1、引言
振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)，有時(shí)被稱(chēng)為不正規(guī)技術(shù)。當(dāng)人們看到一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的夾具設(shè)計(jì)師不經(jīng)任何計(jì)算而設(shè)計(jì)出夾具，就加強(qiáng)了這種想法。如果某人要按分振動(dòng)教材書(shū)去設(shè)計(jì)，他就會(huì)立即感到，諸如剛度矩陣也都用不上。于是這種想法就更進(jìn)一步加深了。一些夾具設(shè)計(jì)者，只計(jì)算一些簡(jiǎn)支梁的振型，卻很少去計(jì)算整個(gè)夾具的響應(yīng)，只有及少數(shù)設(shè)計(jì)師能夠恰如其份地運(yùn)用邏輯程序去闡述并成功地設(shè)計(jì)夾具。許多評(píng)論者認(rèn)為，對(duì)一個(gè)夾具不可能作出滿(mǎn)意的分析。所以一個(gè)成功的設(shè)計(jì)，部分靠運(yùn)氣，部分憑經(jīng)驗(yàn)。
對(duì)夾具各個(gè)部分作出合理的逐步分析后，就能夠完成夾具的設(shè)計(jì)。夾具振動(dòng)的誤差，不會(huì)超過(guò)10%或20%，這樣的誤差通常是允許的。精度提得越高，需要花費(fèi)的時(shí)間和努力就越大。
在機(jī)械工程方面有一定學(xué)位的人，并不一定設(shè)計(jì)出好夾具；而許多沒(méi)有學(xué)位的人反到設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的夾具。對(duì)于夾具設(shè)計(jì)者，有了機(jī)械制造與電子學(xué)的基礎(chǔ)，加上工程經(jīng)驗(yàn)，特別是加工的經(jīng)驗(yàn)。其次單位內(nèi)外的制造的能力,就能制造出一個(gè)好的夾具。
2、夾具的作用
試驗(yàn)樣品的安裝有二種方法，一種是直接安裝在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上，另一種是通過(guò)過(guò)渡裝置安裝在振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面（即動(dòng)圈）上，這種過(guò)渡裝置在振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)中將其稱(chēng)為夾具。可見(jiàn)夾具的功用，就是將振動(dòng)臺(tái)（或沖擊機(jī)）的振動(dòng)和沖擊能量通過(guò)機(jī)械連接不失真、不放大、一比一的傳遞傳給試件，從而保證試驗(yàn)樣品經(jīng)受到所規(guī)定的試驗(yàn)應(yīng)力，當(dāng)然這是理想狀態(tài)。圖1給出的電—機(jī)械方塊圖，表示振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)各部分的關(guān)系：實(shí)線表示電能傳遞路線，虛線表示機(jī)械能傳遞路線。
3、夾具基本要求
上面已說(shuō)了振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)夾具的功用就是將振動(dòng)臺(tái)（或沖擊機(jī)）產(chǎn)生的機(jī)械能傳遞給試件。夾具在總體設(shè)計(jì)方面所遇到的困難是必須設(shè)計(jì)出重量最小、剛性最大、在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)共振的夾具。夾具設(shè)計(jì)往往取決于工程經(jīng)驗(yàn)，夾具設(shè)計(jì)一般比較費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，不僅要考慮夾具本身的特性，而且要盡量減少夾具與試件的相互影響。夾具設(shè)計(jì)應(yīng)包括分析和預(yù)計(jì)試件的最低階振型。
夾具設(shè)計(jì)的理論計(jì)算主要包括剛度、質(zhì)量和固有頻率三個(gè)基本參數(shù)。剛度包括剛體平移、剛體旋轉(zhuǎn)及剛體彎曲；阻尼并不明顯地改變固有頻率，僅改變振動(dòng)幅值。影響固有頻率的二個(gè)要素為質(zhì)量和剛性。對(duì)于復(fù)雜夾具的固有頻率，Dunkerley方程提供了一種方法，即通過(guò)結(jié)合復(fù)合結(jié)構(gòu)元件中的非偶合型固有頻率來(lái)估計(jì)系統(tǒng)的固有頻率。夾具設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行的幾個(gè)最基本設(shè)計(jì)如下。
（1）夾具的固有頻率應(yīng)滿(mǎn)足試驗(yàn)的頻率范圍
許多產(chǎn)品的可靠性與環(huán)境試驗(yàn)要求的試驗(yàn)頻率范圍一般為10～2000Hz，所有試驗(yàn)必須使用電磁振動(dòng)臺(tái)。電磁振動(dòng)臺(tái)是目前最先進(jìn)最常用的振動(dòng)臺(tái)，其最低頻率一般為5～10Hz，最高頻率可達(dá)3000～4000Hz以上。為了滿(mǎn)足10～2000Hz試驗(yàn)頻率范圍，在此頻率范圍，夾具的頻響特性要平坦，夾具設(shè)計(jì)和計(jì)算（或測(cè)定）時(shí)，其一階頻率應(yīng)高于最高試驗(yàn)頻率。這對(duì)于小型、簡(jiǎn)單夾具是易做到的，但對(duì)大型復(fù)雜夾具則很困難甚至是不可能的。即使這樣，設(shè)計(jì)計(jì)算（或測(cè)定）夾具的一階固有頻率也應(yīng)高于試件的一階固有頻率，以避免發(fā)身夾具與試件的共振偶合。溫馨提醒在確定試件的固有頻率時(shí)，可以把試件劃分為梁、板等元件，計(jì)算各個(gè)元件的固有頻率，然后用Dunkerley方程計(jì)算試件的固有頻率。
（2）對(duì)夾具重量（振動(dòng)臺(tái)額定推力）的驗(yàn)算
對(duì)夾具重量（振動(dòng)臺(tái)額定推力）的驗(yàn)算，主要考慮振動(dòng)臺(tái)的承載重量W和試驗(yàn)加速度a。當(dāng)正弦振動(dòng)試驗(yàn)的最大加速度為a時(shí)，振動(dòng)臺(tái)的正弦推力F應(yīng)大于W.a；當(dāng)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的總均方根加速度值已知為arms時(shí)，振動(dòng)臺(tái)的隨機(jī)推力F應(yīng)大于（W1+W2+W3）. arms。式中：W1：試驗(yàn)樣品重量，W2：夾具重量，W3：振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈重量。 設(shè)計(jì)用來(lái)支撐試件的夾具，試件的尺寸和形狀是必不可少的，因?yàn)樗鼈儧Q定夾具的尺寸和形狀。你還必須試件的重量和重心，至少也要估算出重心的位置，試件和夾具的合成重心盡可能精確地落在振動(dòng)臺(tái)的中心線上。
溫度對(duì)夾具的性能也是有影響的，當(dāng)一夾具要用于溫度振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，就要注意這一點(diǎn)，高溫可使金屬產(chǎn)生塑性屈服，低溫可使材料冷脆。
一個(gè)好的夾具至少應(yīng)滿(mǎn)足下列要求：
（1）在整個(gè)試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)，夾具的頻響特性要平坦，夾具的第一階固有頻率應(yīng)高于最高試驗(yàn)頻率，還應(yīng)避免發(fā)生夾具與產(chǎn)品的共振耦合。
（2）夾具與產(chǎn)品連接面上的各連接點(diǎn)的響應(yīng)要盡量一致，以確保試驗(yàn)時(shí)激勵(lì)輸入的均勻性。
（3）夾具的剛度質(zhì)量比要足夠大。
（4）夾具的阻尼要大，夾具共振時(shí)（第一階固有頻率），其品質(zhì)（放大）因數(shù)Q不應(yīng)大于4。
（5）夾具的質(zhì)量最好是試件的2～4倍。通常在估算振動(dòng)臺(tái)需要的推力的時(shí)，用此比值就行。
（6）夾具橫向運(yùn)動(dòng)（指垂直于激振方向）要盡量小。
接點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)都一致是困難的，在某些頻率下，出現(xiàn)相位和振幅的差別，其差別有時(shí)最高到50：1，這從臺(tái)面上幾個(gè)加速度計(jì)的輸出中就能看到。一個(gè)好的設(shè)計(jì)能夠部分地使差別減至最小，而且能夠在實(shí)驗(yàn)規(guī)范要求的頻率范圍內(nèi)，使得各加速度計(jì)之間的差別達(dá)到容許限度，很大程度上決定于夾具和振動(dòng)臺(tái)的尺寸。無(wú)論你的設(shè)計(jì)和制造出的夾具多么好，如果合力超出振動(dòng)臺(tái)規(guī)定的傾覆力矩，運(yùn)動(dòng)將不再是線性的，而且各加速度計(jì)輸出差別很大。
4、夾具的基本形式
夾具的種類(lèi)繁多，差別很大，從專(zhuān)門(mén)用途以及設(shè)計(jì)上的差別可分為：
（1）平板型夾具
平板型夾具的作用是把試件與振動(dòng)臺(tái)面連接起來(lái)，若沒(méi)有這樣的板，要使試件與振動(dòng)臺(tái)面直接連接進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)或沖擊試驗(yàn)，就很少有這種可能性。此外這種板減少了對(duì)振動(dòng)臺(tái)面上襯套的磨損以及襯套從臺(tái)面上脫出的危險(xiǎn)。
平板型夾具絕大部分是價(jià)值不大的消耗品，如簡(jiǎn)單的平板。但有些需精心制作。如需長(zhǎng)期的、大量的做試驗(yàn)用，這些板就應(yīng)當(dāng)精心設(shè)計(jì)。實(shí)際的例子就是，把大量零件放到一塊大型轉(zhuǎn)接板上在大振動(dòng)臺(tái)上做試驗(yàn)，這要比只是單個(gè)或有限個(gè)零件放在小振動(dòng)臺(tái)上做試驗(yàn)經(jīng)濟(jì)得多。一般地講，過(guò)度板的尺寸是任意的，直到和振動(dòng)臺(tái)面的直徑一般大（有時(shí)允許稍微超出一些）。厚度可以從2.5cm到15cm任選。埋螺釘頭的孔一般是用平底打孔鉆鉆成。并用鋼制平墊圈（機(jī)加工并淬火）以保護(hù)肩部。
（2）立方型夾具
立方體夾具主要用于小型零構(gòu)件的振動(dòng)沖擊試驗(yàn)?？梢灾苯庸潭ㄕ駝?dòng)臺(tái)上。也可以由過(guò)度板來(lái)固定。當(dāng)裝在頂面上的試件接受垂直方向的振動(dòng)沖擊時(shí)，其它四個(gè)平面（在四周上）都能接受到平行方向的振動(dòng)沖擊。四周上的任一快板均能轉(zhuǎn)900（在基平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)）用于經(jīng)受平行于基平面的二個(gè)方向的振動(dòng)或四個(gè)方向沖擊（沖擊有正向沖擊和反向沖擊之分，故比振動(dòng)多了二個(gè)方向）。
立方體上有螺釘襯套，用螺釘連接板（或者與試件直接相連）。夾具上還必需有連接氣、液、或電器的安裝孔。
（3）過(guò)度架型夾具
過(guò)度架型夾具主要用于整機(jī)產(chǎn)品的試驗(yàn)，這種夾具要根據(jù)試驗(yàn)樣品的形狀來(lái)設(shè)計(jì)。所以不同形狀的樣品，其夾具的形狀也不相同。過(guò)度架型夾具的形狀、剛度和強(qiáng)度要盡量接近樣品在實(shí)際使用中的情況。
（4）L形夾具
L形夾具的各部分可用螺接，亦可用粘結(jié)或焊接結(jié)合起來(lái)，或者用整塊料機(jī)械加工而成。
（5）T形夾具
T形夾具除了垂直平板裝在中心位置外，其他方面和L形夾具相類(lèi)似。試驗(yàn)件可以同時(shí)固定在垂直平板的兩面，只要夾具比試件重，就很容易做到使試件/夾具的組合重心通過(guò)振動(dòng)臺(tái)的軸線。除上述5種形式外，還有各種形式的夾具等。
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