許江文

（中國電子科技集團(tuán)第十八研究所，天津 300384）

影響振動環(huán)境試驗的若干關(guān)鍵技術(shù)要點解析

許江文

（中國電子科技集團(tuán)第十八研究所，天津 300384）

從振動試驗方案設(shè)計、試驗方法和步驟、試驗設(shè)備選擇、振動試驗控制方法等幾個方面對影響振動試驗的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的解析；并結(jié)合結(jié)構(gòu)動力學(xué)闡述了振動試驗夾具設(shè)計的注意要點。

振動；夾具；控制；結(jié)構(gòu)動力學(xué)

引言

環(huán)境振動是考核、評定產(chǎn)品的耐振動環(huán)境適應(yīng)性的一種重要研究手段。它通過在實驗室人工模擬場外振動環(huán)境條件來檢驗產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在實際使用過程中能否滿足要求，同時暴露產(chǎn)品的設(shè)計缺陷，為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，環(huán)境振動試驗在控制產(chǎn)品質(zhì)量中發(fā)揮了越來越重要的作用，有效地提高了產(chǎn)品可靠性[1]。

振動夾具是振動試驗臺和試驗產(chǎn)品的連接部件，試驗中要求它把振動試驗臺的能量不失真地傳遞到試驗產(chǎn)品上。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)本身的傳遞特性，試驗夾具在其固有頻率點的附近頻段內(nèi)使得傳遞的能量失真，如果試驗夾具的固有頻率和試驗產(chǎn)品的固有頻率重合，將對試驗產(chǎn)品產(chǎn)生更為嚴(yán)重的耦合作用，這樣試驗結(jié)果將嚴(yán)重失真。因此在實驗室模擬外場的振動試驗中，振動夾具的優(yōu)劣將直接影響整個試驗結(jié)果的有效性。除此之外，選擇合適的控制策略也能很好地彌補(bǔ)因夾具和試驗樣品結(jié)構(gòu)傳遞特性耦合帶來的不利影響。

1 振動試驗臺選擇

在進(jìn)行一項振動試驗時，如果選擇的試驗設(shè)備不合理，可能會使試驗不能順利進(jìn)行，甚至?xí)蛟O(shè)備超能力使用產(chǎn)生嚴(yán)重的事故。在選擇試驗設(shè)備時應(yīng)注意如下三個原則[2]：

1）根據(jù)被試產(chǎn)品（含夾具）的質(zhì)量和正弦振動的最大加速度值（或隨機(jī)振動的均方根值）的乘積、加上30%余量確定設(shè)備額定激振力。

2）根據(jù)試驗規(guī)范的頻率范圍選擇振動臺的上、下限工作頻率。

3）根據(jù)試驗規(guī)范的振動控制要求正弦振動、隨機(jī)振動等選擇振動臺應(yīng)配置的控制器。

由于目前廣泛應(yīng)用的是電動振動臺，本文以電動振動臺為例，說明在振動試驗前如何選擇合適的設(shè)備。圖1為振動臺的最大工作特性曲線，電動臺適應(yīng)的頻率范圍較寬，一般能達(dá)到2000Hz。其激振力的輸出能力與頻率范圍有關(guān)，在較高頻率段能輸出全激振力，低頻段由于受到最大位移的限制，其加速度值隨著頻率的下降而下降，中間頻率段為恒速度段，在該區(qū)域內(nèi)，設(shè)備將達(dá)到最大速度值。從上述可以看出，振動臺的最大位移、最大速度、最大加速度等指標(biāo)并不都能在全工作頻域內(nèi)得到滿足，因此在對被測對象進(jìn)行試驗前，必須對被測對象的振動參數(shù)進(jìn)行分析，合理地選用振動臺及測試儀器才能得到正確的結(jié)果。

確定額定激振力的大?。?/p>

這里m1為試件質(zhì)量；m2為夾具質(zhì)量；m3為動圈質(zhì)量；m4為擴(kuò)展臺面質(zhì)量。

當(dāng)根據(jù)式（1）確定了恒加速度區(qū)域的激振力和已知試驗加速度幅值a后，用下式即可計算出此試驗負(fù)載下的加速度和速度區(qū)的交越點：

然后用式（3）確定該交越點以下的速度區(qū)域內(nèi)頻率點各對應(yīng)的速度幅值的大小，當(dāng)計算值小于初步選定的振動臺的最大速度幅值時，試驗可行，反之則不行。

以同樣的方法驗證在位移區(qū)內(nèi)相應(yīng)的位移能否滿足要求。

2 振動試驗夾具的設(shè)計

試驗中，試件的固定和振動載荷的傳遞都是靠夾具來完成的，其動態(tài)特性的優(yōu)劣直接關(guān)系到試驗結(jié)果的真實性。理想的振動試驗夾具除了要滿足邊界約束條件和試驗設(shè)備能力外，還要求將激勵力不失真地傳遞給試件，這就必須對夾具的力的傳遞途徑、強(qiáng)度、剛度等作綜合考慮。

2.1 夾具設(shè)計常用原則

2.1.1 夾具材料要求

夾具材料應(yīng)選用剛度大、阻尼大、質(zhì)量輕的材料，如鎂、鋁及其合金，盡量不要使用優(yōu)質(zhì)碳素鋼。

圖1 振動臺最大工作曲線

2.1.2 對中要求

應(yīng)盡量設(shè)計重心較低且對稱的夾具。在垂直方向試驗時，通常要求試件和夾具的合成重心盡可能地與振動臺動圈的中心線重合，以避免由于重心不一致在振動試驗過程中振動臺臺面搖晃，造成對試件不應(yīng)有的沖擊應(yīng)力，從而導(dǎo)致振動臺臺面波形嚴(yán)重失真，甚至損壞振動臺（試驗時，送試方應(yīng)提供夾具和試件的重心位置及重量等相關(guān)參數(shù)）。

2.1.3 動力學(xué)傳遞特性要求[3]

夾具的振動傳遞特性原則上應(yīng)趨于1，這樣激勵力在通過夾具傳遞給試件的時候不會因夾具本身而放大或變小，能避免出現(xiàn)過試驗或欠試驗的情況。要滿足這一要求只有夾具是剛體時才能達(dá)到；實際上夾具本身不可能是完全剛體，當(dāng)試驗頻帶較寬時，在夾具的諧振峰處，夾具的振動傳遞率是大于 1 的，在該頻率值附近時試件處于過試驗；相反地，在峰谷處該頻率值附近時試件處于欠試驗。美國圣地亞實驗室針對不同大小的夾具，從經(jīng)驗上給出了夾具在試驗頻帶內(nèi)對共振峰的要求。除此之外，振動夾具的動力學(xué)特性通常應(yīng)滿足下列要求：

1）夾具的一階頻率。夾具的一階諧振頻率和試件的一階諧振頻率之比應(yīng)在0.5～1.4之間。

2）在整個試驗頻段內(nèi)，夾具的共振頻率點應(yīng)盡可能少，且品質(zhì)數(shù)Q應(yīng)小于 4 。

3）夾具與試件連接面上的各點的響應(yīng)要盡量一致，以確保試驗時輸入激勵的均勻性。

4）限定橫向運動量級：對非試驗方向的振動量值進(jìn)行規(guī)定，限定其小于某個值，一般橫向振動應(yīng)不大于30%，個別點也不應(yīng)超過50%。

2.2 夾具結(jié)構(gòu)形式

由于試驗產(chǎn)品門類多，形狀也不盡相同，人們很難用通用的夾具來完成試驗，需要結(jié)構(gòu)設(shè)計師或試驗工程師自行設(shè)計。一般按用途來分，夾具分為專用和通用兩種，專用夾具是專門為某個試驗設(shè)計的，通用夾具可用于多個不同試驗。夾具材料應(yīng)采用比剛度大、阻尼大的材料，鋁、鎂及合金是最常用的材料，表1列出了常用夾具材料的一些重要物理特性[5-6]。

常見的通用夾具結(jié)構(gòu)形式主要有平板、立方體、半圓形、臺面擴(kuò)展轉(zhuǎn)接板、方盒形、L形、T形、開口盒形等幾種，如圖2所示。

2.3 基于響應(yīng)加速度譜密度偏離度最小的振動夾具優(yōu)化設(shè)計

在某些特定設(shè)備的大型夾具設(shè)計過程中，雖然夾具設(shè)計人員希望自己設(shè)計的夾具特性能夠滿足上述通用要求，但是考慮到振動臺實際情況下多點加權(quán)控制和整個試驗頻段內(nèi)的動力學(xué)響應(yīng)特性耦合效應(yīng)，大部分夾具都很難達(dá)到設(shè)計要求的理想狀態(tài)，這就需要尋找一種更合理地設(shè)計方法。

夾具設(shè)計參數(shù)對傳遞特性影響，可以從傳遞函數(shù)的分析中看出[4]。系統(tǒng)具有N自由度時，系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)向量為ξ，假定只有在結(jié)構(gòu)的o點的作用有激振力0F，則有任一點i處的響應(yīng)iX將是：

表1 常用夾具材料特性參數(shù)

圖2 常見通用夾具結(jié)構(gòu)形式

振動環(huán)境試驗系統(tǒng)包括：振動臺體、夾具和試件，以夾具為研究對象，假定振動臺傳遞給夾具振動量級的傳力點位于振動臺面中心位置處的夾具上的點o上，夾具傳遞給試件的振動量級傳力點為試件與夾具得到安裝部位di（i = 1,2,3..,m），傳感器安裝位置為 ck（k= 1,2,...n），夾具設(shè)計參數(shù)向量為ξ，則有：

若是隨機(jī)激勵作用下，通過響應(yīng)與激勵協(xié)方差函數(shù)Fourier變換可得id，kc點相對于o點的加速度功率譜密度傳遞函數(shù)等式：

式中 Hξ,dio（f ）和 Hξ,cko（f）是與夾具設(shè)計變量參數(shù)向量ξ有關(guān)的頻響函數(shù)。

考慮到計算和測試時頻率是離散的，則有：

所以有：

代入式（4），

3 振動控制策略

在實驗室模擬場外振動環(huán)境試驗中，一般來說試驗樣品無法直接與振動臺連接，都是通過通用或某些專用夾具與振動臺轉(zhuǎn)接，所以在實驗室試驗中，振動臺、夾具、試驗樣品組成一個試驗系統(tǒng)。

GJB 150A中對試驗系統(tǒng)控制點的位置選擇有明確說明，一般選在試驗夾具上且最接近試驗產(chǎn)品與試驗夾具的連接點處。在實際試驗過程中，由于整個試驗系統(tǒng)之間的動力學(xué)耦合作用，使得試驗產(chǎn)品上產(chǎn)生的振動環(huán)境與理想的狀態(tài)不符，這將導(dǎo)致試驗產(chǎn)品的某些部分過試驗，而在其它某些特定部分欠試驗。在試驗夾具和試驗產(chǎn)品結(jié)構(gòu)無法進(jìn)一步改進(jìn)的情況下，采取適當(dāng)?shù)目刂聘纳圃囼炇д娉潭?，使試驗結(jié)果可信度更高是行之有效的方法[5]。

3.1 加速度輸入控制法

加速度輸入控制法是振動環(huán)境試驗的傳統(tǒng)方法。在這種控制方法中，加速度傳感器安裝在振動臺面上或與試驗件連接的夾具上。試驗時，根據(jù)規(guī)定的振動試驗譜產(chǎn)生振動抬得驅(qū)動信號，以反映預(yù)期使用過程中平臺產(chǎn)生的振動環(huán)境激勵。從理論上說，在振動臺、夾具、產(chǎn)品之間的動力耦合作用不會導(dǎo)致試驗結(jié)果產(chǎn)生明顯偏離的情況下，加速度輸入控制法是可靠的。因此該控制方法適用于試驗產(chǎn)品和重量相對于振動臺的試驗夾具可以看作是剛體的試驗。

3.2 力輸入控制策略

在振動臺、夾具和產(chǎn)品之間采用動態(tài)力傳感器連接，以反映預(yù)期使用過程中平臺與產(chǎn)品之間傳遞的動態(tài)界面力。振動試驗時，根據(jù)規(guī)定的振動試驗力譜或時間歷程，產(chǎn)生振動臺的驅(qū)動信號，并通過動態(tài)力傳感器的反饋信號對驅(qū)動信號進(jìn)行實時修正。

3.3 加速度限制控制策略

加速度限制控制法是對加速度輸入控制方法的一種改進(jìn)，目的是為了減小加速度輸入控制中由于振動臺、試驗夾具、試件之間的動力學(xué)耦合作用所造成的過試驗程度。與加速度輸入控制法不同的是，加速度限控制法除了在夾具上安裝控制傳感器外，還在試件的某些特定點上安裝監(jiān)測加速度傳感器，并規(guī)定振動試驗中這些特定點上的振動加速度響應(yīng)限值。

在振動試驗時，根據(jù)試件連接界面上規(guī)定的振動試驗加速度譜產(chǎn)生驅(qū)動信號，并通過控制加速度傳感器的反饋信號對驅(qū)動信號進(jìn)行實時修正，以保證夾具、試件界面處達(dá)到規(guī)定的振動量級。但是當(dāng)某些頻段上出現(xiàn)監(jiān)測加速度傳感器的振動響應(yīng)值超過預(yù)先設(shè)定的限制譜時，可對輸入進(jìn)行修改以將監(jiān)測加速度傳感器的振動響應(yīng)控制在規(guī)定的限制譜內(nèi)。加速度限控制法實際上是對振動試驗輸入譜的某些頻段進(jìn)行下凹處理，這種方法也稱為帶谷控制。

3.4 加速度響應(yīng)控制策略

對于加速度響應(yīng)控制法，振動試驗條件一般是由試驗件上特定點的加速度響應(yīng)值規(guī)定的。與加速度輸入控制不同，基于響應(yīng)模擬原理的響應(yīng)控制，只需試驗件有足夠的運動自由度上的振動加速度值滿足要求即可。

采用加速度響應(yīng)控制法時，控制點選在試驗條件規(guī)定的試驗產(chǎn)品的特定點上，試驗條件輸入和過程控制與加速度輸入法一樣。但是當(dāng)某些試件或夾具的響應(yīng)動態(tài)范圍過大時，采用該方法很可能出現(xiàn)振動試驗失控而損壞試驗產(chǎn)品的情況，所以在選擇該控制策略時要特別注意。

4 結(jié)束語

振動是力學(xué)環(huán)境試驗中最為常見的一項環(huán)境試驗，試驗過程的失誤，會造成錯誤的實驗結(jié)果判斷，會給設(shè)計提供不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)資料，甚至?xí)斐蔁o法估計的嚴(yán)重后果。試驗方案的設(shè)計、試驗樣品的合理安裝、試驗夾具的合理設(shè)計與使用、控制點與測試點的選擇、試驗設(shè)備的選擇、試驗數(shù)據(jù)的采集、分析與處理以及試驗測試方案的確立等都會影響到整個試驗的有效性。

[1]《力學(xué)環(huán)境試驗技術(shù)》編著委員會,力學(xué)環(huán)境試驗技術(shù)[M]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2003：10-15.

[2]邱景湖,鐘瓊?cè)A. 振動與振動試驗設(shè)備[M]. 蘇州：蘇州試驗儀器總廠, 2004.

[3]王東. 振動試驗夾具的設(shè)計制作技術(shù)[J]. 現(xiàn)代防御技術(shù), 1997,（3）：10-12.

[4]李奇志. 環(huán)境振動試驗若干技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué), 2013.

[5] GJB 150A-2001,軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法[S] .

許江文 ，1980.11，男，湖北人，工程師，從事系統(tǒng)工程，最終檢測方面的研究工作。

Analysis on Some Key Technologies of Impact Vibration Environment Test

XU Jiang-wen
(18th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Tianjin 300384)

This paper detailedly analyzes the key technologies of vibration test from the perspectives of scheme design, test method and steps, choice of test equipment, control method, etc. Besides, it expounds the key points of the fixture design of vibration test combined with structural dynamics.

vibration; fixture; control; structural dynamics

TB123

B

1004-7204（2015）03-0010-04