郭健龍 余小明 沈志強(qiáng)

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

夾具連接方式對(duì)沖擊響應(yīng)譜模擬能力影響效應(yīng)分析

郭健龍 余小明 沈志強(qiáng)

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

文章介紹了夾具結(jié)構(gòu)特性與沖擊響應(yīng)譜模擬試驗(yàn)?zāi)芰χg的關(guān)系，通過(guò)典型夾具的有限元分析和試驗(yàn)驗(yàn)證的方式說(shuō)明夾具連接方式對(duì)沖擊響應(yīng)譜模擬能力影響效應(yīng)。結(jié)果表明，利用振動(dòng)夾具進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)，可以通過(guò)減少連接螺釘數(shù)量，提供沖擊響應(yīng)譜模擬能力。該方法可以為作為試驗(yàn)人員進(jìn)行沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)的操作指導(dǎo)。

夾具、連接、沖擊響應(yīng)譜

引言

沖擊環(huán)境是指產(chǎn)品在運(yùn)輸、發(fā)射、軌道運(yùn)行或返回期間受到的各種瞬態(tài)載荷。試驗(yàn)產(chǎn)品中關(guān)鍵部件可能會(huì)在沖擊過(guò)程中，因位移、速度和加速度的突然變化，出現(xiàn)損壞甚至失效，導(dǎo)致產(chǎn)品無(wú)法常工作。隨著對(duì)空間環(huán)境以及發(fā)射環(huán)境認(rèn)識(shí)的逐步深入，沖擊試驗(yàn)越來(lái)越受到重視，如今沖擊試驗(yàn)已經(jīng)成為了檢驗(yàn)和暴露產(chǎn)品在研制過(guò)程中存在的設(shè)計(jì)問(wèn)題和加工缺陷的重要環(huán)境模擬試驗(yàn)之一。但是受到設(shè)備能力的限制，往往試驗(yàn)設(shè)備自身的模擬能力不能滿足型號(hào)的試驗(yàn)條件要求，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者紛紛開(kāi)展了利用諧振裝置提高設(shè)備沖擊響應(yīng)譜模擬能力方法的研究[1，2]。2011年中國(guó)航天員訓(xùn)練中心馬愛(ài)軍研究員通過(guò)有限元分析的方法，利用諧振裝置在50 kN振動(dòng)

臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了原本250 g的試驗(yàn)?zāi)芰μ岣咧?00 g[3]。2015年北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的沈志強(qiáng)等人通過(guò)改變連接特性提供振動(dòng)臺(tái)沖擊試驗(yàn)?zāi)M能力的分析，將160 kN振動(dòng)臺(tái)沖擊能力從1 000 g提升至2 000 g，并且通過(guò)理論分析與實(shí)踐結(jié)合，說(shuō)明了振動(dòng)試驗(yàn)夾具與沖擊試驗(yàn)夾具的區(qū)別[4]。以上幾篇文章為提高沖擊響應(yīng)譜模擬能力提供了思路，但是與振動(dòng)試驗(yàn)相比都需要重新設(shè)計(jì)連接臺(tái)面、或者連接夾具，提高了試驗(yàn)成本，本文從改變夾具連接特性提高沖擊試驗(yàn)?zāi)M能力的角度出發(fā)，利用有限元分析了改變連接特性對(duì)于夾具模態(tài)特性的影響分析，并且進(jìn)行多次沖擊試驗(yàn)，總結(jié)分析出夾具連接特性對(duì)于沖擊試驗(yàn)?zāi)M能力的影響。

1 夾具特性與沖擊試驗(yàn)?zāi)芰π?yīng)分析

1．1 夾具特性與沖擊響應(yīng)譜模擬之間的關(guān)系

如圖1所示，試驗(yàn)夾具與沖擊設(shè)備等之間系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為單自由度系統(tǒng)。為了更好研究試驗(yàn)夾具連接特性與沖擊響應(yīng)譜模擬能力之間的影響關(guān)系，現(xiàn)將簡(jiǎn)化為單自由度系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)函數(shù)的數(shù)學(xué)方程為：

常用的沖擊響應(yīng)譜是加速度和頻率的關(guān)系式，沖擊響應(yīng)譜頻域曲線是通過(guò)沖擊試驗(yàn)時(shí)采集的最大加速度響應(yīng)值和固有頻率相對(duì)應(yīng)的數(shù)值點(diǎn)。將采集到的點(diǎn)光滑連接，就可得到了沖擊響應(yīng)譜曲線。沖擊響應(yīng)譜是由沖擊對(duì)象本身固有頻率與試驗(yàn)中最大加速度值擬合而成，所以試驗(yàn)對(duì)象本身固有頻率越多，品質(zhì)因子越大則沖擊效果好；而振動(dòng)試驗(yàn)要求夾具盡可能的剛性，固有頻率越高越好，避免試件與夾具產(chǎn)生振動(dòng)耦合而使其響應(yīng)放大，在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)，模態(tài)數(shù)越少越好，品質(zhì)因子越小越好。所以通過(guò)上述分析，可知沖擊試驗(yàn)夾具與振動(dòng)試驗(yàn)夾具特性要求正好相反，試驗(yàn)頻率內(nèi)模態(tài)數(shù)量越多，品質(zhì)因子越大能夠更好的實(shí)現(xiàn)沖擊試驗(yàn)效果。根據(jù)“人、機(jī)、料、法、環(huán)”，在原有沖擊試驗(yàn)人員、設(shè)備、夾具材料和試驗(yàn)環(huán)境不變的情況下，影響沖擊試驗(yàn)量級(jí)的是試驗(yàn)夾具與沖擊設(shè)備之間的連接特性，在夾具自身的特性基本確定的情況下，能夠影響夾具與沖擊設(shè)備之間連接特性的只有連接方式[5～7]。本文著重探討夾具連接方式對(duì)于沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)的影響分析。

圖1 單自由度系統(tǒng)模型

圖2 圓形鏤空振動(dòng)、沖擊夾具

1．2 通用試驗(yàn)夾具連接方式對(duì)沖擊模擬能力影響有限元分析

因振動(dòng)與沖擊試驗(yàn)夾具特性要求有所不同，最好的方法是使用振動(dòng)夾具進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，使用沖擊夾具進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，但是往往由于時(shí)間和經(jīng)費(fèi)的限制，一般振動(dòng)與沖擊設(shè)計(jì)為同一夾具，因此針對(duì)常用夾具進(jìn)行自身特性分析，找出可以提高振動(dòng)工裝沖擊能力方法。如圖2所示，是圓形鏤空振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)的夾具，此夾具便于安裝、損失推力少、使用頻率高，往往被用來(lái)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，振動(dòng)試驗(yàn)后繼續(xù)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，因此筆者選用此夾具進(jìn)行分析，如圖3所示。

圖3 圓形鏤空夾具三維圖

利用有限元分析軟件分析了20個(gè)螺釘連接、12個(gè)螺釘連接、8個(gè)螺釘連接的幾種形式，分析結(jié)果如表1所示。將20個(gè)連接孔全部約束，有限元分析得出一階頻率為1 157 Hz，3 000 Hz內(nèi)模態(tài)數(shù)量為20個(gè)，如圖4所示。沖擊試驗(yàn)試驗(yàn)拐點(diǎn)頻率大部分都低于1 000 Hz，該連接方式在1 000 Hz以內(nèi)無(wú)共振點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)低拐點(diǎn)沖擊試驗(yàn)?zāi)M。將20個(gè)連接螺釘減少到12個(gè)連接螺釘，3 000 Hz以內(nèi)頻率的模態(tài)數(shù)量為35個(gè)，一階頻率為255 Hz，如圖5所示。若將連接螺釘改為8個(gè)螺釘，計(jì)算結(jié)果如圖6所示，頻率在3 000 Hz以內(nèi)，模態(tài)數(shù)量為40個(gè)，一階頻率為209 Hz。有限元分析的結(jié)果表明，更少的螺釘連接夾具能獲得更多的模態(tài)數(shù)和更低的固有頻率，意味著能夠進(jìn)行更低拐點(diǎn)、更高量級(jí)的沖擊響應(yīng)譜模擬試驗(yàn)。

表1 圓形夾具特性有限元分析結(jié)果

1．3 通用試驗(yàn)夾具連接方式改變對(duì)沖擊模擬能力影響試驗(yàn)分析

根據(jù)2.2中利用振動(dòng)夾具進(jìn)行沖擊試驗(yàn)的有限元分析，本次沖擊試驗(yàn)使用16噸電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)?zāi)M驗(yàn)證。在電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)中輸入的沖擊響應(yīng)譜的目標(biāo)譜如表2所示。

分別進(jìn)行了20連接螺釘、12連接螺釘、8連接螺釘?shù)倪B接方式的沖擊響應(yīng)譜模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，試驗(yàn)曲線如圖7、8、9所示。

圖4 20螺釘連接模態(tài)分析

圖5 12螺釘連接模態(tài)分析

圖6 8螺釘連接模態(tài)分析

表2 目標(biāo)沖擊響應(yīng)譜

表3 圓形夾具不同連接形式的沖擊響應(yīng)譜模擬試驗(yàn)結(jié)果

圖7 20螺釘連接模態(tài)分析

通過(guò)表3和試驗(yàn)曲線所示，可以看出圓形鏤空夾具在由12個(gè)螺釘連接時(shí)，試驗(yàn)量級(jí)達(dá)到最大值，并且螺釘越少試驗(yàn)曲線譜型越差。

2 結(jié)論

文章通過(guò)有限元的方法分析了夾具連接方式對(duì)于沖擊響應(yīng)譜模擬試驗(yàn)效果的影響，并且利用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了圓形夾具不同連接方式?jīng)_擊響應(yīng)譜模擬的試驗(yàn)驗(yàn)證分析，結(jié)果表明:

圖8 12螺釘連接模態(tài)分析

圖9 8螺釘連接模態(tài)分析

1）適當(dāng)減少夾具的連接螺釘數(shù)量，可以提升夾具的沖擊響應(yīng)譜模擬能力；

2）通過(guò)減少連接螺釘數(shù)量進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)沖擊試驗(yàn)?zāi)M時(shí)，可以有效解決了振動(dòng)臺(tái)沖擊試驗(yàn)時(shí)功放能力不足缺陷。

3）此圓形鏤空夾具連接螺釘連接越少，沖擊譜型越差，并且并非連接螺釘最少，沖擊量級(jí)最大。

4）通過(guò)改變夾具的連接方式，某些振動(dòng)夾具可以進(jìn)行特定條件的沖擊響應(yīng)譜模擬試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)夾具兩種用途，能夠節(jié)約成本，縮短研制周期。

[1] GJB 1027A-2005 ,運(yùn)載器、上面級(jí)和航天器試驗(yàn)要求[S]．

[2]柯受全．衛(wèi)星環(huán)境工程和模擬試驗(yàn)(下)[M]．北京：宇航出版社,1996.

[3]馬愛(ài)軍,石蒙．應(yīng)用諧振裝置在電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)上實(shí)現(xiàn)高量級(jí)沖擊響應(yīng)譜的仿真研究[J]．航天器環(huán)境工程, 2011,10:425-430.

[4]沈志強(qiáng),朱子宏. 改變連接特性提高振動(dòng)臺(tái)沖擊響應(yīng)譜模擬能力[J].裝備環(huán)境工程, 2016,13(2).

[5]張華，吳斌．航天器爆炸沖擊環(huán)境模擬裝置仿真研究[J]．計(jì)算機(jī)仿真，2008，25(2)：61—64.

[6]王招霞,宋超. 擺錘式?jīng)_擊響應(yīng)譜試驗(yàn)機(jī)的調(diào)試方法[J].航天器環(huán)境工程, 2010,27(3):336-338.

[7] Yan Tingfei, Shen Zhiqiang. Design and Analysis of a pneumatic test system for shock response spectrum [C].International Conference Vibro-engineering 2014.

[8]王招霞,王劍,樊世超．振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)在沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)中的應(yīng)用[J]．航天器環(huán)境工程, 2009,4:137-139.

[9]李含忠,王招霞. 諧振板式大型試件沖擊譜模擬技術(shù)研究[J].航天器環(huán)境工程, 2008,25(2):159-162.

Analysis of Fixture Connection Mode on Shock Response Spectrum Simulation Capability

GUO Jian-long, YU Xiao-ming, SHEN Zhi-qiang
(Beijing Insititute of Spacecraft Environment Engineering，Beijing 100094)

This paper introduces the relationship between fixture structure characteristics and shock response spectrum simulation test level. Through the finite element analysis and test verification of typical fixture, the influence of fixture connection mode on shock response spectrum simulation level is explained. The results show that the simulation abilities of shock response spectrum can be provided by reducing the number of connection screws when the shock test is carried out by using a vibration fixture. The method can be used as an operation guide for performing shock response spectrum tests for an experimenter.

fixture；connection；shock response spectrum

V416.5

A

1004-7204(2017)04-0027-05

郭健龍，男，研究方向：動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)研究。