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振動(dòng)試驗(yàn)是環(huán)境試驗(yàn)的重要組成部分, 夾具在振動(dòng)試驗(yàn)中發(fā)揮著極為重要的作用。不合理的夾具設(shè)計(jì)、制造及安裝使用容易產(chǎn)生“過振動(dòng)”與“欠振動(dòng)”, 即使勉強(qiáng)達(dá)到了控制譜的要求, 也必將加重振動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)荷, 尤其在振動(dòng)臺(tái)的推力能力較小時(shí), 矛盾會(huì)更加突出。振動(dòng)夾具要求具有良好的動(dòng)態(tài)特性，盡可能將振動(dòng)臺(tái)能量傳遞給試驗(yàn)產(chǎn)品。經(jīng)驗(yàn)法是目前夾具設(shè)計(jì)中運(yùn)用最為廣泛的方法之一, 但是這種方法有先天不足之處。由于大中型夾具設(shè)計(jì)一般都應(yīng)用在航空與軍事等領(lǐng)域, 關(guān)于它的設(shè)計(jì)理論及其論述較少, 也沒有形成系統(tǒng)的理論和方法。隨著現(xiàn)代結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展, 將有限元模態(tài)分析與振動(dòng)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)合起來應(yīng)用于夾具設(shè)計(jì)將是一個(gè)快速、高效且滿足工程精度的設(shè)計(jì)方法。常用的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)方法包括拓?fù)鋬?yōu)化和參數(shù)優(yōu)化等，拓?fù)鋬?yōu)化可以給出合理材料布局方案的方法有多種，如采用均勻化理論實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，采用基于位移拓?fù)渥兞康臏?zhǔn)則法；參數(shù)優(yōu)化可以通過對(duì)設(shè)計(jì)變量的選擇與量化，減輕結(jié)構(gòu)重量進(jìn)一步提高夾具的性能。

1、 夾具的功用與基本要求

1.1 夾具的功用

振動(dòng)試驗(yàn)示意圖如下圖所示，振動(dòng)試驗(yàn)中的夾具是實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)件與振動(dòng)臺(tái)之間連接的構(gòu)件，振動(dòng)試驗(yàn)夾具主要有兩項(xiàng)功能：將試件固定在振動(dòng)臺(tái)上；將振動(dòng)臺(tái)的機(jī)械能量傳遞給試件，使試件受到預(yù)期的振動(dòng)。

在做振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，最理想的狀態(tài)是讓能量不失真地傳遞到試件上，只有動(dòng)圈、附加臺(tái)面都是剛體的時(shí)候，才有可能達(dá)到這樣的理想狀態(tài)。而實(shí)際中，上述理想狀態(tài)無法達(dá)到，能量從振動(dòng)臺(tái)傳遞到試件的過程中，肯定會(huì)有失真。為讓失真盡量小，動(dòng)圈和夾具之間要形成近似剛性連接。振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈在有無試件情況下都存在共振頻率，取決于動(dòng)圈的剛度和總質(zhì)量（包括動(dòng)圈、夾具等）。在空載時(shí)，動(dòng)圈可以從大振動(dòng)臺(tái)的1300Hz到小振動(dòng)臺(tái)的5000Hz（或更高些）之間的頻段上發(fā)生共振，設(shè)計(jì)的夾具必須重量最小而剛度最大（比剛度大）并在試驗(yàn)頻率范圍之內(nèi)盡量避免共振，夾具的傳遞特性是決定試驗(yàn)成功與否和準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵。

1.2 夾具的基本要求

夾具力學(xué)特性的要求：整個(gè)試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)，夾具的頻響特性應(yīng)平坦且夾具的一階固有頻率高于最高試驗(yàn)頻率，對(duì)于大型夾具來說，要使其一階固有頻率高于試驗(yàn)件的一階固有頻率的3~5倍，避免發(fā)生夾具與試件在試驗(yàn)方向上發(fā)生共振耦合；夾具的阻尼要盡量大，夾具共振時(shí)（第一階固有頻率），共振放大倍數(shù)不大于4；夾具的橫向運(yùn)動(dòng)（垂直于激振方向的運(yùn)動(dòng)）要盡量小，一般來說，橫向振動(dòng)比應(yīng)小于30%，至多不應(yīng)超過50%。

夾具物理特性的要求：夾具和附加臺(tái)面等總質(zhì)量與共振頻率的平方成反比，為防止夾具與試件在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)發(fā)生共振，在設(shè)計(jì)夾具的時(shí)候希望夾具的固有頻率越高越好。因此，在保證夾具剛度的情況下，夾具的質(zhì)量應(yīng)盡量輕，夾具的剛度/質(zhì)量比要盡量大。

夾具材料特性的要求：為滿足夾具高頻特性，其剛度往往設(shè)計(jì)的很大，因而強(qiáng)度和疲勞特性很好，很少考慮。控制夾具固有頻率的因素是E/ρ，其中E是楊氏模量，ρ是材料密度。對(duì)于大多數(shù)金屬，E/ρ比值大致相同。因此，選用不同的金屬材料不會(huì)明顯改變夾具頻率特性。但重量是夾具設(shè)計(jì)時(shí)考慮的關(guān)鍵參數(shù)之一，而相同尺寸的金屬，鋁比鎂重1/3，鋼比鎂重4倍，并且鋁、鎂的阻尼特性比鋼好。因此鋁和鎂是常用的夾具設(shè)計(jì)材料。

夾具的加工制造要求：常用的夾具加工制造方法有鑄造、整塊材料機(jī)械加工、焊接、螺栓連接、粘結(jié)等。相比于其他的制造方法，鑄造制造方法不僅具有適應(yīng)各種形狀的特點(diǎn)，還具有比較高的阻尼，將有利于減少共振的幅值。在鑄造中注意：合金含量盡量低，砂鑄比壓力鑄造好，減少鑄造后的加工（加工后鑄件的阻尼會(huì)有損失）；整塊材料機(jī)械加工法通常用來制造小型夾具，如振動(dòng)臺(tái)上的轉(zhuǎn)接板等，具有加工快速簡(jiǎn)單、制造夾具效率高、效果好等優(yōu)點(diǎn)，但不適合制造大型夾具；焊接結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度能達(dá)到原材料的80%以上，具有加工周期短，經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。運(yùn)用焊接法時(shí)關(guān)鍵是保證焊接的質(zhì)量，選擇適當(dāng)?shù)暮缚p形式，焊接后的處理得當(dāng)；選擇夾具的制造和連接方法時(shí)，應(yīng)綜合考慮所設(shè)計(jì)夾具的功能要求、安裝方式、大小尺寸、加工能力、經(jīng)濟(jì)效益等各方面的內(nèi)容，以求所設(shè)計(jì)的夾具加工簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)適用，保質(zhì)保量的完成試驗(yàn)任務(wù)。

夾具的安裝和連接要求：安裝要求，夾具應(yīng)能模擬試驗(yàn)件的實(shí)際安裝狀態(tài)，應(yīng)防止因安裝狀態(tài)不同而引起非關(guān)聯(lián)故障；連接要求，試件與夾具之間、夾具各部分之間以及夾具和振動(dòng)臺(tái)之間大多采用螺栓連接。夾具與試件連接面上各連接點(diǎn)的響應(yīng)要盡量相同，以確保試驗(yàn)時(shí)激勵(lì)輸入的一致性。為此，應(yīng)使試驗(yàn)件和夾具的合成重心與振動(dòng)臺(tái)的軸線相重合，否則在振動(dòng)過程中由于試件和夾具的慣性，會(huì)對(duì)動(dòng)圈軸產(chǎn)生彎矩，尤其是在試驗(yàn)件和夾具重量較大時(shí)，容易損傷振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈軸。夾具與振動(dòng)臺(tái)螺接時(shí)，螺栓承受的預(yù)緊力與試驗(yàn)件的慣性力之和，不超過其最大拉伸應(yīng)力的70%。

2 、振動(dòng)試驗(yàn)夾具示例

圖2為某變壓器冷卻裝置試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，分別在垂直擴(kuò)展臺(tái)和水平臺(tái)上完成不同方向的試驗(yàn)。

圖3為某船用空調(diào)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，分別在垂直擴(kuò)展臺(tái)和水平臺(tái)上完成不同方向的試驗(yàn)。

圖4為利勃海爾水箱試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，圖5為某油箱試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。

3 、夾具設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 夾具的方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一套夾具，在滑臺(tái)上完成兩個(gè)方向的測(cè)試。其中，一套夾具完成X向測(cè)試后，旋轉(zhuǎn)90°完成另一個(gè)垂直方向Y向測(cè)試。在垂直擴(kuò)展臺(tái)上完成Z向的測(cè)試。

3.2 夾具具體參數(shù)設(shè)計(jì)

已知試件的基頻為42Hz，且試件振動(dòng)試驗(yàn)頻率范圍為4Hz-100Hz，最大加速度值為5g。

夾具的固有頻率：夾具固有頻率為試件的3-5倍，即42 Hz×（3-5）=（126-210）Hz；夾具質(zhì)量：本單位的振動(dòng)臺(tái)為蘇州蘇試試驗(yàn)儀器股份有限公司生產(chǎn)20噸電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)振動(dòng)臺(tái)如圖3所示，根據(jù)公式

F≥（M動(dòng)+M夾具+M試件+M滑臺(tái)或垂直擴(kuò)展臺(tái)）                        （1）

其中F為所用振動(dòng)臺(tái)推力為20T，一般試驗(yàn)所用推力不超過振動(dòng)臺(tái)推力的（一般小于50%-70%），M動(dòng)為動(dòng)圈質(zhì)量；M夾具為夾具質(zhì)量；M試件為試件質(zhì)量；M滑臺(tái)或垂直擴(kuò)展臺(tái)為滑臺(tái)或垂直擴(kuò)展臺(tái)質(zhì)量；動(dòng)圈質(zhì)量和滑臺(tái)或垂直擴(kuò)展臺(tái)質(zhì)量按最大1.5T計(jì)算，試件質(zhì)量為500kg，a為試件振動(dòng)試驗(yàn)最大加速度值，該試件最大加速度值為5g。即20×10×70%×103N≥（1.5×103 kg +0.5×103 kg + M夾具）5g，經(jīng)計(jì)算夾具質(zhì)量M夾具小于等于800kg。

夾具連接螺栓數(shù)量：根據(jù)公式

F=（M夾具+M試件）a/N                    （2）

其中F為螺栓承受的最大拉力，本試驗(yàn)選用M20螺栓，M20螺栓承受拉力按50MPa×9mm×9mm×3.14=12717N，夾具質(zhì)量最大為800 kg，滑臺(tái)夾具質(zhì)量最大為1230 kg，試件質(zhì)量為500 kg，加速度5g。經(jīng)計(jì)算連接螺栓9個(gè)以上即可強(qiáng)度滿足要求。

2.3 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足夾具設(shè)計(jì)的剛度、強(qiáng)度、連接等要求。試件夾具采用L型夾具，背部加強(qiáng)筋增強(qiáng)剛度，底部通過60個(gè)M20螺栓與滑臺(tái)或垂直擴(kuò)展臺(tái)連接，滑臺(tái)夾具質(zhì)量為500kg。

夾具材料選擇鑄造鋁合金ZL114A，是鋁-硅系合金中強(qiáng)度最高的品種之一，是成分、性能和ZL101A優(yōu)質(zhì)合金相近似的鋁硅鎂系鋁合金，雜質(zhì)含量少、含鎂量較ZL101A高，且加入少量的鈹以消除雜質(zhì)鐵的有害作用，故在保持ZL101A優(yōu)良的鑄造性能和耐蝕性的同時(shí)，顯著的提高了合金的強(qiáng)度。適于鑄造形狀復(fù)雜高強(qiáng)度鋁合金鑄件；夾具的制造方式選擇：夾具的制造方式選擇砂型鑄造，雖然相比特種鑄造，砂型鑄造表面粗糙度、尺寸精度和力學(xué)性能較差，但在夾具要求中，砂型鑄造一樣滿足要求，并且鑄造成本較低。而夾具連接面的表面粗糙度和尺寸精度可以通過鑄后加工來保證。

對(duì)該夾具進(jìn)行模態(tài)分析，其一階固有頻率為212Hz，其振形圖，如圖所示。

參考文獻(xiàn)

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