夹具连接方式对冲击响应谱模拟能力影响效应分析

郭健龙 余小明 沈志强

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

夹具连接方式对冲击响应谱模拟能力影响效应分析

郭健龙 余小明 沈志强

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

文章介绍了夹具结构特性与冲击响应谱模拟试验能力之间的关系，通过典型夹具的有限元分析和试验验证的方式说明夹具连接方式对冲击响应谱模拟能力影响效应。结果表明，利用振动夹具进行冲击试验时，可以通过减少连接螺钉数量，提供冲击响应谱模拟能力。该方法可以为作为试验人员进行冲击响应谱试验的操作指导。

夹具、连接、冲击响应谱

引言

冲击环境是指产品在运输、发射、轨道运行或返回期间受到的各种瞬态载荷。试验产品中关键部件可能会在冲击过程中，因位移、速度和加速度的突然变化，出现损坏甚至失效，导致产品无法常工作。随着对空间环境以及发射环境认识的逐步深入，冲击试验越来越受到重视，如今冲击试验已经成为了检验和暴露产品在研制过程中存在的设计问题和加工缺陷的重要环境模拟试验之一。但是受到设备能力的限制，往往试验设备自身的模拟能力不能满足型号的试验条件要求，因此国内外学者纷纷开展了利用谐振装置提高设备冲击响应谱模拟能力方法的研究[1，2]。2011年中国航天员训练中心马爱军研究员通过有限元分析的方法，利用谐振装置在50 kN振动

台上实现了原本250 g的试验能力提高至500 g[3]。2015年北京卫星环境工程研究所的沈志强等人通过改变连接特性提供振动台冲击试验模拟能力的分析，将160 kN振动台冲击能力从1 000 g提升至2 000 g，并且通过理论分析与实践结合，说明了振动试验夹具与冲击试验夹具的区别[4]。以上几篇文章为提高冲击响应谱模拟能力提供了思路，但是与振动试验相比都需要重新设计连接台面、或者连接夹具，提高了试验成本，本文从改变夹具连接特性提高冲击试验模拟能力的角度出发，利用有限元分析了改变连接特性对于夹具模态特性的影响分析，并且进行多次冲击试验，总结分析出夹具连接特性对于冲击试验模拟能力的影响。

1 夹具特性与冲击试验能力效应分析

1．1 夹具特性与冲击响应谱模拟之间的关系

如图1所示，试验夹具与冲击设备等之间系统可简化为单自由度系统。为了更好研究试验夹具连接特性与冲击响应谱模拟能力之间的影响关系，现将简化为单自由度系统的冲击响应函数的数学方程为：

常用的冲击响应谱是加速度和频率的关系式，冲击响应谱频域曲线是通过冲击试验时采集的最大加速度响应值和固有频率相对应的数值点。将采集到的点光滑连接，就可得到了冲击响应谱曲线。冲击响应谱是由冲击对象本身固有频率与试验中最大加速度值拟合而成，所以试验对象本身固有频率越多，品质因子越大则冲击效果好；而振动试验要求夹具尽可能的刚性，固有频率越高越好，避免试件与夹具产生振动耦合而使其响应放大，在试验频率范围内，模态数越少越好，品质因子越小越好。所以通过上述分析，可知冲击试验夹具与振动试验夹具特性要求正好相反，试验频率内模态数量越多，品质因子越大能够更好的实现冲击试验效果。根据“人、机、料、法、环”，在原有冲击试验人员、设备、夹具材料和试验环境不变的情况下，影响冲击试验量级的是试验夹具与冲击设备之间的连接特性，在夹具自身的特性基本确定的情况下，能够影响夹具与冲击设备之间连接特性的只有连接方式[5～7]。本文着重探讨夹具连接方式对于冲击响应谱试验的影响分析。

图1 单自由度系统模型

图2 圆形镂空振动、冲击夹具

1．2 通用试验夹具连接方式对冲击模拟能力影响有限元分析

因振动与冲击试验夹具特性要求有所不同，最好的方法是使用振动夹具进行振动试验，使用冲击夹具进行冲击试验，但是往往由于时间和经费的限制，一般振动与冲击设计为同一夹具，因此针对常用夹具进行自身特性分析，找出可以提高振动工装冲击能力方法。如图2所示，是圆形镂空振动、冲击试验的夹具，此夹具便于安装、损失推力少、使用频率高，往往被用来进行振动试验，振动试验后继续进行冲击试验，因此笔者选用此夹具进行分析，如图3所示。

图3 圆形镂空夹具三维图

利用有限元分析软件分析了20个螺钉连接、12个螺钉连接、8个螺钉连接的几种形式，分析结果如表1所示。将20个连接孔全部约束，有限元分析得出一阶频率为1 157 Hz，3 000 Hz内模态数量为20个，如图4所示。冲击试验试验拐点频率大部分都低于1 000 Hz，该连接方式在1 000 Hz以内无共振点，难以实现低拐点冲击试验模拟。将20个连接螺钉减少到12个连接螺钉，3 000 Hz以内频率的模态数量为35个，一阶频率为255 Hz，如图5所示。若将连接螺钉改为8个螺钉，计算结果如图6所示，频率在3 000 Hz以内，模态数量为40个，一阶频率为209 Hz。有限元分析的结果表明，更少的螺钉连接夹具能获得更多的模态数和更低的固有频率，意味着能够进行更低拐点、更高量级的冲击响应谱模拟试验。

表1 圆形夹具特性有限元分析结果

1．3 通用试验夹具连接方式改变对冲击模拟能力影响试验分析

根据2.2中利用振动夹具进行冲击试验的有限元分析，本次冲击试验使用16吨电动振动台进行冲击试验模拟验证。在电动振动台控制系统中输入的冲击响应谱的目标谱如表2所示。

分别进行了20连接螺钉、12连接螺钉、8连接螺钉的连接方式的冲击响应谱模拟试验，试验结果如表3所示，试验曲线如图7、8、9所示。

图4 20螺钉连接模态分析

图5 12螺钉连接模态分析

图6 8螺钉连接模态分析

表2 目标冲击响应谱

表3 圆形夹具不同连接形式的冲击响应谱模拟试验结果

图7 20螺钉连接模态分析

通过表3和试验曲线所示，可以看出圆形镂空夹具在由12个螺钉连接时，试验量级达到最大值，并且螺钉越少试验曲线谱型越差。

2 结论

文章通过有限元的方法分析了夹具连接方式对于冲击响应谱模拟试验效果的影响，并且利用振动台试验系统进行了圆形夹具不同连接方式冲击响应谱模拟的试验验证分析，结果表明:

图8 12螺钉连接模态分析

图9 8螺钉连接模态分析

1）适当减少夹具的连接螺钉数量，可以提升夹具的冲击响应谱模拟能力；

2）通过减少连接螺钉数量进行振动台冲击试验模拟时，可以有效解决了振动台冲击试验时功放能力不足缺陷。

3）此圆形镂空夹具连接螺钉连接越少，冲击谱型越差，并且并非连接螺钉最少，冲击量级最大。

4）通过改变夹具的连接方式，某些振动夹具可以进行特定条件的冲击响应谱模拟试验，实现一个夹具两种用途，能够节约成本，缩短研制周期。

[1] GJB 1027A-2005 ,运载器、上面级和航天器试验要求[S]．

[2]柯受全．卫星环境工程和模拟试验(下)[M]．北京：宇航出版社,1996.

[3]马爱军,石蒙．应用谐振装置在电动振动台上实现高量级冲击响应谱的仿真研究[J]．航天器环境工程, 2011,10:425-430.

[4]沈志强,朱子宏. 改变连接特性提高振动台冲击响应谱模拟能力[J].装备环境工程, 2016,13(2).

[5]张华，吴斌．航天器爆炸冲击环境模拟装置仿真研究[J]．计算机仿真，2008，25(2)：61—64.

[6]王招霞,宋超. 摆锤式冲击响应谱试验机的调试方法[J].航天器环境工程, 2010,27(3):336-338.

[7] Yan Tingfei, Shen Zhiqiang. Design and Analysis of a pneumatic test system for shock response spectrum [C].International Conference Vibro-engineering 2014.

[8]王招霞,王剑,樊世超．振动试验系统在冲击响应谱试验中的应用[J]．航天器环境工程, 2009,4:137-139.

[9]李含忠,王招霞. 谐振板式大型试件冲击谱模拟技术研究[J].航天器环境工程, 2008,25(2):159-162.

Analysis of Fixture Connection Mode on Shock Response Spectrum Simulation Capability

GUO Jian-long, YU Xiao-ming, SHEN Zhi-qiang
(Beijing Insititute of Spacecraft Environment Engineering，Beijing 100094)

This paper introduces the relationship between fixture structure characteristics and shock response spectrum simulation test level. Through the finite element analysis and test verification of typical fixture, the influence of fixture connection mode on shock response spectrum simulation level is explained. The results show that the simulation abilities of shock response spectrum can be provided by reducing the number of connection screws when the shock test is carried out by using a vibration fixture. The method can be used as an operation guide for performing shock response spectrum tests for an experimenter.

fixture；connection；shock response spectrum

V416.5

A

1004-7204(2017)04-0027-05

郭健龙，男，研究方向：动力学环境试验技术研究。