彭立曉

（天津航空機(jī)電有限公司，天津 300000）

0 引言

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，航空零部件在振動(dòng)試驗(yàn)中發(fā)生故障數(shù)占環(huán)境試驗(yàn)發(fā)生故障數(shù)40%左右。故障原因之一為振動(dòng)試驗(yàn)中過試驗(yàn)現(xiàn)象。產(chǎn)品振動(dòng)試驗(yàn)欠試驗(yàn)也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品出廠裝機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。所以針對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)的準(zhǔn)確控制進(jìn)行研究至關(guān)重要。振動(dòng)試驗(yàn)控制點(diǎn)位置的選取是決定振動(dòng)試驗(yàn)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。故需要對(duì)于振動(dòng)試驗(yàn)控制點(diǎn)位置選取原則及方法進(jìn)行研究[1]。本文基于響應(yīng)均方偏離度最小理論，通過仿真分析找到夾具上振動(dòng)響應(yīng)的最大點(diǎn)與最小點(diǎn)，將其作為振動(dòng)試驗(yàn)控制點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。產(chǎn)品安裝點(diǎn)振動(dòng)量值與參考值接近，滿足要求。本文明確了振動(dòng)試驗(yàn)控制點(diǎn)的方法，并將該方法應(yīng)用到實(shí)踐中，提高了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

1 問題描述

某傳感器產(chǎn)品振動(dòng)試驗(yàn)中，傳感器殼體出現(xiàn)斷裂，經(jīng)測(cè)試，振動(dòng)試驗(yàn)中產(chǎn)品安裝點(diǎn)附近振動(dòng)量值達(dá)到了50 g，振動(dòng)量值達(dá)到該傳感器目標(biāo)振動(dòng)量值8 倍以上。分析得出T 型夾具在1 700 Hz 發(fā)生共振（測(cè)試數(shù)據(jù)見圖1），導(dǎo)致產(chǎn)品安裝點(diǎn)附近振動(dòng)量值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過參考值。振動(dòng)臺(tái)控制方式為兩點(diǎn)平均控制，兩個(gè)控制點(diǎn)都布置在T 型夾具的底部（控制點(diǎn)位置見圖2）。該控制方式使振動(dòng)臺(tái)閉環(huán)控制系統(tǒng)沒有起到夾具共振補(bǔ)償?shù)淖饔?，夾具共振明顯[2]，所以研究T 型夾具控制方式至關(guān)重要。

圖1 產(chǎn)品測(cè)試頻譜

圖2 產(chǎn)品測(cè)試照片

2 機(jī)理分析

振動(dòng)試驗(yàn)中控制點(diǎn)為夾具振動(dòng)到振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)的反饋信號(hào)。多點(diǎn)平均控制法為振動(dòng)臺(tái)通過控制點(diǎn)振動(dòng)平均值形成控制譜，調(diào)整動(dòng)圈運(yùn)動(dòng)使控制譜與參考譜一致。

2.1 響應(yīng)均方偏離度

當(dāng)試件在振動(dòng)臺(tái)上試驗(yàn)時(shí)，在各譜線頻率點(diǎn)上設(shè)置的參考譜為φ（fp），各夾具與安放產(chǎn)品的傳力點(diǎn)上的傳遞響應(yīng)譜為Φdi（fp）。i為產(chǎn)品安裝點(diǎn)數(shù)目，dv為譜線起始點(diǎn)，uv為譜線末端值，得到公式：

當(dāng)響應(yīng)均方偏離度越大則夾具傳遞給試件的振動(dòng)量級(jí)與設(shè)置參考譜越不相符[3]。

2.2 控制點(diǎn)最優(yōu)點(diǎn)計(jì)算公式

為了在試驗(yàn)過程中能夠滿足控制特性要求，通常采用多點(diǎn)加權(quán)控制，這時(shí)夾具與試件的傳力點(diǎn)處的響應(yīng)會(huì)出現(xiàn)與控制譜不一致的現(xiàn)象而且各傳力部位處響應(yīng)也不一樣，這是夾具的傳遞特性和振動(dòng)臺(tái)控制方式共同作用的結(jié)果，基于以上思想，引入響應(yīng)均方偏離度最小的方法，建立表征傳力點(diǎn)處的響應(yīng)加速度譜密度值（簡(jiǎn)稱響應(yīng)譜）與實(shí)際設(shè)定控制譜的加速度譜密度（參考譜）之差的函數(shù)F，則目標(biāo)函數(shù)為：

假定振動(dòng)臺(tái)傳遞給夾具（圖3）的響應(yīng)點(diǎn)位于振動(dòng)臺(tái)面的中心位置上的夾具o點(diǎn)，夾具傳遞給試件的響應(yīng)為試件與夾具的安裝部位di（i=1，2，…，m），傳感器安裝位置為cj（j=1，2，…，n）。o 點(diǎn)到di傳遞函數(shù)Hd,o（f）與o到cj傳遞函數(shù)Hcj,o（f）如下：

圖3 夾具示意圖

將其代入目標(biāo)函數(shù)F，得到控制點(diǎn)最優(yōu)計(jì)算公式：

由于實(shí)際試驗(yàn)中，試件與夾具的安裝部位di（i=1，2，…，m），傳感器安裝位置為cj（j=1，2，…，n），兩個(gè)點(diǎn)簡(jiǎn)化為一個(gè)點(diǎn)。

可以得到產(chǎn)品安裝點(diǎn)中振動(dòng)響應(yīng)最大值點(diǎn)與最小值點(diǎn)的平均值接近全部安裝點(diǎn)的振動(dòng)量值的平均值。故產(chǎn)品的振動(dòng)響應(yīng)最大值點(diǎn)與最小值點(diǎn)兩個(gè)點(diǎn)作為控制點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)品響應(yīng)均方偏離度小。可以保證產(chǎn)品安裝點(diǎn)振動(dòng)量值接近參考譜。

3 選取產(chǎn)品的控制點(diǎn)

本文利用有限元仿真的方法進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)控制點(diǎn)的選取。通過有限元軟件ANSYS，進(jìn)行夾具的隨機(jī)振動(dòng)仿真分析，得到夾具的隨機(jī)振動(dòng)加速度云圖，獲取夾具響應(yīng)加速度值最大位置和最小位置作為振動(dòng)控制點(diǎn)位置。

仿真條件：約束方式為夾具安裝孔固定約束，材料為鋁合金7A04，彈性模量為65 GPa，泊松比為0.31，密度為2.85 kg/m3，利用ANSYS 進(jìn)行仿真分析得到加速度云圖，如圖4 所示。

圖4 夾具仿真結(jié)果

通過仿真結(jié)果得到夾具的振動(dòng)響應(yīng)加速度分布顯示夾具最高點(diǎn)與安裝平面分別是振動(dòng)響應(yīng)最大值點(diǎn)和最小值點(diǎn)。故選取這兩點(diǎn)作為振動(dòng)控制點(diǎn)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

振動(dòng)試驗(yàn)控制點(diǎn)分別選取在夾具的最高點(diǎn)與安裝平面位置兩個(gè)位置，進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。振動(dòng)試驗(yàn)頻譜如圖5 所示，產(chǎn)品安裝點(diǎn)位置振動(dòng)量值為6.63 g 與參考譜振動(dòng)量值6.07 g，偏差在10%以內(nèi)滿足要求。并且產(chǎn)品安裝點(diǎn)附近響應(yīng)頻譜與控制譜接近重合。耐久振動(dòng)試驗(yàn)5 h 后，產(chǎn)品外觀性能均合格。

圖5 優(yōu)化后產(chǎn)品測(cè)試頻譜

5 結(jié)論

本研究根據(jù)振動(dòng)響應(yīng)均方偏離度最小理論，應(yīng)用仿真分析選取控制點(diǎn)的位置，并進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

（1）通過選取T 型安裝點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)最大值與最小值位置點(diǎn)作為控制點(diǎn)，可以滿足試驗(yàn)要求；

（2）有限元仿真技術(shù)可以計(jì)算出夾具隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)加速度分布情況，作為選取控制點(diǎn)的手段；

（3）該夾具控制點(diǎn)選取方法及驗(yàn)證方法對(duì)于其他類型振動(dòng)夾具具有借鑒意義。