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        魚雷電子組件振動試驗夾具的設(shè)計*

        2014-12-02 06:06:46
        艦船電子工程 2014年3期
        關(guān)鍵詞:振動臺夾具固有頻率

        (中船重工集團(tuán)第七〇五研究所 西安 710075)

        1 引言

        魚雷電子組件在運(yùn)輸、試驗過程中要經(jīng)受較嚴(yán)酷的機(jī)械環(huán)境,振動、沖擊等機(jī)械負(fù)荷常常引起元件失效、材料疲勞損換,造成電子組件故障。為了檢驗產(chǎn)品在真實環(huán)境下工作情況,產(chǎn)品需要進(jìn)行振動等試驗。主要手段是在通過振動試驗等應(yīng)力測試試驗,向電子組件施加外力載荷,或者模擬試驗的環(huán)境載荷條件,分析電子組件的關(guān)鍵部位的頻率響應(yīng)情況,為合理的元器件布局設(shè)計、組件結(jié)構(gòu)設(shè)計和殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。因此振動試驗是結(jié)構(gòu)設(shè)計分析及驗證的重要環(huán)節(jié),振動試驗的方法關(guān)系到試驗的正確性與準(zhǔn)確性,必須加以重視。

        研究振動試驗方法是進(jìn)行振動試驗的最重要的組成部分。而夾具在振動試驗中發(fā)揮著極為重要的作用。振動試驗夾具主要功能是模擬設(shè)備實際安裝狀態(tài)、完成產(chǎn)品的固和振動環(huán)境的傳遞,夾具的好壞直接影響到振動試結(jié)果的可信度。不合理的夾具設(shè)計、制造及安裝使用容易是振動試驗國產(chǎn)產(chǎn)生“過振動”與“欠振動”[1],加重振動系統(tǒng)的負(fù)荷,尤其在振動臺的動態(tài)響應(yīng)范圍較小時,這種故障尤為明顯,對電子組件造成損壞,而達(dá)不到試驗的目的。因此,有必要對振動實驗及其關(guān)鍵的振動臺夾具設(shè)計進(jìn)行深入的研究。

        2 夾具設(shè)計的關(guān)鍵問題

        2.1 材料要求

        控制夾具固有頻率的因素是E/ρ,其中E 是楊氏模量,ρ是密度[2]。對于大多數(shù)金屬來說E/ρ比值接近選用不同的金屬材料不會明顯改變夾具的頻率特性如表1所示。由于重量是夾具設(shè)計時考慮的關(guān)鍵參數(shù)之一,鋁的密度只有鋼的35%不到,也易于機(jī)加工,同時其阻尼特性比鋼好,因此夾具采用鋁合金鑄造而成。

        表1 常用材料的機(jī)械性能

        魚雷電子組件由于受雷內(nèi)空間限制,體積重量都不大,因此材料可采用輕便、易加工的鋁合金,采用整體機(jī)加工結(jié)構(gòu)形式;對于較大夾具,優(yōu)先考慮鑄造或焊接;夾具要留有傳感器安裝位置。

        2.2 性能要求

        振動夾具要具有良好的動態(tài)特性,能盡可能不失真地將振動臺的能量傳遞到試驗件上。理想的夾具應(yīng)將振動激勵不失真地傳遞給試件,在試驗頻帶范圍內(nèi)無共振頻率點[3],因此需要試驗產(chǎn)品和夾具之間能夠作到剛性連接,對夾具性能的要求主要有以下幾點:

        1)要求其頻率響應(yīng)曲線平坦,固有頻率要高,最好高于試驗頻率上限。夾具第一階固有頻率至少要高于試驗產(chǎn)品一階固有頻率3~5倍,以避免試件和夾具的耦合振動。試驗頻率范圍內(nèi),當(dāng)夾具有共振峰時,應(yīng)限制共振峰個數(shù)、傳遞比以及3dB帶寬頻率;

        2)夾具連接面上各點響應(yīng)要一致,以確保振動輸入的均勻性;

        3)夾具的橫向振動應(yīng)盡量??;

        4)夾具的高度應(yīng)小于試驗頻率上限波長的1/4;

        5)在振動臺推力允許時,夾具質(zhì)量最好是試驗產(chǎn)品質(zhì)量的2~4倍,以減少試件對振動臺的反共振;

        6)正確模擬試件的實際安裝狀態(tài),夾具的動特性與產(chǎn)品實際安裝支架的動特性應(yīng)盡量一致,這樣才能重現(xiàn)產(chǎn)品的實際環(huán)境。要做到這一點相當(dāng)困難,因為產(chǎn)品范圍很大,可以是元件、部件、組合件以及某種結(jié)構(gòu)等,單個夾具難以再現(xiàn)各種產(chǎn)品的固定方法,只能盡量做到與實際情況相近似。

        2.3 重量要求

        夾具的重量主要是由以下公式得出:

        式中:F為振動臺額定推力;M2 為試件質(zhì)量;M3為夾具質(zhì)量;a為加速度。

        根據(jù)振動臺的額定參數(shù)和實際試驗中運(yùn)動的最大加速度,確定出夾具的重量范圍。應(yīng)該注意的是:在有效的重量范圍內(nèi),夾具的重量應(yīng)該盡可能地輕,因為附加重量會降低軸向共振頻率。所以,夾具重量對共振頻率的影響比材料剛度對共振頻率的影響要大。

        3 夾具設(shè)計及仿真

        3.1 夾具設(shè)計

        振動夾具的主要結(jié)構(gòu)形式有L 型、倒“T”型和盒型,本夾具形式采用倒“T”形結(jié)構(gòu)。連接孔采用沉孔設(shè)計,根據(jù)魚雷電子組件外形特性和質(zhì)量特性,夾具預(yù)留的安裝接口,嵌有鋼絲螺套,模擬魚雷電子組件的實際安裝方式和運(yùn)動方向,總質(zhì)量為10kg。為提高夾具的整體剛度,兩側(cè)和中板采用工字梁加強(qiáng)筋,通過增加工字梁高度來提高夾具的固有頻率,夾具的實體模型[4~5]如圖1所示。

        圖1 夾具外形

        3.2 振動臺面

        為滿足夾具安裝的方便性和同時進(jìn)行多個產(chǎn)品的安裝以提高試驗效率要求,一般使用振動臺臺面,在振動臺臺面上安裝夾具,要求振動臺面固有頻率在1000Hz以上,因為魚雷電子產(chǎn)品的器件固有頻率在一般在300Hz~750Hz,若振動臺面固有頻率在1000Hz以下,則由振動臺、臺面、夾具、產(chǎn)品組成的試驗系統(tǒng)其固有頻率有可能在750Hz以下(帶夾具、產(chǎn)品后剛度K 減少,質(zhì)量M 增大,固有頻率減小),與器件固有頻率(300Hz~750Hz)重合,控制點選點不當(dāng)會造成產(chǎn)品器件的過試驗和損壞。

        3.3 夾具的瞬態(tài)動力學(xué)分析

        該電子組件在沖擊過程中要受到最大300g的加速度沖擊,具體如表2所示。

        表2 沖擊試驗?zāi)芗?/p>

        為了分析夾具在沖擊載荷下的受力情況,采用MSC.Software公司的MSC.Patran/Nastran有限元軟件進(jìn)行仿真計算[6]。將CATIA 中建立的夾具三維實體模型導(dǎo)入MSC.Patran/Nastran 中。由于模型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分;設(shè)置有限元模型的材料屬性和載荷工況;設(shè)置單元屬性及施加邊界條件[7]。模型受到的沖擊加速度分別為40g、60g、80g、300g,沖擊波形為半正弦波,對應(yīng)的加速度沖擊時間分別為10ms、10ms、5ms、1ms。

        3.4 有限元模型仿真

        電子組件試驗段要做X軸向前、X軸向后不同方向過載的沖擊,在這兩種沖擊方向下對所有沖擊載荷進(jìn)行仿真。模型的長度單位是mm,在本文中量綱采用的是“t-mm-s”制,應(yīng)力的單位是MPa。有限元模型采用10節(jié)點四面體單元劃分網(wǎng)格[8],在安裝面進(jìn)行位移約束,將5個自由度約束,在縱軸方向施加加速度載荷,試驗段質(zhì)量由試驗段外殼均布等效。模型受到100g過載時,計算結(jié)果如圖2所示。

        圖2 過載響應(yīng)曲線圖

        40g沖擊過載時最大應(yīng)力發(fā)生在X軸向前方向,位置在底座與安裝面板接觸處,最大應(yīng)力為71MPa,遠(yuǎn)小于硬鋁材料的許用應(yīng)力。60g沖擊過載時X軸向前方向產(chǎn)生的最大應(yīng)力為150MPa。最大應(yīng)力位置在與產(chǎn)品連接的螺母上。300g沖擊過載時X軸向前方向產(chǎn)生的最大應(yīng)力為278MPa。最大應(yīng)力位置在與產(chǎn)品連接的螺母上,這些部位均為鋼材料,則最大應(yīng)力遠(yuǎn)離屈服極限。

        3.5 固有頻率測試

        該試驗電子組件的一階頻率最高為100Hz。對夾具三維模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分,采取簡化處理,包括模型中的倒棱和焊接不平面等結(jié)構(gòu)。建立分析模型包括有限元網(wǎng)格的劃分[9~10]、材料模型的建立和邊界條件的施加等步驟。采用四面體網(wǎng)格,共71601個單元。夾具與振動臺面螺栓連接的節(jié)點取為邊界條件,固定螺栓一端節(jié)點的所有自由度。

        表3 夾具的部分模態(tài)值

        用NASTRAN 計算夾具的固有頻率,夾具第一階固有頻率為117.3Hz,前四階固有頻率如表3所示。

        從表2可以看出,該夾具具有較好的動態(tài)特性,其固有頻率遠(yuǎn)高于被試驗件的固有頻率,可滿足試驗件的振動試驗夾具要求。

        4 結(jié)語

        本文設(shè)計了一種固定某魚雷電子組件的夾具。通過仿真分析,可以得出以下結(jié)論:

        1)該夾具在功能上能實現(xiàn)40g、60g、80g、300g的沖擊要求,滿足設(shè)計要求并且操作方便。2)經(jīng)過瞬態(tài)動力學(xué)仿真分析,該夾具所選擇材料的力學(xué)性能能承受要求的加速度沖擊而不損壞[9~10]。3)經(jīng)過軟件分析計算,該夾具的一階固有頻率遠(yuǎn)高于被試電子組件的一階固有頻率,理論上驗證了該夾具設(shè)計的合理性。

        綜上所述,該夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,功能完善,剛度和強(qiáng)度均能滿足設(shè)計要求,安全裕度計算結(jié)果大于零,符合設(shè)計要求。

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