朱學(xué)旺

（中國工程物理研究院總體工程研究所，綿陽 621900）

振動環(huán)境試驗控制允差的剪裁應(yīng)用

朱學(xué)旺

（中國工程物理研究院總體工程研究所，綿陽 621900）

從工程應(yīng)用的角度，本文分析討論了GJB 150.16A對振動環(huán)境試驗控制允差的要求。結(jié)果表明，GJB150.16A對控制允差的要求是靈活的，但是未規(guī)定RMS允差，容易造成過試驗或欠試驗，且對加速度譜密度的控制允差要求的表述存在著一定的模糊。文中給出了解決建議。

振動環(huán)境試驗；控制；控制允差；剪裁

概述

無論是直接應(yīng)用相關(guān)標準中推薦的預(yù)估數(shù)據(jù)，還是以特定裝備的測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在設(shè)計振動環(huán)境試驗條件時，一般都要考慮適度的附加裕度——允差。適度的允差或是為了包含哪些在制定振動環(huán)境試驗條件時不能涵蓋的環(huán)境因素，如最嚴重的工況、與其它環(huán)境因素（溫度、加速度）的疊加以及三軸向振動同時作用的耦合效應(yīng)等，或是因為測量數(shù)據(jù)不能涵蓋全部工況，如測點數(shù)量、測點可及性限制，還要考慮試驗實施過程的等效模擬，如用單軸代替多軸，用夾具模擬平臺等因素[1]。

實驗室試驗時，按照振動環(huán)境試驗條件允差實施試驗控制——控制允差。不同的控制允差實現(xiàn)代表了對試驗件的不同嚴酷程度的考核。文獻2簡單分析了不同的控制允差對疲勞損傷程度的影響。結(jié)果表明，相同的控制允差范圍（比如±3dB），當(dāng)波動模型不同時，疲勞損傷程度可以相差很大[2]。嚴格按照疲勞損傷程度來設(shè)計振動試驗控制允差不容易實現(xiàn)。現(xiàn)實的做法是，無論是引用預(yù)估數(shù)據(jù)作為試驗條件還是統(tǒng)計分析測量數(shù)據(jù)獲得試驗條件，一般都是直接按照標準中推薦的允差剪裁指南，確定具體的試驗控制允差。

GJB 150.16A-2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第16部分 振動試驗》（以下簡稱標準），是振動環(huán)境試驗研究中應(yīng)用最為廣泛的國內(nèi)標準之一。本文應(yīng)用其提供的剪裁指南，討論分析振動環(huán)境試驗控制允差的剪裁應(yīng)用。

1 標準中關(guān)于控制允差剪裁的提法

標準中關(guān)于允差剪裁的主要內(nèi)容包括：制定的

a)控制允差制定的原則：既可以單獨規(guī)定控制允差，也可以直接應(yīng)用標準推薦的控制允差，還可以根據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)的最小允差在試驗前經(jīng)由研制單位和用戶確認；

b)給出了推薦的控制允差的具體指標：最嚴格的要求（+2.0dB，—1.0dB），退一步的要求±3dB，最低要求500Hz以下±3dB、500Hz以上（3dB，—6dB）且超差帶寬限制在試驗總帶寬的5%之內(nèi)；

c)強調(diào)加速度總均方根值用于試驗監(jiān)測（如均方根值在檢查加速度控制譜的設(shè)定中的錯誤時是非常有用的），而不用于試驗的控制；

d)對加速度功率譜密度測量的精度要求給出了規(guī)定，如準確度要求為振動量級的±0.5dB以內(nèi)，分析帶寬應(yīng)不大于2.5Hz(25Hz以下）或不大于5Hz(25Hz以上），快速傅立葉變換的譜線數(shù)要求以及統(tǒng)計自由度要求等等。

2 控制允差的剪裁應(yīng)用

不難看出，標準對振動試驗控制允差的要求體現(xiàn)了剪裁思想。簡單地理解，我們既可以根據(jù)具體的試驗?zāi)康暮蛯崪y數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析評價獲得“另行規(guī)定”的控制允差，也可以按照標準之6.2.3.2～6.2.3.5的內(nèi)容確定控制允差，甚至當(dāng)我們無力實現(xiàn)標準所要求的允差時，還可以根據(jù)我們的能力來放寬允差要求。前面提到，自定義控制允差絕非易事，而放寬允差則是沒有辦法而采取的妥協(xié)。就算按照標準要求，確定某一具體振動項目的控制允差也會出現(xiàn)分歧。

1）標準中沒有對均方根值允差給出明確的要求，只是定性地要求“根據(jù)試驗變量和試驗設(shè)備來規(guī)定均方根監(jiān)測值的允差”。簡單的算例便可以說明，即使?jié)M足標準提出的最嚴格的控制允差要求（2.0dB或－1.0dB之內(nèi)）的試驗結(jié)果，也會出現(xiàn)我們不愿意看到的過試驗或欠試驗。設(shè)功率譜密度為平直譜隨機振動試驗。當(dāng)控制結(jié)果在全頻段均為2.0dB時，則實際實現(xiàn)的總均方根值為要求值的1.259倍，實際實現(xiàn)的加速度的峰值也是設(shè)計要求的1.259倍，這是明顯的過試驗；當(dāng)控制結(jié)果在全頻段均為－1.0dB時，則實際加載的總均方根值為要求值的0.891倍，峰值亦降低為設(shè)計值的0.891，這是明顯的欠試驗。不難驗證，對其它形狀功率譜曲線規(guī)定的隨機振動試驗也有類似結(jié)果。美軍標MIL-STD-810F METHOD 514.5VIBRATION 中對均方根值的允差的規(guī)定也存在著同樣的缺陷[3]。2008年頒布執(zhí)行的美軍MIL-STD-810G METHOD 514.6 VIBRATION中，對均方根值的允差給出了明確的規(guī)定:振動試驗的總均方根值的偏差不超過參考值的10%[4]。

2）標準中優(yōu)先推薦的控制允差（2.0dB或－1.0dB之內(nèi)）太過嚴格，以至于標準中都認為難以實現(xiàn)而給出了折中處理方案，“在任何情況下，整個試驗頻率范圍內(nèi)的允差應(yīng)不超過±3dB；500Hz以上可以為3dB，－6dB。這些超過允差的累積帶寬應(yīng)限制在整個試驗頻帶范圍的5%以內(nèi)”。遺憾的是，劃線部分又帶來了理解的歧義和執(zhí)行上的困難。5%的帶寬到底是指超過優(yōu)先推薦的控制允差（2.0dB或－1.0dB之內(nèi)）還是指超過±3dB允差的那部分帶寬，并不明確。

這一部分的表述與美軍標MIL-STD-810F METHOD 514.5 VIBRATION中相應(yīng)內(nèi)容是完全相同的[3]。也就是說，美軍標810F對振動試驗控制功率譜密度的控制允差同樣存在模糊之處?；仡橤JB 150.16，與之相關(guān)的描述是“控制點的測量功率譜密度與規(guī)定的功率譜密度相差不得超過±3dB”。在500～2000Hz范圍內(nèi)，允許容差（即允差）為－6dB，但累計帶寬不得大于試驗頻率范圍的5%，其描述明確易懂，為避免混淆還給出了圖示說明。

MIL-STD-810G METHOD 514.6 VIBRATION中，對相關(guān)表述進行了修改。首先宏觀要求要盡可能實現(xiàn)控制允差的最小化，然后給出了對控制允差的一般要求±3dB ，最后給出了當(dāng)出現(xiàn)超差時的放行處理辦法：500Hz以下 ±3 dB ，500 Hz以上±6 dB ，且?guī)捵疃嗖怀^試驗頻率范圍的5%[4]。

由此可見，MIL-STD-810G METHOD 514.6 VIBRATION對振動試驗控制允差的要求完全不同于810F。簡單地說，它不僅比810F（GJB 150.16A）要寬松，甚至比GJB 150.16還要寬松，5%帶寬的超±3dB控制譜密度可以達到±6 dB，而不是GJB 150.16要求的－6dB。

3 結(jié)論與討論

上述分析可以得出結(jié)論：

1)對RMS給出允差要求是必要的，以目前標準中推薦的預(yù)估數(shù)據(jù)作為試驗條件時，RMS值的允差按照不超過要求值的10%執(zhí)行是現(xiàn)實的；

2)除非另外規(guī)定，加速度譜密度的控制允差一般不要執(zhí)行“2.0dB或－1.0dB之內(nèi)”的要求，當(dāng)按照標準規(guī)定的允差要求進行試驗設(shè)計時，直接應(yīng)用±3dB允差，高頻可以放寬至－6dB(有時甚至可以放寬至±6dB)，允許放寬的累計帶寬為試驗帶寬的5%。

值得注意的是，在上述分析中，并沒有涉及加速度譜密度測量的精度問題。實際中，因為加速度譜密度為間接測量量，其測量結(jié)果是加速度測量結(jié)果經(jīng)過適當(dāng)方法獲得的估計值，而一個隨機統(tǒng)計量的估計的精度受多種因素的影響。也許正是因為這些復(fù)雜性，在MILSTD-810G METHOD 514.6 VIBRATION討論允差之前明確說明沒有考慮加速度譜密度的測量不確定度。另外如何正確理解和應(yīng)用標準中對振動測量提出的“其準確度為振動量級的±0.5dB之內(nèi)”的要求，也是值得研究討論的。

[1] GJB 150.16A-2009，軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第16部分 振動試驗[S].

[2]朱學(xué)旺.基于疲勞損傷分析的振動試驗控制誤差評價[J].航天器環(huán)境工程，2007，24(3)：182-186.

[3] MIL-STD-810F，Environmental engineering considerations and laboratory tests, METHOD 514.5VIBRATION[S].

[4] MIL-STD-810G，Environmental engineering considerations and laboratory tests ,METHOD 514.6 VIBRATION[S].

Clipping Application of the Control Tolerance of Vibration Environment Test

ZHU Xue-wang
（Institute of Systems Engineering ,CAEP, Mianyang 621900）

This paper analyzes and discusses the requirements of GJB 150.16A for the control tolerance of vibration environment test from the perspective of engineering application. The result shows that the requirements on the control tolerance in GJB 150.16A is flexible. However, due to no stipulation on RMS tolerance, it will easily result in over-test or under-test; and the description on the control tolerance of the PSD (Power Spectral Density) of an acceleration signal is fuzzy to some extent. The suggestion is presented in the paper for clipping the control tolerance.

vibration environment test；test control；control tolerance；clipping

O346.5

A

1004-7204（2014）01-0060-03

朱學(xué)旺（1963- ），男，湖北鄂州人，研究員，研究方向為復(fù)雜結(jié)構(gòu)動力學(xué)及振動環(huán)境試驗。