夹具特性对振动控制精度影响效应分析

朱子宏，沈志强，高文硕，邵丽娟

（北京卫星环境工程研究所 可靠性与环境工程技术重点试验室，北京 100094）

夹具特性对振动控制精度影响效应分析

朱子宏，沈志强，高文硕，邵丽娟

（北京卫星环境工程研究所 可靠性与环境工程技术重点试验室，北京 100094）

夹具作为产品与振动台之间的连接部件在振动试验中起着非常重要的作用。为了探究夹具特性对振动试验控制精度影响效应，根据夹具设计准则的基本要求，对某型号试件的振动试验的两种不同的夹具进行振动试验研究和有限元分析，得到两种夹具的自身特性以及其振动试验特性，并根据试验结果对该类的振动试验夹具的设计给出合理化建议。

振动试验；控制精度；夹具

引言

振动是产品在服役过程中失效的主要环境因素之一，许多航天器设备的故障和事故都与振动问题直接或间接相关。众多振动环境中，随机振动最为普遍。试验室中为模拟产品的工作环境，通常要进行平稳、各态经历的随机振动试验，以增加和考核产品在随机振动工作下的可靠性，而夹具作为振动台与试验件的连接部件，其设计是振动试验中的一个重要环节。如果夹具选用的不合适，就可能会影响试验的控制精度，出现欠试验或过实验，因此试验的成功与否，试验结果的可信程度与试验夹具的设计、制造及安装使用水平有直接关系。本文着重讨论夹具特性对振动试验控制精度响应效应。

1 振动试验夹具设计准则

夹具是振动试验的传力部件，它把振动台面的运动传递给试件，传递路径如图1所示，使试件在规定的振动量级下得到考验，夹具性能的好坏直接影响到振动试验的真实度和可靠度。在随机振动过程中，试验频段内均分布有能量，如果振动试验夹具选用不当，就会引起振动试验的控制超差，导致试件在振动频率范围内产生过试验的问题，从而不能正确地对结构的动态特性进行考核。理想的振动试验夹具应该具有以下几点基本特性：①夹具的一阶固有频率应该高于试件的一阶固有频率3倍，在试验频率范围内，应该限制夹具共振峰个数；②夹具与试件连接面上各点响应要一致确保振动输入的均匀性；③夹具的横向振动应尽量小。本文以某型号卫星的控制单元两个典型夹具为例，进行振动试验，并对试验结果进行对比研究了不同夹具对于控制精度的影响。

图1 振动台机械能传递关系

图2 夹具垂直安装（X向安装）示意图

2 夹具特性对振动试验控制精度的影响

2.1 夹具的选取

卫星的部件振动试验常用的夹具有L型夹具和盒式夹具，目前某型号卫星的控制单元主要使用的也是这两种类型的夹具。进行试验的夹具如图1所示，振动试验夹具A为盒式夹具、夹具B为L型夹具，两个夹具均为铝制的，定义控制单元垂直安装面的方向为Z向，平行安装面的方向为X、Y向，坐标系定义见图2所示。并在试验安装面上粘贴测量传感器A1、A2和B1、B2如图1所示。其中上端测点为1，下端测点为2。

2.2 试验内容

1）控制点位于夹具与辅助台面的连接面上，采用两点平均控制，分别进行夹具A、夹具B的X向特征级扫频试验，夹具安装如图1所示；

2）分别以A1X、A2X（B1X、B2X）为控制通道，进行夹具A（B）的X向随机振动试验；

图3 夹具水平安装Z向试验

图4 夹具水平安装X向试验

表1 特征级扫频振动试验条件

3）控制点位于夹具与水平滑台的连接面上，采用两点平均控制，进行夹具A、夹具B的Z向特征级扫频试验夹具安装如图3所示；

4）分别以A1Z、A2Z（B1Z、B2Z）为控制通道，在水平台上进行夹具A（B）的Z向随机振动试验；

5）以夹具安装面上两点平均控制，在水平台上进行夹具A、夹具B的X向随机振动试验夹具安装如图4所示。

2.3 试验条件

特征级扫频振动试验条件如表1所示。

随机振动试验条件如表2所示。

3 试验结果

3.1 正弦扫频振动试验结果正弦扫频振动试验结果如图5、图6以及表3所示。从图5、图6和表3可以看出在进行X向和Z向特征级试验时，具有如下特点：

图5 X向特征级扫频试验结果

图6 Z向特征级扫频试验结果

1）夹具A在部分共振点上，非主振方向的响应要大于主振方向的响应，夹具的横向振动较大，夹具B的主振方向远大于非主振方向的响应值，夹具的横向振动较小。

表3 正弦扫频振动试验结果

2）夹具A在一阶共振点的响应值和最大响应值均大于夹具B的测点响应值，相比之下，夹具B共振时放大倍数较小，响应曲线更加平缓。

3）夹具A的测点1、2的响应值相差较大，夹具B的测点1、2的响应值较为接近，即夹具B连接面上各点响应较为一致，可以确保振动输入的均匀性。

4）2 000 Hz以内，夹具B的共振峰个数要明显少于夹具A的共振峰的个数。

由此可以说明，夹具B与夹具A相比具有更好的传递特性。

3.2 随机振动试验结果

随机振动试验结果如图7、图8、图9以及表4所示 ，其中CA为夹具A的控制曲线，CB为夹具B的控制曲线。从图中可以看出，在水平滑台上夹具B的两个方向安装方式随机振动试验控制曲线和总均方根均未出现超差现象，在垂直台上随机振动试验控制曲线仅在1 645 Hz时有一微小超差，而且总均方根未出现超差现象，相反对于夹具A无论是在水平滑台还是在垂直台面上进行随机振动试验时，控制曲线都会出现很多超差点，且超差现象严重，三种安装方式的控制曲线在1 000 Hz以后基本都超出试验容差范围内，在600 Hz以前就开始出现超差现象，夹具A的三种安装方式随机振动试验总均方根都不同程度超过参考值。试验结果表明，用夹具A进行控制单元的随机振动试验时，容易导致试验控制超差，输入失真，导致过试验现象的产生，夹具B在进行随机振动试验时，传递特性好，不易超差。

图7 夹具垂直台上X向随机振动试验控制曲线

图8 夹具水平滑台上Z向随机振动试验控制曲线

图9 夹具水平滑台上X向随机振动试验控制曲线

4 有限元计算结果

采用大型通用软件ANSYS对夹具A、夹具B进行有限元分析，采用solid45单元进行网格划分，在进行夹具的扫频试验时，均是产品非安装面与振动台进行连接，在有限元分析的时候取产品非安装面的底部进行固支边界条件。其有限元模型和约束条件如图10所示。

表4 随机振动试验结果

表5 夹具固有频率统计表

根据计算结果将夹具A、夹具B在2 000 Hz以内的固有频率统计如表5、图11所示。

从表5和图11可以看出夹具B除一阶频率略低于夹具A之外，其他各阶固有频率均高于夹具B的相同阶数频率这与试验曲线显示的结果基本一致，而且在2 000 Hz以内，夹具B仅有7个模态数，尤其是在1 500 Hz以后未出现明显的共振频率；夹具A在200 Hz以内具有较多的模态数，在1 500 Hz后有5个共振频率，由于夹具A在高频部分具有较多的共振频率，导致其在进行随机振动试验时候容易出现高频超差的现象。由此可以说明在进行某型号卫星控制单元的振动试验时，采用夹具B更好。

5 结论

通过对某型号控制单元振动试验夹具进行正弦扫频试验和随机振动试验，并且进行有限元模态分析，可以得到如下结论：

1）夹具B与夹具A相比，横向振动较小，共振峰处响应放大倍数小，连接面上各点响应一致性好，在试验频率范围内具有较少的共振峰，夹具B相比夹具A具有更好的传递特性。

图10 夹具网格划分及约束情况

图11 夹具模态分布图

2）在进行随机振动试验时，夹具A超差严重，夹具B基本不超差，用夹具B进行产品的随机振动试验时可以确保控制输入的精度，可见振动试验夹具的特性对试验控制精度有较大的影响。

3）根据试验结果和有限元计算的结果，振动试验中选择合适的夹具，可以避免试验的过实验。

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朱子宏，男，（1964 -），高级工程师，研究方向：动力学环境试验研究。

Analysis of Effect of Fixture Characteristics on Vibration Control Accuracy

ZHU Zi-hong, SHEN Zhi-qiang, GAO Wen-shuo, SHAO Li-juan
(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094)

As a connecting part between the product and the shaker, the fixture plays a very important role in the vibration test.In order to investigate the effect of fixture characteristics on the control precision of vibration test, and according to the basic requirements of fixture design criteria, two kinds of fixture for a certain type of specimen were subjected to vibration test and finite element analysis.The characteristics of the two kinds of fixtures and their vibration test characteristics are obtained, and some rationalization recommendations for the vibration test fixture design are given according to the results.

vibration test; control accuracy; fixture

V416.2

A

1004-7204（2016）05-0014-06