显控设备振动夹具设计及频率响应分析

马正刚，刘伟

（江苏自动化研究所，连云港 222006）

引言

大型舰船显控设备是安装在水面舰艇上由操作人员操控的重要船用电子设备[1]，而显控设备对环境适应性的要求随着舰船电子设备高度集成化、信息化也越来越高。在样机研制初期和鉴定试验中环境适应性试验是不可缺少的一项，其中振动与冲击试验对设备破坏性较大，不合格的夹具可能会导致设备减震器过载、机械结构断裂等问题影响试验真实性。振动试验中被试品一般都是通过振动夹具与振动台面连接，其具有传递激励和固定被试品的作用，试验中作为过渡装置传递振动台能量，其力学传递特性与响应特性将影响试验结果，振动夹具的设计研究对于力学振动试验具有重要意义，因此在样机试验前需要对夹具进行设计分析，使用有限元软件对夹具进行力学建模、传递特性计算，如果传递特性不符合试验要求，可通过改变夹具结构、在连接薄弱处添加加强筋板提高夹具的综合性能，避免试验过程中发生共振失效问题。

1 振动夹具设计

1.1 材料选择

振动夹具的固有频率是夹具的重要特性参数，材料的比刚度对夹具固有频率影响较大，一般选用比刚度大、阻尼大的材料，常用的夹具材料参数如表1 所示，为了避免振动夹具与被试品之间的共振耦合现象，夹具设计通常要求其一阶固有频率要远大于试验设备的一阶模态频率值。

表1 常用夹具材料主要特性

考虑到夹具的频率特性、制作工艺和设计成本，本文选用钢作为振动夹具材料，材料密度7 800 kg/m3，杨氏模量2×1011Pa，泊松比0.3。

1.2 夹具质量

避免在振动过程中出现共振，要求振动夹具的固有频率尽量高，在保证刚度的情况下，振动夹具的质量要轻，通常振动夹具的质量为试件质量的2~4 倍，同时还需要考虑振动台的推力要求，确定试验在加速度区所需的激振力大小，振动台推力F 应满足：

式中：

m1—样品质量；

m2—夹具质量；

m3—振动台动圈质量；

a—加速度均方根值。

显控台振动试验选用推力为20 t 的电动振动台，振动台扩展台面尺寸为1.5×1.5 m，推力远大于需要的激振力。

1.3 夹具结构设计

根据显控设备振动试验要求，样机需开展振动试验，标准中振动试验条件为（5~60）Hz 的正弦振动，最大位移1 mm，最大加速度10 m/s2，样品总重量（100~150）kg，随机振动试验条件为标准加速度激励谱，如图3 所示。

显控设备的使用环境为水面舰载环境，其底部安装有4 组隔振器，背部2 组隔振器配有安装背架，根据显控设备的实际安装方式、尺寸等参数选择夹具整体结构形式为“L”型，即安装背架与夹具安装背板连接，底部隔振器与振动台连接。振动夹具由安装背板、底座、主支撑结构焊接成型，为了提高振动夹具的整体刚度，在夹具主支撑结构面设计加强筋板、侧面设计三角筋板，夹具底座平面布设贯穿螺纹孔，安装背板开设连接槽孔。为减小夹具整体重量，材料选用矩形钢，夹具总质量约165 kg，外形尺寸为1 500×480×1 250 mm，振动夹具三维模型如图1 所示。

图1 振动夹具三维模型

2 振动夹具结构动力特性研究

2.1 振动夹具模态分析

本文的振动夹具采用焊接成型，建立夹具有限元模型时，将焊接结构作为一个整体考虑[2]。将简化后的夹具三维模型导入ANSYS Workbench 中，得到振动夹具仿真模型。同时修剪模型中多余的面和边，检查干涉情况，各部件之间均为焊接连接不会发生相对滑动，将各组件之间的接触面设置为绑定接触模式，采用自动形式对夹具进行网格划分，有限元网格输出节点数为36709，单元数为14556。

由于夹具底座端面预设有多组贯穿螺栓孔，夹具底座与振动台通过螺栓紧固，为更准确地模拟实际情况，将夹具底座端面与螺孔内表面均施加固定约束，夹具垂向自由。对振动夹具进行模态分析，固有频率计算结果见表2，振动夹具模态振型如图2 所示。

图2 振动夹具模态振型图

表2 固有频率值

振动夹具模型的一阶固有频率为 158.24 Hz 大于振动频率上限60 Hz，夹具正面筋板发生振动变形，安装横梁变形较小。二阶模态最大变形发生在夹具右上端点处，其他阶次均为整体扭摆变形，最大变形位移0.25 mm，根据模态计算结果，夹具结构在150 Hz 内不会发生共振，频率响应特性符合设计要求。

2.2 振动夹具随机振动分析

工程中通常使用随机振动来考核产品的耐振能力,用来模拟设备在运输、工作中的振动状态，在模态分析的基础上对夹具进行随机振动分析，输入激励为试验标准中梯形加速度功率谱密度（PSD），加速度总均方根值为6.056 g，激励谱如图3 所示。夹具约束情况与模态分析中一致，对夹具底座以及对应的固定螺栓孔分别施加三个轴向的激励，模拟实际安装状态。

图3 输入加速度PSD

在模态一阶振型中位移较大的区域选取采样点，采样点为安装背板与显控设备背架的连接点，如图4 所示。提取采样点在3 个轴向输入激励下的加速度功率谱密度响应值，如图5 所示，采样点的PSD 响应值整体满足梯形谱要求，最大值0.045 g2/Hz，加速度PSD 响应值在高频发生弯曲现象，建议加强安装背板的刚度。夹具一阶模态为158.24 Hz，在2 000 Hz 频段内未发生共振现象，证明夹具整体有较好的力学传递特性。

图4 加速度PSD 响应采样点

2.3 谐响应分析

采用模态叠加法计算振动夹具在正弦激励下的频率响应特性，输入激励条件为5~200 正弦振动，加速度幅值10 m/s2，加速度方向为X，Y，Z三个方向，阻尼系数为0.02 采用直接输入法。夹具底座连接平面和连接螺栓孔均为固定约束条件，其他端自由，选取图4 中采样点，分别提取采样点在三个轴向激励下的加速度响应曲线，结果如图6 所示。

图6 加速度响应结果

图7 振动夹具测试曲线

分析各轴向激励下采样点的加速度响应结果，在正弦激励下采样的点加速度幅值随激励频率逐渐增加，在一阶共振点158.24 Hz 达到最大值，加速度响应值在高频区域逐渐增大，x 方向激励下响应点幅值最高达到2.5 g，主要是由系统共振引，在（5~60）Hz 内未发生共振且加速度幅值较小，夹具整体动力特性符合设计要求。

3 试验测试

夹具设计完成经性能测试合格后，与显控设备连接安装在振动台上开展振动试验，试验条件如表3 所示。选取x 轴向测试结果分析，在（5~60）Hz 试验频段内，加速度响应曲线与控制曲线基本保持重合且高频未发生共振现象，夹具在试验频段范围内力学传递特性良好，夹具设计符合试验要求。

表3 试验条件

4 结论

显控设备振动夹具的一阶固有频率为158.24 Hz，远高于试验频率上限要求，一阶振型变形量较小。同时在（20~2 000）Hz 标准加速度功率谱密度激励和（5~200）Hz 正弦激励下，所选采样点的激励响应结果较好，在分析频段内未发生共振现象。夹具的整体频率响应仿真分析和试验测试结果符合设计要求，夹具的力学传递特性良好，可开展振动试验测试项目。