振动试验夹具设计及频率响应特性研究

熊伟华，王大兵，王凤车

（中国船舶重工集团公司第七一六研究所，连云港 571069）

振动试验夹具设计及频率响应特性研究

熊伟华，王大兵，王凤车

（中国船舶重工集团公司第七一六研究所，连云港 571069）

采用CAE有限元分析软件ANSYS进行了辅助设计，快速高效的设计并制造出了一种满足于振动试验要求的试验夹具，该夹具具有一定的通用性。通过对制造出的振动试验夹具进行的试验及分析，表明该夹具的实测频率响应与有限元分析结果比较一致。满足试验条件要求。

有限元分析；试验夹具；通用性；试验分析

引言

振动是自然界及工程技术领域中经常碰到的问题，由振动引起的危害具有多方面性且严重性，在新研设备实际使用前，必须模拟真实的振动环境对其进行考核试验，以保证设备能够安全、正常的工作。在对设备进行振动试验检测时，通常受试设备不能直接安装在振动试验台上，需要借助振动试验夹具，先将受试设备安装在振动夹具上，然后一起安装在振动台上。由于振动台在运动和能量的传递过程中有试验夹具参与，故不能将振动台输出的运动及能量完全、真实的传递给受试设备。因此，振动试验夹具力学性能的优劣、传递性能的好坏就直接决定试验结果的可信度。

在夹具设计前，应根据受试设备的结构特点，确定振动试验夹具的基本结构，通常情况下，整体铸件结构的力学性能较连接件性能稳定可靠。在考虑通用性情况下，可根据需要进行必要的模块化设计。在现今的振动试验夹具设计通常采用CAE有限元分析软件进行辅助设计，计算其固有频率机器频率响应特性[1]。

1 夹具的设计

1.1 结构设计

根据某电子设备，其结构特点为底部与背部均有安装孔，且底部与背部安装孔的间距随不同型号而不同。由此，参考实际振动台的结构及振动试验夹具通用性要求，对夹具部分结构进行模块化设计。夹具底座有六个螺纹孔与振动台面连接，受试样品直接放在振动台面，底部则由压块直接进行固定。考虑到通用性要求，夹具上方设计两个可活动的U形安装板（如图1），并且安装板内开槽，则背部的两个安装孔与夹具上方的两块安装板通过螺杆连接固定。如此设计可满足该型产品系列的试验要求，提高夹具的可利用率。

1.2 材料的选择

在振动试验夹具的设计过程中，主要考虑材料的强度、固有频率以及频率响应特性。首先应根据振动台的性能以及受试设备的重量大致确定夹具最大的设计重量，将计算得到最大设计重量作为约束条件，最低固有频率作为目标函数，夹具材料参数作为设计变量，对振动试验夹具材料的选用进行分析研究。因为夹具最低固有频率需避开试验频率，因此要求夹具具有高频特性，而结构的固有频率与材料模量相关。由振动相关理论可知：

式中β是传递率。传递率是响应幅值X与激励幅值Y的比值，直接反映了夹具的传递特性。传递率小于1，表明夹具在运动能量传递过程中起到衰减作用，振动台的运动与能量未完全传递在受试设备上，相反，传递率大于1，表明夹具在运动能量传递过程中起放大作用。传递率太大，容易导致受试设备产生“过振动”，不仅产生错误的试验结论，也有可能会损坏受试设备或损坏振动台；然而传递率太小容易产生“欠振动”，误导检测人员根据错误的试验数据将不合格产品 判定为合格，从而导致受试设备未得到应有的筛选，导致检测结果可信程度不高。

图1 夹具结构图及安装板结构图

上式中γ是频率比。频率比是激励频率与结构固有频率的比值。结构固有频率可表达为：

式（2）中f是固有频率，m是质量，k是刚度。由于与刚度成正比，质量成反比，所以夹具选材的直接控制固有频率的因素是比刚度E/ρ，比刚度是材料的弹性模量与其密度的比值。所以夹具设计过程中，比刚度值越大越好，表明相同刚度下材料重量更轻，最后的结果就是夹具的最低固有频率在满足约束条件下，可得到较高固有频率，进而避开振动试验的最高频率[2]。

2 有限元分析

2.1 模态分析

根据以上对振动台夹具应用材料的研究分析，在本夹具中选用比重小、比阻尼高的铝合金材料。其参数入表1。

根据相关试验标准规定，该产品试验频率范围及量值为表2所示。

2.1.1 垂向分析

1）约束条件：底座水平方向约束，垂向施加激励，振动架靠背安装孔水平方向全约束，垂向自由；

采样点：同一高度附近取两节点，共取8个节点。

2）前5阶模态频率及前5阶振型（见表3）

表1 夹具材料参数

表2 夹具使用频率范围

由ANSYS计算结果可知，在5～100 Hz阶段，所取节点的响应加速度与激励加速度基本保持一致；而在100 ～160 Hz阶段，所取节点的响应加速度微弱放大，且所取节点中越远离约束点放大效应也越大。

2.1.2 水平X向分析

1）约束条件：底座Y、Z方向约束，X向施加激励，振动架靠背安装孔水平方向全约束，垂向自由；

采样点：同一高度附近取两节点，共取8个节点。

2）前5阶模态频率及前5阶振型（见表4）

由ANSYS计算结果可知，同垂向相同，在5～100 Hz阶段，所取节点的响应加速度与激励加速度基本保持一致；而在100～110 Hz阶段，所取节点的响应加速度微弱放大，且所取节点中越远离约束点放大效应也越大。

2.1.3 水平Y向分析

1）约束条件：结合实际中使用时的约束条件，设置底座X、Z方向约束，Y向施加激励，振动架靠背安装孔水平方向全约束，垂向自由；采样点：同一高度附近取两节点，共取8个节点。

2）前5阶模态频率及前5阶振型（见表5）

由ANSYS计算结果可知，同X向相同，在5～100 Hz阶段，所取节点的响应加速度与激励加速度基本保持一致；而在100～120 Hz阶段，所取节点的响应加速度微弱放大，且所取节点中越远离约束点放大效应也越大。在试验条件范围内，由于在Y向夹具的刚度更大，因此线性关系比X向更好。

表3 显控台振动夹具表3前5阶固有模态

表4 显控台振动夹具表3前5阶固有模态

表5 前5阶固有模态

3 试验结果及分析

按照以上的设计方法，制造出了该套振动试验夹具。将该套振动试验夹具安装在振动实验台上进行了振动试验，按照有限元中计算的频率段进行以方便进行对比验证。将振动试验夹具安装在振动台上后，在夹具顶端安装了一个传感器并编号为ch1，在靠近夹具中心安装了一个传感器并编号为ch2，在夹具的低端安装了一个传感器并编号为ch3。

X轴、Y轴和Z轴的测试结果见图2。

从测试结果可知，5～60 Hz振动试验夹具在低频段时其频响曲线基本保持在直线，且与控制曲线重合，说明该夹具在此段频率范围内传递特性好；由于夹具在制造过程中产生的一些不可抗缺陷，当测试频率达到高频时，响应曲线发生波动较大。从最大频率段60～160 Hz测试曲线中取加速度最大比值点进行计算，传递特性最大偏差+4.3 db，该值在接受范围内。

4 结论

本次振动台通用型试验夹具的设计过程中，根据夹具的实际使用环境及其安装特点，并结合受试样品的结构设计出的夹具。在使用有限元分析软件ANSYS作为设计分析软件，对夹具进行模态分析、频响分析，从理论上避开了试验条件的频率范围，并留有一定的余量。经过试验验证，此套夹具完全满足使用要求。

图2 三轴向侧视图

这种设计方法不仅保证了夹具特别是大型通用夹具的一次设计成功率，节约了成本，而且设计出的夹具具有良好的指标精度。

［1］孙忠涛，车英.振动试验台夹具设计及频率响应特性研究［J］.长春理工大学学报，2010，33（2）；61-67.

［2］方同.振动理论及应用［M］.西安：西北工业大学出版社，2002.

熊伟华（1987-），硕士研究生，研究方向：从事电子设备可靠性工作及结构力学研究。

Research on Fixture Design of Vibration Test and Frequency Response Characteristic

XIONG Wei-hua，WANG Da-bing，WANG Feng-che
（No.617 Research Institute，China Shipbuilding Industry Corporation，Lianyungang 571069）

A multipurpose fixture which can match the specific demands of vibration test has been designed.Furthermore，the experiment fixture structure is simulated by using the finite element analysis software ANSYS.The fixture has its universality.Through testing and analyzing the fixture，the results show that the measured frequency response is in accord with that worked out by the software；and the product can meet the experiment requirements.

multipurpose；finite element analysis；experiment fixture；experiment analysis

TH122

A

1004-7204（2015）06-0054-04