馬正剛，劉偉

（江蘇自動(dòng)化研究所，連云港 222006）

引言

大型艦船顯控設(shè)備是安裝在水面艦艇上由操作人員操控的重要船用電子設(shè)備[1]，而顯控設(shè)備對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的要求隨著艦船電子設(shè)備高度集成化、信息化也越來越高。在樣機(jī)研制初期和鑒定試驗(yàn)中環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)是不可缺少的一項(xiàng)，其中振動(dòng)與沖擊試驗(yàn)對(duì)設(shè)備破壞性較大，不合格的夾具可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備減震器過載、機(jī)械結(jié)構(gòu)斷裂等問題影響試驗(yàn)真實(shí)性。振動(dòng)試驗(yàn)中被試品一般都是通過振動(dòng)夾具與振動(dòng)臺(tái)面連接，其具有傳遞激勵(lì)和固定被試品的作用，試驗(yàn)中作為過渡裝置傳遞振動(dòng)臺(tái)能量，其力學(xué)傳遞特性與響應(yīng)特性將影響試驗(yàn)結(jié)果，振動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)研究對(duì)于力學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)具有重要意義，因此在樣機(jī)試驗(yàn)前需要對(duì)夾具進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，使用有限元軟件對(duì)夾具進(jìn)行力學(xué)建模、傳遞特性計(jì)算，如果傳遞特性不符合試驗(yàn)要求，可通過改變夾具結(jié)構(gòu)、在連接薄弱處添加加強(qiáng)筋板提高夾具的綜合性能，避免試驗(yàn)過程中發(fā)生共振失效問題。

1 振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)

1.1 材料選擇

振動(dòng)夾具的固有頻率是夾具的重要特性參數(shù)，材料的比剛度對(duì)夾具固有頻率影響較大，一般選用比剛度大、阻尼大的材料，常用的夾具材料參數(shù)如表1 所示，為了避免振動(dòng)夾具與被試品之間的共振耦合現(xiàn)象，夾具設(shè)計(jì)通常要求其一階固有頻率要遠(yuǎn)大于試驗(yàn)設(shè)備的一階模態(tài)頻率值。

表1 常用夾具材料主要特性

考慮到夾具的頻率特性、制作工藝和設(shè)計(jì)成本，本文選用鋼作為振動(dòng)夾具材料，材料密度7 800 kg/m3，楊氏模量2×1011Pa，泊松比0.3。

1.2 夾具質(zhì)量

避免在振動(dòng)過程中出現(xiàn)共振，要求振動(dòng)夾具的固有頻率盡量高，在保證剛度的情況下，振動(dòng)夾具的質(zhì)量要輕，通常振動(dòng)夾具的質(zhì)量為試件質(zhì)量的2~4 倍，同時(shí)還需要考慮振動(dòng)臺(tái)的推力要求，確定試驗(yàn)在加速度區(qū)所需的激振力大小，振動(dòng)臺(tái)推力F 應(yīng)滿足：

式中：

m1—樣品質(zhì)量；

m2—夾具質(zhì)量；

m3—振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈質(zhì)量；

a—加速度均方根值。

顯控臺(tái)振動(dòng)試驗(yàn)選用推力為20 t 的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，振動(dòng)臺(tái)擴(kuò)展臺(tái)面尺寸為1.5×1.5 m，推力遠(yuǎn)大于需要的激振力。

1.3 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)顯控設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)要求，樣機(jī)需開展振動(dòng)試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)中振動(dòng)試驗(yàn)條件為（5~60）Hz 的正弦振動(dòng)，最大位移1 mm，最大加速度10 m/s2，樣品總重量（100~150）kg，隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件為標(biāo)準(zhǔn)加速度激勵(lì)譜，如圖3 所示。

顯控設(shè)備的使用環(huán)境為水面艦載環(huán)境，其底部安裝有4 組隔振器，背部2 組隔振器配有安裝背架，根據(jù)顯控設(shè)備的實(shí)際安裝方式、尺寸等參數(shù)選擇夾具整體結(jié)構(gòu)形式為“L”型，即安裝背架與夾具安裝背板連接，底部隔振器與振動(dòng)臺(tái)連接。振動(dòng)夾具由安裝背板、底座、主支撐結(jié)構(gòu)焊接成型，為了提高振動(dòng)夾具的整體剛度，在夾具主支撐結(jié)構(gòu)面設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋板、側(cè)面設(shè)計(jì)三角筋板，夾具底座平面布設(shè)貫穿螺紋孔，安裝背板開設(shè)連接槽孔。為減小夾具整體重量，材料選用矩形鋼，夾具總質(zhì)量約165 kg，外形尺寸為1 500×480×1 250 mm，振動(dòng)夾具三維模型如圖1 所示。

圖1 振動(dòng)夾具三維模型

2 振動(dòng)夾具結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性研究

2.1 振動(dòng)夾具模態(tài)分析

本文的振動(dòng)夾具采用焊接成型，建立夾具有限元模型時(shí)，將焊接結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體考慮[2]。將簡(jiǎn)化后的夾具三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench 中，得到振動(dòng)夾具仿真模型。同時(shí)修剪模型中多余的面和邊，檢查干涉情況，各部件之間均為焊接連接不會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，將各組件之間的接觸面設(shè)置為綁定接觸模式，采用自動(dòng)形式對(duì)夾具進(jìn)行網(wǎng)格劃分，有限元網(wǎng)格輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)為36709，單元數(shù)為14556。

由于夾具底座端面預(yù)設(shè)有多組貫穿螺栓孔，夾具底座與振動(dòng)臺(tái)通過螺栓緊固，為更準(zhǔn)確地模擬實(shí)際情況，將夾具底座端面與螺孔內(nèi)表面均施加固定約束，夾具垂向自由。對(duì)振動(dòng)夾具進(jìn)行模態(tài)分析，固有頻率計(jì)算結(jié)果見表2，振動(dòng)夾具模態(tài)振型如圖2 所示。

圖2 振動(dòng)夾具模態(tài)振型圖

表2 固有頻率值

振動(dòng)夾具模型的一階固有頻率為 158.24 Hz 大于振動(dòng)頻率上限60 Hz，夾具正面筋板發(fā)生振動(dòng)變形，安裝橫梁變形較小。二階模態(tài)最大變形發(fā)生在夾具右上端點(diǎn)處，其他階次均為整體扭擺變形，最大變形位移0.25 mm，根據(jù)模態(tài)計(jì)算結(jié)果，夾具結(jié)構(gòu)在150 Hz 內(nèi)不會(huì)發(fā)生共振，頻率響應(yīng)特性符合設(shè)計(jì)要求。

2.2 振動(dòng)夾具隨機(jī)振動(dòng)分析

工程中通常使用隨機(jī)振動(dòng)來考核產(chǎn)品的耐振能力,用來模擬設(shè)備在運(yùn)輸、工作中的振動(dòng)狀態(tài)，在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上對(duì)夾具進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析，輸入激勵(lì)為試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中梯形加速度功率譜密度（PSD），加速度總均方根值為6.056 g，激勵(lì)譜如圖3 所示。夾具約束情況與模態(tài)分析中一致，對(duì)夾具底座以及對(duì)應(yīng)的固定螺栓孔分別施加三個(gè)軸向的激勵(lì)，模擬實(shí)際安裝狀態(tài)。

圖3 輸入加速度PSD

在模態(tài)一階振型中位移較大的區(qū)域選取采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)為安裝背板與顯控設(shè)備背架的連接點(diǎn)，如圖4 所示。提取采樣點(diǎn)在3 個(gè)軸向輸入激勵(lì)下的加速度功率譜密度響應(yīng)值，如圖5 所示，采樣點(diǎn)的PSD 響應(yīng)值整體滿足梯形譜要求，最大值0.045 g2/Hz，加速度PSD 響應(yīng)值在高頻發(fā)生彎曲現(xiàn)象，建議加強(qiáng)安裝背板的剛度。夾具一階模態(tài)為158.24 Hz，在2 000 Hz 頻段內(nèi)未發(fā)生共振現(xiàn)象，證明夾具整體有較好的力學(xué)傳遞特性。

圖4 加速度PSD 響應(yīng)采樣點(diǎn)

2.3 諧響應(yīng)分析

采用模態(tài)疊加法計(jì)算振動(dòng)夾具在正弦激勵(lì)下的頻率響應(yīng)特性，輸入激勵(lì)條件為5~200 正弦振動(dòng)，加速度幅值10 m/s2，加速度方向?yàn)閄，Y，Z三個(gè)方向，阻尼系數(shù)為0.02 采用直接輸入法。夾具底座連接平面和連接螺栓孔均為固定約束條件，其他端自由，選取圖4 中采樣點(diǎn)，分別提取采樣點(diǎn)在三個(gè)軸向激勵(lì)下的加速度響應(yīng)曲線，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 加速度響應(yīng)結(jié)果

圖7 振動(dòng)夾具測(cè)試曲線

分析各軸向激勵(lì)下采樣點(diǎn)的加速度響應(yīng)結(jié)果，在正弦激勵(lì)下采樣的點(diǎn)加速度幅值隨激勵(lì)頻率逐漸增加，在一階共振點(diǎn)158.24 Hz 達(dá)到最大值，加速度響應(yīng)值在高頻區(qū)域逐漸增大，x 方向激勵(lì)下響應(yīng)點(diǎn)幅值最高達(dá)到2.5 g，主要是由系統(tǒng)共振引，在（5~60）Hz 內(nèi)未發(fā)生共振且加速度幅值較小，夾具整體動(dòng)力特性符合設(shè)計(jì)要求。

3 試驗(yàn)測(cè)試

夾具設(shè)計(jì)完成經(jīng)性能測(cè)試合格后，與顯控設(shè)備連接安裝在振動(dòng)臺(tái)上開展振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如表3 所示。選取x 軸向測(cè)試結(jié)果分析，在（5~60）Hz 試驗(yàn)頻段內(nèi)，加速度響應(yīng)曲線與控制曲線基本保持重合且高頻未發(fā)生共振現(xiàn)象，夾具在試驗(yàn)頻段范圍內(nèi)力學(xué)傳遞特性良好，夾具設(shè)計(jì)符合試驗(yàn)要求。

表3 試驗(yàn)條件

4 結(jié)論

顯控設(shè)備振動(dòng)夾具的一階固有頻率為158.24 Hz，遠(yuǎn)高于試驗(yàn)頻率上限要求，一階振型變形量較小。同時(shí)在（20~2 000）Hz 標(biāo)準(zhǔn)加速度功率譜密度激勵(lì)和（5~200）Hz 正弦激勵(lì)下，所選采樣點(diǎn)的激勵(lì)響應(yīng)結(jié)果較好，在分析頻段內(nèi)未發(fā)生共振現(xiàn)象。夾具的整體頻率響應(yīng)仿真分析和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，夾具的力學(xué)傳遞特性良好，可開展振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目。