摘" 要：汽车电子零部件振动测试夹具良好的传递特性是保证测试有效性的重要指标之一。夹具的刚度和强度不足影响振动测试结果准确性，从而影响产品可靠性和寿命评估的准确性，因此，研究夹具的振动传递特性尤为重要。以车载中控屏振动夹具为研究对象，根据有限元仿真分析理论计算其模态，仿真分析结果验证了夹具的传递特性满足设计要求。开展夹具的轻量化设计，使用模态叠加法对减重后的夹具开展谐响应分析得到其振动响应。实验验证了仿真分析结果的准确性，且轻量化设计结果满足要求。
关键词：振动传递特性；有限元；轻量化
中图分类号：TP39；TG75 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）23-0015-04
Research on Transmission Characteristics and Structural Optimization of Vibration Fixtures for Vehicle Central Control Screen
LI Liyu， FANG Jun
（Guangzhou Jingce Testing Technology Co.， Ltd.， Guangzhou" 510000， China）
Abstract： The good transmission characteristics of vibration testing fixtures for vehicle electronic components is one of the important indicators to ensure the effectiveness of testing. The insufficient rigidity and strength of the fixtures affect the accuracy of vibration testing results， thereby affecting product reliability and life evaluation accuracy. Thus， it is particularly important to study the vibration transmission characteristics of fixtures. Taking a vibration fixture of the vehicle central control screen as the research object， this paper calculates the modal according to the finite element simulation analysis theory， and the simulation analysis results verify that the transmission characteristics of the fixture meets the design requirements. It carries out lightweight design of the fixture and uses modal superposition method to conduct harmonic response analysis on the reduced weight fixture to obtain its vibration response. The experiment verifies the accuracy of the simulation analysis results， and the lightweight design results meet the requirements.
Keywords： vibration transmission characteristics; Finite Element Method; lightweight
0" 引" 言
随着汽车工业特别是新能源汽车的快速发展，智能化使得汽车电子零部件在整车的占比越来越高，电子零部件的可靠性也越来越重要[1]。振动测试是汽车电子零部件的重要测试项目之一，夹具是振动试验中的能量传输装置，其作用是将振动能量从振动台传递给试验样件，因此，夹具的设计和性能对振动试验的有效性有着直接的影响[2]。好的夹具应该能够准确真实地模拟实际工作条件下的振动特征，并能够稳定地传递振动能量给试验样件，以确保测试结果的准确性和可靠性，因此，研究夹具的传递特性，确保测试的有效性非常有必要。
近年来许多工程技术人员都对振动夹具开展了相关的研究。针对振动夹具基本设计准则方面，姜震等对小型汽车零部件振动夹具的基本要素进行了综述，提出了确保振动夹具刚性和质量轻的设计要求[3]。针对电池包振动夹具传递特性验证方面，岳炼对振动台、工装夹具和电池包进行扫频试验，验证了振动信号的准确传递[4]。邓传锦等提出集成电路振动夹具传递特性采用基于激光测振仪测量的无接触的样品端传递特性的测量方法[5]。针对振动夹具结构设计优化方面，孟金玲等针对电路板环境应力筛选试验的振动筛选提出了一种以电路板尺寸和固有频率为约束的工装设计方法[6]。陈腾飞使用拓扑优化和尺寸优化两种方法对夹具进行优化设计以实现设计目标等[7]。马正刚等对显控设备振动夹具设计及频率响应分析时采用了有限元分析的方法，分析了夹具的模态、随机振动和谐响应[8]。李楠等通过对振动台夹具进行有限元建模在此基础上就车身夹具系统进行了频响和疲劳分析，保证夹具设计质量[9]。相比以往的经验设计方法，本文以汽车电子车载中控屏的振动耐久测试夹具为研究对象，采用仿真分析的方法研究夹具的固有频率，并采用谐响应分析方法获得夹具的振动响应，在夹具设计之初就能获得夹具的力学特性，避免过多的实验验证。然后根据仿真分析的结果对夹具进行轻量化设计，最后采用实验和仿真相结合的方法，通过实测中控屏振动夹具谐响应，验证夹具的传递特性满足设计要求。
1" 模态分析理论基础
模态是指振动夹具在自由振动时的固有频率、振型和振幅等特征。模态是由夹具的结构本身特性、材料属性和固定方式决定的，与外部施加的载荷无关。夹具的模态参数可以更全面地反映夹具的传递特性，相比物理参数，更能从整体上揭示夹具的振动行为。通过研究夹具在不同固有频率下的振动特征和振型，这对于评估夹具的振动特性、确定其在不同频率范围内的响应、优化设计以及改善振动能量传递效果具有重要意义。
系统自由振动方程如式（1）所示：
（1）
其中，M、C和K分别为结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，该参数为产品的固有属性。Y为结构内各点的位移，为结构内各点的速度、为加速度响应。忽略阻尼的影响，对于无阻尼振动，得式（2）：
（2）
其中，Y为位移向量，α为相位角，根据式（2）得到式（3）：
（3）
求式（3）方程可得结构的n阶固有频率，一般分析中，需重点关注低阶的固有频率，特别是第一阶固有频率，根据各阶固有频率大小，可取前四阶固有频率及其振型进行分析。
2" 夹具有限元建模
有限元分析是一种广泛用于工程领域的数值计算方法，用于求解连续结构力学问题。有限元分析的离散化过程称为网格划分，它的基本思想是将复杂的连续结构离散化为有限个简单的几何单元，如四面体网格或六面体网格等，并对每个单元和节点进行计算，各个单元和节点传递力、位移等信息，最后将这些单元的计算结果组合起来，完成整个结构的计算。
2.1" 材料力学参数和模型
分析对象为车载中控屏振动夹具，材料一般为铝合金，本研究对象材料成分为6061铝合金，不考虑温度对材料参数的影响，其密度为2.770×103 kg/m3，弹性模量为71 000 MPa，泊松比为0.33。振动夹具的底板尺寸为12.0 mm，两边的肋板厚度为30.0 mm，重量为5.99 kg。
2.2" 网格划分
对初步设计的中控屏振动夹具进行有限元建模，首先需要进行网格划分，网格单元以6面体主导，6面体网格不满足时自动退化4面体网格，网格划分结果如图1所示。
为了保证仿真的准确性，需对划分的网格进行质量检查，网格质量检查的指标主要有单元质量、纵横比，雅克比系数、扭曲系数和平行偏差。中控屏振动夹具模型的网格划分单元数为48 228，节点数为200 989。单元质量结果中最优质量为0.999 9，平均质量为0.837 2，平均质量大于0.7，单元质量满足要求。纵横比最小值为1，平均值为1.875 3，单元纵横比平均值应小于7，因此纵横比满足要求。雅克比平均值为1.508 8，接近1为完美网格，因此雅克比满足要求。扭曲系数为0，该指标理想值为0，因此扭曲系数满足要求。平行偏差为0，该指标理想值为0，因此平行偏差满足要求。综上所述，振动夹具的网格划分质量满足要求。
2.3" 约束条件
对振动夹具的螺栓通孔施加固定约束，共对其中的8个螺栓孔施加全约束，如图2所示。
2.4" 模态仿真分析结果
对中控屏振动夹具进行模态分析，得到了夹具的力学特性，前四阶固有频率如表1所示。固有频率仿真计算结果表明，第五阶固有频率为2 124.5 Hz，已超过2 000 Hz，所以第五阶及以后的固有频率点不再进行分析。前四阶固有频率对应的振型如图3所示。
为了真实地体现系统的振动性能，需要振动夹具将振动台的输入能量尽可能不失真地传递给测试件，这就要求振动夹具的一阶固有频率远离激励信号的频率[10]。根据主机厂的要求，350 Hz以下不能出现共振频点，仿真分析结果表明，一阶固有频率远大350 Hz，因此所设计的夹具满足刚度要求，该夹具具有良好的传递特性。
3" 夹具轻量化
为了避免在振动过程中出现共振，要求尽可能提高振动夹具的固有频率，增加质量可以提高夹具的固有频率，但是振动设备的推力是有限的，重量过大的夹具振动过程对设备会造成损伤。因此在保证刚度足够的情况下，振动夹具的质量尽可能要轻。根据仿真分析结果，中控屏振动夹具存在过设计，需要对结构进行轻量化设计。振动夹具在减重的同时需要满足中控屏的结构尺寸安装要求，因此，仅对夹具的底板厚度以及两边肋板的厚度进行优化，结合中控屏的安装要求，将夹具的底板厚度减小为10 mm，肋板的厚度减小为20 mm，重量减轻为4.17 kg。结构减重后的模态仿真分析前六阶固有频率的结果如表2所示。
减重后的振动夹具固有频率有所降低，根据模态分析结果，为覆盖二阶固有频率，谐响应仿真分析扫频频率设置为10～1 200 Hz。根据主机厂给出的振动夹具传递特性测试条件作为基础激励，扫频速率为1 oct/min，振动加速度10 m/s2，阻尼系数为0.05，扫频方向为X、Y和Z三个方向。
谐响应仿真分析结果中，Z方向的频率响应如图4所示，频率895.99 Hz下其振幅频率响应为 1.036 9×10-4 mm，其加速度响应为3 286.1 mm/s2，最大von-Mises应力为0.306 MPa，最大变形量为 0.000 5 mm。X方向的频率响应如图5所示，频率1 058.1 Hz下其振幅响应为2.162 8×10-4 mm，其加速度响应值为9 598.5 mm/s2，最大von-Mises应力为0.549 MPa，最大变形量为0.000 6 mm。Y方向的频
率响应如图6所示，频率921.60 Hz下其振幅频率响应为2.263 7×10-4 mm，其加速度响应为27 455 mm/s2，最大von-Mises应力为0.141 MPa，最大变形量为0.001 3 mm。中控屏的振动夹具在固有频率附近存在振幅增强现象，但与其激励输入相比振幅频率响应较小，高频未发生共振现象。振动夹具在扫频的频率范围内具有良好的传递特性，减重后的振动夹具满足设计要求。
参与振动试验中振动量值的获得，最直接也是主要的单元之一是加速度传感器[11]。每个振动夹具和振动台台面上分别布置加速度传感器，电荷传感器直接输出高阻抗电荷信号，因此选择电荷耦合方式的
加速度传感器。振动台面的加速度传感器灵敏度为2.99 pC/（m/s2）。振动夹具上粘贴电荷耦合的加
速度传感器，其灵敏度分别为1.13 pC/（m/s2）、0.728 pC/（m/s2）和1.16 pC/（m/s2）。将夹具固定在振动台上，并确保其可靠连接，一般车载电子零部件的振动测试需要同时测试3个样品。为了确保振动传递的一致性，采取分体夹具的设计方式，即每个样品使用一套夹具进行固定。Z方向、X方向和Y方向3个振动方向的夹具安装和加速度扫频结果分别如图7、图8和图9所示。根据扫频测试结果，中控屏的振动夹具在扫频频率范围内不存在共振点，且其趋势和仿真分析的结果吻合。
4" 结" 论
经过减重后的中控屏振动测试夹具的一阶固有频率为923.91 Hz，远高于中控屏振动夹具传递特性要求的350 Hz以内不出现共振频率的要求。中控屏振动夹具的谐响应仿真分析和实验测试结果表明，3个振动方向低频段均未发生共振现象，高频段出现振幅增强情况，但是振幅响应较小。因此，振动夹具的动态传递特性良好，满足振动测试要求。
参考文献：
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[11] 符瑜慧，李雪松，杨红，等.振动试验中加速度传感器的选择 [J].环境技术，2009，27（3）：44-46.
作者简介：李立宇（1988—），男，汉族，广西梧州人，工程师，硕士，研究方向：电子产品环境可靠性、机械寿命；方军（1992—），男，汉族，江西景德镇人，工程师，本科，研究方向：车载电子产品环境可靠性。
