制备通用盒式蒙皮天线振动试验夹具的方法与流程

本发明涉及振动夹具结构设计领域的一种制备通用盒式蒙皮天线振动试验夹具的方法。

背景技术：

随着科技的发展，特别是航天航空、机械制造等行业的发展，振动问题成为无法绕开的问题。振动试验，离不开振动夹具。由于设备能力越来越强，制造越来越精细，环境也越来越复杂，想从理论上完全解决振动问题非常困难。目前不仅需要通过振动试验模拟复杂的振动环境，还需要通过筛选振动试验剔除早期产品工艺和元器件缺陷越来越重要的作用。机载天线需在研制阶段验证其结构振动可靠性能的要求。振动试验夹具用来连接试件和振动台，起着模拟试件的几何边界条件和动力特性约束条件的作用。它应能将振动台的运动尽可能不失真地传递给试件，保证试件在规定方向上的运动与振动台的输出一致。因此，夹具在振动试验中占有举足轻重的作用。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。夹具的设计是振动试验的关键步骤。夹具是连接试件与振动台的连接器,振动夹具的一阶固有频率是衡量夹具设计可靠性的重要参数之一,也是振动试验可靠性的关键因素之一。夹具的通用性是一个夹具设计者经验的体现，反映了设计者的设计水平。评价夹具设计主要包括两个方面：固定产品的方便性与可靠性、振动的传递特性。而振动夹具的传递特性主要由其刚度与阻尼决定。夹具的静态设计首先要满足将产品固定在台面上的要求，同时还应保证安装产品后不超出振动台的推力范围。振动夹具是用来连接产品与振动台，进行振动试验的，区别于静力试验。振动夹具更注重振动的传递，能不能把振动台的振动有效地传递给产品是振动夹具合适与否的关键。一个好的夹具应该将振动试验台面的运动不失真的传递给试件,即要求振动夹具在整个试验频率范围内的传递系数,在实际情况中很难达到这一点。故根据强迫振动的振幅频率特性当振动台的振动频率的时候将发生共振。因此要使振动夹具的最低固有频率尽量远离振动试验频带根据雷达整机可靠性鉴定试验夹具结构设计的规定夹具应在0～500hz范围内工作。设计中应尽量远离f1、f2、f3、f4频率点,并尽量提高其自身的固有频率因为此振动夹具的体积较大、结构较复杂计算固有频率有一定困难。由于振动夹具固有频率的计算使用邓柯莱方法就是一个估算,存在一定的误差,其次在计算过程中采用选择较弱的构件而忽略相对较强的构件进行固有频率计算,虽然大大简化了计算但也存在一定的误差,另外在测试中控制点和响应点的设置位置对测试结果有直接的影响,因此导致夹具的固有频率与计算值有差异通常是允许的。夹具是将振动台的激励力不失真地传递给受试设备的传力构件,在以前大多数有关夹具设计及模态分析的论文中,把夹具与基础的连接简化为刚性连接,再通过有限元分析给出了夹具的前几阶模态,但在实际使用时,夹具的实测共振频率与主模态理论值有较大的偏差。在夹具设计制造过程中，夹具的动力学特性已经被认为是评价夹具的重要指标，但是对于结构复杂的夹具很难按图纸准确地计算出其动力学特性。传统的方法是在夹具制作完成后，通过正弦扫频试验、宽带白谱随机振动试验和标志测试分析试验等方法测试出夹具的动力学特性。这样就不可避免要对已制成的夹具进行修改，采取增加连接螺钉的个数、增大螺栓的预紧力、增添加强筋、改善局部刚度等措施。很多复杂夹具要经过多次修改才能满足使用要求，造成人力、物力和时间上的浪费，延长产品的研制周期。

机载蒙皮天线是一种与飞机共形且蒙皮外缘形状不定的夹具专用性强、设计难度大的天线。由于天线与蒙皮共形，导致蒙皮天线存在大量曲面、跨度大、过度柔等问题。在飞行过程中，外蒙皮受到多种类型的振动载荷，因此，机载蒙皮天线振动试验夹具的设计是一个系统工作，需要综合考虑很多问题。机载蒙皮天线的振动试验是评价其力学环境适应能力的最主要手段。为了降低振动的激振频率达到抑制共振，机载蒙皮天线振动试验夹具作为产品和振动台的连接件，起模拟产品真实安装环境、传递振动能量的作用，机载蒙皮天线振动试验夹具设计的成功与否直接影响振动试验的结果。在具体试验实践中，对夹具的要求是多种多样的。另外，夹具的设计要求夹具的一阶谐振频率要大于产品的一阶谐振频率，而实际情况下，特别是较大、较薄夹具，谐振频率一般较低，很难满足要求。一个好的夹具，不仅仅能保证试验的顺利进行，同时能使试验事半功倍，提高效率。另外，夹具的设计对试验成本影响也很大。因此夹具的设计者在试验中扮演着重要的角色。振动试验的成功与否，试验结果的可信度，与试验夹具设计、制作及安装使用水平息息相关。

传统的盒式蒙皮天线振动试验夹具一般都采用胶砂模具，传统盒式蒙皮天线振动试验夹具的型面是在刮架上用刮板旋刮而成的，制作是采用刮板旋刮成型而后打磨的方法，这种制作盒式蒙皮天线振动试验夹具的方式，除了刮板需要数控加工成型外，几乎不用什么加工设备，因此制作简单，成本较低，长期以来被广泛采用。但对于盒式蒙皮天线振动试验夹具来讲，这种方法具有很大的局限性。出现的问题主要体现在如下两个方面：裕量的不均匀性。加工裕量较大，造成了数控加工工时较多。分析其原因主要是由于合板制作的刮板见水后发生了翘曲变形，使得刮出的型面很粗。目前天线振动试验夹具设计方法主要依赖经验设计法进行迭代设计，经验设计法即根据工程经验设计夹具，然后通过振动试验或有限元模拟检验夹具性能。在现有技术的公开文献中，电子机械工程.2008,24(5):51-54.)。袁新江等对分体式天线座设计了分体式天线座夹具psd谱分析和实验研究，并对夹具进行有限元模态及psd谱分析。2003,23(3):210-232.某机载雷达天线振动试验夹具设计，刘继承,周传荣.刘继承等根据某机载雷达振动试验条件及有关振动环境试验夹具设计规范，对该天线中块振动试验夹具进行了结构动力特性设计。上述经验设计法是工程中最常见的一种设计方法，但是存在通用性差、设计周期长等问题。蒙皮天线要与蒙皮天线共形，蒙皮形状差异大，每个蒙皮天线均需专门设计，目前还不存在通用设计方法。因此，迫切需要一种针对盒式蒙皮天线夹具的通用设计方法来缩短设计周期。

技术实现要素：

本发明的目的是针对蒙皮天线蒙皮外缘形状不定以及与飞机共形的特点导致的专用性强、设计难度大的问题，为了解决现有技术中存在的缺点，基于蒙皮天线的结构特征而提出的一种设计周期短、刚度好，具有良好的结构工艺性，较低的夹具制造成本，夹具元件的通用化和标准化程度高的盒式蒙皮天线振动实验夹具通用设计方法。

本发明为了实现上述目的，解决上述技术问题，采用以下技术方案：一种制备通用盒式蒙皮天线振动试验夹具的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：根据夹具的实际使用情况,分析零件的作用、形状、重量、刚度、结构特点、材料硬度，以z向振动为主,将夹具分解成板、梁、加强筋若干组成部分，根据天线蒙皮外形和试验要求进行夹具的结构设计，建造夹具原始三维实体模型：以夹具安装中心轴线，将盒式蒙皮的天线蒙皮2安装孔圆心投影到振动台上，并将这些蒙皮安装孔投影点连成折线6，通过折线6与底板孔的交点定位底板外边缘线11和底板内边缘线12，再对底板厚度赋值得到底板实体外形，对底板开沉头孔，绘出工件轮廓线，作为设计的模特，并布置图面，得到下天线盒体1的底板模型初始外形；

步骤2：根据底板外边缘线13和内边缘14中线定位侧板投影中心线位置，以底板内边缘转折点为准画水平线15和底板内边缘转折点为准的竖直线16定位竖向加强筋中心线17，同理可得竖向加强筋中心线18，然后在竖向加强筋两侧增加两条加强筋，对侧板、侧板加强筋赋值厚度，侧板赋值高度可以得到下盒体的侧板模型初始外形；

步骤3：以天线盒体1包络及蒙皮安装孔连线的中线19作为上盒体3侧板内边缘及上盒体的底板内边缘线12，以下盒体4的底板外边缘线13作为上盒体底板的外边缘线，采用盒体的底板外边缘线13和中线19，切割下盒体4侧板的横向加强筋中心线17得到上盒体侧板加强筋中心线20，对底板、侧板、侧板加强筋赋值厚度，侧板赋值高度，并采用蒙皮下曲面切割侧板可以得到上盒体3模型初始外形；

步骤4：根据工程应用需求细化夹具外形，得到夹具最终外形，并通过有限元仿真验证夹具的可靠性。

本发明具有如下有益效果。

本发明根据夹具的实际使用情况,分析零件的作用、形状、重量、刚度、结构特点、材料硬度，确定夹具总体布局和夹具体的结构形式和定位元件在夹具体上的位置，将盒式蒙皮的天线蒙皮2安装孔圆心投影到振动台上，并将这些蒙皮安装孔投影点连成折线6，通过折线6与底板孔的交点定位底板外边缘线11和底板内边缘线12，再对底板厚度赋值得到底板实体外形，对底板开沉头孔，绘出工件轮廓线，作为设计的模特，并布置图面，得到下天线盒体1的底板初始外形；结构简单、紧凑，尺寸要稳定，残余应力要小，具有良好的结构工艺性。

本发明以天线盒体1包络及蒙皮安装孔连线的中线19作为上盒体3侧板内边缘及上盒体的底板内边缘线12，以下盒体4的底板外边缘线13作为上盒体底板的外边缘线，采用盒体的底板外边缘线13和中线19，切割下盒体4侧板的横向加强筋中心线17得到上盒体侧板加强筋中心线20，对底板、侧板、侧板加强筋赋值厚度，侧板赋值高度，并采用蒙皮下曲面切割侧板可以得到上盒体初始外形。能保证夹具具有一定的使用寿命和较低的夹具制造成本。

本发明以天线盒体1包络及蒙皮安装孔连线的中线19作为上盒体3侧板内边缘及上盒体的底板内边缘线12，以下盒体4的底板外边缘线13作为上盒体底板的外边缘线，采用盒体的底板外边缘线13和中线19，切割下盒体4侧板的横向加强筋中心线17得到上盒体侧板加强筋中心线20，对底板、侧板、侧板加强筋赋值厚度，侧板赋值高度，并采用蒙皮下曲面切割侧板可以得到上盒体初始外形。获得夹具元件的通用化和标准化程度高，并且便于夹具的制造、使用和维修。

本发明根据工程应用需求细化夹具外形，得到夹具最终外形，并通过有限元仿真验证夹具的可靠性。设计周期短、刚度好，制造精度和良好的结构工艺性，可以避免振动试验夹具设计的盲目性，减少因夹具的动力学特性不满足试验要求而进行的重复维修造成的人力、物力和时间上的浪费，提高工作效率和试验质量，缩短产品的研制周期，使振动试验夹具设计更加科学合理。振动试验表明:夹具的动态特性满足了振动环境试验夹具设计的要求。天线环境振动试验时,加速度谱密度值的控制误差明显小于±3db,完全符合有关振动环境试验规范的要求。

附图说明

图1是本发明盒式蒙皮天线夹具典型结构剖面图。

图2是图1下盒体底板设计示意图。

图3是图1下盒体侧板设计示意图。

图4是图1上盒体设计示意图。

图中标号解释：1天线盒体，2天线蒙皮，3上盒体，4下盒体，5振动台投影，6折线，7为通过振动台孔圆心的水平线，8为通过振动台孔圆心的竖直线，9为折线与水平线的交点，10为折线与竖直线的交点，11底板外边缘点，12底板内边缘点，13底板外边缘线，14底板内边缘线，15为底板外边缘和内边缘线的中线，16水平线，17竖直线，18横向加强筋中心线，19为竖向加强筋中心线，20为天线盒体包络在振动台上的投影,21为天线盒体包络及蒙皮安装孔连线的中线，22为上盒体的底板内边缘线，23为上盒体底板的外边缘线，24上盒体侧板加强筋中心线。

结合附图，详细说明本发明的具体实施方式。

具体实施方式

参阅图1-图4。根据本发明，包括如下步骤：

步骤1：根据夹具的实际使用情况,分析零件的作用、形状、重量、刚度、结构特点、材料硬度，以z向振动为主,将夹具分解成板、梁、加强筋若干组成部分,确定夹具的几何模型，根据天线蒙皮外形和试验要求进行夹具的结构设计，建造夹具原始三维实体模型：以夹具安装中心轴线，将盒式蒙皮的天线蒙皮2安装孔圆心投影到振动台上，并将这些蒙皮安装孔投影点连成折线6，通过折线6与底板孔的交点定位底板外边缘线11和底板内边缘线12，再对底板厚度赋值得到底板实体外形，对底板开沉头孔，绘出工件轮廓线，作为设计的模特，并布置图面，得到下天线盒体1的底板模型初始外形；

步骤2：根据底板外边缘线13和内边缘14中线15定位侧板投影中心线位置，以底板内边缘转折点为准化水平线16和竖直线17，并在水平线16下方设置横向加强筋中心线18，将横向加强筋中心线18位于振动台5投影孔水平线中线位置，同理可得竖向加强筋中心线19，然后在竖向加强筋两侧增加两条加强筋以增加振动台刚度。加强筋长度由此处底板内边缘和外边缘决定。对侧板、侧板加强筋赋值厚度，侧板赋值高度得到侧板模型初始外形，生成夹具下盒体的侧板初始外形；

步骤3：以天线盒体1包络及蒙皮安装孔连线的中线19作为上盒体3侧板内边缘及上盒体的底板内边缘线12，以下盒体4的底板外边缘线13作为上盒体底板的外边缘线，采用盒体的底板外边缘线13和中线19，切割下盒体4侧板的横向加强筋中心线17得到上盒体侧板加强筋中心线20，对底板、侧板、侧板加强筋赋值厚度，侧板赋值高度，并采用蒙皮下曲面切割侧板可以得到上盒体3模型初始外形。

步骤4：根据工程应用需求细化夹具外形，得到夹具最终外形，并通过有限元仿真验证夹具的可靠性。

以下通过某蒙皮天线用盒式振动夹具为实施例，详细论述盒式蒙皮天线夹具通用设计方法实施步骤，并基于有限元仿真研究盒式蒙皮天线夹具刚度是否满足设计要求，验证此方法的准确性，如图1所示，盒式蒙皮天线主要由天线盒体1和天线蒙皮2组成，夹具主要由上盒体3和下盒体4组成。本实施例包括如下步骤：

如图2所示，步骤1：生成夹具下盒体的底板初始外形。将盒式蒙皮的天线蒙皮2安装孔圆心投影到振动台上，并将这些蒙皮安装孔投影点连成折线6，绘制通过振动台孔圆心的水平线7和竖直线8，得到折线6与水平线的交点9(实心圆形)和与竖直线的交点10(实心方块)。对水平交点9左侧点左边第一个和第二个振动台圆孔圆心中点为底板外边缘点11(空心方块)，左侧点右边第一个和第二个振动台圆孔圆心中点为底板内边缘点12(叉形)，右侧点右边第一个和第二个振动台圆孔圆心中点为底板外边缘点11，右侧点左边第一个和第二个振动台圆孔圆心中点为底板内边缘点12，竖直交点10同理可得底板内边缘点12和外边缘点11。分别采用直线连接11和底板内边缘点12，得到底板外边缘线13和内边缘14，再对底板厚度赋值得到下盒体4的底板模型实体外形；

如图3所示，步骤2：生成夹具下盒体的侧板初始外形。根据底板外边缘线13和内边缘14中线15定位侧板投影中心线位置，以底板内边缘转折点为准化水平线16和竖直线17。水平线16下方设置横向加强筋中心线18，18位于振动台5投影孔水平线中线位置，竖向加强筋中心线19同理可得。然后在竖向加强筋两侧增加两条加强筋以增加振动台刚度。加强筋长度由此处底板内边缘和外边缘决定。对侧板、侧板加强筋赋值厚度，侧板赋值高度可以得到侧板模型初始外形。

步骤3：生成夹具上盒体的初始外形。如图4所示，以天线盒体1包络在振动台5上的投影20及蒙皮安装孔连线6的中线21作为上盒体3侧板内边缘线和上盒体的底板内边缘线22，以下盒体4的底板外边缘线13作为上盒体底板的外边缘线23，采用上盒体底板的外边缘线23和天线盒体包络及蒙皮安装孔连线的中线21，切割下盒体4侧板的横向和竖向加强筋中心线18和19得到上盒体侧板加强筋中心线24，对底板、侧板、侧板加强筋赋值厚度，侧板赋值高度，并采用蒙皮下曲面切割侧板可以得到上盒体3模型初始外形。

步骤4：根据工程应用需求细化夹具外形，得到夹具最终外形，并通过有限元仿真验证夹具的可靠性。采用这方法设计的盒式蒙皮天线振动实验夹具一阶模态大于700hz，加速度谱密度值的控制误差小于±3db。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。