劉曉晨 陳堅(jiān) 崔巍 呂萍 強(qiáng)科杰

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)特性分析

劉曉晨 陳堅(jiān) 崔巍 呂萍 強(qiáng)科杰

（上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所, 浙江 湖州 313000）

振動(dòng)試驗(yàn)是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制生產(chǎn)過(guò)程中不可或缺的環(huán)節(jié)，夾具設(shè)計(jì)在一定程度上決定了振動(dòng)試驗(yàn)的精確度和可靠性。文中根據(jù)夾具設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)了某型號(hào)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)用振動(dòng)試驗(yàn)夾具，應(yīng)用ANSYS WORKBENCH有限元軟件對(duì)其進(jìn)行了模態(tài)和隨機(jī)振動(dòng)仿真分析，并通過(guò)垂向振動(dòng)加載試驗(yàn)完成了動(dòng)態(tài)特性驗(yàn)證，結(jié)果表明：夾具的固有頻率和振動(dòng)放大因子均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和使用要求；另外，基于動(dòng)態(tài)特性的振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)方法可為今后類(lèi)似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究提供有效的參考。

夾具設(shè)計(jì)；有限元分析；振動(dòng)試驗(yàn)；動(dòng)態(tài)特性

0 引言

固體發(fā)動(dòng)機(jī)作為各類(lèi)飛行器的主流動(dòng)力裝置，在工作過(guò)程中承受著各類(lèi)振動(dòng)與沖擊載荷，高可靠性和環(huán)境適應(yīng)性成為固體發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量特性的關(guān)鍵[1]。振動(dòng)試驗(yàn)是考核固體發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境適應(yīng)能力的主要途徑，不僅能夠檢驗(yàn)在交付使用過(guò)程中能否滿(mǎn)足抗振性能要求，也能夠暴露其在設(shè)計(jì)上的缺陷，從而為固體發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化和改進(jìn)提供指導(dǎo)。振動(dòng)試驗(yàn)中，夾具的作用是將振動(dòng)臺(tái)的能量和運(yùn)動(dòng)傳遞至試驗(yàn)件，其振動(dòng)傳遞特性的優(yōu)劣將直接影響產(chǎn)品能否按照預(yù)定的要求接受振動(dòng)考核。振動(dòng)過(guò)程中，理想的情況是夾具能將振動(dòng)臺(tái)的能量不失真的傳遞給試驗(yàn)件，如果夾具的振動(dòng)傳遞特性不佳，就會(huì)發(fā)生過(guò)試驗(yàn)或者欠試驗(yàn)的現(xiàn)象[1-2]。因此，開(kāi)展振動(dòng)夾具的傳遞特性分析對(duì)于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和試驗(yàn)質(zhì)量具有重要意義。

目前，固體發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)主要采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，并通過(guò)成型夾具的振動(dòng)試驗(yàn)方法驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的合理性，很難保證能夠?qū)⒄駝?dòng)臺(tái)的能量不失真的傳遞給試驗(yàn)件，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)因?yàn)樵囼?yàn)后結(jié)構(gòu)的不合理造成加工材料的浪費(fèi)。近幾年，諸多學(xué)者對(duì)振動(dòng)夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)展了研究，通過(guò)有限元仿真方法獲得了能夠改善夾具動(dòng)態(tài)特性的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)[2-4]。然而，針對(duì)夾具的傳遞特性分析多采用試驗(yàn)方法進(jìn)行，而基于有限元方法的夾具動(dòng)態(tài)特性研究尚未推廣至工程應(yīng)用。針對(duì)上述問(wèn)題，王紅瑞等[3]在對(duì)比分析3種振動(dòng)夾具動(dòng)態(tài)特性過(guò)程中提出：基于動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)的夾具能更好的保證振動(dòng)能量不失真的傳遞。馬愛(ài)軍[5]在研究試驗(yàn)條件下的振動(dòng)夾具動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)過(guò)程中著重強(qiáng)調(diào)能夠表征振動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性量（振動(dòng)傳遞率、放大因子、共振頻率等）概念，并提出振動(dòng)試驗(yàn)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，夾具設(shè)計(jì)只考慮靜剛度要求是不夠的，需要采用有限元方法對(duì)夾具在振動(dòng)試驗(yàn)條件下的動(dòng)態(tài)特性加以深入分析。

本文根據(jù)固體發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)要求，旨在開(kāi)展夾具設(shè)計(jì)及其模態(tài)和振動(dòng)傳遞特性分析，并通過(guò)將有限元仿真結(jié)果與振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證基于振動(dòng)傳遞特性的夾具設(shè)計(jì)方法的有效性，為固體發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)夾具的有效性設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 模態(tài)與振動(dòng)傳遞特性理論

1.1 模態(tài)理論分析

模態(tài)能夠表征夾具的振動(dòng)特性，研究夾具振動(dòng)特性首先需要對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，簡(jiǎn)而言之就是通過(guò)數(shù)值計(jì)算或試驗(yàn)的方法，獲得夾具的固有頻率、陣型和阻尼比等結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)[6]。嚴(yán)格意義上，振動(dòng)夾具是一個(gè)連續(xù)的彈性體，采用有限元的方法，能夠?qū)⑦B續(xù)彈性體的振動(dòng)問(wèn)題離散為研究多自由度系統(tǒng)的振動(dòng)問(wèn)題。因此，振動(dòng)夾具的運(yùn)動(dòng)微分方程可以表示為

代入初始條件，可解得夾具的振動(dòng)規(guī)律為

1.2 振動(dòng)傳遞特性理論

其中，夾具上的振動(dòng)傳遞率為

圖1 振動(dòng)傳遞特性曲線(xiàn)

2 振動(dòng)夾具建模

本文針對(duì)某小型特種固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，應(yīng)用PROE軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)試驗(yàn)夾具進(jìn)行了設(shè)計(jì)和三維建模。夾具由底板、下卡箍和上卡箍組成，材料均為45#結(jié)構(gòu)鋼，整體尺寸為430mm×430mm×150mm。其中，底板與下卡箍通過(guò)焊接成型，上卡箍與下卡箍直接通過(guò)螺紋緊固，底板通過(guò)螺栓直接與振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈連接，裝配后的三維模型如圖2所示。

合理的模型是有限元分析的基礎(chǔ)，模型的好壞將直接影響結(jié)果的準(zhǔn)確性[7]。振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，夾具底板通過(guò)螺栓直接與動(dòng)圈連接而不發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，可以認(rèn)為夾具與振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈保持剛性連接。由圣維南定理可知，模型中細(xì)小的特征將對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能和分析效率產(chǎn)生很大的影響[8]。振動(dòng)夾具中存在一些螺紋孔，因此分析過(guò)程中對(duì)這些螺紋孔特征進(jìn)行忽略。將簡(jiǎn)化后的夾具三維模型導(dǎo)入到ANSYSY WORKBENCH中，并對(duì)導(dǎo)入后的裝配體進(jìn)行零件整合，使其轉(zhuǎn)化為一個(gè)組件，意義在于不僅能夠省去不必要的接觸設(shè)置，還能使得網(wǎng)格劃分時(shí)進(jìn)行一體化整體劃分，不同構(gòu)件連接位置共節(jié)點(diǎn)，通過(guò)兩個(gè)面共享一部分節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)位移和力的傳遞[9]。

圖2 振動(dòng)夾具結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 振動(dòng)夾具有限元模型

夾具有限元網(wǎng)格劃分以六面體單元為主，局部采用五面體單元。由于夾具結(jié)構(gòu)最小尺寸為10mm，同時(shí)考慮到計(jì)算機(jī)分析能力和計(jì)算效率，定義網(wǎng)格單元尺寸為3mm，滿(mǎn)足劃分網(wǎng)格單元尺寸小于最小尺寸的1/3，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)分別為100314和40617，網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖3所示。振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)夾具通過(guò)底板與振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈機(jī)械連接，為了模擬夾具振動(dòng)試驗(yàn)工況，夾具的邊界條件設(shè)置為在底板的下表面添加固定約束。

3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析是振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)的必要環(huán)節(jié)，也是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，根據(jù)分析目的和工況的不同，模態(tài)分析可分為自由模態(tài)分析和添加邊界條件的普通模態(tài)分析[3,10]。振動(dòng)試驗(yàn)夾具的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求夾具的1階固有頻率高于試件1階固有頻率的3-5倍，避免夾具與試件間發(fā)生系統(tǒng)耦合共振。通過(guò)模態(tài)分析可以求得振動(dòng)夾具多階固有頻率和陣型，對(duì)于夾具設(shè)計(jì)的合理性判定具有重要意義。

本文設(shè)計(jì)的夾具為單向振動(dòng)試驗(yàn)夾具，振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，夾具連接試驗(yàn)件只承受Y方向的振動(dòng)載荷。試驗(yàn)頻率范圍為10-2000Hz，故對(duì)夾具進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)提取Y方向的陣型和固有頻率，查看夾具在振動(dòng)方向上的變形情況。經(jīng)模態(tài)分析可知，夾具在2000Hz內(nèi)共有2階模態(tài)，第3階模態(tài)頻率為2013Hz，如圖4所示，因此提取夾具的前2階模態(tài)加入隨機(jī)振動(dòng)仿真分析中。

圖4 振動(dòng)夾具模態(tài)頻率

圖5 1階Y向模態(tài)陣型

圖6 2階Y向模態(tài)陣型

圖7 3階Y向模態(tài)陣型

圖8 4階Y向模態(tài)陣型

經(jīng)模態(tài)分析可知，振動(dòng)夾具1階模態(tài)頻率為1251.2Hz，由于該夾具所對(duì)應(yīng)固體發(fā)動(dòng)機(jī)的1階模態(tài)頻率約為350Hz，滿(mǎn)足振動(dòng)夾具1階模態(tài)頻率大于試驗(yàn)件1階模態(tài)頻率的3倍。振動(dòng)夾具的1-4階Y向模態(tài)陣型如圖5-8所示：其中，第1階Y向模態(tài)陣型中最大變形發(fā)生在上卡箍與下卡箍的連接位置，表現(xiàn)為沿X方向的彎曲變形，但夾具整體變形量較??；第2階Y向模態(tài)陣型表現(xiàn)為上環(huán)箍沿X方向的彎曲變形；第3和4階Y向模態(tài)陣型表現(xiàn)為上卡箍的扭轉(zhuǎn)變形。夾具在試驗(yàn)頻率10-2000Hz范圍內(nèi)共有2階模態(tài)，雖然1階模態(tài)頻率較高，滿(mǎn)足大于試驗(yàn)件1階模態(tài)頻率的3倍，但由于試驗(yàn)最高頻率為2000Hz，因此很難做到在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)夾具沒(méi)有模態(tài)頻率。然而，只要做到夾具的振動(dòng)放大因子盡可能的小，即傳遞特性足夠合理，夾具的設(shè)計(jì)同樣滿(mǎn)足使用要求[11]。夾具的模態(tài)陣型主要表現(xiàn)為X方向的橫向變形，主振方向Y上的振動(dòng)變形較小，這說(shuō)明從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，夾具的設(shè)計(jì)比較合理，初步判定可用于發(fā)動(dòng)機(jī)Y方向上的振動(dòng)試驗(yàn)夾持。

3.2 隨機(jī)振動(dòng)仿真分析

模態(tài)分析只能提取到夾具的模態(tài)頻率和陣型，可以初步判定夾具設(shè)計(jì)的合理性，但無(wú)法得知夾具在振動(dòng)工況下的具體響應(yīng)情況，因此還需要對(duì)夾具進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析，得到夾具在隨機(jī)振動(dòng)下的加速度均方根響應(yīng)分布[9,12,13]。本文在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，給夾具施加如圖9所示Y方向上的隨機(jī)振動(dòng)載荷，載荷輸入采用基礎(chǔ)約束進(jìn)行加載，具體加速度功率譜密度曲線(xiàn)如圖10所示，加速度均方根值為13.09g。

圖9 隨機(jī)振動(dòng)載荷方向示意圖

圖10 加速度功率譜密度曲線(xiàn)

應(yīng)用ANSYSY WORKBENCH中的RANDOM VIBRATION模塊對(duì)夾具進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析，由于振動(dòng)夾具采用結(jié)構(gòu)鋼焊接而成，整體剛性較好，故根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置模態(tài)阻尼為0.02。通過(guò)對(duì)夾具施加Y方向的隨機(jī)振動(dòng)載荷，得到如圖11所示的夾具整體位移和應(yīng)力云圖。由仿真結(jié)果可知，夾具上最大位移0.003 mm出現(xiàn)在上環(huán)箍的頂部位置，夾具的最大應(yīng)力為6.22 MPa遠(yuǎn)小于45#鋼的屈服強(qiáng)度355 MPa，因此夾具的強(qiáng)度承載能力足夠，該夾具的設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

工程實(shí)際中，往往比較關(guān)心夾具與試驗(yàn)件直接接觸部位的響應(yīng)傳遞情況。此外，振動(dòng)試驗(yàn)中常選擇振動(dòng)夾具底盤(pán)的上表面設(shè)置振動(dòng)控制點(diǎn)，底盤(pán)上表面與其下表面對(duì)應(yīng)位置的響應(yīng)基本一致。因此，上述這些部位的響應(yīng)情況將在一定程度上直接決定了夾具傳遞特性的好壞。為了分析夾具的Y向振動(dòng)傳遞特性，共選取夾具上三個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中，A、B兩點(diǎn)作為響應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，O點(diǎn)作為響應(yīng)對(duì)照點(diǎn)，如圖12所示為夾具上測(cè)點(diǎn)分布情況。通過(guò)隨機(jī)振動(dòng)仿真得到所有測(cè)點(diǎn)Y向振動(dòng)的均方根值及放大因子如表1所示，夾具整體的加速度分布云圖如圖13所示。

圖12 測(cè)點(diǎn)分布與標(biāo)注

表1 測(cè)點(diǎn)均方根值和放大因子

圖13 加速度分布云圖

由隨機(jī)振動(dòng)仿真分析結(jié)果可知：振動(dòng)夾具的整體結(jié)構(gòu)中，底盤(pán)和下環(huán)箍的振動(dòng)響應(yīng)相對(duì)上環(huán)箍較小，最大振動(dòng)響應(yīng)發(fā)生在上環(huán)箍與試驗(yàn)件接觸處的頂端；對(duì)照點(diǎn)O的響應(yīng)均方根值為13.08 g，與輸入的基礎(chǔ)激勵(lì)基本一致；響應(yīng)點(diǎn)B的響應(yīng)均方根值為55.21 g，放大因子為4.22，與加速度分布云圖中最大加速度53.44g相接近，因此可以認(rèn)為該夾具最大的放大因子為4.22；由夾具設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可知，放大因子越小，越有利于振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)共振頻率的抑制，該夾具最大放大因子滿(mǎn)足小于5，因此夾具的振動(dòng)傳遞性設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求。

4 垂向振動(dòng)加載試驗(yàn)

為了對(duì)加工成型的振動(dòng)夾具進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性有效驗(yàn)證，需要完成夾具的垂向（Y向）振動(dòng)加載試驗(yàn)，考察夾具結(jié)構(gòu)的固有頻率、傳遞性、各點(diǎn)響應(yīng)的均勻性等指標(biāo)是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和使用要求。振動(dòng)夾具垂向振動(dòng)加載試驗(yàn)包括正弦掃頻振動(dòng)試驗(yàn)和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)兩部分。正弦掃頻試驗(yàn)的目的在于了解不同試驗(yàn)條件下夾具的共振頻率，驗(yàn)證有限元模態(tài)分析結(jié)果的正確性。隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)用來(lái)測(cè)試夾具在工作狀態(tài)下的振動(dòng)特性，驗(yàn)證夾具設(shè)計(jì)的合理性。

4.1 試驗(yàn)方法

通過(guò)有限元軟件對(duì)振動(dòng)夾具仿真分析后，對(duì)螺紋孔等細(xì)微處經(jīng)過(guò)多次迭代計(jì)算，確定夾具的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)并按照流程安排加工。夾具整體采用45#結(jié)構(gòu)鋼焊接而成，總體質(zhì)量為15.3kg。垂向振動(dòng)加載試驗(yàn)中除了研究對(duì)象振動(dòng)夾具外還包括以下設(shè)備：1）DL公司生產(chǎn)的振動(dòng)臺(tái)，振動(dòng)頻率范圍2-2100Hz；2）8通道VR振動(dòng)控制儀；3）PCB加速度傳感器；4）計(jì)算機(jī)。試驗(yàn)系統(tǒng)的組成框圖如圖14所示。

圖14試驗(yàn)系統(tǒng)的組成框圖

振動(dòng)試驗(yàn)中選取O點(diǎn)作為控制點(diǎn)進(jìn)行單點(diǎn)控制，選取A、B兩點(diǎn)作為響應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，傳感器布置位置與3.2節(jié)隨機(jī)振動(dòng)仿真分析中測(cè)點(diǎn)位置一致，圖15是垂向振動(dòng)加載試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖15 垂向振動(dòng)加載試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

4.2 掃頻試驗(yàn)

首先對(duì)夾具進(jìn)行正弦掃頻振動(dòng)試驗(yàn)，設(shè)置峰值加速度為0.3g。圖16所示為掃頻試驗(yàn)的振動(dòng)控制和響應(yīng)曲線(xiàn)，由此可見(jiàn)，10-1100Hz頻率區(qū)間內(nèi)控制曲線(xiàn)平坦，與輸入目標(biāo)曲線(xiàn)接近重合。根據(jù)各測(cè)點(diǎn)的頻響曲線(xiàn)和傳遞率曲線(xiàn)可知，夾具的1階固有頻率為1183Hz，與3.1節(jié)仿真分析的的1階固有頻率1251.2Hz相比，二者相對(duì)誤差為5.7%；夾具的2階固有頻率為1666Hz，與3.1節(jié)仿真分析的2階固有頻率1706Hz相比，二者相對(duì)誤差為2.4%。由此看來(lái)，通過(guò)正弦掃頻振動(dòng)提取夾具固有頻率的方法與有限元模態(tài)分析獲取的結(jié)果具有一定的偏差，其原因除了與模型的精確性有關(guān)，還與仿真過(guò)程中施加邊界條件的真實(shí)性相關(guān)。另外，嚴(yán)格意義上講，正弦掃頻振動(dòng)獲取的應(yīng)該是夾具與振動(dòng)臺(tái)組成的系統(tǒng)整體的固有頻率，但由于這種提取方法方便易操作，且與有限元模態(tài)分析結(jié)果間的偏差不是太大，所以可作為粗略獲取夾具的共振頻率的手段。

4.3 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)載荷譜按照GJB150.16A規(guī)定的試驗(yàn)內(nèi)容，載入與3.2節(jié)隨機(jī)振動(dòng)仿真相同的加速度功率譜密度。圖17為隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的控制曲線(xiàn)，可知控制曲線(xiàn)平穩(wěn)，在整個(gè)加載頻帶內(nèi)，絕大多數(shù)控制曲線(xiàn)在允許的+3dB容差范圍內(nèi)，滿(mǎn)足試驗(yàn)的控制要求。

圖16 正弦掃頻試驗(yàn)曲線(xiàn)圖

圖17 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)控制和響應(yīng)曲線(xiàn)圖

表2 試驗(yàn)結(jié)果及與仿真結(jié)果偏差

由隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果可知：測(cè)點(diǎn)O的響應(yīng)均方根值為13.75g，與仿真結(jié)果的偏差為5%，與輸入的基礎(chǔ)激勵(lì)相比，測(cè)點(diǎn)O的放大因子為1.05；三個(gè)測(cè)點(diǎn)中，測(cè)點(diǎn)B的響應(yīng)均方根值最大，與仿真結(jié)果的偏差為11.5%；通過(guò)3.2節(jié)隨機(jī)振動(dòng)仿真分析可知，測(cè)點(diǎn)B的響應(yīng)與夾具上最大響應(yīng)基本一致，可以近似認(rèn)為測(cè)點(diǎn)B是夾具上響應(yīng)放大最大的位置。隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中測(cè)點(diǎn)B的放大因子為4.70，由夾具設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可知，該夾具實(shí)際最大放大因子滿(mǎn)足小于5，因此夾具的振動(dòng)傳遞性滿(mǎn)足使用要求。

通過(guò)與仿真分析結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，測(cè)點(diǎn)B的振動(dòng)量值相對(duì)O、A測(cè)點(diǎn)大許多，主要是因?yàn)閵A具的上下卡箍是通過(guò)螺栓緊固，而隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有試驗(yàn)件對(duì)上下卡箍進(jìn)行接觸連接，因此，不考慮試驗(yàn)件的單純夾具振動(dòng)試驗(yàn)在一定程度上會(huì)導(dǎo)致夾具頂部的響應(yīng)放大；O、A、B三個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大加速度響應(yīng)和均方根值均與仿真結(jié)果具有一定的偏差，原因在于仿真分析中的基礎(chǔ)激勵(lì)是直接加載在夾具底面上，而振動(dòng)試驗(yàn)中夾具是通過(guò)12顆周向螺栓與動(dòng)圈上的螺栓孔連接，因此隨機(jī)振動(dòng)載荷是通過(guò)螺栓傳遞至夾具上的螺栓孔；此外，仿真分析中模型構(gòu)建的簡(jiǎn)化過(guò)程，尚未對(duì)模型實(shí)際的彈性模量和阻尼進(jìn)行測(cè)試。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)某特種小型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)考核試驗(yàn)設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)夾具，并對(duì)其進(jìn)行了有限元分析和垂向振動(dòng)加載驗(yàn)證試驗(yàn)，基于振動(dòng)傳遞特性證明了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性，結(jié)果表明：1）夾具的一階固有頻率為1251.2Hz，最大振動(dòng)放大因子為4.7，各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)量值在規(guī)定的范圍內(nèi)，滿(mǎn)足夾具設(shè)計(jì)規(guī)范要求。2）基于動(dòng)態(tài)傳遞特性設(shè)計(jì)的夾具結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足使用要求，放大因子是評(píng)估夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性的重要依據(jù)。3）仿真分析能夠在正式試驗(yàn)前預(yù)測(cè)夾具結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，減少不合理結(jié)構(gòu)的樣機(jī)加工。有限元理論分析和振動(dòng)驗(yàn)證試驗(yàn)的設(shè)計(jì)論證流程合理有效，可以為其他類(lèi)似結(jié)構(gòu)的振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)提供參考。

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Design and Analysis of Dynamic Characteristics of Vibration Fixture with Solid Propellant Rocket Engine

LIU Xiao-chen CHEN Jian CUI Wei LV Ping QIANG Ke-jie

（Shanghai Space Propulsion Technology Research Institute, Huzhou 313000，Zhejiang，China）

Vibration test is a indispensable part of the development and production of solid propellant rocket engine, and the design of the fixture determines the accuracy and reliability of the vibration test to a certain extent. In this paper, a vibration test fixture of solid propellant rocket engine was designed according to the fixture design specifications .and then modal analysis and random vibration simulation analysis of the solid propellant rocket engine were performed using workbench finite element analysis software. Finally, the dynamic characteristics verification was completed through the vertical vibration loading test. Results show that both the natural frequency and the vibration amplification factor of the fixture meet the design and use requirements. In addition, the dynamic characteristics can provide an effective reference for similar structural design and research in the future.

fixture design; finite element analysis; vibration test; dynamic characteristic

V435.6

A

1006-3919(2020)02-0056-08

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2020.02.009

2020-02-23；

2020-04-07

劉曉晨（1991—），男，山東棗莊人，碩士，助理工程師，研究方向：固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)及動(dòng)力學(xué)技術(shù)研究；（313000）上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所.