朱子宏，沈志強(qiáng)，高文碩，邵麗娟

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100094）

夾具特性對(duì)振動(dòng)控制精度影響效應(yīng)分析

朱子宏，沈志強(qiáng)，高文碩，邵麗娟

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100094）

夾具作為產(chǎn)品與振動(dòng)臺(tái)之間的連接部件在振動(dòng)試驗(yàn)中起著非常重要的作用。為了探究夾具特性對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)控制精度影響效應(yīng)，根據(jù)夾具設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的基本要求，對(duì)某型號(hào)試件的振動(dòng)試驗(yàn)的兩種不同的夾具進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)研究和有限元分析，得到兩種夾具的自身特性以及其振動(dòng)試驗(yàn)特性，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)該類的振動(dòng)試驗(yàn)夾具的設(shè)計(jì)給出合理化建議。

振動(dòng)試驗(yàn)；控制精度；夾具

引言

振動(dòng)是產(chǎn)品在服役過(guò)程中失效的主要環(huán)境因素之一，許多航天器設(shè)備的故障和事故都與振動(dòng)問(wèn)題直接或間接相關(guān)。眾多振動(dòng)環(huán)境中，隨機(jī)振動(dòng)最為普遍。試驗(yàn)室中為模擬產(chǎn)品的工作環(huán)境，通常要進(jìn)行平穩(wěn)、各態(tài)經(jīng)歷的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，以增加和考核產(chǎn)品在隨機(jī)振動(dòng)工作下的可靠性，而夾具作為振動(dòng)臺(tái)與試驗(yàn)件的連接部件，其設(shè)計(jì)是振動(dòng)試驗(yàn)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。如果夾具選用的不合適，就可能會(huì)影響試驗(yàn)的控制精度，出現(xiàn)欠試驗(yàn)或過(guò)實(shí)驗(yàn)，因此試驗(yàn)的成功與否，試驗(yàn)結(jié)果的可信程度與試驗(yàn)夾具的設(shè)計(jì)、制造及安裝使用水平有直接關(guān)系。本文著重討論夾具特性對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)控制精度響應(yīng)效應(yīng)。

1 振動(dòng)試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

夾具是振動(dòng)試驗(yàn)的傳力部件，它把振動(dòng)臺(tái)面的運(yùn)動(dòng)傳遞給試件，傳遞路徑如圖1所示，使試件在規(guī)定的振動(dòng)量級(jí)下得到考驗(yàn)，夾具性能的好壞直接影響到振動(dòng)試驗(yàn)的真實(shí)度和可靠度。在隨機(jī)振動(dòng)過(guò)程中，試驗(yàn)頻段內(nèi)均分布有能量，如果振動(dòng)試驗(yàn)夾具選用不當(dāng)，就會(huì)引起振動(dòng)試驗(yàn)的控制超差，導(dǎo)致試件在振動(dòng)頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生過(guò)試驗(yàn)的問(wèn)題，從而不能正確地對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行考核。理想的振動(dòng)試驗(yàn)夾具應(yīng)該具有以下幾點(diǎn)基本特性：①夾具的一階固有頻率應(yīng)該高于試件的一階固有頻率3倍，在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)，應(yīng)該限制夾具共振峰個(gè)數(shù)；②夾具與試件連接面上各點(diǎn)響應(yīng)要一致確保振動(dòng)輸入的均勻性；③夾具的橫向振動(dòng)應(yīng)盡量小。本文以某型號(hào)衛(wèi)星的控制單元兩個(gè)典型夾具為例，進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究了不同夾具對(duì)于控制精度的影響。

圖1 振動(dòng)臺(tái)機(jī)械能傳遞關(guān)系

圖2 夾具垂直安裝（X向安裝）示意圖

2 夾具特性對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)控制精度的影響

2.1 夾具的選取

衛(wèi)星的部件振動(dòng)試驗(yàn)常用的夾具有L型夾具和盒式夾具，目前某型號(hào)衛(wèi)星的控制單元主要使用的也是這兩種類型的夾具。進(jìn)行試驗(yàn)的夾具如圖1所示，振動(dòng)試驗(yàn)夾具A為盒式夾具、夾具B為L(zhǎng)型夾具，兩個(gè)夾具均為鋁制的，定義控制單元垂直安裝面的方向?yàn)閆向，平行安裝面的方向?yàn)閄、Y向，坐標(biāo)系定義見(jiàn)圖2所示。并在試驗(yàn)安裝面上粘貼測(cè)量傳感器A1、A2和B1、B2如圖1所示。其中上端測(cè)點(diǎn)為1，下端測(cè)點(diǎn)為2。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

1）控制點(diǎn)位于夾具與輔助臺(tái)面的連接面上，采用兩點(diǎn)平均控制，分別進(jìn)行夾具A、夾具B的X向特征級(jí)掃頻試驗(yàn)，夾具安裝如圖1所示；

2）分別以A1X、A2X（B1X、B2X）為控制通道，進(jìn)行夾具A（B）的X向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)；

圖3 夾具水平安裝Z向試驗(yàn)

圖4 夾具水平安裝X向試驗(yàn)

表1 特征級(jí)掃頻振動(dòng)試驗(yàn)條件

3）控制點(diǎn)位于夾具與水平滑臺(tái)的連接面上，采用兩點(diǎn)平均控制，進(jìn)行夾具A、夾具B的Z向特征級(jí)掃頻試驗(yàn)夾具安裝如圖3所示；

4）分別以A1Z、A2Z（B1Z、B2Z）為控制通道，在水平臺(tái)上進(jìn)行夾具A（B）的Z向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)；

5）以?shī)A具安裝面上兩點(diǎn)平均控制，在水平臺(tái)上進(jìn)行夾具A、夾具B的X向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)夾具安裝如圖4所示。

2.3 試驗(yàn)條件

特征級(jí)掃頻振動(dòng)試驗(yàn)條件如表1所示。

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件如表2所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 正弦掃頻振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果正弦掃頻振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6以及表3所示。從圖5、圖6和表3可以看出在進(jìn)行X向和Z向特征級(jí)試驗(yàn)時(shí)，具有如下特點(diǎn)：

圖5 X向特征級(jí)掃頻試驗(yàn)結(jié)果

圖6 Z向特征級(jí)掃頻試驗(yàn)結(jié)果

1）夾具A在部分共振點(diǎn)上，非主振方向的響應(yīng)要大于主振方向的響應(yīng)，夾具的橫向振動(dòng)較大，夾具B的主振方向遠(yuǎn)大于非主振方向的響應(yīng)值，夾具的橫向振動(dòng)較小。

表3 正弦掃頻振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

2）夾具A在一階共振點(diǎn)的響應(yīng)值和最大響應(yīng)值均大于夾具B的測(cè)點(diǎn)響應(yīng)值，相比之下，夾具B共振時(shí)放大倍數(shù)較小，響應(yīng)曲線更加平緩。

3）夾具A的測(cè)點(diǎn)1、2的響應(yīng)值相差較大，夾具B的測(cè)點(diǎn)1、2的響應(yīng)值較為接近，即夾具B連接面上各點(diǎn)響應(yīng)較為一致，可以確保振動(dòng)輸入的均勻性。

4）2 000 Hz以內(nèi)，夾具B的共振峰個(gè)數(shù)要明顯少于夾具A的共振峰的個(gè)數(shù)。

由此可以說(shuō)明，夾具B與夾具A相比具有更好的傳遞特性。

3.2 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8、圖9以及表4所示 ，其中CA為夾具A的控制曲線，CB為夾具B的控制曲線。從圖中可以看出，在水平滑臺(tái)上夾具B的兩個(gè)方向安裝方式隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)控制曲線和總均方根均未出現(xiàn)超差現(xiàn)象，在垂直臺(tái)上隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)控制曲線僅在1 645 Hz時(shí)有一微小超差，而且總均方根未出現(xiàn)超差現(xiàn)象，相反對(duì)于夾具A無(wú)論是在水平滑臺(tái)還是在垂直臺(tái)面上進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，控制曲線都會(huì)出現(xiàn)很多超差點(diǎn)，且超差現(xiàn)象嚴(yán)重，三種安裝方式的控制曲線在1 000 Hz以后基本都超出試驗(yàn)容差范圍內(nèi)，在600 Hz以前就開(kāi)始出現(xiàn)超差現(xiàn)象，夾具A的三種安裝方式隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)總均方根都不同程度超過(guò)參考值。試驗(yàn)結(jié)果表明，用夾具A進(jìn)行控制單元的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，容易導(dǎo)致試驗(yàn)控制超差，輸入失真，導(dǎo)致過(guò)試驗(yàn)現(xiàn)象的產(chǎn)生，夾具B在進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，傳遞特性好，不易超差。

圖7 夾具垂直臺(tái)上X向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)控制曲線

圖8 夾具水平滑臺(tái)上Z向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)控制曲線

圖9 夾具水平滑臺(tái)上X向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)控制曲線

4 有限元計(jì)算結(jié)果

采用大型通用軟件ANSYS對(duì)夾具A、夾具B進(jìn)行有限元分析，采用solid45單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行夾具的掃頻試驗(yàn)時(shí)，均是產(chǎn)品非安裝面與振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行連接，在有限元分析的時(shí)候取產(chǎn)品非安裝面的底部進(jìn)行固支邊界條件。其有限元模型和約束條件如圖10所示。

表4 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

表5 夾具固有頻率統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果將夾具A、夾具B在2 000 Hz以內(nèi)的固有頻率統(tǒng)計(jì)如表5、圖11所示。

從表5和圖11可以看出夾具B除一階頻率略低于夾具A之外，其他各階固有頻率均高于夾具B的相同階數(shù)頻率這與試驗(yàn)曲線顯示的結(jié)果基本一致，而且在2 000 Hz以內(nèi)，夾具B僅有7個(gè)模態(tài)數(shù)，尤其是在1 500 Hz以后未出現(xiàn)明顯的共振頻率；夾具A在200 Hz以內(nèi)具有較多的模態(tài)數(shù)，在1 500 Hz后有5個(gè)共振頻率，由于夾具A在高頻部分具有較多的共振頻率，導(dǎo)致其在進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)候容易出現(xiàn)高頻超差的現(xiàn)象。由此可以說(shuō)明在進(jìn)行某型號(hào)衛(wèi)星控制單元的振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，采用夾具B更好。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某型號(hào)控制單元振動(dòng)試驗(yàn)夾具進(jìn)行正弦掃頻試驗(yàn)和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，并且進(jìn)行有限元模態(tài)分析，可以得到如下結(jié)論：

1）夾具B與夾具A相比，橫向振動(dòng)較小，共振峰處響應(yīng)放大倍數(shù)小，連接面上各點(diǎn)響應(yīng)一致性好，在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)具有較少的共振峰，夾具B相比夾具A具有更好的傳遞特性。

圖10 夾具網(wǎng)格劃分及約束情況

圖11 夾具模態(tài)分布圖

2）在進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，夾具A超差嚴(yán)重，夾具B基本不超差，用夾具B進(jìn)行產(chǎn)品的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)可以確?？刂戚斎氲木?，可見(jiàn)振動(dòng)試驗(yàn)夾具的特性對(duì)試驗(yàn)控制精度有較大的影響。

3）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和有限元計(jì)算的結(jié)果，振動(dòng)試驗(yàn)中選擇合適的夾具，可以避免試驗(yàn)的過(guò)實(shí)驗(yàn)。

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朱子宏，男，（1964 -），高級(jí)工程師，研究方向：動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)研究。

Analysis of Effect of Fixture Characteristics on Vibration Control Accuracy

ZHU Zi-hong, SHEN Zhi-qiang, GAO Wen-shuo, SHAO Li-juan
(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094)

As a connecting part between the product and the shaker, the fixture plays a very important role in the vibration test.In order to investigate the effect of fixture characteristics on the control precision of vibration test, and according to the basic requirements of fixture design criteria, two kinds of fixture for a certain type of specimen were subjected to vibration test and finite element analysis.The characteristics of the two kinds of fixtures and their vibration test characteristics are obtained, and some rationalization recommendations for the vibration test fixture design are given according to the results.

vibration test; control accuracy; fixture

V416.2

A

1004-7204（2016）05-0014-06