浅谈某开口盒型振动夹具的设计与改进

俞青锋 葛新法

摘 要 针对某产品环境应力筛选试验的振动试验要求，设计专用的开口盒型振动夹具。利用ANSYS有限元仿真软件，分析夹具的固有频率及振型。提出了多种提高开口盒型夹具固有频率的手段及方法，并不断改进其结构，最终使夹具符合试验的要求。为以后类似的振动夹具设计与改进提供参考。

关键词 固有频率;夹具;环境应力筛选;随机振动

引言

振动试验是环境应力筛选试验中重要的组成部分，而试验夹具又是振动试验的重要参试部件之一。夹具的功能是将振动台的运动和能量不失真地传递给试验试件。但是，不合理设计的夹具也会使试验试件受到的振动环境产生失真，造成“欠试验”或“过试验”，进而直接影响到试验结果的评判。因此，试验夹具的设计是否合理直接影响到产品环境应力筛选试验的效果。

1夹具设计

1.1 受试产品简介

试验产品的概况：存在两种VPX模块，其中6U模块结构尺寸为 233.35mm×177.7mm×21mm，后IO模块尺寸为 233.35mm×109mm×19mm。要求设计的夹具能满足一次对多个6U模块及后IO模块进行试验。

1.2 夹具的固有频率要求

环境应力筛选按照GJB1032-90《电子产品环境应力筛选方法》[1]。筛选试验的振动频率范围为20～2000Hz，加速度谱密度为0.04g2/Hz，总均方根加速度为6.06g。

夹具设计时必须遵循“二倍频原则”。二倍频原则：当振动激励上限频率为f上时，夹具的1阶固有频率应满足fn1≥2f上，此时认为夹具为刚体，可不失真地将振动激励力传递到受试设备上。对于舰载电子设备而言，其振动试验的机箱级用夹具的一阶固有频率应设计为fn1>320Hz。

1.3 夹具的结构设计

GJB150.16A—2009《军用设备环境试验方法：振动试验》标准中规定：试件的技术状态应与工作使用时一样[2]。用与寿命周期内工作使用时相同类型的固定装置，把试件固定在试验夹具安装部位上。

因此按照试产品在机箱中的安装方式，设计了开口盒型夹具，其属于开口盒型夹具中的侧开口盒型。夹具的外形尺寸为520mm×320mm×290mm，主要包括底板、顶板、前框、后框、4个侧支板及4个加强筋。夹具可以同时安装多个受试模块，能同时插装14块6U模块及12块后IO模块。夹具采用材料45号钢。

2夹具仿真分析

2.1 夹具改进前的模态分析

利用ANSY有限元仿真软件，对振动夹具进行模态的分析，计算夹具的固有频率及振型。本文主要分析夹具的前几阶固有频率和对应的振型，然后针对性地进行结构的改进。初始方案夹具的前6阶模态的固有频率见表1。

可知，夹具的1阶固有频率远小于试验的要求，4阶时fn1>320Hz。夹具的1阶振型主要为顶板的左右变形，2阶振型为顶板的前后变形，3阶振型为顶板的上下变形。因此，要提高夹具的固有频率必须从提高夹具这几个方向的刚度着手。

2.2 几种改进措施

为了提高试验振动夹具的固有频率，对现对夹具进行以下几个方面的设计改进尝试：①改变材料：将夹具材质改为铝材2A12;②增加左右侧的刚度：对四个侧支板，改为两个左右侧壁面;对左右侧的加强筋加长加厚处理;增加前后框架左右侧立柱的厚度;③增加前后框架的刚度：后框架加厚，并变为X型结构;前框架加厚处理;④增加夹具中间刚度：在夹具的中间插入一块加强模块，该模块与试验模块一样大小，通过锁紧装置固定到夹具上;⑤降低夾具的质量：减轻顶板的质量，对顶板上适当减重;⑥减小夹具的长度方向尺寸：夹具为长方体结构，顶板及底板的长度尺寸相对其宽度方向的尺寸稍显过大，减少两块试验6U模块的宽度尺寸，改后顶板尺寸344mm（长）×320mm（宽）。对6种改进措施进行模态仿真，计算出夹具的固有频率。

由表2可知，几种改进方法都能不同程度得提高夹具的前3阶固有频率。其中方法③对1阶固有频率提升明显，方法②对2阶固有频率提升明显，方法②对3阶固有频率提升明显。改变夹具材料及降低质量并不能明显提高固有频率。提高开口盒型夹具的前几阶固有频率主要在于提高夹具前后及左右侧的刚度。

2.3 改进后的夹具模态

组合运用上面这几种改进措施，主要方法在于提高夹具的刚度，使夹具的固有频率提高到振动试验的要求。振动夹具改进后的三维模型如图1所示。

可知，夹具的一阶固有频率已达到fn1>320Hz的试验要求。而应力筛选试验用振动夹具原则上要求在2KHz内无谐振峰存在，沿振动轴方向的传递函数必须保持平坦，其不平坦允差不超过±3dB。而夹具的1阶与2阶固有频率十分接近。因此，设计的夹具仍然需要进行改进与优化。

3结束语

通过对某开口盒型振动夹具的设计及改进、夹具的模态分析，为同类产品振动夹具的设计提供参考。总结出以下几点：

① 振动夹具通过对设计结构的分析，来进行结构优化，增强刚度，提高固有频率;

②提高开口盒型夹具的固有频率主要通过提高夹具的薄弱部位的刚度，比如夹具的前后及左右方向刚度;

③ 夹具的设计是一个不断改进优化的过程，最终使其能够满足产品环境应力筛选试验的要求。

参考文献

[1] 电子产品环境应力筛选方法：GJB1032-90[S].1990.

[2] 李新帅，张华国，钟剑锋，等.某雷达模块的振动夹具设计[J].电子机械工程，2014，30（2）：23-29.