浅谈振动夹具的设计及振动夹具模态分析.pdf

民蕾科技 2 0 0 9年第 2期 浅谈振动夹具的设计及振动夹具模态 刘旭 中国空空导弹研 究院 河南 洛阳 4 7 1 0 0 9 摘要 振动 夹具是试件和振动 台的连接 器 具有扩 大和延伸振动 台台面的作 用 产品振 动环境 为宽带随机振 动 振动范 围 要介绍 了夹具 的基本形式 设计 和制造方法以及模态分析技术等有 关内容 关键词 振动 夹具 模态 振动试验夹具的功用是从振动 台把机械能传给试件 夹具在总体设 计方面所遇到的困难是必须设计 出重量 最小 刚度最大 在试 验频率范 围内不会发生结构共振的夹具 夹具设计往往取决于经验 一个好 的夹 具至少应满足下列要求 1 在整个试验频率范 围内 夹具 的频响特性要平坦 夹具的第一 阶 固有频率应高 于最高试验频率 还应避免发生夹具与产 品的共振耦合 2 夹具与产品连接面上的各连接点的响应要尽量一致 以确保试验 时激励输入 的均匀性 3 夹具 的刚度质量比要 足够大 4 夹具 的阻尼 要大 夹具共振 时 第 一阶固有频率 其 品质 放大 因数 Q不大于 4 5 夹具 的质量最好是试件的 2 4倍 或夹具 的重量可 以接近振动 台 台面的重量 6 夹具横 向运动 指垂直于激振方 向 要小 7 波形失真小 在夹具第一 阶固有频率之前 波形失真度不大 于 2 5 之后 不大于 6 o l 夹具设计 夹具设计一般 比较费时 费力 不仅要考虑夹具本身 的特性 而且要 尽量减少夹具与试件的相互影响 夹具设计应包括分析和预计试件 的最 低阶振 型 夹具设计 的理论计算 主要包括刚度 质量 和固有频率三个基本 参 数 刚度包括刚体平移 刚体旋转及梁弯曲 阻尼并不 明显地改变固有频 率 仅改变振动幅值 影响固有频率 的二个要素为质量和刚度 对于复杂 夹具的固有频率 D u n k e r l e y 方程提供 了一种方法 即通过组合 复合结 构 元件中的非偶合型 固有频率来估计 系统 的固有频率 夹具设计时必须进 行的几个最基本计算如下 1 1 夹具 的固有频率应满足试验的频率 范围 由于产 品可靠性 与环 境试验要求 随机振动 频率范 围一般 为 l O 2 0 0 0 H z 所 以试验必须使用电磁振动 台 电磁振动台是 目前最 先进 最常 用的振动台 其最低频率一般为 5 1 0 H z 最高频率可达 3 4 k H z 以上 为 了满足 1 0 2 0 0 0 Hz 试验频率范围 且在此频 率范围 夹具 的频 响特性要 平坦 夹具设计和计算 或 测定 时 其一 阶固有频率应高于最 高试 验频 率 即使这样 设计计算 或测定 夹具的一阶固有频率也应高于试件的 一 阶 固有频率 以避免发生夹具与试件的共振耦 合 在确定试件的固有 频率时 可 以把试件划分 为梁 板等元件 计算各 个元件的 固有频 率 然 后用 D u n k e r l e y 方程计算试件 的固有频 率 1 2 对振动台额定推力 的验算 振动台额定推力的验算 主要考虑振动台的承载重量 w 和试验加 速度 a 当正 弦振动试验的最大加速度为 a时 振动 台的正弦推力 F应大 于 W 当随机振 动试验 的总均方根加 速度值 已知 为 a 时 振 动台的 随机 推力 F a应大 于 wl w2 w3 a 一 其 中 W1为试 件重量 W2为夹 具重量 W3为振动台台面与动圈的重量 l 3 计算随机振动的均方 根加速度值 可靠性试验标准 G J B 8 9 9中 只给 出试验条件中的振 动应力功率谱 密度值和频谱图 而并没给出加速度均方根值 在夹具设计计算时 为了 验算选用的振动台的额定推力 必须先按其频谱图计算出其最大功率谱 密度值的总均方根加速度值 2 以铝板为材料设计一个平板夹具为例 并进行简要地模 态分析 平板夹具 也 叫转接板 是最 简单 的夹具 它的作用是把试件 与振动 台台面用螺钉连接起来 既适用小 而数量多 的试件 也适用 于单个大试 件 设计 图如图 1所示 模拟 图如 图 2 图 3所示 2 1 平板夹具 的动态测定 为 了保 证 振动 试验 的 正确性 夹具在使用 前还应 进行动态检验 以检 查其主 要动态特性 如 固有频 率 传递特性 夹具与试件连接 面上各点 响应的均 匀性 横 向运 动 波形失 真度等是否 符合要求 否则还需采取技 术措施进行补救 如果对夹 具 的动态 品质不了解 则 当 试 件在 一定试 验 频率 下不 能正 常工作 时 就不易判明 是夹具 问题 还是试 件问题 因为夹具设计制造 得不好 就 有可 能误将 合 格的 试件 判 为不合格品 或将不合格 试件判为合格品 进行夹具 的动 态测定 能够 揭露 夹具 的缺点 提出改 进的方法 夹具 修改后再测 定 就可 以 知道其特性的变化 这对设 计 者而言 也是积累经验 的 图 2 图 l 最好办法 夹具动态测定 的步骤简述如下 2 1 1 将 夹具用螺栓安装在振动台的台面上 2 1 2将控制加速度传感器安装在振动 台台面中心 度为 a 倪 2 1 3在夹具与试件 产 品 的连接孔附近 选择几个 口 2 t 4在 每个测点 处装 上三个加 速度传 感器 或一一 器 分别测量激振 方向加速度 a 及横 向振动 a 和 a 2 1 5按试件振动试验频率范 围进行 正弦扫频试验 试验 记录控制点和各测定的加速度随频率变化曲 其波形 失真仪测量波形失 真度 2 1 6 求出a i z a o z 随频率变化曲线 计算出传递率 用 的传递特性 固有频率 一阶固有频率共振时的品质目 面 响应 的均匀性 2 1 7求 出横向振动与激振方 向加速度 的比值 i 夹具横 向运动大小 在夹具测定时 一定要设 法做 到使频率 高到能够 振 型 不 只是表观的共振 以免混淆非共振频率时 出 2 2 对振动夹具进行模态分析 检 验是 否满足振动 作者简介 刘旭 1 9 7 3 一 男 工程师 从事系统工程 故障4 科技论坛 2 2 1 工作状态 振动夹具通过螺栓固定在振动 台上 试验件的振动试验频率在 2 0 2 0 0 0 Hz 2 2 2材料参数 根据图纸 振动夹具的材料为铝 7 A 0 9 HI 1 2 2 5 有关力学性能参数 选取如下 弹性模量 E 7 O G P a 泊松 比 u O 3 2 密度 p 2 7 0 0 k g m 2 2 3 计算方法 采用有限元法 以 MS C P A T R A N为前后处理器 并 利用 MS C NA S T R A N进行计算 2 3 计算模 型 2 3 1 力学模 型 在螺纹孔处建立螺钉模型 并 在一端施加六 自由度约束 建立的振 动夹具模型接近真实的工作状态 2 3 2有限元模型 有限元模 型包括有限元网格 边界条件以及材料本构形式 有限元网格 图 4为振动夹具 的有 限元 网格 采用六面体八节点单 元 数值计算表 明 该有限元 网格 的划分尺度满足收敛性要求 图 4振 动夹具有限元网格 图 5位移边界务件 位移边界条件 固定螺钉一端节点所有 自由度 如图 5所示 材料本构形式 线弹性 民蕾斜技 2 0 0 9年第 2期 2 4 计算结果 图 6给出 了振 动夹具 在试验 条件下 的一阶模 态 其 一 阶频率 为 31 9 3 4Hz 图 6振动夹具一阶模 态 图 7振 动夹具二阶模 态 图 7给出 了振 动夹具 在试验 条件下 的一 阶模 态 其 一 阶频率 为 3 2 7 5 7 Hz 2 5 结论 在所有螺钉将振动夹具和振动台连接 紧密时 振动夹具一阶模 态远 远高于试验要求 的最高频率 振动夹具满足试验设计要求 结束语 经上述试验 总结 出高频振动 工装设计 的一 些经 验 I 进行 高频振 动具有较高的 固有频率 影响 固有频率 的最 主要 的是材料 的密度 和刚 度 密度越小 相应的固有频率越高 所以制作高频振动夹具最好的材料 是镁 其次是铝合金 2 从工装夹具的组成结构来说 整块 的振动夹具具 有最低的成本 最好的性能 其次是整体铸造和焊接结构的夹具 最差的 是螺接的夹具 3 应确保 与振动台动圈的连接 的紧密 连接时应尽量用 尽量多的螺钉 振动夹具应尽量控制与动 圈进行接触的连接面的外径尺 寸 不能超 出动圈的最大外径 参考文献 l 1谷 口修 振动工程 大全 M1 北京 北京机械 工业 出版社 1 9 8 6 2 1蔡春源 机械设计手册 M1 北京 北京机械工业 出版社 2 0 0 1 上接 1 8 1页 残余的胶粘剂保温板碎块 2 彻 割好一块规格 形状完全相 同的保温板 在背面涂抹厚度适当的胶粘剂 塞入破损部位与基层墙体粘牢 表面与周围聚苯板齐平 3 仔细把破损部位四周约 1 0 0 mm宽度范围内的涂料 和面层抹灰砂浆磨掉 注意不得伤及网格布 不得损坏抹灰砂浆 如果不小 切断了网 格布 打嘻面 积应继续向 外扩展 如造成抹面砂浆破碎 应抠出碎块 在修补部位四 周贴不干胶纸 带 以防造成污染 4 用抹抗裂砂浆补齐破损部位 的修补部位作界面处理 清理不整齐的边缘 对没有新抹砂浆的修补部位作界 面处理 剪一块面积略小于修补部位的网格布 玻纤方向横平竖直 绷紧后紧 密粘贴到修补部位 已确保与原网格布的搭接宽度不小于 8 0 m m 5 从修补部 位中心向四周抹面层抹面砂浆 做到与周围面层顺平 防止网格布位移 褶皱 用湿毛刷修整周边不规则处 6 W面砂浆干燥后 在修补部位补做外饰面 其 纹路 色泽尽量与周围饰面一致 待外饰面干燥后 撕去不干胶纸带 4 监理验收控制要点 1 外墙节能保温施丁方案审批 总包单住 晴 缸 工方案要经 总公司审查 建筑 装饰装修工程施工质量验收规范 GB 5 0 2 1 0 2 0 0 1 施工质量验收规程 GB 5 0 4 1 1 2 o o 8 2 检查进场材料的合格证以及材质证 明 苯板的抽检复试资料 相应的规范的要求 结构的拉拔试验等 3 接合面的控制4 0 以上 4 抹面砂浆的厚度控制 5 聚苯板安装的允许偏差 6 检验批的划分与验收 7 对不合格的处理 返工 整改 局部和整体 5 节能保温要求 5 1 本工程建筑物传热系数见表 1 5 2 墙体节能措施 1 本项 目节能没汁执行北京市及国家对公共建筑及居住 节能现行i 殳 汁标准 2 建筑外门窗 底商部分 含住宅楼出口 为 P A断桥铝合 金中空玻璃门窗 5 l 2 5 传热系数均应 2 5 8 w K 3 外墙外保温 外 墙保温均采用 7 0 mm厚聚苯板 局部 5 0 mm挤塑板做法 4 所有外墙出挑混 凝土构件及附墙混凝土部件如 阳台 雨罩 空调室外机搁置板 附壁柱 板等 均采用板上 下或左 右粘贴 4 0厚聚苯板保温断桥做法 5 3 节能保温工程舡托 难点 1 外檐 本工程外檐做法为外保温加涂料 做法 四层顶及女儿墙有保温板制成的装饰线条 不利于安装 外墙色多变 涂刷不便 2 保温工程施工时 各项土建工作 如抹灰 安装夕 t 窗 浇筑地面混 凝土等 交叉均进行 同时各种机电设备的安装 各种强弱电系统 各种智能 表 1 系统的安装和协调 是施工中的一大重 点 6 保 温工程质量 控制措施 6 1 外墙保温工程 表 2 项次 项 目 允许偏差 检 查方法 所用材料 应按设计要求选用 并符合本规程及国家和当地有关标准的要求 生产厂应提供盖有 C A L和 C MA章的法定检测部门出具的检验报告及出场 合格证 6 2 外墙保温工程施工前 应装好门窗框或辅框 阳台栏杆和预埋件等 并将 墙上的施工洞孑 L 堵塞密实 6 3 外墙外保温工程应在基体或基层的质量检验合格后 方可施 丁 6 4 胶粘剂和抹面砂浆的配合比 原材料计量必须符合相关规范和材料生产 厂家的要求 6 5 胶粘剂和抹面砂浆配置应使用机械搅拌 超过凝结时间不准使用 6 6 以粘结为主的每块聚苯板与墙面的总粘结面积不得小