淺談某開(kāi)口盒型振動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)與改進(jìn)

俞青鋒 葛新法

摘 要 針對(duì)某產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)的振動(dòng)試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)專用的開(kāi)口盒型振動(dòng)夾具。利用ANSYS有限元仿真軟件，分析夾具的固有頻率及振型。提出了多種提高開(kāi)口盒型夾具固有頻率的手段及方法，并不斷改進(jìn)其結(jié)構(gòu)，最終使夾具符合試驗(yàn)的要求。為以后類似的振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供參考。

關(guān)鍵詞 固有頻率;夾具;環(huán)境應(yīng)力篩選;隨機(jī)振動(dòng)

引言

振動(dòng)試驗(yàn)是環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)中重要的組成部分，而試驗(yàn)夾具又是振動(dòng)試驗(yàn)的重要參試部件之一。夾具的功能是將振動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)和能量不失真地傳遞給試驗(yàn)試件。但是，不合理設(shè)計(jì)的夾具也會(huì)使試驗(yàn)試件受到的振動(dòng)環(huán)境產(chǎn)生失真，造成“欠試驗(yàn)”或“過(guò)試驗(yàn)”，進(jìn)而直接影響到試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)判。因此，試驗(yàn)夾具的設(shè)計(jì)是否合理直接影響到產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)的效果。

1夾具設(shè)計(jì)

1.1 受試產(chǎn)品簡(jiǎn)介

試驗(yàn)產(chǎn)品的概況：存在兩種VPX模塊，其中6U模塊結(jié)構(gòu)尺寸為 233.35mm×177.7mm×21mm，后IO模塊尺寸為 233.35mm×109mm×19mm。要求設(shè)計(jì)的夾具能滿足一次對(duì)多個(gè)6U模塊及后IO模塊進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 夾具的固有頻率要求

環(huán)境應(yīng)力篩選按照GJB1032-90《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》[1]。篩選試驗(yàn)的振動(dòng)頻率范圍為20～2000Hz，加速度譜密度為0.04g2/Hz，總均方根加速度為6.06g。

夾具設(shè)計(jì)時(shí)必須遵循“二倍頻原則”。二倍頻原則：當(dāng)振動(dòng)激勵(lì)上限頻率為f上時(shí)，夾具的1階固有頻率應(yīng)滿足fn1≥2f上，此時(shí)認(rèn)為夾具為剛體，可不失真地將振動(dòng)激勵(lì)力傳遞到受試設(shè)備上。對(duì)于艦載電子設(shè)備而言，其振動(dòng)試驗(yàn)的機(jī)箱級(jí)用夾具的一階固有頻率應(yīng)設(shè)計(jì)為fn1>320Hz。

1.3 夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

GJB150.16A—2009《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法：振動(dòng)試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：試件的技術(shù)狀態(tài)應(yīng)與工作使用時(shí)一樣[2]。用與壽命周期內(nèi)工作使用時(shí)相同類型的固定裝置，把試件固定在試驗(yàn)夾具安裝部位上。

因此按照試產(chǎn)品在機(jī)箱中的安裝方式，設(shè)計(jì)了開(kāi)口盒型夾具，其屬于開(kāi)口盒型夾具中的側(cè)開(kāi)口盒型。夾具的外形尺寸為520mm×320mm×290mm，主要包括底板、頂板、前框、后框、4個(gè)側(cè)支板及4個(gè)加強(qiáng)筋。夾具可以同時(shí)安裝多個(gè)受試模塊，能同時(shí)插裝14塊6U模塊及12塊后IO模塊。夾具采用材料45號(hào)鋼。

2夾具仿真分析

2.1 夾具改進(jìn)前的模態(tài)分析

利用ANSY有限元仿真軟件，對(duì)振動(dòng)夾具進(jìn)行模態(tài)的分析，計(jì)算夾具的固有頻率及振型。本文主要分析夾具的前幾階固有頻率和對(duì)應(yīng)的振型，然后針對(duì)性地進(jìn)行結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。初始方案夾具的前6階模態(tài)的固有頻率見(jiàn)表1。

可知，夾具的1階固有頻率遠(yuǎn)小于試驗(yàn)的要求，4階時(shí)fn1>320Hz。夾具的1階振型主要為頂板的左右變形，2階振型為頂板的前后變形，3階振型為頂板的上下變形。因此，要提高夾具的固有頻率必須從提高夾具這幾個(gè)方向的剛度著手。

2.2 幾種改進(jìn)措施

為了提高試驗(yàn)振動(dòng)夾具的固有頻率，對(duì)現(xiàn)對(duì)夾具進(jìn)行以下幾個(gè)方面的設(shè)計(jì)改進(jìn)嘗試：①改變材料：將夾具材質(zhì)改為鋁材2A12;②增加左右側(cè)的剛度：對(duì)四個(gè)側(cè)支板，改為兩個(gè)左右側(cè)壁面;對(duì)左右側(cè)的加強(qiáng)筋加長(zhǎng)加厚處理;增加前后框架左右側(cè)立柱的厚度;③增加前后框架的剛度：后框架加厚，并變?yōu)閄型結(jié)構(gòu);前框架加厚處理;④增加夾具中間剛度：在夾具的中間插入一塊加強(qiáng)模塊，該模塊與試驗(yàn)?zāi)K一樣大小，通過(guò)鎖緊裝置固定到夾具上;⑤降低夾具的質(zhì)量：減輕頂板的質(zhì)量，對(duì)頂板上適當(dāng)減重;⑥減小夾具的長(zhǎng)度方向尺寸：夾具為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，頂板及底板的長(zhǎng)度尺寸相對(duì)其寬度方向的尺寸稍顯過(guò)大，減少兩塊試驗(yàn)6U模塊的寬度尺寸，改后頂板尺寸344mm（長(zhǎng)）×320mm（寬）。對(duì)6種改進(jìn)措施進(jìn)行模態(tài)仿真，計(jì)算出夾具的固有頻率。

由表2可知，幾種改進(jìn)方法都能不同程度得提高夾具的前3階固有頻率。其中方法③對(duì)1階固有頻率提升明顯，方法②對(duì)2階固有頻率提升明顯，方法②對(duì)3階固有頻率提升明顯。改變夾具材料及降低質(zhì)量并不能明顯提高固有頻率。提高開(kāi)口盒型夾具的前幾階固有頻率主要在于提高夾具前后及左右側(cè)的剛度。

2.3 改進(jìn)后的夾具模態(tài)

組合運(yùn)用上面這幾種改進(jìn)措施，主要方法在于提高夾具的剛度，使夾具的固有頻率提高到振動(dòng)試驗(yàn)的要求。振動(dòng)夾具改進(jìn)后的三維模型如圖1所示。

可知，夾具的一階固有頻率已達(dá)到fn1>320Hz的試驗(yàn)要求。而應(yīng)力篩選試驗(yàn)用振動(dòng)夾具原則上要求在2KHz內(nèi)無(wú)諧振峰存在，沿振動(dòng)軸方向的傳遞函數(shù)必須保持平坦，其不平坦允差不超過(guò)±3dB。而夾具的1階與2階固有頻率十分接近。因此，設(shè)計(jì)的夾具仍然需要進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化。

3結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某開(kāi)口盒型振動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)及改進(jìn)、夾具的模態(tài)分析，為同類產(chǎn)品振動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)提供參考?？偨Y(jié)出以下幾點(diǎn)：

① 振動(dòng)夾具通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的分析，來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增強(qiáng)剛度，提高固有頻率;

②提高開(kāi)口盒型夾具的固有頻率主要通過(guò)提高夾具的薄弱部位的剛度，比如夾具的前后及左右方向剛度;

③ 夾具的設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷改進(jìn)優(yōu)化的過(guò)程，最終使其能夠滿足產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法：GJB1032-90[S].1990.

[2] 李新帥，張華國(guó)，鐘劍鋒，等.某雷達(dá)模塊的振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)[J].電子機(jī)械工程，2014，30（2）：23-29.