某机载雷达振动夹具的设计与改进

某机载雷达振动夹具的设计与改进

袁亚利

陕西长岭电子科技有限责任公司 陕西 宝鸡 721006

摘要 机载雷达在设计时不仅会提出性能指标，还要求产品具备一定的环境适应性，而振动试验是环境适应性试验之一。振动夹具是产品做振动试验必不可少的，是振动台与产品的连接件，起到转接作用，其性能的好坏直接影响产品的可靠性。为了提高夹具设计的效率，本文在设计过程中采用了ANSYS软件，同时用振动台进行模拟试验，验证夹具的性能。

关键字 机载雷达 振动试验 夹具 ANSYS

1. 引言

机载雷达产品在设计研发时，除了要满足性能指标外，还必须通过各种环境试验，如：高温、低温试验，加速度试验，振动试验等，用以评价环境适应能力，以及生产制造过程中相关的保证措施是否有效的基本手段。振动夹具是产品做振动试验时与振动台的连接件，其设计、制作及安装对试验结果起着决定性作用。夹具的好坏直接影响产品的可靠性，其重要性不言而喻。为了提高夹具设计的效率，本文在设计中采用了ANSYS，成品用振动台进行试验，验证夹具的性能。

2. 课题来源

某机载雷达尺寸较大，质量大、重心高，样机装配调试好后，需做振动摸底试验，则振动夹具的设计必不可少，夹具要求如下：

（1）数量1件，成本不易过高，安装方便，加工简便，生产周期短；

（2）图1为该机载雷达工作示意图，为了使试验环境和真实工况保持一致，雷达在夹具上竖直安装，驱动器朝前悬挂，天线进行方位扫描和俯仰扫描，A为安装面，收发机和驱动器重心要稳，试验时夹具能将振动激励不失真地传递给雷达。

图1 某机载雷达工作示意图

3. 夹具设计及优化

   1. 夹具的设计原则

夹具设计的基本原则是：质量要小，刚度最大，在试验频率范围内不发生共振。

1. 2. 夹具设计

夹具结构形式不拘一格，没有固定形式，只要能满足试验要求即可，常见的有平板型、立方体型、L型、T型等，夹具的制作方法有：整块原材料机械加工、螺钉连接、焊接、粘接、铸造等，各有优缺点。通常铸造的夹具力学性能较好，焊接其次，螺钉连接的较差^[1.2]。

根据该机载雷达的结构外形特点，此处夹具要能竖直悬挂雷达，需具有一定强度和高度，确保天线能正常扫描工作。为了提高夹具性能和降低成本，排除铸造方法，采用焊接工艺。根据公式 ，在刚度k保持不变的情况下，质量m越小，夹具的固有频率f越高，更有利于振动试验的顺利实施，刚度系数k与杨氏模量E成正比，质量与密度ρ相关，则可推导出夹具固有频率与比刚度E/ρ成正比，材料的比刚度大意味着质量轻而刚度大，E越大或ρ越小，均能提高夹具的固有频率，通过比较常用夹具材料的一些重要物理特性，材料选择铝合金，结构如图2。

夹具设计加工好后，为了验证夹具的性能，按GJB 150.16A-2009《军用设备环境试验方法 振动试验》有关规定，在夹具空载的情况下在振动台上进行宽带随机试验。振动试验是可靠性试验最关键的项目之一，被试品结构在试验后不应出现变形、裂纹、划伤、器件脱落及其他机械损伤。

试验时发现夹具前六阶共振频率全在100～500Hz间，测试数据峰值多次超出范围，波动杂乱无章，越到高频越明显，甚至测量失效，无法有效的完成试验，分析原因是其固有频率低，试验时产生共振现象，则需对夹具重新进行设计，而该机载雷达的振动环境频率要求为10Hz~500Hz，要做的是尽量提高夹具的固有频率，至少一阶频率大于500Hz。

1. 3. 夹具优化设计

该机载雷达体积大、质量大、重心高，竖直安装，这些条件无疑加大了夹具设计的难度，设计要求颇高，尤其对夹具的刚度、质量、固有频率等动态特性参数提出了严苛要求，一般的振动夹具难以满足。为了提高设计效率和节约成本，在设计前期，使用ANSYS软件进行模态分析，在软件中模态分析有如下几个假设：①材料为线弹性；②小变性理论并且不包括材料非线性；③不包含阻尼（复模态除外）；④无外界激励（希望考虑外界应力对模态参数的影响，可使用预应力模态分析。预考虑热应力的影响，则需要先计算热分析，然后据此计算静力学分析，最后执行预应力模态分析）；⑤可约束也可以不对模型进行约束。模态有限元分析结果能够得到直观的各阶振型和各阶固有频率值, 但不能得到某个节点在某个固有频率点产生共振时响应的放大倍数，如果要进一步了解某个点的响应情况, 还要对夹具进行PSD 谱分析（本文不讨论）。

该机载雷达的重量约11Kg，体积小于1m³，根据实践经验数据，夹具的一阶固有频率不低于800Hz，高于这些频率则允许有共振现象，但要限定放大倍数和共振曲线的3dB带宽^[3]。夹具优化前的结构固有频率如图4（a），一阶固有频率为159Hz，根据软件分析结果改进设计，优化后的结构外形如图3，固有频率如图4（b），一阶固有频率为840Hz，是原先的5倍多，效果显著，符合要求。

图2 夹具结构图（优化前） 图3 夹具结构图（优化后）

（a）夹具优化前的固有频率 （b）夹具优化前的固有频率

图4 夹具优化前后固有频率

新设计的夹具质心降低，固有频率提高，性能良好，为了进一步了解夹具特性，在试验室进行随机振动试验，采用的是加速度谱密度，试验结果表明：该夹具按振动试验谱图通过振动试验，能有效传导振动台试验量级，满足要求，结构设计合理，特点如下：

（1）材料选用刚度大、阻尼大的铝合金，E/ρ比刚度大、阻尼大，材料易加工和焊接。（2）为了控制成本，夹具加工工艺采用焊接法，焊接法简单且加工效率高，加工时间和费用分别为铸造的1/7 和1/3。（3）夹具采用T型，两边增加加强筋加固，提高局部刚度。（4）零件与零件间先用螺钉连接定位，再MIG四周焊。（5）底板按振动台外形确定最大尺寸，与振动台的连接孔，设计成埋头带台阶的孔，减小螺栓长度，避免螺栓的高频共振；增加夹具与振动台连接螺栓的数量，增大螺栓的预紧，使用新螺栓，保证与振动台的有效连接，提高固有频率。（6）夹具质量大于产品，接近振动台台面（振动台有足够的推力），且产品和夹具安装在振动试验台上的组合质量中心到振动台台面之间的距离短，重心低，且重心位于夹具中轴线上，力矩平衡，稳定性好，利于提高其固有振动频率。

4. 总结

夹具的合格标准就是试验规范和夹具设计规范中给出的：固有频率、传递特性、夹具与样品连接面上各点响应的均匀性、波形失真度等要求，要达到上述理想夹具要求，几乎是不可能的，所以可以根据实际情况和现有条件改善可以达到的指标。在设计夹具时使用ANSYS可以对其性能进行摸底，了解夹具对试验是否存在放大，能量的放大会造成试验的振动环境与真实振动环境产生较大的差别，对于试件来讲, 有可能会造成损坏，对于振动台来讲，有可能会造成失控，使试验无法进行^[4]。该夹具的设计对机载设备振动夹具的设计具有指导意义，可供参考。

参考文献

[1] 张阿舟.实用振动工程(3). 振动测量与试验[M]. 北京: 航空工业出版社.1997.

[2] 柯受全. 卫星环境工程和模拟试验(下) [M ] . 北京: 宇航出版社. 1996.

[3] 王树荣，季凡渝. 环境试验技术. 北京：电子工业出版社[M ]. 2016.1.

[4] 常研. 随机振动试验的几个工程问题[ J]. 电子机械工程, 2002, 18( 2): 46-48.