浅谈电子元器件振动试验夹具材料、设计、加工及测试验证

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振动试验中的安装问题与试验是否成功及结果是否准确息息相关。试验中所采用的夹具，是将试验台所产生的机械应力不失真得传递给受试样品，通过夹具安装的变化，改变试验的轴线和方向，并且保证在样品的固定点上满足试验要求。若夹具设计不合理或所选材料不满足要求，将导致夹具的动态特性较差，发生试验过应力或欠应力，将合格品判为不合格，或将不合格品判为合格，经常产生争议。

• 夹具的设计一般原则
  

理想的试验夹具应该具有良好的传递特性、尽量高的刚度-质量比、试验频率范围内不发生共振、易加工制作等功能。那么，对于设计好的夹具，如何量化评价该夹具是否满足使用要求呢？目前，我国尚未对振动冲击试验用夹具制定标准，所以一般只能比较两个夹具的优劣，但不能说两个夹具的合格与否。下表为美国桑迪亚公司根据美国军用标准MIL-STD-810及机载设备振动试验要求提出的夹具量化标准。

表1 振动夹具设计规范指南

从表1可以看出夹具设计的三项主要指标：

• 传递特性频响函数规定夹具的一阶共振频率不能低于某频率值（如1000Hz以下没有共振峰），高于这个频率值时允许有共振，但要限定放大倍数和带宽。
• 限定允许的正交运动，即规定在非试验方向（横向运动）的振动值必须小于某个值。
• 规定了试件和夹具相连的若干个固定点间允许的振动输入偏差值（各固定连接点的振动均匀性）。
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• 夹具材料的选择
  

试验夹具要将试验台产生的试验激励真实地传递到试验样品上，所以夹具应具有良好的传递特性。影响传递特性的因素是夹具材料的刚度-质量比，根据

可知，刚度k越大，质量m越小，固有频率则越大。降低质量最直接的方式就是选用轻质材料，常用的夹具材料有铝、镁、钢及其合金，其物理特性如表2所示。材料的比刚度（E/p）大，意味着夹具的质量轻强度大，对推力影响较小，频响可展宽，对振动试验影响较小，而且传递力性能也很优秀。一般铝镁合金夹具的试验用频率可以达到2000Hz左右。

表2 常用夹具材料的物理特性

• 夹具的结构
  

夹具应考虑对称及低重心的设计，因为在垂直方向激励时，可以保证夹具及样品合成的静态重心尽量落在振动台的中心，以免出现振动台面晃动从而发生振动波形失真的现象，所以夹具的结构形式应优先考虑对称的封闭形，如立方体、半球形及锥形。同时，还需留意动态重心的变化，尤其是弹性负载或是液体负载时更应注意。另外，夹具界面的急剧变化，会导致夹具的有效刚度下降，固有频率降低。

在一般的夹具的设计过程中，材料的强度和疲劳特性很少需要考虑，因为夹具高频特性所要求的较高刚度，使得夹具非常结实，很少因为强度不足而损坏。而夹具的重量常常是夹具设计时最重要的参数。对一般金属来说，铝的密度比镁大，钢的密度比镁大倍，铝镁材料比钢结构更适合作为夹具材料。同时有些铝镁合金的阻尼特性也比钢好，所以实际应用中，最常用的夹具材料是铝和镁以及铝镁合金。

夹具多，形状复杂不仅会使制作困难，而且共振峰有增高的趋势，所以应尽量采用简单、整体夹具为好。对于由多个夹具构成的组合夹具，夹具间的连接有可能形成串联弹簧或并联弹簧性质，对于串联状态，其总的刚度系数为：

对于并联状态，其总的刚度系数为：

     

上述公式说明，串联弹簧为大挠度特性，总的挠度取决于最软的弹簧，并联弹簧为小挠度特性，总的挠度取决于最硬的弹簧。所以在运用杆、梁及板等组合成夹具，或几个小夹具共同组成大夹具时，要考虑各夹具刚度间的关系及承受的载荷，避免出现结构上的缺陷。

• 夹具的加工工艺性
  

夹具加工的常用方法有一体成型、螺钉连接、铸造、焊接、粘接、环氧树脂固化成形等多种形式，其中一体成型的加工方式最优。对于采用螺钉连接方式的夹具，在试验频率超过一定值（如500Hz）时，接触面要达到较高的平整，同时螺栓预紧力要比振动产生的分离力至少大10%。当使用水平滑台时，应使夹具各部件间紧密连接，螺孔要尽量使用胀销将螺孔填满，避免产生较大的剪切力，造成波形失真，尤其是在水平滑台位移振幅和螺栓与孔之间的间隙同数量级时，这种横向撞击形成的剪切危害远大于垂直振动。

形状较复杂的曲面或变厚度、变截面的夹具，一般采用铸造工艺，因为铸造合金的阻尼较大，有利于减小共振幅度，同时砂铸工艺中粗的粒度有利于减振，优于压铸工艺，但缺点就是制作周期较长。而采用焊接工艺制作夹具，其焊接质量直接决定了夹具的成败，若焊接质量存在可靠性隐患，则在振动试验时夹具的焊接处就会发生断裂。

• 夹具的测试验证
  

夹具设计过程中对其动特性的计算是相对粗略的，所以当夹具设计制造完成后，采用正弦扫描试验来测试夹具的固有频率、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、波形失真度等是否满足要求。

图1 材料特性曲线

振动台产生的应力通过夹具来传递给试样，由材料的传递特性曲线可知， r（f/f0）的值越小，传递特性越接近于1，振动的传递特性越好，阻尼越大，频响特性也更为平坦，反之r的值越大，传递特性越小，效果也较差。

将夹具用螺栓安装在振动台上，首先布置激励点，取夹具与振动台面的固定点为激励点（数量通常与固定点数量相等或至少大于4个，取监控点的多点平均值作为基准点）。

然后取夹具与试验件的安装点作为响应点，安装3个加速度传感器进行监测，包括主轴向及与之正交的两个轴向。最后按试件振动试验频率范围进行正弦扫频试验（通常扫描率为1oct/min，定加速度为1g，10~2000Hz），也可进行随机振动试验（平直谱型，功率谱密度为0.005g2/Hz），然后记录激励点和各响应点的加速度随频率变化曲线，并观察其波形及波形失真度。当夹具的一阶固有频率与试验频率一致时，就会发生共振现象，因此夹具的第一阶固有频率应尽量高于最高试验频率。在夹具第一阶固有频率之前，波形失真度应≤25%，之后可以放宽至≤60%。

计算传递率，各个检测点响应加速度幅值得均方根与基波幅值之比，即传递率为：

检查夹具的横向运动，横向运动的大小为横向响应加速度与激振方向加速度的比值：

夹具的横向振动应尽量的小，通常应≤30%，对于极个别的点也不应＞50%。

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