吳永亮 李小龍 衛(wèi)巍

（航天標準化與產品保證研究院，北京，100071）

國外力限振動試驗標準淺析

吳永亮 李小龍 衛(wèi)巍

（航天標準化與產品保證研究院，北京，100071）

文摘：介紹力限振動試驗技術以及國外相關標準情況，對比分析國外力限振動試驗標準的主要技術內容及其特點，針對國外力限振動試驗標準各技術內容的優(yōu)缺點，提出制定我國力限振動試驗標準的建議。

力限振動試驗；航天器標準；動力學環(huán)境試驗。

航天器在發(fā)射和動力飛行期間要經受振動、沖擊和噪聲等動力學載荷，為了保證航天器系統(tǒng)及其各分系統(tǒng)和部組件能夠經受住這些惡劣的動力學環(huán)境，必須在地面進行充分的動力學環(huán)境試驗[1]。在傳統(tǒng)的航天器振動試驗中，一般采用加速度控制方法。但是這種方法忽視了試驗夾具與真實飛行構型中安裝結構之間機械阻抗存在的差異性，往往導致“過試驗”現象[2]。而過試驗可能損壞航天器上部組件甚至主結構，降低航天器工作可靠性和壽命。因此，關于避免過試驗的研究逐漸受到了航天工程人員的重視。

目前，為避免發(fā)生過試驗，工程上常用兩種解決方法：一是采取傳統(tǒng)的加速度譜主動下凹或關鍵點響應限幅控制措施；二是采用加速度和力雙重控制方法（即力限控制技術）。加速度和力雙重控制方法與傳統(tǒng)的加速度控制方法相比，可以很好地緩解試驗件在共振時的過試驗問題，較真實地復現試驗件在發(fā)射狀態(tài)下系統(tǒng)共振時的響應情況，從而提高航天器力學環(huán)境試驗驗證的有效性與可靠性[3-4]。

1 力限振動試驗技術的發(fā)展及應用情況

1.1 力限振動試驗技術的發(fā)展

力限振動試驗技術是指：在傳統(tǒng)振動試驗加速度控制的基礎上引入力限控制條件，進行加速度和力雙重控制，監(jiān)測并限制試驗夾具與試驗件之間的界面力，使振動試驗中界面處的響應更能接近真實飛行的力學環(huán)境，從而緩解振動過試驗現象。

早在上世紀50年代，專家已經認識到振動過試驗帶來的危害，并開展了相應的研究。1960年，美國人莫柔（Morrow）提出了在試驗件和夾具間安裝力傳感器，通過控制試驗件輸入力來模擬機械阻抗的思路。1972年，專家們提出了有效質量的概念，這對力譜的確定具有重要意義。盡管力限技術的理論得到了發(fā)展，但由于力傳感器技術的限制，力限技術并沒有實現成熟的應用。直到1983年壓電石英傳感器的出現，才使得力限技術逐步進入實用。自1990年后，NASA和許多航天器制造商在所有重要振動試驗中都用力限技術替代響應控制技術。

1.2 力限振動試驗技術的應用

美國、加拿大和日本以及歐洲國家已在航天器研制工作中大量應用力限振動試驗技術。自1990年后，美國NASA和許多航天器制造商的重要振動試驗中都用力限控制技術替代響應控制技術。例如，美國在1991年3月進行了組件級和設備級的隨機振動試驗（AFM和WFPCII力限振動試驗）；1996年11月進行了整星級的隨機振動試驗（卡西尼航天器系統(tǒng)級力限振動試驗），如圖1所示。

圖1 正在進行垂向隨機力限振動試驗的卡西尼航天器

這些系統(tǒng)級、設備級和組件級力限振動試驗都取得了良好的試驗效果，特別是力限條件的預示和振動控制技術取得了相當大的進步。

2 國外主要力限振動試驗標準

針對力限振動試驗，國外制定了一些重要標準，而這些標準由于適用范圍、條件確定、控制方法以及力傳感器要求等內容不同，各標準之間存在著差異。

目前，國外重要的力限振動試驗相關標準主要有：國際標準化組織（ISO）標準ISO 17762《空間系統(tǒng)力限振動試驗》；美國航空航天局技術報告NASA-RP-1403《力限振動試驗專論》和技術手冊NASA-HDBK-7004B《力限振動試驗》。

2.1 ISO 17762《空間系統(tǒng)力限振動試驗》

ISO 17762是由德國起草的國際標準，從屬于空間系統(tǒng)及其技術應用分技術委員會的接口綜合與試驗工作組（SC14/WG2）。ISO 17762編寫的目的是：為各國進行空間航天器硬件設備振動試驗，提供力限振動試驗的方法，以及提供確定力限條件的方法。該標準主要規(guī)定了力限振動試驗相關技術方法，主要包括：①力限振動試驗的目標與特點；②力限振動試驗控制的方法；③力限條件的制定方法；④力限振動試驗規(guī)范。在附錄中給出了不同控制方法的試驗示例，用圖示的方式描述了試驗件、試驗臺、力傳感器與安裝支架之間的安裝結構，逐條詳細介紹了力限振動試驗流程。

ISO 17762適用于任何航天硬件力限振動試驗，也同時適用于阻尼情況對結果影響較大的振動試驗，例如飛行、鐵路或汽車運輸中的振動。在其內容中介紹了力限振動試驗的作用以及意義，力限振動試驗的優(yōu)缺點，特別是對比傳統(tǒng)振動試驗，給出了力限振動試驗可以降低共振載荷的量級參數，直觀具體說明了進行力限振動試驗的目的。

2.2 NASA-RP-1403《力限振動試驗專論》

NASA-RP-1403是由NASA噴氣動力試驗室（JPL）的動態(tài)環(huán)境工作組在1997年5月完成的，是關于力限振動試驗技術的發(fā)展史、理論以及方法應用的詳細報告。1993年，NASA建立了一項力限控制試驗方法基金，該基金旨在推動建立力限控制方法的技術標準、手冊和報告，而使該方法能夠在NASA各個研發(fā)中心及相關組織采用。該基金的主要成果便是NASA-RP-1403。

NASA-RP-1403介紹了力限振動試驗技術的歷史發(fā)展概況，從理論上詳細敘述了力限振動試驗的相關技術背景，介紹了力和加速度雙重控制理論，闡述了視在質量、有效質量和剩余質量的物理含義及計算公式，分類介紹了力限條件的制定方法及計算公式，給出了力限振動試驗的真實試驗數據。NASA-RP-1403是力限振動試驗技術的專題研究，其理論研究成果是力限振動試驗技術手冊（NASA-HDBK-7004）的理論依據。

NASA-RP-1403側重于理論分析和原理說明。從理論上敘述了力和加速度雙重控制方法，給出了理論基礎——戴維南和諾頓方程，推導出力和加速度雙重控制方程，但是未對力和加速度雙重控制方法的應用給出說明。

2.3 NASA-HDBK-7004B《力限振動試驗》

NASA-HDBK-7004發(fā)布于1996年5月16日，后經過兩次修訂。其7004 A版于2002年5月11日發(fā)布，對比原有版本，增加了新章節(jié)“6.0飛行與地面振動試驗數據對比”，新章節(jié)里包括2次實際飛行的測力數據。實際飛行的測量數據確認了力限的方法論，支持了力限方法的有效性。最新版本是7004 B，于2003年1月31日發(fā)布，主要對標準A版本進行了修訂。

該手冊協(xié)調、統(tǒng)一了NASA各機構的力限振動試驗標準，為NASA總部和各中心的NASA項目提供了力限振動試驗通用的基礎和依據，促進了力限控制技術的應用與推廣。NASA-HDBK-7004B規(guī)定了力限振動試驗的技術要求、方法和程序，并提供了豐富的實驗數據與實例。NASAHDBK-7004B主要內容有：①范圍（包括目的和適用性）；②儀器設備（如力傳感器預緊、力傳感器校核、力傳感器選型、力傳感器安裝）；③力限條件制定方法，簡單二自由度法、復雜二自由度法，并介紹了多自由度系統(tǒng)；④視在質量和有效質量的概念；⑤飛行測試與地面振動試驗數據對比等。

NASA-HDBK-7004B目的與適用范圍更多是從技術角度敘述了力限振動試驗的目標、定義，力限技術核心——力傳感器情況，描述了力限振動試驗技術發(fā)展的概況。該手冊適用于任何航天項目力限振動試驗。該手冊規(guī)定了耦合系統(tǒng)方法，通過有限元分析法與模態(tài)試驗法并列作為耦合系統(tǒng)方法中獲得有效模態(tài)質量的手段，從而最終計算出產品試驗的力譜。

這些資料主要內容各有側重，為科學、合理并且規(guī)范地開展力限振動試驗發(fā)揮了重要作用。我國力限試驗標準應充分汲取國外先進標準的經驗，擇優(yōu)采納國外先進標準的內容，發(fā)展制定適合于我國國情的力限振動試驗標準。

3 國外力限振動試驗相關技術標準、手冊的比較分析

國外力限振動試驗標準主要有目的與適用性、力限振動試驗控制方法、力譜條件制定方法以及力限振動試驗測力裝置要求等技術內容。針對這些標準的技術內容與特點，對比分析各項標準的技術內容及其優(yōu)缺點。

3.1 目的與適用性

NASA-HDBK-7004B的目的與適用范圍更多是從技術角度敘述了力限振動試驗的目標、定義，力限技術的簡要發(fā)展史，以及技術核心的力傳感器情況，體現了力限振動試驗技術發(fā)展的概況。ISO17762詳細的介紹了力限振動試驗的作用以及意義，力限振動試驗的優(yōu)缺點，特別是對比傳統(tǒng)振動試驗，給出了力限振動試驗可以降低共振載荷的量級參數，直觀具體的說明了進行力限振動試驗的目的。

3.2 控制方法

國外力限振動試驗標準的控制方法主要是基于力限幅值響應控制，并且必須由力傳感器對試驗件的受力情況進行測量。ISO17762給出了振動試驗的全部控制方法，但是沒有詳細講解控制策略，特別是力限振動試驗中的力和加速度控制策略。NASA-HDBK-7004B從力限振動試驗的力限控制方法方面講解了不同控制器下對應的力限控制策略，并對不同的控制策略進行了評價?？傮w來說，真正的力限振動試驗需要使用力和加速度雙重控制方法，控制器性能必須要滿足力限試驗各功能與參數要求。

3.3 力限條件制定方法

NASA-HDBK-7004B引用了NASA-RP-1403的力限條件制定方法，采取了不同的分類方式，包括：①耦合系統(tǒng)方法；②半經驗法；③設計載荷驗證法。但是NASA-HDBK-7004B僅敘述了耦合系統(tǒng)方法，分為簡單二自由度法和復雜二自由度法。NASA-HDBK-7004B并沒有將有限元分析法單獨作為力譜確定一種方法，而是作為耦合系統(tǒng)方法的一部分內容。有限元分析法與模態(tài)試驗法并列作為耦合系統(tǒng)方法中獲得有效模態(tài)質量的手段，從而最終計算出產品試驗的力譜。NASA-RP-1403是將三種方法并列介紹的，并說明了設計載荷驗證法的保守性最大，使用者只能根據自身的試驗條件情況確定具體方法。ISO 17762中明確提出半經驗法為最佳實踐方法。

3.4 力傳感器相關規(guī)范

在力限振動試驗中，力參數的測量和精度是保證試驗力限控制質量的關鍵。這里主要針對國外力限振動試驗標準中對力傳感器的類型選擇、安裝要求等方面進行對比分析。

a）力傳感器選型。ISO17762規(guī)定了壓電石英和應變式兩種力傳感器，但是并沒有對兩種傳感器的優(yōu)缺點進行對比，僅簡要的描述了兩種傳感器安裝位置的區(qū)別。NASA-HDBK-7004B在測量力傳感器類型上，推薦使用壓電石英力傳感器。

b）力傳感器安裝要求。ISO17762在力傳感器安裝位置上，規(guī)定了壓電力傳感器不應影響試驗臺的動態(tài)特性，但未說明如何不影響其動態(tài)特性。NASA-HDBK-7004B在力傳感器安裝要求上，說明了壓電石英力傳感器必須嵌入在試驗件和振動臺之間（串聯），并且需要特殊的固定件，加速度計需安裝在試驗件或振動臺的上面（平行）。

c）力傳感器預緊力。ISO17762對此方面內容沒有要求，而NASA-HDBK-7004B對測力傳感器預緊力進行了詳細規(guī)定，如通過螺紋螺釘或者柱頭螺栓施加預應力，這樣傳感器總在緊壓狀態(tài)，換能器上的靜態(tài)緊壓力是通過螺栓的靜態(tài)拉力來平衡的。

d）ISO 17762中說明了當使用傳統(tǒng)的力傳遞部件時，需要由螺栓或螺絲固定，但未說明如何校準，以及校準計算方法。NASA-HDBK-7004B給出了力傳感器校準的原因以及方法。

經過以上對比分析可以得出：①在目的與適用性方面，ISO17762對力限振動試驗的背景、目的以及優(yōu)缺點等內容進行了詳細介紹，而NASA-HDBK-7004側重于對標準自身制定情況的介紹；②控制方法方面，NASA-HDBK-7004對控制策略規(guī)定比ISO17762更為具體；③在力限條件制定方法方面，ISO17762對三種力限條件制定方法的規(guī)定較為全面、詳細；④對于力傳感器規(guī)范，NASA-HDBK-7004的本部分內容參考性強，有借鑒意義，而ISO17762對此部分內容規(guī)定較簡略。

4 我國力限振動試驗標準制定建議

未來隨著技術的進步以及應用范圍的增加，力限振動試驗將應用于更多的振動試驗領域。我國航天部門已經認識到力限振動試驗的優(yōu)越性和重要性，開展了大量的力限振動技術研究，取得了積極成果，航天科技集團公司已經發(fā)布了企業(yè)級標準《航天器系統(tǒng)級力限振動試驗方法》。為了推廣力限振動試驗技術，應在我國力限振動試驗技術研究成果的基礎上，借鑒國外力限振動試驗技術標準的有益經驗和先進內容，制定行業(yè)級以上的力限振動試驗標準，從而推動我國力限振動試驗技術的應用與發(fā)展，進一步提升我國航天器試驗水平，加快促進我國航天器總體設計能力的提高。為滿足試驗的實際需要，確保標準具有較強的實用性，對我國制定力限振動試驗方法標準提出以下幾點建議。

a）標準的引言部分建議給出實施力限振動試驗的目的及其優(yōu)缺點，供工程單位試驗時進行裁剪。ISO 17762對此部分內容進行了詳細的敘述，建議參考、轉化此部分內容。

b）建議明確力限試驗的定義和具體控制方法。NASA-HDBK-7004B對此部分內容作出了明確的規(guī)定，在制定力限振動試驗方法標準時可以借鑒參考。

c）建議對力限條件的確定方法以及各種方法的適用范圍作出詳細說明，可以將ISO 17762和NASA-RP-1403的相關內容作為參考依據。

d）建議規(guī)定力傳感器的選型、安裝、校準、施加預緊力等內容，以及力限振動試驗夾具的性能要求、安裝和使用要求等內容。NASAHDBK-7004B及ISO17762對該部分內容有較為詳細的描述，可以借鑒。

[1]馬興瑞，于登云，韓增堯，等．星箭力學環(huán)境分析與試驗技術研究進展[J]．宇航學報，2006，27（3）．

[2]Scharton T D.Force-limited vibration testing monogragh[R].NASA Report，1997.

[3]李正舉，馬興瑞，韓增堯．振動試驗力限條件設計復雜二自由度方法研究[J]．宇航學報，2011，32（1）．

[4]張俊剛，劉大志，方貴前．力限控制緩解“過試驗”原理分析與試驗驗證[J]．航天器環(huán)境工程，2008，25（6）．

吳永亮（1987年—），男，碩士，工程師，現主要從事航天總體、航天產品試驗技術標準化工作。

李小龍（1982年—），男，碩士，高級工程師/副所長，現主要從事航天總體標準化工作。