文 | 蘇州長菱測試技術(shù)有限公司 毛成龍 陳俊 王曉輝

某機(jī)載雷達(dá)艙外設(shè)備振動(dòng)沖擊試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)

The Shock and Vibration Test Fixture Design of Airborne Radar Equipment

文 | 蘇州長菱測試技術(shù)有限公司 毛成龍 陳俊 王曉輝

為了合理地設(shè)計(jì)符合振動(dòng)沖擊環(huán)境試驗(yàn)要求的夾具,根據(jù)某機(jī)載雷達(dá)艙外設(shè)備振動(dòng)沖擊試驗(yàn)條件及有關(guān)振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)規(guī)范,對(duì)該雷達(dá)艙外設(shè)備振動(dòng)沖擊試驗(yàn)夾具進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性設(shè)計(jì)。振動(dòng)沖擊試驗(yàn)表明:夾具的動(dòng)態(tài)特性滿足了振動(dòng)沖擊環(huán)境試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)的要求。某機(jī)載雷達(dá)艙外設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)時(shí),加速度譜密度值的控制誤差明顯小于±3dB,完全符合有關(guān)振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)規(guī)范的要求，沖擊試驗(yàn)控制精度也滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。因此,該夾具設(shè)計(jì)是成功的。

Abstract:In order to properly design the fixture of shock and vibration environmental testing, the structural dynamic characteristics design was made according to the test conditions of an airborne radar equipment shock and vibration and the vibration test fixture design criterion. Vibration and shock test showed that the dynamic nature of fixtures met the fixture design requirements of the shock and vibration environmental testing. During the airborne radar vibration test, the PSD value of control error is smaller than ± 3dB, which fully complies with the requirements of standard vibration test and the shock test control accuracy also met the test standards.Therefore, the fixture design is successful.

振動(dòng)試驗(yàn)；夾具；有限元；模態(tài)分析；試驗(yàn)容差

Key words:Vibration Test；Fixture；Finite Element；Modal Analysis；Test Tolerance

引言

機(jī)載電子設(shè)備在使用和運(yùn)輸過程中會(huì)受到振動(dòng)和沖擊等動(dòng)力學(xué)環(huán)境的作用,這種作用常導(dǎo)致電子設(shè)備中元器件焊點(diǎn)斷裂、管腳損壞和緊固件松動(dòng)等故障。這些故障大大降低了機(jī)載電子設(shè)備的可靠性,產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。為了確保機(jī)載電子設(shè)備的安全可靠性,故在裝機(jī)前均應(yīng)按照國軍標(biāo)進(jìn)行環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn),以有效地激發(fā)機(jī)載電子產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中因元器件、工藝和裝配等原因所引起的這類早期故障,提高機(jī)載電子產(chǎn)品的可靠性,減少產(chǎn)品的后期維修費(fèi)用。合理地設(shè)計(jì)符合振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)要求的夾具是保證試驗(yàn)質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵。但隨著試件尺寸和重量的增加，試驗(yàn)量級(jí)的增大，夾具設(shè)計(jì)的難度也越來越大。在工程實(shí)踐中,常常因夾具的動(dòng)力特性較差引起試件的“過試驗(yàn)”或“欠試驗(yàn)”,將原本可以通過振動(dòng)試驗(yàn)的試件判為不合格,或?qū)⒃瓉聿荒芡ㄟ^試驗(yàn)的試件判為合格。理想的夾具應(yīng)能將振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上的振動(dòng)信號(hào)不失真地傳遞到試件上。因此,夾具的固有頻率應(yīng)盡可能地高,但要高出試驗(yàn)頻率的上限,通常存在很大的困難。為此，夾具設(shè)計(jì)規(guī)范針對(duì)所設(shè)計(jì)的夾具大小及重量以及其他有關(guān)因素,對(duì)所設(shè)計(jì)的夾具的第一階固有頻率下限值,作了相應(yīng)的規(guī)定，對(duì)于大型夾具來說，一般要使其一階固有頻率高于試件的一階固有頻率的3～5倍，此要求對(duì)大型試驗(yàn)夾具的設(shè)計(jì)帶來了新的挑戰(zhàn)。

1 某機(jī)載雷達(dá)艙外設(shè)備振動(dòng)沖擊試驗(yàn)要求

某機(jī)載雷達(dá)艙外設(shè)備如圖1所示。長2m，寬0.6m，高3m，重300Kg，通過頂部4個(gè)M14的螺栓固定在夾具上，分別進(jìn)行兩種試驗(yàn)狀態(tài)的試驗(yàn)，即雷達(dá)旋轉(zhuǎn)與靜止兩種狀態(tài)，每種狀態(tài)進(jìn)行三個(gè)方向的試驗(yàn)，試驗(yàn)采用GJB150.16軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法-振動(dòng)試驗(yàn)及GJB150. 18軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法-沖擊試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)。

夾具應(yīng)滿足如下要求：

圖1 雷達(dá)艙外設(shè)備外形圖

(1)三個(gè)方向第一階固有頻率均大于100 Hz;

(2)重量小于4000 kg;

(3)某雷達(dá)艙外設(shè)備與夾具安裝后可罩蓋部分可360°旋轉(zhuǎn)；

(4)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)控制譜誤差在±3 dB之內(nèi)，總均方根值不超出±10%；

(5)沖擊試驗(yàn)控制譜應(yīng)滿足圖3所示容差要求；

(6)夾具和雷達(dá)艙外設(shè)備整體重心處于振動(dòng)臺(tái)的軸心。

2 夾具設(shè)計(jì)

為滿足某雷達(dá)艙外設(shè)備振動(dòng)沖擊試驗(yàn)的要求，同時(shí)留有一定的推力余量，振動(dòng)臺(tái)采用蘇州東菱振動(dòng)試驗(yàn)儀器有限公司研發(fā)制造的ES350-870/LTT2525，其動(dòng)圈直徑為870mm，32個(gè)M12的安裝孔呈米字型分布，最大推力為350KN，垂直方向最大承載為6000Kg，水平臺(tái)面為2500mm×2500mm，具體性能指標(biāo)見表1及表2所示。

雷達(dá)艙外設(shè)備的安裝點(diǎn)在頂部，試件的工作狀態(tài)處于懸掛狀態(tài)，對(duì)于該類試件傳統(tǒng)的夾具是做一個(gè)全封閉的籠式桁架結(jié)構(gòu)，以保證夾具所需的剛度，由于夾具體積龐大，一般采用空心薄壁管以減輕重量，同時(shí)由于整體封閉式的結(jié)構(gòu)形式，增加了夾具的制作的難度和安裝使用的難度，同時(shí)由于籠式桁架體積較大，重量大，而且剛性很難保證，很難得保證三個(gè)方向均達(dá)到100Hz以上的共振頻率。

表1 ES-350垂直臺(tái)參數(shù)

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的籠式桁架夾具結(jié)構(gòu)，本雷達(dá)艙外設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)夾具是采用開放式的整體框架結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)剛性好，體積小，重量輕，使用方便的特點(diǎn)。如圖2圖3所示，雷達(dá)艙外設(shè)備振動(dòng)沖擊試驗(yàn)夾具，由空心鋼管和鋼板焊接成的一個(gè)整體框架結(jié)構(gòu)，雷達(dá)艙外設(shè)備通過頂部4個(gè)M14螺栓懸掛在該整體框架結(jié)構(gòu)內(nèi)，且可以沿豎直軸線水平轉(zhuǎn)動(dòng)360°，該整體框架結(jié)構(gòu)前、后面是敞開的，左右立柱由梯形筋板和空心鋼焊接而成，上方為兩層方形框架和三塊豎筋板焊接而成；垂直方向試驗(yàn)時(shí)通過左右立柱可將整個(gè)框架結(jié)構(gòu)與底部的V型擴(kuò)展臺(tái)面相連接，然后通過32個(gè)M12螺栓將底部的V型擴(kuò)展臺(tái)面固定于振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈上，水平方向試驗(yàn)時(shí)直接通過左右立柱將整個(gè)框架結(jié)構(gòu)與水平臺(tái)面連接。

在設(shè)計(jì)過程中用ANSYS對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析。分析時(shí)采用10節(jié)點(diǎn)solid45實(shí)體單元,通過調(diào)節(jié)夾具的高度、筋的厚度及位置,使夾具的固有頻率盡可能提高。最終夾具長3000mm,寬1100mm,高3800mm,重3500 kg。共有244135個(gè)節(jié)點(diǎn), 805795個(gè)單元。夾具的實(shí)體模型如圖4所示,單元?jiǎng)澐秩鐖D5所示。在夾具底部完全約束情況下,前6階振型如圖6～11所示，其中，第六階振型為垂直方向的一階伸縮，頻率為149.6Hz，大于100Hz，滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)由于夾具與試件均是對(duì)稱的,故整體的重心位于振動(dòng)臺(tái)的軸線上,無偏心。

水平方向試驗(yàn)時(shí)直接通過左右立柱將整個(gè)框架結(jié)構(gòu)與水平臺(tái)面連接，當(dāng)試件振動(dòng)方向改變時(shí),只需將安裝法蘭和試件同時(shí)旋轉(zhuǎn)90°安裝即可,避免了將整個(gè)夾具重新安裝，圖12為夾具水平方向一階彎曲振型圖，頻率為287Hz，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 ES-350水平臺(tái)參數(shù)

3 夾具測試及振動(dòng)沖擊試驗(yàn)

夾具動(dòng)態(tài)響應(yīng)測試分為兩個(gè)方向，即垂直方向和水平方向，試驗(yàn)時(shí)采用夾具頂部四點(diǎn)平均控制，采用正弦掃頻測試條件，10Hz～500Hz，0.1g，1Oct/min，垂直方向及水平方向測試圖譜如圖13及圖14所示，夾具固有頻率測試及仿真結(jié)果對(duì)比見表3所示。

表3 夾具的固有頻率（Hz）

某雷達(dá)艙外設(shè)備振動(dòng)沖擊試驗(yàn)時(shí)安裝情況見圖15所示，同樣采用夾具頂部安裝法蘭螺釘附近的四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行平均控制，試驗(yàn)控制譜如顯示，在整個(gè)試驗(yàn)頻段內(nèi)，加速度譜密度值誤差明顯小于±3 dB，加速度總均方根幅值誤差也在±2%內(nèi)。

4 結(jié)束語

本文提供了一種大型懸掛式振動(dòng)試驗(yàn)夾具的設(shè)計(jì)方法，整體開放式的框架結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)剛性好，體積小，重量輕，使用方便的特點(diǎn)，從振動(dòng)沖擊試驗(yàn)的控制曲線可以看出，加速度譜密度值誤差明顯小于±3 dB，加速度總均方根幅值及沖擊響應(yīng)幅值誤差也在±2%內(nèi)，滿足試驗(yàn)委托方提出的夾具設(shè)計(jì)要求，為此型號(hào)的雷達(dá)艙外設(shè)備振動(dòng)沖擊試驗(yàn)的順利完成提供了保障，也對(duì)同類型產(chǎn)品的力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)提供了參考。

[1] 胡志強(qiáng),法慶衍,洪寶林,等.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, 1996.；

[2]《力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)》，編輯委員會(huì)編著，西北工業(yè)大學(xué)出版社。

毛成龍，男，2007年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)，畢業(yè)后在蘇州長菱測試技術(shù)有限公司一直從事力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)方面的工作，主管完成了神舟七號(hào)飛船、神舟八號(hào)飛船、天宮一號(hào)及嫦娥三號(hào)等高難度重大項(xiàng)目的振動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)夾具的設(shè)計(jì)有一定的經(jīng)驗(yàn)。