摘 要：随着现代工业和国防事业的不断发展，振动和冲击试验从上世纪出现开始到现在得到了巨大的发展，在各行各业得到了广泛的应用。振动和冲击试验与夹具的设计技术密切相关，为了保证试验结果的有效性，需要设计出合格的试验夹具。本文阐述了夹具在振动冲击试验中的重要性，总结了夹具的功能和性能指标，对夹具的基本类型、材料使用、制造加工、安装和动态测试方法进行了探讨。

关键词：夹具的功能；制作工艺；测试方法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.016

0 概述

振动、冲击试验是环境试验中很重要的一个环境参数，无论是航天航空、武器装备、轨道交通还是各种民用产品，在其储存、运输和使用过程中都会经受到振动、冲击的环境影响，也是可靠性试验、环境应力筛选及多因素综合环境试验最基础的项目。要在实验室模拟实际环境对受试产品进行振动、冲击试验，就必须借助于试验夹具，通过夹具将试样与振动、冲击台面连接起来，通过夹具将规定的环境谱不失真地传递给试样，所以夹具的设计、制作及安装水平直接关系到试验能否顺利实施，产品能否经受到规定的试验量级考核，若因为夹具的设计、加工及安装不合理，就会造成受试产品“过试验”或“欠试验”，直接影响到试验结果的评判，由此可知，试验夹具对试件的振动冲击起着决定性的作用。

1 夹具的功能

振动、冲击试验夹具是将试验台面与试样连接起来，将规定的激振力传递给受试产品，主要有两项功能：

1.1 连接功能

由于振动台面的螺栓孔有固定的尺寸和位置，不可能满足各种产品在平台上的安装要求，所以就需要通过夹具，将被试产品固定在振动台面上；

1.2 传递功能

夹具是介于振动台面与被试产品之间的传递介质，振动台的振动量值通过夹具传递给被试产品，用于模拟被试品在实际使用中所经受到的振动环境。

2 夹具的性能指标

夹具的设计目前没有统一的标准方法，很多时候还依赖于实践经验，但一个理想的夹具需具备重量相对较小、刚度大、在规定试验频率范围内不出现共振等基本要求：

（1）夹具自身的第一阶固有频率应大于规定的最高试验频率，才能有效避免受试产品与夹具发生共振耦合，造成试样不正当损坏；

（2）受试产品与试验夹具连接面上各点的响应要尽量一致，以达到振动激励量值1：1传递给试件；

（3）为提高夹具的第一阶固有频率，需选择刚度/质量比足够大的材料制作；

（4）夹具的阻尼要足够大，当夹具发生共振，第一阶固有频率的品质因数Q须小于4；

（5）夹具的质量最好大于试件的两倍以上，以减小受试产品与振动夹具之间的相互映射作用；

（6）尽量减小夹具在垂直于振动/冲击方向上的横向运动；

（7）振动、冲击波形失真要小，波形失真度在夹具的第一阶固有频率之前应小于25%，在之后，应小于60%。

3 夹具的种类

3.1 板状夹具

板状夹具（俗称转接板）是所有夹具中最简单的，其形状有圆形或方形等适合具体产品的均可，对于小而多的试样或者单个大型试样都得到了广泛的应用，对板状夹具的厚度要求至少有20mm以上，才能保证其刚度，最好选用铝镁合金或铝板材料加工制作。

3.2 立方体夹具

对于小型零构件的振动、冲击试验，立方体夹具是一个不错的选择，受试产品在夹具的五个面上均可安装，小型立方体夹具可用整块铝材或镁铝合金机械加工而成，对于大型立方体夹具常常用高阻尼合金铸造形成。

3.3 半球形夹具

半球形夹具的固有频率/重量比很高，同时又能在一个振动、冲击台面上进行相对于台面三个方向的试验，是一款非常优秀的夹具，这种夹具由于表面是球面结构，机械加工比较复杂，因此通常都是铸造而成。

3.4 锥形夹具

锥型夹具因为其自身结构特点，刚度重量比很高，一般都是经过铸造加工而成，其自振频率一般可以达到2000Hz以上，有些锥形夹具是为特殊试件定做，有些也可以做成多用途的。

3.5 L形夹具

L形夹具因其结构简单、价格低廉，在振动、冲击试验中用得非常广泛，其各结构件之间可通过螺栓连接、焊接或胶粘等方式组合起来，也可以用整块材料通过机械加工而成。

3.6 T形夹具

T型夹具和L型夹具相类似，不同的是T型夹具的垂直平板是安装在底板的中心位置处，在垂直板的两侧均可以安装试验件。

除了上面列举的几种常用夹具外，还有盒式夹具、圆筒式夹具等类型。

4 夹具的设计与制造

4.1 材料的选择

在进行夹具制作时，首先需要选择材料，由于振动夹具自身的高频特性所要求的刚度使得夹具非常牢固，夹具很少因为强度不足而损坏。

所以在进行夹具设计时，根据（式中f是响应频率，k是刚度，m是质量）可知，最需要被考虑的是夹具自身的重量，铝的密度约为钢的1/3，镁的密度约为钢的1/4～1/5，镁铝合金密度大约为钢的1/4，同时铝镁合金的阻尼特性比较好，加工也相当经济，所以理论上铝镁合金是最常用的材料，考虑到在机械加工过程中镁有着火的危险， 所以通常更多的会选择铝合金制造夹具。

4.2 夹具的制作工艺

振动冲击试驗夹具制作的主要方法有整体机械加工、铸造成型、焊接结构、螺接结构和粘接结构夹具，除上述几种常用的夹具制造方法之外，目前根据一些产品的形状、特殊用途或特殊要求，还有叠层夹具、环氧树脂成形夹具、灌蜡封装夹具及用泡沫塑料作阻尼的夹具等。

4.2.1 整体机械加工夹具

对于试样较小时，用整块材料通过机械加工来制造夹具是又快又省的方法。 通过车、铣、磨、镗、钻等加工工艺对一整块金属材料（如镁铝合金或铝合金）加工成需要的夹具，这种方法可以制作型面比较复杂的夹具，夹具残余应力小，此种夹具制作方法对于小型试样值得推荐。

4.2.2 铸造成型夹具

在通常情况下，应优先考虑使用铸造夹具，铸造法具有能适用各种复杂表面， 一次成形的特点，尤其是对一些有弧形过渡面、支撑筋、复杂截面和有肋条的内腔等夹具，须用铸造成型才能实现，铸造成型的夹具，阻尼系数高，对抑制夹具谐振时的峰值加速度有好处，传递性好。

4.2.3 焊接夹具

焊接夹具具有制造周期短，成本低廉、更改结构方便等优点，应用非常普遍，但其材料阻尼系数小，夹具自身的谐振加速度峰值很高，所以焊接完成后还需进行时效热处理。

4.2.4 螺接夹具

螺接夹具是一种比较简单、快捷、经济的制作夹具的方法，但螺接夹具难以获得比较好的振动特性，很多时候是在没有别的方法可选的时候才用螺接，在螺接夹具中主要考虑两个因素：

（1）螺接夹具的构件必须是机加工件，保证构件之间的接触面能紧密地结合在一起，获得较高的配合精度；

（2）二是螺栓的预紧力比计算的最大分离力至少要大10%。如果没有足够的预紧力，部件会脱开而相互撞击。这种撞击常常超过规定的试验载荷和频率范围，造成试样不必要的损坏。

4.2.5 粘接夹具

粘接夹具是一种快速而又经济的夹具制作方法，粘接夹具的强度主要由粘接剂的强度与粘接工艺决定，多用于制造承载较小的夹具。

5 夹具的安装与使用

夹具的安装状态直接影响着夹具与振动台、夹具与产品连接面的机械阻抗，也就决定着振动激励从振动台传递到产品的正向传输和反向的映射，从而严重影响着振动试验的结果。

夹具与振动台面的连接优先选择螺接方式，为了增加连接螺栓与螺孔之间螺纹的接触面积，防止螺纹面的过度磨损而导致连接的松动，螺栓拧紧振动台面的深度至少为螺栓直径的两倍，另外为了防止振动试验时，连接螺栓的松动，应该在螺栓下方加弹簧垫圈和平垫圈，螺栓的预紧力通常要比振动试验中最大激振力大10%～15%，否则会出现“拍击”现象，造成产品的非正常损坏。

6 夹具的测試

夹具的设计受设计方法、材料和制造工艺等影响，通常很难达到理想的效果，除一些标准型或简单的夹具可以不测试，直接用于产品的实际试验外，制作完成的夹具，尤其是结构复杂的夹具在投入使用前都需要进行测试。夹具测试可分为空载、带模拟负载和安装试件三个步骤进行。

空载测试主要是为了测试夹具自身的动态特性，特别是夹具的一阶谐振频率值，空载测试能够揭露夹具的缺点，提出改进的方法。

夹具带模拟负载的测试是将试验件折算为惯性负载，按照试验件质量在夹具平台上的实际分布状况将模拟负载固定在夹具安装试件的平台上，由于带模拟负载的夹具测试没有考虑被试品的弹性效应和阻尼特性，故带模拟负载的夹具测试与安装试件后的夹具测试只有一定的可比性。

安装试件后的夹具测试实际上是一种低两级的预试验，可选用给定总均方根值量值的25%作为最高测试量级，通常认为低于这个量级的振动激励不会对被试品带来附加的损伤。

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作者简介：柏遇合（1987-），男，重庆人，本科，助理工程师，研究方向：实验室环境试验技术。