1、引言

振動和沖擊試驗夾具設計，有時被稱為不正規技術。當人們看到一個有經驗的夾具設計師不經任何計算而設計出夾具，就加強了這種想法。如果某人要按分振動教材書去設計，他就會立即感到，諸如剛度矩陣也都用不上。于是這種想法就更進一步加深了。一些夾具設計者，只計算一些簡支梁的振型，卻很少去計算整個夾具的響應，只有及少數設計師能夠恰如其份地運用邏輯程序去闡述并成功地設計夾具。許多評論者認為，對一個夾具不可能作出滿意的分析。所以一個成功的設計，部分靠運氣，部分憑經驗。

對夾具各個部分作出合理的逐步分析后，就能夠完成夾具的設計。夾具振動的誤差，不會超過10%或20%，這樣的誤差通常是允許的。精度提得越高，需要花費的時間和努力就越大。

在機械工程方面有一定學位的人，并不一定設計出好夾具；而許多沒有學位的人反到設計出優秀的夾具。對于夾具設計者，有了機械制造與電子學的基礎，加上工程經驗，特別是加工的經驗。其次單位內外的制造的能力,就能制造出一個好的夾具。

2、夾具的作用

試驗樣品的安裝有二種方法，一種是直接安裝在振動臺臺面上，另一種是通過過渡裝置安裝在振動臺的臺面（即動圈）上，這種過渡裝置在振動和沖擊試驗中將其稱為夾具?？梢妸A具的功用，就是將振動臺（或沖擊機）的振動和沖擊能量通過機械連接不失真、不放大、一比一的傳遞傳給試件，從而保證試驗樣品經受到所規定的試驗應力，當然這是理想狀態。圖1給出的電—機械方塊圖，表示振動試驗系統各部分的關系：實線表示電能傳遞路線，虛線表示機械能傳遞路線。

3、夾具基本要求

上面已說了振動、沖擊試驗夾具的功用就是將振動臺（或沖擊機）產生的機械能傳遞給試件。夾具在總體設計方面所遇到的困難是必須設計出重量最小、剛性最大、在試驗頻率范圍內不會發生結構共振的夾具。夾具設計往往取決于工程經驗，夾具設計一般比較費時、費力，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。夾具設計應包括分析和預計試件的最低階振型。

夾具設計的理論計算主要包括剛度、質量和固有頻率三個基本參數。剛度包括剛體平移、剛體旋轉及剛體彎曲；阻尼并不明顯地改變固有頻率，僅改變振動幅值。影響固有頻率的二個要素為質量和剛性。對于復雜夾具的固有頻率，Dunkerley方程提供了一種方法，即通過結合復合結構元件中的非偶合型固有頻率來估計系統的固有頻率。夾具設計時必須進行的幾個最基本設計如下。

（1）夾具的固有頻率應滿足試驗的頻率范圍

許多產品的可靠性與環境試驗要求的試驗頻率范圍一般為10～2000Hz，所有試驗必須使用電磁振動臺。電磁振動臺是目前最先進最常用的振動臺，其最低頻率一般為5～10Hz，最高頻率可達3000～4000Hz以上。為了滿足10～2000Hz試驗頻率范圍，在此頻率范圍，夾具的頻響特性要平坦，夾具設計和計算（或測定）時，其一階頻率應高于最高試驗頻率。這對于小型、簡單夾具是易做到的，但對大型復雜夾具則很困難甚至是不可能的。即使這樣，設計計算（或測定）夾具的一階固有頻率也應高于試件的一階固有頻率，以避免發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，可以把試件劃分為梁、板等元件，計算各個元件的固有頻率，然后用Dunkerley方程計算試件的固有頻率。

（2）對夾具重量（振動臺額定推力）的驗算

對夾具重量（振動臺額定推力）的驗算，主要考慮振動臺的承載重量W和試驗加速度a。當正弦振動試驗的最大加速度為a時，振動臺的正弦推力F應大于W.a；當隨機振動試驗的總均方根加速度值已知為arms時，振動臺的隨機推力F應大于（W1+W2+W3）. arms。式中：W1：試驗樣品重量，W2：夾具重量，W3：振動臺動圈重量。 設計用來支撐試件的夾具，試件的尺寸和形狀是必不可少的，因為它們決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臺的中心線上。

溫度對夾具的性能也是有影響的，當一夾具要用于溫度振動試驗時，就要注意這一點，高溫可使金屬產生塑性屈服，低溫可使材料冷脆。

一個好的夾具至少應滿足下列要求：

（1）在整個試驗頻率范圍內，夾具的頻響特性要平坦，夾具的第一階固有頻率應高于最高試驗頻率，還應避免發生夾具與產品的共振耦合。

（2）夾具與產品連接面上的各連接點的響應要盡量一致，以確保試驗時激勵輸入的均勻性。

（3）夾具的剛度質量比要足夠大。

（4）夾具的阻尼要大，夾具共振時（第一階固有頻率），其品質（放大）因數Q不應大于4。

（5）夾具的質量最好是試件的2～4倍。通常在估算振動臺需要的推力的時，用此比值就行。

（6）夾具橫向運動（指垂直于激振方向）要盡量小。

接點的運動都一致是困難的，在某些頻率下，出現相位和振幅的差別，其差別有時最高到50：1，這從臺面上幾個加速度計的輸出中就能看到。一個好的設計能夠部分地使差別減至最小，而且能夠在實驗規范要求的頻率范圍內，使得各加速度計之間的差別達到容許限度，很大程度上決定于夾具和振動臺的尺寸。無論你的設計和制造出的夾具多么好，如果合力超出振動臺規定的傾覆力矩，運動將不再是線性的，而且各加速度計輸出差別很大。

4、夾具的基本形式

夾具的種類繁多，差別很大，從專門用途以及設計上的差別可分為：

（1）平板型夾具

平板型夾具的作用是把試件與振動臺面連接起來，若沒有這樣的板，要使試件與振動臺面直接連接進行振動試驗或沖擊試驗，就很少有這種可能性。此外這種板減少了對振動臺面上襯套的磨損以及襯套從臺面上脫出的危險。

平板型夾具絕大部分是價值不大的消耗品，如簡單的平板。但有些需精心制作。如需長期的、大量的做試驗用，這些板就應當精心設計。實際的例子就是，把大量零件放到一塊大型轉接板上在大振動臺上做試驗，這要比只是單個或有限個零件放在小振動臺上做試驗經濟得多。一般地講，過度板的尺寸是任意的，直到和振動臺面的直徑一般大（有時允許稍微超出一些）。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（機加工并淬火）以保護肩部。

（2）立方型夾具

立方體夾具主要用于小型零構件的振動沖擊試驗?？梢灾苯庸潭ㄕ駝优_上。也可以由過度板來固定。當裝在頂面上的試件接受垂直方向的振動沖擊時，其它四個平面（在四周上）都能接受到平行方向的振動沖擊。四周上的任一快板均能轉900（在基平面內旋轉）用于經受平行于基平面的二個方向的振動或四個方向沖擊（沖擊有正向沖擊和反向沖擊之分，故比振動多了二個方向）。

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）過度架型夾具

過度架型夾具主要用于整機產品的試驗，這種夾具要根據試驗樣品的形狀來設計。所以不同形狀的樣品，其夾具的形狀也不相同。過度架型夾具的形狀、剛度和強度要盡量接近樣品在實際使用中的情況。

（4）L形夾具

L形夾具的各部分可用螺接，亦可用粘結或焊接結合起來，或者用整塊料機械加工而成。

（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形夾具相類似。試驗件可以同時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振動臺的軸線。除上述5種形式外，還有各種形式的夾具等。