彭立晓

（天津航空机电有限公司，天津 300000）

振动试验是航空航天和汽车电子零部件环境试验项目之一。其中，振动夹具的设计与安装对于振动试验成功与否至关重要。如设计或安装不合理，会出现产品在振动过程中过试验或者欠试验的情况。过试验会导致电子产品故障，造成产品成本增加。欠试验会导致电子产品考核不足，存在厂外质量问题风险。因此，需对振动夹具的传递特性要求和解决方案进行研究。本文针对振动试验中常用的圆盘型夹具的传递特性进行分析，找到影响圆盘型夹具传递特性的主要因素，并在试验过程中进行规范。通过仿真与试验验证，优化后圆盘型夹具可以满足试验要求。该圆盘型夹具的优化过程与结果及夹具的优化与验证方法可应用于其他类型夹具设计。

1 问题描述

产品振动试验中，一款电子产品在随机振动试验垂直方向中故障频发。经排查发现，产品安装点振动量值为试验目标频谱振动量值的4倍，产品存在过试验问题。该产品安装在圆盘夹具上进行振动试验，对圆盘夹具进行传递特性测试，产品安装点位置有明显共振峰值，不满足要求。振动夹具试验现场，如图1所示。

2 夹具设计原则与要求

振动夹具是使振动台通过机械连接把力传递给试验件，所以振动夹具的传递特性对于振动试验的顺利进行至关重要[1]。

《军用装备实验室环境试验方法 第16部分：振动试验》（GJB150.16A—2009）标准中规定：试件在进行振动试验时，应当与其工作状态保持一致；振动试验采取的振动夹具应该保证与其在工作过程中的固定形式一致，以等效地固定样件并进行试验[2]。

夹具设计原则是在满足实际安装条件的前提下，尽可能具有低质量和高强度。在具体设计时应考虑以下几个方面[3-4]：

（1）振动夹具的模态频率；

（2）通过表面处理，使夹具的底面达到较高的平面度，表面粗糙度达到1.6 μm；

（3）夹具材料优先选用刚度/质量比值大的，如铝合金和镁铝合金，以提高固有频率；

（4）振动夹具应该根据振动台合理设计，保证连接接近实际受力情况，便于安装；

（5）振动夹具设计时要根据现有加工水平合理设计加工方案，缩短加工周期，降低加工价格；

（6）应当避免振动夹具对传递特性、允许的正交运动以及振动偏差进行不合理放大；

（7）根据试件的振动试验功率谱密度及其结构尺寸，设计合理的夹具结构；

（8）埋头带台肩沉孔是夹具与振动台连接的首选连接孔，振动夹具尽量选用螺纹孔或者钢丝螺套固定样件。

美国桑地亚公司提出了以夹具共振频率为基础的夹具设计规范[5]。

3 夹具原状态仿真与试验验证

原状态夹具安装方式如图2所示。

3.1 夹具原状态模态仿真

仿真时，约束方式如图2所示。6个安装点固定约束，材料为铝合金7A04，弹性模量为65 GPa，泊松比为0.31，密度为2.85 kg·m-3。利用ANSYS进行仿真分析得到模态频率和模态振型，如图3所示。

3.2 夹具原状态振动台正弦扫描测试

测试时，振动台正弦扫频20～2 000 Hz，正弦峰值为1g。从扫频结果可知，圆盘夹具的第一阶共振频率为855 Hz。

3.3 夹具原状态振动台随机振动测试

测试时，夹具利用6个M12螺栓安装在垂直方向振动台。扫频振动条件为振动量值为6g，采用两点平均控制方式。测试结果显示，产品安装点位置振动量值均方根值（有效值）达到23g。从振型看，可知圆盘夹具安装点不足，导致圆盘夹具模态低，盘面振动水平均匀性差。需提高圆盘的约束刚度，增加夹具安装点，外圈安装8个安装点，内圈安装4个安装点，进行仿真与试验验证[6-8]。

4 夹具安装状态优化后仿真与试验验证

优化后夹具安装方式如图4所示。

4.1 夹具安装状态优化后模态仿真

约束方式如图4所示，12个安装点固定约束，其余条件与原状态一致。利用ANSYS进行仿真分析得到模态频率和模态振型，结果如图5所示。

4.2 夹具优化后状态振动台正弦扫描测试

夹具优化后状态振动台正弦扫描测试时，试验条件同3.2，试验结果为夹具在2 000 Hz以内无明显共振峰值，第一阶共振频率达到2 000 Hz以上。

4.3 夹具优化后状态振动台随机振动测试

夹具利用12个M12螺栓安装在垂直方向振动台，其他振动试验条件与其余条件与原状态一致。测试结果为产品安装点位置振动量值均方根值（有效值）为6.1g，与参考谱一致[9]。从仿真与试验结果可知：圆盘夹具优化后振动量值与目标谱一致，传递特性良好，满足设计要求；圆盘在2 000 Hz以内没有大于2倍放大系数的共振峰值。

5 结语

本文基于振动试验中发生的实际问题，通过产品三维模型的仿真分析，得到圆盘夹具共振频率与振型，给出了优化方向为增加螺钉约束和提高夹具刚度。经过夹具的正弦扫频试验与随机振动测试对比，得到夹具产品安装点与目标谱一致，且共振频率大于2 000 Hz，满足夹具的设计要求，后进行振动试验产品通过了振动考核。