胡佳，柴艷紅，李勇，朱士琦，魏鵬鵬

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

振動工裝是用于連接振動臺面與待振產(chǎn)品，并將振動臺上的振動力傳遞到待振產(chǎn)品上的一種工藝裝備，其性能直接影響到振動試驗的真實程度和可靠程度。為了將振動臺的運動和能量不失真地傳遞給產(chǎn)品，振動臺不僅要有好的強度和剛度，還要有較高的固有頻率。如果振動工裝設(shè)計不當，在試驗頻率范圍內(nèi)工裝本身會產(chǎn)生共振，使產(chǎn)品承受不應有的過大載荷而破壞，從而試驗得到錯誤的結(jié)果。因此，合理地設(shè)計大型振動工裝是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)研制過程中一項極其重要的工作[1-3]。

1 大型振動工裝

某天線需開展正弦振動試驗(5Hz～100Hz)，要求振動工裝總質(zhì)量控制在1t內(nèi)，基頻≥120Hz，滿足天線正弦振動試驗需求。工裝設(shè)計采取通用化、模塊化的方式，充分考慮其吊裝性、安全性等一系列指標，所設(shè)計工裝的初步方案采用鋁合金型材焊接而成，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 振動工裝初步方案結(jié)構(gòu)示意圖

2 振動工裝模態(tài)分析

為了避免振動試驗時產(chǎn)品和工裝之間產(chǎn)生耦合振動，要求振動工裝的基頻盡量落在試驗頻率范圍之外。由于試驗頻率帶寬較大，振動工裝基頻要做到產(chǎn)品基頻的3倍及以上。通過對振動工裝結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，求解工裝基頻，可知工裝基頻為113Hz，低于指標要求。因此，需對此工裝方案進行改進來提升工裝基頻。

對工裝結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，前五階的共振頻率見表1。

表1 工裝的前五階共振頻率

3 振動工裝結(jié)構(gòu)改進

3.1 影響工裝基頻的因素

影響振動工裝基頻的因素主要有兩個：質(zhì)量和剛度。工裝基頻與質(zhì)量、剛度的關(guān)系如下：

(1)

式中：p為系數(shù)；k為剛度；m為質(zhì)量。一般說來，結(jié)構(gòu)件剛度k越大，質(zhì)量m越小，其固有頻率即基頻會越高，但是要考慮結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強度，防止因強度不足，而導致結(jié)構(gòu)件自身被振壞[4]。

3.2 改進措施

1)增強結(jié)構(gòu)剛性

為提高振動工裝結(jié)構(gòu)剛性，在底座立柱兩兩之間多添加了一組加強筋。另外，為增加焊縫長度和結(jié)構(gòu)強度，在底板每道焊縫處都增加了加強筋，以增強工裝可靠性，見圖2。此外，在基座立柱上添加了斜筋，以此增加基座結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，減小產(chǎn)品天線安裝面的振動響應值，保證振動臺的振動能正確地傳遞給產(chǎn)品。

圖2 修改前后的底座、基座結(jié)構(gòu)對比

對改進后的設(shè)計方案進行模態(tài)分析，前五階共振頻率見表2。由表2可知，在工裝底座及基座上添加了加強筋增加了結(jié)構(gòu)剛性后，工裝的基頻升至142Hz。

表2 第一次改進后工裝的前五階共振頻率

2)減輕工裝質(zhì)量

由公式(1)可知，在保證結(jié)構(gòu)剛性的前提下，適當對工裝減質(zhì)量，可以在一定程度內(nèi)提高工裝基頻。如圖3所示，通過在基座和底座底板上無安裝孔的位置挖減質(zhì)量孔，可大幅減輕工裝整體質(zhì)量。

對再次改進后的設(shè)計方案進行模態(tài)分析，見圖4。前五階共振頻率見表3。由表3可知，對振動工裝進行加強、減質(zhì)量處理后，工裝的基頻升至162Hz。

圖3 底座和基座上的減質(zhì)量孔

圖4 改進后的模態(tài)分析圖

表3 第二次改進后工裝的前五階共振頻率

3.3 工裝改進后結(jié)果

改進后的工裝結(jié)構(gòu)見圖5，尺寸為2.1m×1.6m×1.6m，總質(zhì)量933kg，底座和基座采用鋁合金型材焊接完成，兩者之間采用緊固件固定，基座單獨用于產(chǎn)品的周轉(zhuǎn)放置，仿真后基頻為162Hz。根據(jù)工程經(jīng)驗，大型焊接工裝的實際基頻約為仿真值的75%～80%，預估得到工裝實際基頻約在125Hz左右，符合設(shè)計原則中要求總質(zhì)量<1t、基頻≥120Hz的要求，可進行工裝投產(chǎn)。

圖5 改進后的振動工裝結(jié)構(gòu)示意圖

4 振動工裝鑒定試驗

4.1 綜述

工裝投產(chǎn)后，需對其開展鑒定試驗來驗證其可靠性，試驗方向定義見圖6，試驗步驟見表4。只有在確認振動工裝在試驗頻率內(nèi)無諧振或諧振對試驗無影響，且傳遞率滿足要求，不影響受試產(chǎn)品的固有特性及其所感受應力的情況時，方可認為工裝可用[5]。

圖6 工裝方向定義

表4 試驗流程

4.2 工裝鑒定試驗

1)掃頻試驗

掃頻是為了驗證振動試驗時工裝的共振情況，即得到工裝的共振頻率。由圖7可以看出，工裝在x、y、z三個方向的共振頻率分別是121.7Hz、122.6Hz、147.5Hz，與仿真得到的預估結(jié)果相差不大。

2)預振試驗

預振試驗時控制點放在產(chǎn)品與工裝的連接面上，是為了驗證工裝向產(chǎn)品傳遞振動的情況。對于大型工裝，在振動時由于自身的結(jié)構(gòu)特點必然無法100%傳遞振動，一般都會響應放大。由圖8可知在5Hz～100Hz的范圍內(nèi)控制曲線整體平穩(wěn)，且振動響應都在容差范圍之內(nèi)，說明工裝在x、y、z三個方向的振動都在振動臺的可控制范圍內(nèi)，工裝滿足使用需求。

3)振動工裝鑒定級正弦振動試驗

鑒定級正弦振動試驗是為了模擬工裝帶載試驗，驗證在正式試驗時工裝結(jié)構(gòu)、焊點、緊固件等一系列因素的可靠性。由圖9可知，x、y、z三個方向的振動控制曲線都在容差范圍內(nèi)波動，說明振動臺可及時對工裝響應進行反饋調(diào)整，工裝情況良好，滿足正式試驗使用需求。

4)振動工裝復振試驗

復振試驗的目的是為了驗證工裝在經(jīng)過兩次預振試驗及一次鑒定級正弦振動試驗后結(jié)構(gòu)本身有無受到影響，見圖10，x、y、z3個方向的控制曲線全部都在容差范圍內(nèi)且平穩(wěn)波動，可證明工裝結(jié)構(gòu)無損壞。

4.3 工裝鑒定試驗結(jié)果分析

振動工裝鑒定試驗每個方向都進行了4次試驗，可歸納如下：掃工裝基頻—驗證工裝傳遞率—模擬正式試驗—驗證工裝結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。流程綜合考慮整個試驗過程，涵蓋了工裝工藝鑒定時各方面的情況，且4次試驗的振動控制曲線都在設(shè)定的±10%的容差范圍內(nèi)波動，滿足 “對于正弦掃頻或定頻振動，保持在規(guī)定振幅的±10%以內(nèi)[6-7]”的工裝判定標準，可認定該工裝結(jié)構(gòu)合理，可進行帶載試驗。

5 結(jié)語

通過設(shè)計適用于大型天線的振動工裝，分析工裝設(shè)計過程中的關(guān)鍵點，用有限元仿真對方案階段的工裝結(jié)構(gòu)進行分析，提前了解工裝的基頻和薄弱點并對其進行完善。工裝投產(chǎn)后，用試驗驗證的方式逆向證明了此大型振動工裝設(shè)計方案階段關(guān)鍵點把握的準確性、仿真數(shù)據(jù)的正確性，可為后續(xù)大型振動工裝的設(shè)計提供參考。