)試，驗(yàn)證了仿真計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。

1 設(shè)計(jì)要求

電子設(shè)備的力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)和振動(dòng)夾具、振動(dòng)試驗(yàn)控制密切相關(guān)，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、合理地傳遞到電子設(shè)備上，既不存在試驗(yàn)放大(過(guò)試驗(yàn))，也不存在試驗(yàn)考核不足(欠試驗(yàn))的情況[2]。

目前尚沒(méi)有該類夾具設(shè)計(jì)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。參照美國(guó)圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室根據(jù)美國(guó)軍方標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-810B制訂的振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)規(guī)范,對(duì)夾具的要求進(jìn)行量化,除對(duì)夾具的一階固有頻率進(jìn)行規(guī)定外,還對(duì)夾具在不同試驗(yàn)頻段內(nèi)的共振頻率個(gè)數(shù)及峰值提出了要求[3]。通常要求夾具的第一階固有頻率為受試品第一階固有頻率的3～5倍,以避免發(fā)生夾具與受試產(chǎn)品的共振耦合。

1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

該電子設(shè)備機(jī)柜通過(guò)底部安裝孔安裝在卡車平臺(tái)上。夾具作為一個(gè)過(guò)渡安裝件，上平面與機(jī)柜底部連接，下平面與振動(dòng)臺(tái)面連接，將振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)輸入傳遞給受試機(jī)柜，完成產(chǎn)品大綱要求的振動(dòng)試驗(yàn)。振動(dòng)臺(tái)通過(guò)振動(dòng)夾具將一定頻率范圍內(nèi)的功率譜“能量”傳遞到試件上[4]。夾具設(shè)計(jì)的主要輸入條件為：

1)被測(cè)試機(jī)柜尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為1 800 mm×700 mm×574 mm，質(zhì)量小于270 kg 。

2)被測(cè)試機(jī)柜安裝方式為落地安裝，無(wú)底部減振器。

3)被測(cè)試機(jī)柜第一階固有頻率為125 Hz，夾具第一階固有頻率大于375 Hz。

4)滿足使用要求前提下,夾具質(zhì)量盡量小。

機(jī)柜在夾具上安裝示意圖如圖1所示。

1.2 振動(dòng)試驗(yàn)件

該機(jī)柜安裝于車載平臺(tái)，振動(dòng)形式為隨機(jī)振動(dòng)，振動(dòng)條件見(jiàn)表1。

1.3 振動(dòng)臺(tái)

機(jī)柜振動(dòng)試驗(yàn)選用“ES-15D15振動(dòng)臺(tái)”，其推力為150 kN，最大動(dòng)載荷為4 000 kg，最大加速度為40 m/s2, 試驗(yàn)臺(tái)的水平和垂直擴(kuò)展臺(tái)面尺寸均為1 500 mm×1 500 mm，螺紋安裝孔為M12 的公制螺紋孔，安裝孔呈矩陣式分布，孔間距為100 mm。

圖1 機(jī)柜在夾具上安裝示意圖

表1 振動(dòng)條件

1.4 夾具質(zhì)量控制

根據(jù)傳統(tǒng)計(jì)算方法，試驗(yàn)臺(tái)所需推力F應(yīng)滿足:

F≥(m1+m2+m3)a

(1)

式中:a為振動(dòng)加速度；m1為振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈的質(zhì)量(若有滑臺(tái)、擴(kuò)展臺(tái)面，應(yīng)按照三者的總質(zhì)量考慮)；m2為振動(dòng)夾具的質(zhì)量；m3為被測(cè)試機(jī)柜的質(zhì)量。

為了保護(hù)振動(dòng)臺(tái)，振動(dòng)臺(tái)的推力一般按照不超過(guò)其設(shè)計(jì)最大推力的80%來(lái)計(jì)算。按照最大加速度2.2g、機(jī)柜質(zhì)量270 kg、滑臺(tái)質(zhì)量150 kg計(jì)算，振動(dòng)夾具的質(zhì)量應(yīng)小于5 145 kg。

2 夾具設(shè)計(jì)

電子設(shè)備機(jī)柜除了其結(jié)構(gòu)外框，內(nèi)部通常安裝有各型獨(dú)立可更換單元或分立元器件，各構(gòu)件通過(guò)導(dǎo)軌及接插件、螺釘?shù)扰c外框連成一個(gè)整機(jī)系統(tǒng)。機(jī)柜、夾具與振動(dòng)臺(tái)組成完整振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。若將它按單自由度系統(tǒng)處理，則所求得的響應(yīng)與實(shí)際工況出入較大,合理的分析方法是將它化作為多自由度系統(tǒng)。多自由度振動(dòng)系統(tǒng)的方程為：

(2)

由式(2)可知:輸入激勵(lì)一定，輸出響應(yīng)的位移與系統(tǒng)剛度成反比，速度與阻尼成反比，加速度與質(zhì)量成反比。增大系統(tǒng)剛度、系統(tǒng)阻尼、系統(tǒng)質(zhì)量有助于減少系統(tǒng)的位移響應(yīng)，但是增加夾具質(zhì)量將降低其一階固有頻率f，同時(shí)由于受到振動(dòng)臺(tái)推力的限制，因此通常采用的辦法是提高系統(tǒng)的剛度和阻尼。

2.1 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾具結(jié)構(gòu)形式一般根據(jù)被測(cè)試設(shè)備的外形進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于電子設(shè)備機(jī)柜來(lái)說(shuō)，其夾具結(jié)構(gòu)一般有L型、平板型等，立式機(jī)柜通常采用L型夾具，臥式機(jī)柜通常采用平板型夾具。本文夾具采用雙層平板型結(jié)構(gòu)，以模擬車載平臺(tái)。上層板與機(jī)柜連接，下層板與振動(dòng)臺(tái)面連接，上下層之間采用立板支撐，以獲得較高的結(jié)構(gòu)剛度。上下層高度需保證夾具易于加工且使夾具在振動(dòng)臺(tái)上便于裝夾。

夾具成型工藝一般采用鑄造或焊接。對(duì)于復(fù)雜形狀的夾具通常采用鑄造工藝，但鑄造夾具成本較高，加工時(shí)間較長(zhǎng)，而且鑄件會(huì)因?yàn)樯把鄣辱T造缺陷成品率較低。焊接工藝夾具常采用標(biāo)準(zhǔn)板材、型材焊接成型后再機(jī)加工其外形，加工方法易于實(shí)現(xiàn)，加工精度易于保證，成本較低。

根據(jù)被測(cè)設(shè)備外形及安裝要求，從工藝和成本角度考慮，本文夾具采用焊接工藝。夾具長(zhǎng)度和寬度與機(jī)柜底部安裝面一致，夾具高度盡量小以保證有較高的穩(wěn)定性，但最小高度需保證夾具焊接操作可達(dá)性。綜合各因素，夾具長(zhǎng)×寬×高取值暫定為1 800 mm×700 mm×200 mm，夾具材料厚度暫定為30 mm。夾具經(jīng)過(guò)焊接加工后上下層表面必須進(jìn)行機(jī)械加工，保證其平面度小于0.2 mm。

2.2 材料選擇

設(shè)計(jì)振動(dòng)夾具時(shí)盡量達(dá)到質(zhì)量輕、剛度高的要求，且在振動(dòng)試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)無(wú)明顯的諧振峰值，因此比剛度大、阻尼大的材料是制造振動(dòng)夾具的理想材料[6]。常見(jiàn)的幾種材料的物理特性見(jiàn)表2 。

表2 常用振動(dòng)夾具材料的主要物理特性

由于大多數(shù)金屬的比剛度接近，因此選用不同的金屬材料不會(huì)明顯改變振動(dòng)夾具的頻率特性。夾具的質(zhì)量是進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素之一，從材料阻尼特性、質(zhì)量及加工便利性方面考慮，由于鋁合金的阻尼大于鋼，因此本文選用鋁合金5A05制造機(jī)柜振動(dòng)試驗(yàn)夾具。

2.3 三維建模

使用Pro/E軟件建立夾具的三維模型，為了方便后期有限元力學(xué)仿真計(jì)算，在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，建模時(shí)對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，忽略模型上的倒角、小孔、焊縫等特征，夾具與振動(dòng)臺(tái)連接的孔特征保留。夾具由上下平板、 縱向支撐立板、左右各5個(gè)側(cè)向支撐立板焊接成型，質(zhì)量約269 kg，三維模型如圖2所示。

圖2 夾具三維模型

2.4 前處理

使用ANSYS軟件進(jìn)行夾具有限元仿真分析，模型網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格，共劃分網(wǎng)格59 748個(gè)。在ANSYS軟件內(nèi)對(duì)夾具材料的密度、楊氏模量、泊松比等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。邊界條件設(shè)置：夾具各零件之間為焊接，接觸類型設(shè)置為“Bonded”；夾具與振動(dòng)臺(tái)面連接，按實(shí)際情況，邊界條件設(shè)置為固定約束。夾具網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 夾具網(wǎng)格模型

2.5 結(jié)果與分析

對(duì)夾具進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算夾具的前4階固有頻率和振型。前4階固有頻率見(jiàn)表3，模態(tài)振型如圖4所示。

表3 夾具固有頻率 Hz

圖4 夾具1～4階模態(tài)振型

從表3和圖4可以看出，該夾具一階固有頻率為853.68 Hz，遠(yuǎn)大于被試驗(yàn)件機(jī)柜的固有頻率125 Hz。

將被測(cè)試機(jī)柜質(zhì)量270 kg加載在夾具的上安裝面，按1.2節(jié)振動(dòng)條件進(jìn)行計(jì)算，得到夾具沿X(縱向)、Y(橫向)、Z(垂向)方向隨機(jī)振動(dòng)的應(yīng)力云圖，如圖5所示。

圖5 夾具隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力云圖

由圖可以看出，沿X方向夾具最大應(yīng)力為2.02 MPa，沿Y方向夾具最大應(yīng)力為1.06 MPa，沿Z方向夾具最大應(yīng)力為1.05 MPa。最大值2.02 MPa遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度280 MPa，說(shuō)明夾具強(qiáng)度安全裕量較大，滿足振動(dòng)試驗(yàn)要求。

3 夾具優(yōu)化

3.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

經(jīng)過(guò)以上計(jì)算分析可以得到符合設(shè)計(jì)要求的振動(dòng)試驗(yàn)夾具，為了實(shí)現(xiàn)夾具輕量化并降低夾具生產(chǎn)加工成本，對(duì)夾具進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)?；诒粶y(cè)試機(jī)柜的安裝和夾具焊接成型工藝要求，本文設(shè)計(jì)了2種優(yōu)化方案。

方案1：以?shī)A具的板厚作為優(yōu)化對(duì)象，將夾具上下平板及支撐立板厚度改為20 mm。

方案2：以?shī)A具的板厚作為優(yōu)化對(duì)象，并在支撐立板上開(kāi)設(shè)減重孔(為了將夾具作為通用夾具用于其他產(chǎn)品振動(dòng)試驗(yàn)，不考慮在夾具上層平板開(kāi)設(shè)減重孔)。

將夾具上下平板及支撐立板厚度改為20 mm，并且在縱向支撐立板上開(kāi)4個(gè)150 mm×60 mm的減重孔，在左右5個(gè)側(cè)向支撐立板上各開(kāi)2個(gè)80 mm×60 mm的減重孔。重新計(jì)算夾具前4階固有頻率，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 夾具優(yōu)化前后固有頻率對(duì)比 Hz

由計(jì)算結(jié)果可知，板厚變化對(duì)夾具1階固有頻率影響明顯，在開(kāi)設(shè)減重孔后對(duì)夾具1階固有頻率影響較小。優(yōu)化方案2的夾具1階固有頻率為539.58 Hz,符合1.1節(jié)的夾具設(shè)計(jì)主要輸入條件要求。優(yōu)化后夾具質(zhì)量約172 kg，減重36%。由于優(yōu)化方案2加工成本低、夾具質(zhì)量較輕，且能滿足試驗(yàn)要求，因此作為最終設(shè)計(jì)方案。

根據(jù)優(yōu)化方案2制作的夾具在振動(dòng)臺(tái)上正常安裝時(shí)其前4階模態(tài)振型如圖6所示。

圖6 完全固定狀態(tài)夾具1～4階模態(tài)振型

3.2 強(qiáng)度校核

夾具優(yōu)化后減重效果明顯，為了驗(yàn)證其強(qiáng)度是否滿足振動(dòng)試驗(yàn)要求，采用ANSYS軟件對(duì)優(yōu)化后的夾具進(jìn)行強(qiáng)度校核。將被測(cè)試機(jī)柜簡(jiǎn)化為一個(gè)獨(dú)立質(zhì)量塊，并將此作為負(fù)載對(duì)夾具施加載荷。

將機(jī)柜質(zhì)量270 kg作為質(zhì)量點(diǎn)施加在夾具上表面，按1.2節(jié)振動(dòng)條件進(jìn)行計(jì)算，得到夾具沿X方向最大應(yīng)力為12.09 MPa，沿Y方向夾具最大應(yīng)力為3.87 MPa，沿Z方向最大應(yīng)力為6.54 MPa。最大值12.09 MPa遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度280 MPa，說(shuō)明夾具強(qiáng)度安全裕量較大，滿足振動(dòng)試驗(yàn)要求。

3.3 安裝方式影響

在進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，有時(shí)因被測(cè)試機(jī)柜和夾具大小超過(guò)了振動(dòng)臺(tái)大小，夾具底部個(gè)別孔無(wú)法使用螺栓與振動(dòng)臺(tái)連接。為了研究夾具與振動(dòng)臺(tái)面不完全固接對(duì)夾具模態(tài)的影響，僅將夾具周邊孔與振動(dòng)臺(tái)連接，并按此狀態(tài)對(duì)模型添加約束。圖7中涂黑孔為螺栓固定處。

圖7 夾具不完全固定狀態(tài)

以3.1節(jié)最終設(shè)計(jì)方案為例，重新對(duì)不完全固定狀態(tài)的夾具進(jìn)行前4階模態(tài)計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 夾具不完全約束狀態(tài)固有頻率 Hz

由表5可知，如果夾具在振動(dòng)臺(tái)上僅固定少數(shù)孔，則對(duì)夾具的加固作用削弱，使得夾具的剛度下降，從而導(dǎo)致夾具固有頻率急劇下降，此時(shí)振動(dòng)臺(tái)、夾具、被測(cè)試設(shè)備組成的系統(tǒng)剛度也將下降，從而降低了振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的固有頻率。系統(tǒng)的固有頻率降低后更接近被測(cè)試機(jī)柜的固有頻率，容易出現(xiàn)共振放大現(xiàn)象，造成對(duì)被測(cè)試機(jī)柜過(guò)試驗(yàn)，應(yīng)盡力避免此類情況發(fā)生。

4 模態(tài)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證有限元仿真軟件計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)夾具進(jìn)行模態(tài)測(cè)試。為了排除振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面及被測(cè)試設(shè)備對(duì)夾具模態(tài)的影響，測(cè)試夾具處于自由狀態(tài)的前4階固有頻率。測(cè)試采用錘擊法，用橡皮繩將夾具吊起，通過(guò)力錘反復(fù)對(duì)夾具施加激勵(lì)信號(hào)，測(cè)試夾具不同部位的響應(yīng)，從而得到夾具的固有頻率及振型，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示，模態(tài)測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖8 模態(tài)測(cè)試

圖9 夾具自由狀態(tài)1～4階模態(tài)振型(實(shí)測(cè)結(jié)果)

對(duì)自由狀態(tài)下夾具的前4階固有頻率進(jìn)行計(jì)算，測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表6，模態(tài)振型如圖10所示。

表6 模態(tài)測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比 Hz

由測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析可以看出，采用有限元軟件計(jì)算出的結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果基本一致，可信度較高，前4階平均誤差為3.7%。產(chǎn)生誤差的原因可能是由于三維建模時(shí)簡(jiǎn)化了焊縫，而實(shí)際情況下焊縫起到了增強(qiáng)夾具剛度的作用，此外網(wǎng)格劃分的精度、實(shí)際測(cè)試時(shí)的系統(tǒng)誤差和測(cè)量誤差的存在也是原因之一。因此可以認(rèn)為優(yōu)化后的夾具符合設(shè)計(jì)要求。

圖10 自由狀態(tài)下夾具1～4階模態(tài)振型(計(jì)算結(jié)果)

5 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的夾具設(shè)計(jì)只能憑設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)以及根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果來(lái)進(jìn)行，返工在所難免，使夾具準(zhǔn)備工作在工裝中占用了較多的時(shí)間[7]。本文利用有限元分析軟件對(duì)夾具進(jìn)行了模態(tài)分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)夾具進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)約了時(shí)間，提高了效率。采用錘擊法對(duì)夾具進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，與以往的振動(dòng)臺(tái)掃頻法相比，測(cè)試結(jié)果也更加準(zhǔn)確。本文優(yōu)化設(shè)計(jì)的夾具實(shí)物已應(yīng)用于產(chǎn)品的振動(dòng)試驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足試驗(yàn)要求。

雖然采用改變板厚和開(kāi)減重孔的方法可以達(dá)到較好的優(yōu)化效果，但這種方法的效率尚不夠理想，對(duì)設(shè)計(jì)師經(jīng)驗(yàn)的依賴也比較大，因此在下一步的研究中將尋找效率更高的優(yōu)化方法。