馬征，李東強(qiáng)，顧陽(yáng)，劉凱

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某異型結(jié)構(gòu)振動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

馬征，李東強(qiáng)，顧陽(yáng)，劉凱

（湖北航天技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)所，武漢 430040）

目的完成某異型飛行器的振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)。方法對(duì)初步設(shè)計(jì)的夾具進(jìn)行有限元模態(tài)仿真計(jì)算、傳遞均勻性仿真計(jì)算，結(jié)合仿真計(jì)算結(jié)果，有針對(duì)性地對(duì)夾具進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。經(jīng)仿真計(jì)算，設(shè)計(jì)改進(jìn)后夾具滿足設(shè)計(jì)固有頻率及均勻性要求。結(jié)果夾具固有頻率的試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算誤差約為7%，均勻性也較吻合。結(jié)論驗(yàn)證了仿真計(jì)算結(jié)果的正確性、設(shè)計(jì)的合理性，該異型飛行器振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了該夾具傳遞特性也較好。

異型結(jié)構(gòu)；振動(dòng)夾具；仿真計(jì)算

隨著技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)、衛(wèi)星、火箭與導(dǎo)彈等飛行器的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，飛行環(huán)境也越來(lái)越惡劣，需要嚴(yán)苛的地面試驗(yàn)來(lái)考核。振動(dòng)試驗(yàn)是其中一項(xiàng)極為重要的試驗(yàn)，而振動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)又是振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)芊耥樌瓿傻年P(guān)鍵一環(huán)。

振動(dòng)夾具的作用是把振動(dòng)臺(tái)動(dòng)載荷傳遞到試驗(yàn)試件上，使試驗(yàn)試件產(chǎn)生與要求振動(dòng)譜形相一致的強(qiáng)迫振動(dòng)。如果振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)不合理，可能使試驗(yàn)試件受到的振動(dòng)環(huán)境產(chǎn)生失真，造成“欠試驗(yàn)”或“過(guò)試驗(yàn)”；也可能影響振動(dòng)控制，使振動(dòng)控制某些頻率段超差嚴(yán)重，使試驗(yàn)難以進(jìn)行；還有可能由于夾具傳遞特性差，造成振動(dòng)臺(tái)推力損失大，使現(xiàn)有振動(dòng)臺(tái)無(wú)法滿足試驗(yàn)振動(dòng)量級(jí)要求。因此，振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)是否合理直接影響到振動(dòng)試驗(yàn)的效果，而設(shè)計(jì)合理的振動(dòng)夾具，關(guān)鍵在于夾具的一階固有頻率要盡量高，且均勻性和傳遞特性要好[1—14]。

文中針對(duì)某飛行器的某異型結(jié)構(gòu)，在無(wú)該類型結(jié)構(gòu)振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的情況下，使用有限元軟件分析改進(jìn)了該結(jié)構(gòu)夾具的結(jié)構(gòu)形式，減少了設(shè)計(jì)的盲目性，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真計(jì)算的正確性、設(shè)計(jì)的合理性，并最終較好地完成了該異型結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)。

1 設(shè)計(jì)要求

該異型結(jié)構(gòu)質(zhì)量約為300 kg，振動(dòng)條件為隨機(jī)振動(dòng)，控制譜均方根值為13，振動(dòng)方向?yàn)檩S向，試驗(yàn)頻段為10~2000 Hz。要為該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一個(gè)固有頻率超過(guò)2000 Hz的夾具是不現(xiàn)實(shí)的。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[4—5]：夾具的一階固有頻率大于試件一階頻率的3倍，則試件的響應(yīng)接近理想值?？紤]結(jié)構(gòu)固有頻率特性及振動(dòng)試驗(yàn)要求，該結(jié)構(gòu)夾具應(yīng)滿足以下要求。

1）固有頻率：夾具的一階固有頻率應(yīng)大于600 Hz。

2）均勻性：要求夾具與結(jié)構(gòu)連接面的均方根值之差控制在±3 dB范圍內(nèi)?？紤]到夾具為異型，存在短軸與長(zhǎng)軸處響應(yīng)差別較大情況，要求與結(jié)構(gòu)連接面短軸、長(zhǎng)軸位置處的均方根值之差控制在±6 dB范圍內(nèi)。

2 夾具設(shè)計(jì)

2.1 材料選擇

振動(dòng)試驗(yàn)夾具的材料應(yīng)選用比剛度大、阻尼大的材料，常用的金屬材料為鋼、鈹、鎂合金和鋁合金。其中鋁合金的比剛度大、阻尼大，易加工和焊接，應(yīng)用最為廣泛[7]。該夾具材料選用鋁合金5A06。

2.2 制造工藝選擇

振動(dòng)夾具的制造工藝主要有鑄造法和焊接法，焊接法簡(jiǎn)單且加工效率高，加工時(shí)間和費(fèi)用分別為鑄造的1/7和1/3。隨著焊接技術(shù)的不斷提高，目前焊接件的強(qiáng)度能達(dá)到原材料的80%以上[7]。綜合考慮，該結(jié)構(gòu)振動(dòng)夾具制造工藝選用焊接法。

2.3 夾具的最大允許質(zhì)量

夾具的最大允許質(zhì)量與振動(dòng)試驗(yàn)所需推力有關(guān)，考慮到夾具在振動(dòng)傳遞時(shí)的推力損失，結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)所需推力應(yīng)不超過(guò)振動(dòng)臺(tái)最大推力的80%。使用16 t振動(dòng)臺(tái)（最大隨機(jī)推力為160 kN，動(dòng)圈質(zhì)量為200 kg）來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，該結(jié)構(gòu)夾具的最大允許質(zhì)量按式（1）計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，夾具的最大允許質(zhì)量約為500 kg。

rms≥（結(jié)+動(dòng)+夾）rms(1)

式中：rms為振動(dòng)臺(tái)推薦使用的最大推力，16 t振動(dòng)臺(tái)約為128 kN；rms為該異型結(jié)構(gòu)的最大振動(dòng)量級(jí)（127.4 m/s2）；艙為該異型結(jié)構(gòu)的質(zhì)量；夾為夾具的最大允許質(zhì)量。

2.4 夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要依據(jù)振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈的安裝孔位置、尺寸和結(jié)構(gòu)后端框連接孔形式、位置及尺寸等進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)，考慮了結(jié)構(gòu)后端面有無(wú)突出物（如定位銷等）、加速度計(jì)粘貼位置、電纜線布置、起吊和安裝是否方便等問(wèn)題。

2.4.1 初步設(shè)計(jì)及仿真計(jì)算

初步設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形式參照常規(guī)圓柱形結(jié)構(gòu)的振動(dòng)夾具形式進(jìn)行，主要由厚度均為30 mm的上平板、下平板和8塊筋板組成，高度為210 mm，夾具質(zhì)量為80 kg。考慮夾具傳遞的均勻性，在長(zhǎng)軸和短軸部位均布置肋板。使用MSC.Patran/Nastran軟件進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，仿真模型采用六面體單元，單元基本尺寸為10 mm，單元總數(shù)為35 925個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為47 834個(gè)。將夾具下平板螺栓孔上的節(jié)點(diǎn)建立MPC，其有限元模型見(jiàn)圖1。

圖1 有限元模型

模態(tài)計(jì)算時(shí)，約束MPC 6個(gè)自由度以模擬其固定在振動(dòng)臺(tái)上狀態(tài)，一階模態(tài)頻率為409.73 Hz，振型為沿中心軸旋轉(zhuǎn)，其一階模態(tài)振型見(jiàn)圖2。

圖2 一階模態(tài)振型

均勻性計(jì)算時(shí)，約束MPC除軸向外的其余5個(gè)自由度，對(duì)MPC加載軸向加速度載荷計(jì)算頻響。頻響計(jì)算完后對(duì)夾具施加幅值為0.0022/Hz、頻率為10~2000 Hz的平直譜隨機(jī)激勵(lì)（均方根值為2），短軸、長(zhǎng)軸處在軸向上的均方根值分別為3.799，9.052，響應(yīng)圖譜對(duì)比見(jiàn)圖3。

圖3 短軸、長(zhǎng)軸響應(yīng)圖譜對(duì)比

由模態(tài)振型可知，肋板和上平板長(zhǎng)軸部位的剛度較弱，該夾具不滿足一階固有頻率應(yīng)大于600 Hz的要求。均勻性計(jì)算僅加載了軸向載荷（振動(dòng)臺(tái)實(shí)際工作時(shí)會(huì)有一定的橫向運(yùn)動(dòng)），雖未激勵(lì)出夾具其他方向的模態(tài)（如一階旋轉(zhuǎn)模態(tài)），但不影響對(duì)夾具軸向均勻性的預(yù)示指導(dǎo)作用。根據(jù)均勻性計(jì)算結(jié)果，短軸、長(zhǎng)軸位置處均方根值之差約為7.5 dB，不滿足均勻性要求。

2.4.2 改進(jìn)設(shè)計(jì)及仿真計(jì)算

針對(duì)初步設(shè)計(jì)夾具存在肋板和上平板長(zhǎng)軸部位剛度較弱的問(wèn)題，在初步設(shè)計(jì)夾具的基礎(chǔ)上增加了8塊肋板和1個(gè)圓環(huán)筋。圓環(huán)筋高度為90 mm，厚度為30 mm，其中長(zhǎng)軸位置附近處肋板厚度改為40 mm，并對(duì)長(zhǎng)軸處肋板與上平板連接處的凸臺(tái)做了加高處理，夾具質(zhì)量為115 kg。采用相同方法建立改進(jìn)后夾具的有限元模型，并進(jìn)行模態(tài)計(jì)算和均勻性計(jì)算。改進(jìn)后夾具的一階模態(tài)頻率為723.18 Hz，振型為沿中心軸旋轉(zhuǎn)，其有限元模型和一階模態(tài)振型分別見(jiàn)圖4和圖5。短軸、長(zhǎng)軸處在軸向上的均方根值分別為3.386，6.592，響應(yīng)圖譜對(duì)比見(jiàn)圖6。

圖4 改進(jìn)后的有限元模型

改進(jìn)后夾具的質(zhì)量增加了35 kg，但一階固有頻率比初步設(shè)計(jì)夾具提高了77%，夾具的固有頻率提升效果明顯，滿足夾具一階固有頻率大于600 Hz的要求。同時(shí)短軸、長(zhǎng)軸位置處均方根值之差約為5.8 dB，均勻性有一定的改善，改進(jìn)后工裝質(zhì)量遠(yuǎn)小于最大允許質(zhì)量，均勻性仍有較大的提升空間?？紤]到以往沒(méi)有該異型結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，其推力損失有可能會(huì)很大，若繼續(xù)加厚肋板等會(huì)使工裝質(zhì)量增加，振動(dòng)臺(tái)推力余量變小。同時(shí)會(huì)造成連接螺釘?shù)牟僮骺臻g小、安裝困難，且改進(jìn)后工裝已滿足均勻性要求，因此對(duì)均勻性未做進(jìn)一步提升改進(jìn)。

圖5 改進(jìn)后的一階模態(tài)振型

圖6 改進(jìn)后短軸、長(zhǎng)軸響應(yīng)圖譜對(duì)比

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 模態(tài)試驗(yàn)

將改進(jìn)后的夾具固定在振動(dòng)臺(tái)上，使用LMS模態(tài)試驗(yàn)設(shè)備對(duì)夾具進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)采用錘擊法，錘擊位置為上平板長(zhǎng)軸部位，采用力錘錘擊，，三個(gè)方向，以獲取的頻響函數(shù)進(jìn)行模態(tài)分析，得到夾具的一階固有頻率為776.97 Hz，振型為沿中心軸旋轉(zhuǎn)。試驗(yàn)驗(yàn)證主要測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖7，測(cè)得的一階模態(tài)振型見(jiàn)圖8。

圖7 試驗(yàn)驗(yàn)證主要測(cè)點(diǎn)位置

改進(jìn)后夾具的模態(tài)試驗(yàn)表明，夾具一階固有頻率比仿真計(jì)算高約7%（54 Hz）。主要原因是仿真計(jì)算將夾具下平板螺紋孔完全剛性約束，忽略了振動(dòng)臺(tái)、螺栓連接、焊接等影響因素。根據(jù)上述分析，模態(tài)仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果基本吻合，改進(jìn)后夾具滿足固有頻率要求。

3.2 均勻性試驗(yàn)

在振動(dòng)臺(tái)上，將控制點(diǎn)放置在夾具下平板中心位置，加速度計(jì)布置在上平板上，位置同圖7。對(duì)夾具施加與仿真計(jì)算相同的平直譜隨機(jī)激勵(lì)，其測(cè)點(diǎn)均方根值結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。1#測(cè)點(diǎn)（短軸位置）、2#測(cè)點(diǎn)（短軸與長(zhǎng)軸中間位置）、3#測(cè)點(diǎn)（長(zhǎng)軸位置）處的響應(yīng)對(duì)比見(jiàn)圖9。以短軸位置處響應(yīng)為例對(duì)比，1#測(cè)點(diǎn)、5#測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)對(duì)比見(jiàn)圖10。

根據(jù)表1可知，夾具上平板測(cè)點(diǎn)的最小均方根值為3.41（1#測(cè)點(diǎn)），與最大均方根值6.75（3#測(cè)點(diǎn)）相比，其差值控制在±6 dB范圍內(nèi)。根據(jù)表1和圖10，各測(cè)點(diǎn)沿短軸或長(zhǎng)軸對(duì)稱位置處基本一致，差值均控制在±3 dB范圍內(nèi)。根據(jù)圖9和圖10，夾具的一階固有頻率在750 Hz附近，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真計(jì)算的正確性，改進(jìn)后夾具均勻性滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 測(cè)點(diǎn)均方根值統(tǒng)計(jì) g

圖9 1#、2#、3#測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)對(duì)比

3.3 異型結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)

后續(xù)使用該夾具進(jìn)行異型結(jié)構(gòu)的振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)的兩個(gè)控制點(diǎn)位于夾具與異型結(jié)構(gòu)端框連接的長(zhǎng)軸部位，振動(dòng)試驗(yàn)控制譜圖見(jiàn)圖11。根據(jù)圖11可知，振動(dòng)控制譜均在要求值的±3 dB范圍內(nèi)，滿足試驗(yàn)控制要求。該結(jié)構(gòu)的振動(dòng)試驗(yàn)量級(jí)為13，振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)響應(yīng)為10.3，即夾具在振動(dòng)傳遞過(guò)程中，不僅沒(méi)有衰減，還有所放大，說(shuō)明夾具的傳遞特性也較好。該夾具順利完成了異型結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)。

圖11 振動(dòng)控制譜圖

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某異型結(jié)構(gòu)開(kāi)展了振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)，對(duì)初步設(shè)計(jì)的夾具進(jìn)行有限元模態(tài)仿真計(jì)算、傳遞均勻性仿真計(jì)算。根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果有針對(duì)性地對(duì)夾具進(jìn)行了改進(jìn)，并通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)、均勻性試驗(yàn)及結(jié)構(gòu)試驗(yàn)驗(yàn)證了夾具設(shè)計(jì)合理有效。該夾具的設(shè)計(jì)過(guò)程對(duì)其他夾具設(shè)計(jì)具有較好的借鑒作用。

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Design and Experimental Verification of a Special Shaped Vibration Fixture Structure

MA Zheng, LI Dong-qiang, GU Yang, LIU Kai

(Hubei Aerospace Technology Research Institute HQ Designing, Wuhan 430040, China)

Objective To design a vibration fixture of a special shaped aircraft. Methods Firstly, the finite element modal simulation calculation and the uniformity simulation calculation were carried out for the preliminary design of the vibration fixture. The vibration fixture was improved based on the simulation results. By calculation, the fixture after design improvement met the design requirements on frequency and uniformity. Results There was an error of 7% between the natural frequency test result of the fixture and simulation calculation. The uniformity was also consistent. Conclusion The result of simulation calculation is correct and the design is reasonable. The transfer characteristic of the fixture is good.

special shaped structure; vibration fixture; simulation calculation

10.7643/ issn.1672-9242.2017.03.018

TJ760.5

A

1672-9242(2017)03-0090-05

2016-11-22；

2016-12-27

馬征（1986—），男，河南洛陽(yáng)人，工程師，碩士，主要研究方向?yàn)檠b備振動(dòng)、沖擊等試驗(yàn)技術(shù)。