某机载设备振动夹具设计及试验验证

2022-08-18王勇宁会峰杜尹学

机械制造与自动化 2022年4期

王勇，宁会峰，杜尹学

(1. 兰州理工大学机电工程学院，甘肃兰州 730050；2. 兰州万里航空机电有限责任公司，甘肃兰州 730070)

0 引言

飞行器、舰船、车辆等运载工具上的设备都在多种复杂的环境条件下运行。以飞机上的设备(简称机载设备)为例，工况中存在着机械振动、冲击、噪声、低气压、盐雾等几十种环境因素，这些因素会缩短产品的使用期限并降低其可靠性[1]。而其中的机械振动环境，由于其作用的持久性和所带来后果的严重性，加上本身具有的复杂性，使其成为运行条件中相当重要的一种使用环境[2]。由于不能在现场对产品开展真实的振动测试，为保证产品后期的正常交付使用，模拟振动试验也就成为了一种评价结构是否达到预定功能和可靠性的有效方法。在进行振动试验时，被测试件常常通过振动夹具装夹到试验台面上，作为传递能量和信号的关键部件，其装夹的夹具性能会直接影响到试验结果的有效性和真实性[3]。

传统设计多依靠经验或者根据实际试验结果对夹具进行多次返修，整个过程会造成人力和物力的不合理分配。本文根据某型号直线作动器(图1)的外形结构和实际使用时的安装及工作状态，从夹具的两种不同结构形式出发，采用建模仿真与试验验证相结合的方式，设计了一款满足试验要求的振动夹具。

图1 某型号直线作动器

1 振动夹具的结构设计

1.1 设计原则及材料选取

在振动试验中，振动夹具的作用是将振动台的能量通过机械连接不失真地传递给试件，并尽可能保证试件上各个点的振幅与振动台一致。实际试验的情况中这一点很难实现，只要传递误差在可允许范围内，则可认为夹具设计是合理的。试验结果是否具有可信度与夹具的设计、制造以及安装使用水平都是密不可分的[4]。

夹具设计原则是在满足实际安装条件的前提下，尽可能具有低的质量和高的强度。结合夹具设计原则[5]，针对该型机载作动器，在设计时应考虑以下几点：

1)夹具的1阶固有频率要尽量高于试验频率的最大值2000Hz；夹具的响应特性要平坦，保证连接面上各点的响应尽可能一致，实现振动输入的均匀性。

2)夹具的质量应该在4kg～6kg范围内。为减少试件对振动台的反共振，在不影响刚度和频率的条件下，最大限度地降低夹具质量。

3)夹具的横向振动(垂直于激振方向的运动)应尽量小。

4)结构选用质心低、对称形式，方便产品的安装以及与台面的连接，能正确模拟试件的实际边界条件。

5)夹具共振时，其品质(放大)因数≤4，以保证夹具良好的振动传递特性。

为确保所设计夹具结构的合理性以及具有良好的动态性能，应该从夹具的刚度、质量、固有频率等特性参数方面进行研究。可从刚度K和质量M入手，来提高夹具的固有频率。因K正比于材料的弹性模量E，M正比于材料的密度ρ，因此应该尽可能提高E/ρ的值。目前常见的夹具材料[6]物理特性如表1所示。

表1 夹具常用材料的物理特性参数

从表1可以看出，镁、铝合金与钢的比刚度在数值上差别不是很大，从质量角度出发，铝合金密度较小，价格便宜，也更易于加工。因此本文夹具采用铝合金。

1.2 不同加工方式下的结构设计

根据产品规范中所要求的振动试验条件以及振动夹具设计原则，在分析该型作动器外部结构和试验平台性能的前提下进行了夹具结构的初始设计，拟采取两种设计方案，如图2所示。

图2 铸造和螺接两种加工形式

方案一：整体结构铸造而成，底板上的沉头孔用于固定夹具在台面上，两处凸台部分用来固定产品的两端。一处作为作动器接头的安装位置，该处凸台的中间位置有长25mm、宽6mm、深度28mm的槽，其尺寸由接头尺寸决定，安装时将接头放置在槽中，通过螺栓完成固定；第二处安装位置不仅要中间开槽，为保证试验过程中作动器能够具有一个完整工作行程，还要考虑在两侧设计合理尺寸的滑槽。

方案二：夹具由独立的4部分通过螺钉安装到一起，其安装试件位置的尺寸与方案一相同，与方案一相比不仅有更好的通用性，加工周期也短。

为了避免金属间的直接摩擦，且有更好的支撑性，需要设计与滑槽尺寸相匹配的尼龙支撑套，通过螺钉与夹具完成装配，如图3所示。

图3 尼龙支撑套及其安装位置

2 模态分析与随机振动分析

2.1 模态分析

在ANSYS Workbench中对夹具模型进行网格划分以及后续的仿真分析。所选材料为ZL101合金，其材料特性为：E=7.0×1010N/m2；泊松比μ=0.33；密度ρ=2.68×103kg/m3。方案一夹具的网格划分如图4所示，有限元模型选择四面体单元；对方案二的夹具结构进行同样操作。

图4 夹具的网格划分

将ZL101合金的相关物理参数赋予模型。由于高阶模态的影响在产品实际工作中可以忽略不计，应重点考虑产品低阶模态对其振动响应的影响[7]。通常分析前6阶模态就可以满足使用要求，两种加工方式下振动夹具的前6阶固有频率见表2，前2阶模态振型如图5、图6所示。

图5 第1阶与第2阶模态振型(铸造)

图6 第1阶与第2阶模态振型(螺接)

表2 前6阶固有频率单位：Hz

整体铸造方式加工的夹具1阶固有频率2 219.1Hz，高于试验要求的最高频率2 000Hz；螺接形式下为1 872.8Hz，这个频率在试验频率范围内可能会出现对输入谱的不确定放大。由于单耳组件安装位置处的尺寸较小，两种结构形式下模态振型都表现为y方向上的摇摆，并且越靠近顶端其振动位移越大。考虑到后期装配使用时,由于单耳安装位置处销轴、轴套以及螺母的固定能够使得局部刚度变大，固有频率也会相应得到提升。通过求解总装结构的模态发现，其中铸造成型的夹具1阶固有频率变为2 389.8Hz，相较之下提高了170.7Hz；最大变形减小了41.87%。

2.2 随机振动分析

随机振动分析是指以特定的功率谱密度(PSD)作为仿真分析的输入条件，最终计算响应特定值出现概率的一种分析方法，可用于在设计阶段通过随机振动仿真分析评估结构的动态特性[8]。振动试验由功能试验和耐久试验两部分组成。以功能试验谱为例，试验图谱如图7所示，量值表见表3。经计算得加速度方均根理论值为4.949g。

图7 振动试验谱

表3 振动试验量值表

加载如图7所示的激励谱，观察夹具3个方向的变形；选取安装位置处A点，如图8所示，看该点响应在要求频率范围内的振动是否平稳，对振动量级的放大效果是否在允许范围内。

图8 响应点选取

表4为响应点A的3方向方均根值。从表4可看出，两种形式下的响应方均根值均在理论值附近。将铸造加工时A点3个方向响应谱的方均根值与理论值(4.949g)相比误差更小，但响应点处的方均根值并不能直接表征传递特性的优异程度，还应结合该点输出的功率谱密度。通过比较两种加工方式下A点的3方向响应谱得出：铸造加工形式下，该点的3方向响应谱型更具有一致性，说明其振动输出的均匀性较好，而且越靠近频率中段，夹具的传递特性越好；当夹具为螺接形式时，A点的3方向响应谱均出现了不同程度的失真，尤其在试验频率中段，这是由于螺栓连接不能很好地限制各部件之间的相对运动。因此，在没有装夹被测试件的情况下，铸造形式的夹具能够做到将振动激励平稳、不失真地传递给试件。

表4 响应点A的3方向方均根值

铸造加工时，在随机载荷下变形最大为0.001 2mm，最大应力出现在输出端销轴中间位置，3σ应力大小为1.62MPa，说明在随机振动中材料所受的最大应力>1.62MPa的概率为0.27%，远小于材料的屈服极限355MPa，夹具强度安全裕量较大，结构满足振动要求。响应加速度最大值17.12g，与功率谱密度的方均根理论值(A0=4.949g)比值约为3.46，品质因数Q<4，夹具设计也符合传递要求。

比较加速度响应谱还可以发现，螺接形式的夹具A点处3个方向的响应谱在频率1 800Hz附近时均出现了对输入不同程度的放大，最大值为67.563g，远超了规定的品质因数要求。由于模态振型表现为该方向上的摆动，螺栓连接很难限制各部件间的相对运动，容易造成波形出现“毛刺”畸变。若存在工期限制或其他原因必须采取螺接形式的夹具，则可从配合面的精度等级和连接部分螺栓的预紧力两个方面来改善其传递性能。

通过比对仿真结果可看出，铸造形式的夹具结构动态特性优于螺接，强度也满足使用要求。结合车间的加工水平，选定以铸造完成夹具的加工。

3 加工与试验

加工组装完成的夹具如图9所示。整体结构呈对称形式，其3个方向上的最大尺寸为316mm×195mm×107mm；夹具质量5.66kg，质心在竖直方向24.083mm处，靠近振动台面。

图9 组装完成的振动夹具

夹具加工完成后，通过分布在安装面上的沉头螺栓实现与振动台面之间的固定，并保证夹具底面与振动台面的良好接触，将被测作动器安装到夹具上，如图10所示。

图10 y轴振动试验安装图

根据该机载作动器的技术要求在某电动试验台完成试验，通过安装在试件上的加速度计传感器反馈的功率谱密度验证夹具设计的合理性。图11所示绿色直线为理论谱线，蓝色持续振荡的为响应谱线。从图中可看出夹具在试验频率范围内能够真实模拟试件的边界条件并平稳地传递振动信号，对振动量级的放大效果在±2σ范围内，同时响应谱的加速度方均根值为4.969g，与理论值误差为0.40%，夹具满足使用要求[9](本刊为黑白印刷，相关疑问可咨询作者)。