振动试验夹具设计研究

张海辉

摘 要：根据型号项目振动试验的实践经验，提出了振动试验夹具设计的基本要求、方法步骤以及制作过程中应注意的问题，讨论了各类夹具的应用范围，对于产品振动试验夹具设计工作具有重要的指导意义。

关键词：夹具；振动；受力分析

振动试验是环境试验的重要组成部分，夹具在振动试验中发挥着极为重要的作用。不合理的夹具设计、制造及安装使用容易产生“过振动”与“欠振动”，即使勉强达到了控制谱的要求，也必将加重振动系统的负荷，尤其在振动台的动态响应范围较小时，矛盾会更加突出。而且不可能制造一个试验性夹具，在进行完动态特性测试、结构修改、观察效应后，再研制出用于环境试验的振动夹具，往往都会要求一次性设计、制造成功。

一、夹具的主要参数

振动试验的夹具可以分为很多类，有专为某个试件而做的专用夹具，也有适用于不同类型试件的通用夹具。无论夹具种类如何多变，都要求它的动态特性参数满足一定的要求，确保试验的真实再现。一个成功的夹具需要在以下3方而达到要求：（1）夹具的共振频率要高于某个特定频率值，同时试件的一阶谐振与夹具的一阶谐振之比应该在0.5～1.4之间；（2）夹具振动加速度传递特性应在一3～+20db之间；（3）夹具的横向振动应尽量地小，通常不大于30%，最大不超過50%。

根据以上要求.设计者在设计制造过程中就需要对刚度、重量、夹具重心的定位等几个主要指标进行考虑。

二、夹具设计技术现状

经验法是目前夹具设计中运用最为广泛的方法之一，但是这种方法有先天不足之处。由于大中型夹具设计一般都应用在航空与军事等领域，关于它的设计理论及其论述较少，也没有形成系统的理论和方法。

邓柯莱法，是将基本的夹具结构分为单独的子结构，分别计算其固有频率，然后求出总体结构的固有频率。利用邓柯莱法来设计夹具，具有简单、快速的优势，但也存在不足：（1）邓柯莱法推导过程的误差较大；（2）此方法适合于高阶固有频率远大于第一阶固有频率的系统；（3）利用邓柯莱法时，子结构必须是一些较为简单的规则结构，以便于求解。这样就限制了邓柯莱法的广泛应用。

随着现代结构动态设计方法的发展，将有限元模态分析与实验模态分析结合起来应用于夹具设计将是一个快速、高效且满足工程精度的设计方法。

夹具设计的原则：夹具设计首先要选择材料，振动夹具的高频特性对其材料的强度和疲劳特性提出了较高的要求。夹具设计时应优先选用比刚度大、阻尼大的材料，一般最常用的是铝、镁及其合金，尽可能不要选用钢做夹具的材料。材料的比刚度大即夹具的质量小而刚度大，可使振动试验影响变小且控制效果更好。

设计时使夹具的质量尽可能小。根据强度理论，材料的固有频率f与刚度k成正比，与质量m成反比。对同一尺寸的金属，铝比镁质量大1/3，钢比镁质量大4倍。应防止因强度不足，导致夹具自身被振坏，最终损坏试验产品的现象发生。

夹具的总体结构设计应优先采用对称形式，一般选择立方体、盒形、半球形和锥形。在振动试验过程中，尽可能使试件和夹具的合成质心落在振动台的中心线上，即“对中”。对于质心较高的试件或夹具，夹具的平稳性能就更加重要，可以避免振动台台面摇晃振动带来的控制振动波形失真；同时，还应特别关注夹具是否会产生横向运动，甚至于旋转和滑移。

在选择夹具的制造工艺时，应尽量采用简体、整体夹具，一般优先采用整体铸造工艺，其次可以选用焊接和螺接工艺。

三、夹具设计中的几个问题

夹具的设计要求是使试验夹具相对重量最小、刚度最大，在试验频率范围内不发生结构共振。当然，一个好的夹具主要还应满足以下要求：（1）夹具的第一阶固有频率应高于试验产品第一阶固有频率的3～5倍，以避免发生夹具与受试产品的共振耦合；（2）夹具的阻尼要大；（3）夹具的横向运动（指垂直于激振方向的运动）要小；（4）波形失真小。

1.夹具类型的选择。夹具类型的种类有很多，设计者应根据受试产品的尺寸、形状和工作时的安装方式来选择。

（一） L型和T型夹具

L型夹具和T型夹具设计可以仿照转接板的方法进行，但是夹具上的垂直平板和筋板需要加强，这是因为在某些频段上垂直平板容易发生共振问题。

（二） 转接板型

转接板是一种最为常见的振动夹具。一般是简单的平板，板上有螺孔或T型槽与振动台而连接，有时受试产品直接安装在转接板上，有时转接板上要安装另外的试验夹具，受试产品再安装在试验夹具上。选定转接板夹具以后，需要根据产品的重量、安装数量、安装方式、尺寸和所使用的振动台来决定夹具的结构尺寸。

2. 夹具材料的选择与共振频率。从性能角度出发，材料应具有较小的密度，较大的刚度和较高的阻尼；从加工角度出发，材料应易于加工；从经济角度出发，则要求材料价格较为便宜。直接影响固有频率的因素是材料的弹性模量E与材料密度ρ之比。E/ρ的值也影响共振频率，其值越大越好。在我们所进行的振动试验中，一般选择的材料为铝硅合金或者ZL101，而不使用钢材。

四、夹具的测试

对夹具的动态测量，可以暴露夹具的不足之处，可以为夹具的改进提供详细的参考数据。而我国现在对于夹具还没有要求进行专门的计量，所以夹具的测试并没有引起大家的重视。这样就往往会发生由于夹具的不合格，出现共振而造成超载试验，损坏试件。因此，可以利用一些自有的基本设备对夹具进行一些简单的测试。测试夹具最简单的方法就是用正弦扫描试验来测定夹具的动态特性，绘出X-Y曲线图，确定夹具的一阶共振频率和夹具上各点之间的传递系数比.

五、结语

夹具的设计在振动试验中起到关键的作用，同时夹具的设计涉及到很多问题，包括安装、测量、振动传递等多个方面，需要考虑的问题也很多。一个好的夹具，不仅仅能保证试验的顺利进行，同时能使试验事半功倍，提高效率。另外，夹具的设计对试验成本影响也很大。因此夹具的设计者在试验中扮演着重要的角色。设计者在设计过程中应多积累经验，以求设计出简单高效的振动夹具。

参考文献：

[1] GJB 548 A-96，微电子试验方法和程序[S].

[2] 刑天虎.力学环境试验技术[M].西安：西北工业大学出版社，2003.

[3] 胡志强，法庆衍.随机振动试验应用技术[M].北京：中国计量出版社.1996.