范東林，段曉飛

（國營洛陽丹城無線電廠，洛陽 471000）

前言

振動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)，目前國內(nèi)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，一般參照美國桑迪亞實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)SC-4452B的規(guī)定開展[1]。對(duì)于航空產(chǎn)品中的電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選，GJB 1032規(guī)定振動(dòng)夾具在上限頻率2 000 Hz以內(nèi)，不應(yīng)有共振頻率存在，即使適當(dāng)放寬，傳遞函數(shù)的不平坦度也應(yīng)不超過±6 dB。事實(shí)上，對(duì)于復(fù)雜航空產(chǎn)品，做到完全滿足GJB 1032規(guī)定是很困難的，同時(shí)，即使一些“不合格”夾具，通過與被試產(chǎn)品的聯(lián)合調(diào)試和采用合理的振動(dòng)控制方式，也能順利通過產(chǎn)品試驗(yàn)。

在桑迪亞實(shí)驗(yàn)室規(guī)范中，關(guān)于共振峰數(shù)量、峰值大小、品質(zhì)因數(shù)正交性等要求，目前國內(nèi)振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)引用該規(guī)范較多，但對(duì)夾具與試件的連接方式、連接位置未做描述。為研究某航空產(chǎn)品外框架斷裂故障，對(duì)振動(dòng)夾具連接部位響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，探討夾具、試件、振動(dòng)臺(tái)（滑臺(tái)）組成的系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

1 振動(dòng)試驗(yàn)故障現(xiàn)象

某航空產(chǎn)品為柱狀結(jié)構(gòu)，長徑比達(dá)10:1，在產(chǎn)品前端安裝有慣性平臺(tái)，平臺(tái)為對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)敏感組件，平臺(tái)由臺(tái)體、內(nèi)框架、外框架、力矩電機(jī)等組成。在隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)一定比例慣性平臺(tái)的外框架發(fā)生斷裂失效，經(jīng)對(duì)斷裂面進(jìn)行失效分析，確定為疲勞破壞。結(jié)合某航空產(chǎn)品的使用，認(rèn)為外框架發(fā)生疲勞斷裂，主要由振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)或使用不合理引起。

圖1為某航空產(chǎn)品外框架結(jié)構(gòu)圖，外框架1-2端、3-4端處壁厚變化處為直角，未見明顯倒角和圓角，存在應(yīng)力集中的風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)檢查，部分產(chǎn)品出現(xiàn)外框架斷裂的直接原因是外框架1-2端厚度（約3 mm）和3-4端厚度（1.5~3 mm）不一致所造成，3-4端厚度由加工時(shí)尺寸鏈封閉環(huán)保證，導(dǎo)致部分外框架3-4端尺寸相比1-2端降低50 %，疲勞強(qiáng)度大幅降低。

圖1 某產(chǎn)品外框架結(jié)構(gòu)圖

2 振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)

針對(duì)某航空產(chǎn)品所設(shè)計(jì)的振動(dòng)夾具如圖2所示，夾具采用螺接式結(jié)構(gòu)，由底板、側(cè)板、加強(qiáng)板、上下夾環(huán)等組成，材質(zhì)為鋁合金。夾環(huán)分為五組，用于兩型航空產(chǎn)品的振動(dòng)，擬定振動(dòng)方案為每型產(chǎn)品使用其中的四組夾環(huán)固定產(chǎn)品，其中編號(hào)為2、3的夾環(huán)組共用。

圖2 某產(chǎn)品振動(dòng)夾具

在國內(nèi)普遍采用的振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)規(guī)范中，關(guān)鍵指標(biāo)之一為振動(dòng)夾具的一階固有頻率，對(duì)于簡(jiǎn)單振動(dòng)夾具應(yīng)可滿足使夾具的一階固有頻率落在試驗(yàn)頻率之外；難以做到時(shí)，夾具的頻率應(yīng)達(dá)到試件最低頻率的3倍到5倍以上[2]。根據(jù)Dunkerley方程估算，當(dāng)夾具的一階固有頻率達(dá)到試件最低一階固有頻率的3倍時(shí)，試件與夾具組成的系統(tǒng)一階固有頻率約為試件一階固有頻率的95 %；達(dá)到2倍時(shí)，試件與夾具系統(tǒng)一階固有頻率約為試件一階固有頻率的89 %，此時(shí)，振動(dòng)臺(tái)傳遞給產(chǎn)品的振動(dòng)量級(jí)失真較小。

在對(duì)某航空產(chǎn)品振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)主要通過底板、下夾環(huán)傳遞，對(duì)振動(dòng)夾具（不含上夾環(huán)）進(jìn)行約束模態(tài)分析，得到一階～四階固有頻率分別為530.86 Hz、537.62 Hz、628.21 Hz、763.9 Hz，圖3為夾具的第一階固有振型圖。從第1階固有振型可以看出，振型主要表現(xiàn)為整體的垂向彎曲振動(dòng)[3]，2、3號(hào)夾環(huán)處相對(duì)變形較小，前部（4號(hào)夾環(huán)處）相對(duì)變形較大；第二階固有振型也表現(xiàn)為整體的垂向彎曲振動(dòng)，2、3號(hào)夾環(huán)處相對(duì)變形較小，后部（1號(hào)夾環(huán)處）相對(duì)變形較大；第三、四階固有振型則表現(xiàn)為整體的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，2、3號(hào)夾環(huán)處相對(duì)變形較小，前部、后部相對(duì)變形較大。

圖3 振動(dòng)夾具一階固有頻率

在設(shè)計(jì)振動(dòng)夾具階段，夾具尚處于“數(shù)字化”狀態(tài)，無法開展試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，難以獲得夾具的真實(shí)動(dòng)態(tài)特性[4]，實(shí)踐中常采用有限元軟件進(jìn)行仿真，除關(guān)注夾具固有頻率外，還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注固有振型（相對(duì)變形）。振動(dòng)夾具制造完成后，需開展振動(dòng)夾具動(dòng)態(tài)性能測(cè)試及與產(chǎn)品的聯(lián)合調(diào)試。

通過有限元模態(tài)分析，得到振動(dòng)夾具的一階固有頻率為530.86 Hz，可達(dá)某航空產(chǎn)品固有頻率100 Hz的5倍以上，滿足國內(nèi)對(duì)振動(dòng)夾具要求的一般規(guī)范。

3.振動(dòng)夾具動(dòng)態(tài)性能測(cè)試

3.1 振動(dòng)方向振動(dòng)響應(yīng)

將振動(dòng)夾具連接到振動(dòng)臺(tái)上，在四個(gè)下夾環(huán)處安裝加速度計(jì)，在1~4號(hào)下夾環(huán)處測(cè)得的振動(dòng)方向加速度均方根值分別為：10.5 g、8.1 g、7.6 g、12 g，圖4、圖5分別為1號(hào)、2號(hào)夾環(huán)處加速度響應(yīng)譜（3號(hào)夾環(huán)與2號(hào)、4號(hào)夾環(huán)與1號(hào)加速度響應(yīng)譜形狀和量級(jí)相當(dāng)），由測(cè)試振動(dòng)響應(yīng)曲線可以看出，振動(dòng)夾具的一階共振頻率約為300 Hz，與有限元模態(tài)分析中一階固有頻率530.86 Hz相比有所降低，降低的主要原因是采用有限元分析時(shí)，對(duì)滑臺(tái)附加質(zhì)量、夾具中螺栓連接、夾具與滑臺(tái)連接方式等對(duì)振動(dòng)夾具一階固有頻率的影響未予考慮。

圖4 1號(hào)夾環(huán)處加速度響應(yīng)譜

圖5 2號(hào)夾環(huán)處加速度響應(yīng)譜

從1~4號(hào)夾環(huán)響應(yīng)譜分析，2、3號(hào)夾環(huán)高量級(jí)響應(yīng)主要集中在中高頻段，量級(jí)相對(duì)較低；1、4號(hào)夾環(huán)響應(yīng)峰值在低頻段，且量級(jí)高，夾具表現(xiàn)為響應(yīng)位移大，動(dòng)應(yīng)力高。

3.2 正交方向振動(dòng)響應(yīng)

在1~4號(hào)下夾環(huán)處測(cè)得的正交方向的振動(dòng)加速度均方根值分別為：9.7 g、9.5 g、10.4 g、9.7 g，圖6、圖7分別為1號(hào)、2號(hào)夾環(huán)處加速度響應(yīng)譜（3號(hào)夾環(huán)與2號(hào)、4號(hào)夾環(huán)與1號(hào)加速度響應(yīng)譜形狀和量級(jí)相當(dāng)），從響應(yīng)的功率譜密度曲線分析，2、3號(hào)夾環(huán)高量級(jí)響應(yīng)主要集中在中高頻段，而1、4號(hào)夾環(huán)在低、中、高頻段均存在響應(yīng)峰值，尤其在300 Hz附近，1、4號(hào)夾環(huán)響應(yīng)值較高。

圖6 1號(hào)夾環(huán)處正交加速度響應(yīng)譜

圖7 2號(hào)夾環(huán)處正交加速度響應(yīng)譜

4 聯(lián)合試驗(yàn)

4.1 外框架響應(yīng)分析

在進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)原定的1、2、3、4號(hào)夾環(huán)四點(diǎn)夾持方案，旨在改善細(xì)長桿件振動(dòng)的傳遞性，但結(jié)果發(fā)生了一定比例外框架的斷裂；進(jìn)一步采用2、3號(hào)夾環(huán)兩點(diǎn)夾持方案，發(fā)現(xiàn)外框架響應(yīng)大幅降低。通過對(duì)振動(dòng)夾具1~4號(hào)夾環(huán)響應(yīng)分析，2、3號(hào)夾環(huán)主振方向響應(yīng)相對(duì)較小，高量級(jí)響應(yīng)主要集中在中高頻段；1、4號(hào)夾環(huán)主振和正交方向響應(yīng)在低頻段峰值較大，可能導(dǎo)致傳遞給產(chǎn)品較大的動(dòng)應(yīng)力。

分別采用2、3號(hào)二夾環(huán)和1~4號(hào)四夾環(huán)連接某產(chǎn)品的兩種方案進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，同時(shí)在外框架上布置加速度傳感器，以對(duì)采集到的加速度功率譜密度進(jìn)行分析。

從圖8、9可以看出，采用2、3號(hào)二夾環(huán)相對(duì)1~4號(hào)四夾環(huán)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試振動(dòng)，外框架采用四夾環(huán)振動(dòng)方式相較二夾環(huán)在中高頻段峰值多且量級(jí)大；在外框架上采集到的振動(dòng)加速度均方根值分別為13.06 g（四夾環(huán)）、6.03 g（二夾環(huán)）。采用2、3號(hào)二夾環(huán)連接方式，不僅中高頻段響應(yīng)量級(jí)也得到大幅降低，在低頻段響應(yīng)量級(jí)也得到一定程度改善，加速度均方根值相比1~4號(hào)四夾環(huán)連接方式，減小50 %以上。

圖8 四夾環(huán)外框架加速度響應(yīng)功率譜

4.2 動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)

利用Patran對(duì)圖2中3-4端三種厚度分別進(jìn)行在振動(dòng)夾具的四夾環(huán)、二夾環(huán)連接的動(dòng)應(yīng)力分析，得到表1所示動(dòng)應(yīng)力。

表1 三種厚度的外框架破壞部位最大動(dòng)應(yīng)力

可以看出，四夾環(huán)比二夾環(huán)振動(dòng)連接方式得到的外框架斷裂處動(dòng)應(yīng)力增大1倍左右；同時(shí)， 3-4端厚度也直接影響外框架的受力，當(dāng)厚度由3 mm減至1.5 mm時(shí)，動(dòng)應(yīng)力增大40 %左右，可能導(dǎo)致外框架的斷裂。

4.3 故障原因分析

采用四夾環(huán)連接（夾持）方式進(jìn)行振動(dòng)，主要目的為了提高細(xì)長桿類試件振動(dòng)時(shí)的連接剛度，而出現(xiàn)試件隨機(jī)振動(dòng)失效，與振動(dòng)夾具的結(jié)構(gòu)、各夾環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)直接相關(guān)。振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，夾具長度方向與振動(dòng)臺(tái)滑臺(tái)振動(dòng)方向（長度方向）垂直，滑臺(tái)整個(gè)寬度位于振動(dòng)夾具長度方向2/3范圍內(nèi)，夾具兩端相對(duì)滑臺(tái)寬度處于懸空狀態(tài)，雖然對(duì)兩側(cè)板與底板進(jìn)行了加強(qiáng)連接，但仍造成了夾具兩端懸空部分剛度的下降，傳遞均勻性很差，而外框架安裝時(shí)轉(zhuǎn)軸與振動(dòng)方向夾角為45 °，主振方向、正交方向在外框架斷裂方向均有加速度（隨機(jī)應(yīng)力）分量。在隨機(jī)振動(dòng)條件下，各個(gè)頻率點(diǎn)都有能量輸入，尤其在各共振頻率點(diǎn)外框架受到的動(dòng)應(yīng)力更大，當(dāng)損傷累積到一定程度后，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂，即振動(dòng)夾具傳遞的“過振動(dòng)”引起了結(jié)構(gòu)件的疲勞破壞。

圖9 二夾環(huán)外框架加速度響應(yīng)功率譜

對(duì)于振動(dòng)試驗(yàn)，低階共振位移大、能量高，中低頻段的共振極易造成結(jié)構(gòu)件的失效。因此，設(shè)計(jì)振動(dòng)夾具以及與試件進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試時(shí)，夾具與振動(dòng)臺(tái)、夾具與試件連接應(yīng)有較大剛性[5]，避免出現(xiàn)夾具與試件連接部位相對(duì)振動(dòng)臺(tái)懸空而傳遞“寄生”損傷的振動(dòng)。

5 結(jié)論

美國桑迪亞實(shí)驗(yàn)室對(duì)振動(dòng)夾具提出了設(shè)計(jì)規(guī)范，但對(duì)振動(dòng)夾具與被試對(duì)象的連接方式、位置未做出指導(dǎo)，而目前國內(nèi)設(shè)計(jì)振動(dòng)夾具多數(shù)強(qiáng)調(diào)對(duì)一階固有頻率的要求，但實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)一階固有頻率值的大小并非振動(dòng)試驗(yàn)成功的充分條件，更應(yīng)強(qiáng)調(diào)實(shí)物振動(dòng)夾具與被試件的聯(lián)合調(diào)試，選擇夾具上振動(dòng)傳遞性好的部位與被試件連接，在產(chǎn)品或夾具上設(shè)置合理的控制點(diǎn)，才不會(huì)造成產(chǎn)品的失效。