振动试验夹具设计

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进行振动试验，离不开振动夹具。振动夹具是振动试验中一个重要的环节，关系到试验的成败、试验结果的可信程度等。夹具的动力特性计算是一件比较复杂的工作，尤其是大型夹具很难按设计图纸准确地计算出其频响特性。因此，在夹具制作完成后，必须通过试验（如正弦扫频振动试验、宽带白谱随机振动试验、标志测试分析试验等）测试出动力特性。如有可能，还应加上模拟“试件”的假负载后进行实测，以保证夹具的传递特性符合试验的要求，如果不行，则应对夹具进行修正。如增加连接螺栓的个数、增大螺栓的预紧力、增添加强筋、改善局部刚度等措施。
一、试验夹具的要求
1.对夹具力学特性的要求
① 整个试验频率范围内，夹具的频响特性应平坦且夹具的一阶固有频率高于最高试验频率。对大型夹具来说，要使其一阶固有频率高于试验件的一阶固有频率的 3～5 倍，以避免发生夹具与试验件在试验方向上产生共振耦合。
② 夹具的阻尼要尽量大，夹具共振时（第一阶固有频率），其品质因数Q不大于4。品质因数Q为动力放大系数Q=1/2ξ，ξ为相对阻尼比。
③ 夹具的横向运动（垂直于激振方向的运动）要尽量小。
④ 波形失真小，其具体指标为：在夹具第一阶固有频率之前，波形失真度不大于25%；在夹具第一阶固有频率之后，波形失真度不大于60%。
2.对夹具的物理特性要求
有些资料中建议“夹具质量应 4 倍于试件的质量”，通过增加夹具重量的方法来避免试验件产生附加振型，这种做法是不准确的。
夹具的共振频率取决于动圈的刚度和总质量（包括动圈、夹具等），如下式：
式中，fn为固有频率，k为刚度，m为总质量。
从式中可以看出，m 与 fn成反比，也就是说总质量 m 越大，共振频率 fn越小。而在试验中，为了防止夹具与试件在试验频率范围在发生共振，在设计夹具的时候希望夹具的固有频率越高越好。因此，在保证夹具刚度的情况下应尽量轻，夹具的刚度/质量比要尽量大。
3.对夹具材料的要求
为了满足夹具高频特性要求，其刚度往往设计得很大，非常“结实”，因此，设计夹具时很少考虑材料的强度和疲劳特性。
控制夹具固有频率的因素是 E/P，其中 E 是杨氏模数（kg/m2），P 是密度（kg/m3）。对大多数金属来说 E/P 比值约为 2.5×10m。因此，选用不同的金属材料不会明显地改变夹具频率特性。
由于质量是夹具设计时考虑的关键参数之一，对于相同尺寸的金属，铝密度比镁密度重1/3，而钢密度比镁重 4 倍。所以，铝和镁是最常用的材料，某些铝镁合金的阻尼特性比钢好，加工也相对容易。
4.对夹具加工制造要求
推荐使用铸造方法制造夹具，但铸造后应进行热处理或时效处理，以消除预应力。结构简单、体积小的夹具也可采用焊接。结构特别简单的夹具也可使用螺接。现在常用的振动频段为5～2000Hz。
二、夹具的设计
1.确定夹具的设计目标
设计的夹具要能满足上述各项要求是最为理想的，由于试件结构和形状多种多样，难以制定统一的标准来定量规定其设计目标。表 1列出了SC-4452B（M）标准规定的夹具设计要求。该表中根据试件的重量和体积等规定相应夹具的传递率峰值、允许的正交运动量和试件固定点输入允许偏差等，可根据试件状况按表 1确定其夹具设计目标。
表1 各种尺寸的夹具设计规范
注：r为峰值比；F0为第一阶谐振频率；B3dB为3dB带宽。
2.夹具设计步骤
① 确定设计目标参数。根据受试产品质量、体积、外形特点和试验的种类确定夹具的基本要求。
② 确定外形尺寸。应在确保夹具质量最小情况下，根据以下情况确定夹具的外形和尺寸需要考虑的因素。
^_^a.试件的特征。
· 试验件的重心位置。
· 试件的电源、负载，以及其他测试线路所需电缆的辅助孔和卡销等。
b.夹具与试件的连接方式。
· 试件在夹具上的安装位置。
· 试件在夹具上的固定点。
c.夹具与台面的连接方式。
· 夹具与振动台的连接方式，包括连接孔的形式、孔的数量等。
· 夹具与水平滑台连接方式，包括连接孔的形式，孔的位置，要使夹具与产品对滑台面的综合转矩尽量小，即夹具质量尽量小，夹具与试件的综合重心尽量低。
d.夹具形状。
· 夹具大于振动台台面的部分采用45°扩展后对尺寸的影响。
· 在夹具上平行于振动方向上，增加三角斜撑后对尺寸的影响；加斜撑能增加夹具侧向刚度，减小正交轴向的振动量值。
· 减少开口面积，夹具上需要开口的部位尽量开小口。
3.设计
① 确定夹具的最大允许质量。夹具的设计目标是试验所需推力不超过振动台的推力（一般小于50%）。有些振动设备手册中包含了振动冲击试验不同量级时允许的最大负载内容。
② 选用合适的梁、板和角材。梁、板和角材的厚度一般不应小于 25mm，对面积较大的板要特别加厚、设计加强筋或减轻其质量。
梁的长度尽量短，尤其对悬臂梁形式结构更要减小长度。
加大支持板的面积，使支持板尽量靠近试验件安装位置，以达到最大的能量传递效率。
③ 应用加大阻尼的措施。阻尼是影响谐振区的最主要因素，所以，要尽量增大层（接触面）之间的阻尼，如果阻尼过小，可以考虑采用加硅油等方法增加阻尼。
④ 考虑整件平衡。整体平衡，使试件、夹具的重心与台面中心一致或与推力轴线一致。
⑤ 设计复查。夹具设计的最后阶段，应由制造工程师和试验工程师对图纸或电子样机
进行复查，看其是否能够满足试验要求并与试验设备匹配。
复查的内容包括：设计的夹具工艺性如何；夹具的连接处是否有足够的刚度；夹具中是否还存在薄弱环节，如是否有薄的部位；螺栓数量够不够；倒角是否太小（会引起应力集中）；焊缝或焊接面积够不够；部件接触面光洁度、加工精度要求是否合理等。
4.夹具的测量与分析
① 传递率的测量
a.安装夹具
对制造好的夹具应进行检验和特性测试。按设计要求夹具重心通过台面的中心，尽可能地多用紧固件与台面连接。
b.布置检测点
· 取夹具与台面的固定点为检测点。
· 检测的振动轴向取主轴向（X）。
· 检测点的数量根据夹具与振动台面固定点数量确定，一般检测点数与固定点数相等（至少大于4个），取检测点的多点平均值作为基准点。
c.布置响应点
· 取夹具与试验件的安装点作为响应点。测量所有响应点，如果振动控制器通道数量有限，不能一次测量全部响应点，可分几次分别测量其余的响应点。
· 测量包括主轴向及与之正交的另外两个轴向。
d.设置试验参数
· 用正弦扫频方法进行夹具测试时，参数设置如下：扫描率≤1oct/min，定加速度为1g，扫描范围为10～2000Hz。
· 用宽带随机方法进行测试时，参数设置如下：平直谱型，PSD=0.005g/Hz，谱线数为振动试验的谱线数4～6倍或更多，统计自由度大于或等于256。
e.记录测量曲线。
用正弦扫频方法或宽带随机方法激励夹具，同时测量记录各响应点与基准点的曲线和量值。
② 传递率分析。分析各响应点和传递点，记录下主轴向各阶共振频率值，计算出传递率和 3dB 带宽。记录下正交轴向与主轴向响应之比的最大值，找出响应点主轴向响应的最大偏差。
根据上述得出的夹具特性数据，参照表 1，给出夹具可用或不可用的结论，不可用的提出进一步的修改意见。
③ 夹具的其他特性分析。
· 固有频率分析：对简单夹具，通过简单的梁、板元计算出各元件最低固有频率，合成夹具的最低固有频率fN。
· 模态分析：对复杂夹具要进行模态分析，尽可能加上模拟试验件进行分析，得到夹具的动态响应特性、响应的均匀性、正交轴向响应等结果。
模态分析是对夹具进行鉴定测试的重要方法之一。在经计算机仿真模态分析证明夹具设计的合理和可行性以后，按照确定的结构设计图纸进行加工，完成夹具样品总装，进行模态试验，如果局部需要修改，则还要进行重新加工和装配，再进行试验，直到完全满足使用要求。




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