郭健龍 余小明 沈志強

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

夾具連接方式對沖擊響應譜模擬能力影響效應分析

郭健龍 余小明 沈志強

（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)特性與沖擊響應譜模擬試驗能力之間的關系，通過典型夾具的有限元分析和試驗驗證的方式說明夾具連接方式對沖擊響應譜模擬能力影響效應。結(jié)果表明，利用振動夾具進行沖擊試驗時，可以通過減少連接螺釘數(shù)量，提供沖擊響應譜模擬能力。該方法可以為作為試驗人員進行沖擊響應譜試驗的操作指導。

夾具、連接、沖擊響應譜

引言

沖擊環(huán)境是指產(chǎn)品在運輸、發(fā)射、軌道運行或返回期間受到的各種瞬態(tài)載荷。試驗產(chǎn)品中關鍵部件可能會在沖擊過程中，因位移、速度和加速度的突然變化，出現(xiàn)損壞甚至失效，導致產(chǎn)品無法常工作。隨著對空間環(huán)境以及發(fā)射環(huán)境認識的逐步深入，沖擊試驗越來越受到重視，如今沖擊試驗已經(jīng)成為了檢驗和暴露產(chǎn)品在研制過程中存在的設計問題和加工缺陷的重要環(huán)境模擬試驗之一。但是受到設備能力的限制，往往試驗設備自身的模擬能力不能滿足型號的試驗條件要求，因此國內(nèi)外學者紛紛開展了利用諧振裝置提高設備沖擊響應譜模擬能力方法的研究[1，2]。2011年中國航天員訓練中心馬愛軍研究員通過有限元分析的方法，利用諧振裝置在50 kN振動

臺上實現(xiàn)了原本250 g的試驗能力提高至500 g[3]。2015年北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的沈志強等人通過改變連接特性提供振動臺沖擊試驗模擬能力的分析，將160 kN振動臺沖擊能力從1 000 g提升至2 000 g，并且通過理論分析與實踐結(jié)合，說明了振動試驗夾具與沖擊試驗夾具的區(qū)別[4]。以上幾篇文章為提高沖擊響應譜模擬能力提供了思路，但是與振動試驗相比都需要重新設計連接臺面、或者連接夾具，提高了試驗成本，本文從改變夾具連接特性提高沖擊試驗模擬能力的角度出發(fā)，利用有限元分析了改變連接特性對于夾具模態(tài)特性的影響分析，并且進行多次沖擊試驗，總結(jié)分析出夾具連接特性對于沖擊試驗模擬能力的影響。

1 夾具特性與沖擊試驗能力效應分析

1．1 夾具特性與沖擊響應譜模擬之間的關系

如圖1所示，試驗夾具與沖擊設備等之間系統(tǒng)可簡化為單自由度系統(tǒng)。為了更好研究試驗夾具連接特性與沖擊響應譜模擬能力之間的影響關系，現(xiàn)將簡化為單自由度系統(tǒng)的沖擊響應函數(shù)的數(shù)學方程為：

常用的沖擊響應譜是加速度和頻率的關系式，沖擊響應譜頻域曲線是通過沖擊試驗時采集的最大加速度響應值和固有頻率相對應的數(shù)值點。將采集到的點光滑連接，就可得到了沖擊響應譜曲線。沖擊響應譜是由沖擊對象本身固有頻率與試驗中最大加速度值擬合而成，所以試驗對象本身固有頻率越多，品質(zhì)因子越大則沖擊效果好；而振動試驗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)生振動耦合而使其響應放大，在試驗頻率范圍內(nèi)，模態(tài)數(shù)越少越好，品質(zhì)因子越小越好。所以通過上述分析，可知沖擊試驗夾具與振動試驗夾具特性要求正好相反，試驗頻率內(nèi)模態(tài)數(shù)量越多，品質(zhì)因子越大能夠更好的實現(xiàn)沖擊試驗效果。根據(jù)“人、機、料、法、環(huán)”，在原有沖擊試驗人員、設備、夾具材料和試驗環(huán)境不變的情況下，影響沖擊試驗量級的是試驗夾具與沖擊設備之間的連接特性，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于沖擊響應譜試驗的影響分析。

圖1 單自由度系統(tǒng)模型

圖2 圓形鏤空振動、沖擊夾具

1．2 通用試驗夾具連接方式對沖擊模擬能力影響有限元分析

因振動與沖擊試驗夾具特性要求有所不同，最好的方法是使用振動夾具進行振動試驗，使用沖擊夾具進行沖擊試驗，但是往往由于時間和經(jīng)費的限制，一般振動與沖擊設計為同一夾具，因此針對常用夾具進行自身特性分析，找出可以提高振動工裝沖擊能力方法。如圖2所示，是圓形鏤空振動、沖擊試驗的夾具，此夾具便于安裝、損失推力少、使用頻率高，往往被用來進行振動試驗，振動試驗后繼續(xù)進行沖擊試驗，因此筆者選用此夾具進行分析，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個螺釘連接、12個螺釘連接、8個螺釘連接的幾種形式，分析結(jié)果如表1所示。將20個連接孔全部約束，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，如圖4所示。沖擊試驗試驗拐點頻率大部分都低于1 000 Hz，該連接方式在1 000 Hz以內(nèi)無共振點，難以實現(xiàn)低拐點沖擊試驗模擬。將20個連接螺釘減少到12個連接螺釘，3 000 Hz以內(nèi)頻率的模態(tài)數(shù)量為35個，一階頻率為255 Hz，如圖5所示。若將連接螺釘改為8個螺釘，計算結(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，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，意味著能夠進行更低拐點、更高量級的沖擊響應譜模擬試驗。

表1 圓形夾具特性有限元分析結(jié)果

1．3 通用試驗夾具連接方式改變對沖擊模擬能力影響試驗分析

根據(jù)2.2中利用振動夾具進行沖擊試驗的有限元分析，本次沖擊試驗使用16噸電動振動臺進行沖擊試驗模擬驗證。在電動振動臺控制系統(tǒng)中輸入的沖擊響應譜的目標譜如表2所示。

分別進行了20連接螺釘、12連接螺釘、8連接螺釘?shù)倪B接方式的沖擊響應譜模擬試驗，試驗結(jié)果如表3所示，試驗曲線如圖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 目標沖擊響應譜

表3 圓形夾具不同連接形式的沖擊響應譜模擬試驗結(jié)果

圖7 20螺釘連接模態(tài)分析

通過表3和試驗曲線所示，可以看出圓形鏤空夾具在由12個螺釘連接時，試驗量級達到最大值，并且螺釘越少試驗曲線譜型越差。

2 結(jié)論

文章通過有限元的方法分析了夾具連接方式對于沖擊響應譜模擬試驗效果的影響，并且利用振動臺試驗系統(tǒng)進行了圓形夾具不同連接方式?jīng)_擊響應譜模擬的試驗驗證分析，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）適當減少夾具的連接螺釘數(shù)量，可以提升夾具的沖擊響應譜模擬能力；

2）通過減少連接螺釘數(shù)量進行振動臺沖擊試驗模擬時，可以有效解決了振動臺沖擊試驗時功放能力不足缺陷。

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，沖擊量級最大。

4）通過改變夾具的連接方式，某些振動夾具可以進行特定條件的沖擊響應譜模擬試驗，實現(xiàn)一個夾具兩種用途，能夠節(jié)約成本，縮短研制周期。

[1] GJB 1027A-2005 ,運載器、上面級和航天器試驗要求[S]．

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

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

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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：動力學環(huán)境試驗技術(shù)研究。