王 朋

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

某大型振動試驗工裝研究*

王 朋

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

機載雷達振動試驗是機載雷達研制過程中不可缺少的過程之一，而振動工裝設(shè)計的合理性決定了振動試驗的真實性和可靠性。傳統(tǒng)工裝設(shè)計忽略了振動正交耦合的影響，使雷達天線單元處于過試驗狀態(tài)，嚴重時會毀壞雷達天線單元。文中通過有限元仿真和試驗分析了某機載雷達天線單元振動工裝的振動特性。結(jié)果表明，該振動試驗工裝的固有頻率和振動傳遞率均滿足設(shè)計和試驗要求，但正交耦合現(xiàn)象較為明顯。最后對該工裝提出了設(shè)計改進措施，可為今后類似振動工裝的設(shè)計和研究提供有益的參考。

機載雷達；振動試驗；工裝；正交耦合

引 言

對于機載雷達天線單元，振動試驗是其研制過程中必須進行的環(huán)境試驗[1]，其目的是考核天線單元能否承受載機起飛、滑行及降落過程中可能遇到的振動和沖擊等動態(tài)環(huán)境。

隨著機載雷達天線單元的大型化發(fā)展，雷達天線(特別是懸掛結(jié)構(gòu))無法直接固定在振動臺面上進行試驗，因此需要設(shè)計振動工裝，將雷達天線單元與振動臺連接起來。振動工裝性能的好壞決定了振動試驗的可靠度和真實度。為了將振動臺的振動特性如實地傳遞給天線單元，環(huán)境試驗工裝不僅要有很好的剛度和強度，還要有較高的固有頻率，且其固有頻率一般要高于天線單元頻率的3～5倍[2]。

傳統(tǒng)的環(huán)境試驗工裝設(shè)計[2-3]只關(guān)注振動工裝的剛度、強度、固有頻率及工裝傳遞率，忽略了振動工裝正交耦合對測試件的影響。當正交耦合性較大時試件會處于過試驗狀態(tài)，嚴重時甚至會被毀壞。本文針對某機載雷達天線單元的振動試驗工裝進行分析與試驗測量，指出工裝設(shè)計中存在的問題，并提出設(shè)計改進措施，可為今后振動工裝的設(shè)計提供參考。

1 振動工裝設(shè)計

根據(jù)某機載雷達天線單元振動工裝系統(tǒng)要求和天線單元安裝要求，受振動臺擴展臺面限制，設(shè)計的振動工裝如圖1所示。

圖1 振動工裝

工裝設(shè)置4處吊點，安裝4個吊環(huán)螺釘，利用吊環(huán)螺釘將振動工裝吊起，用螺栓將振動工裝連接在振動臺面上，拆下吊環(huán)螺釘后，將雷達天線吊裝在工裝上，模擬雷達天線與載機的吊裝方式。安裝后的結(jié)構(gòu)試驗狀態(tài)如圖2所示。

圖2 試驗狀態(tài)

2 仿真分析

對振動工裝建立有限元模型(如圖3所示)，約束位置為與振動臺面的接觸部分。通過有限元分析得到的振動工裝模態(tài)參數(shù)見表1，其1階模態(tài)云圖如圖4所示。

圖3 工裝有限元模型

圖4 工裝1階模態(tài)

模態(tài)固有頻率/Hz振型1203.60Z向扭轉(zhuǎn)2205.20Z向扭轉(zhuǎn)+彎曲3221.65X向擺動4222.80X向扭轉(zhuǎn)+Z向彎曲5334.30Z向扭轉(zhuǎn)+彎曲6334.80Z向扭轉(zhuǎn)+Y向彎曲

由分析可知，振動工裝1階模態(tài)為203.6 Hz，天線單元的固有頻率為33.8 Hz,工裝1階固有頻率是天線單元的6.02倍，滿足設(shè)計要求。

3 試驗測量

在振動試驗中，按照振動試驗量級對工裝進行正弦掃描振動試驗[4]，測得其1階固有頻率為173.6 Hz，與仿真分析結(jié)果有一定的誤差，其主要原因是仿真建模時將螺栓連接當作剛性連接處理了。

在進行振動試驗時，試驗工裝的邊緣有一定的懸空。為了考察試驗的正交耦合性能，將天線單元安裝到振動工裝上，在天線安裝點處和臺面上分別布置測點，振動測點布置位置和方向見表2和圖5。為了測量振動傳遞到天線單元的響應(yīng)，在天線前端的1個安裝吊點處布置測點1；為了測量擴展平臺最外端的振動響應(yīng)，在擴展平臺懸臂最大處布置測點2；為了測量安裝架與擴展平臺連接處的響應(yīng)，分別布置了測點3和測點4；為了測量振動臺與擴展平臺中心處的振動響應(yīng)，布置了測點5。在Z向隨機振動下分別測量了各測點的響應(yīng)，結(jié)果見表3。各測點的加速度功率譜密度曲線如圖6所示。

表2 工裝各測點位置說明

圖5 工裝測點布置

測點響應(yīng)方向響應(yīng)RMS耦合比/%1X11.8g226.9Y3.0g57.7Z5.2g—2X1.9g23.5Y2.1g25.9Z8.1g—3X1.6g55.2Y2.1g72.4Z2.9g—4X1.7g51.5Y2.0g60.6Z3.3g—5Z4.9g—

圖6 各測點的加速度功率譜密度曲線

振動激勵的RMS值為4.8g，振動工裝與天線單元連接點的振動響應(yīng)RMS值為5.29g。試驗結(jié)果表明：工裝的傳遞率為1.10，滿足工裝設(shè)計要求。但是通過對比各測點數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：在測點1(天線單元與工裝連接點)的三向響應(yīng)數(shù)據(jù)中，Z向(振動方向)上的響應(yīng)RMS值為5.29g，X向和Y向上的響應(yīng)RMS值分別為11.8g和3.0g，與Z向響應(yīng)RMS值的比值分別為226.9%和57.7%，正交耦合非常明顯，特別是在X向上，其振動響應(yīng)RMS值為Z向的2倍多。從功率譜曲線的形狀和峰值位置可知，X向振動的能量主要集中在低頻段，其原因是天線和工裝在X向上的整體剛度較低。從轉(zhuǎn)接臺面上測點2、3、4的各向響應(yīng)RMS值對比可知，這幾點的振動耦合響應(yīng)雖沒有測點1明顯，但也存在著一定的正交耦合，且臺面上的振動響應(yīng)RMS值離散性較大。

4 工裝改進

通過實驗測量，發(fā)現(xiàn)造成正交耦合現(xiàn)象的主要原因是工裝在某一方向上的整體剛度較低。為了避免正交耦合現(xiàn)象的發(fā)生，使試驗件處于過實驗狀態(tài)，對工裝進行了改進，改進后的工裝如圖7所示。

圖7 改進后的工裝

為了對試驗工裝的動態(tài)特性進行有效檢定，采用基于模態(tài)法的正弦振動有限元分析，考察工裝結(jié)構(gòu)的傳遞性、正交耦合性、天線單元與試驗工裝連接各點振動響應(yīng)的均勻性等指標是否滿足設(shè)計要求。將試驗工裝上用于天線安裝的6個接口分別命名為AZD-1-1、AZD-1-2、AZD-1-3、AZD-2-1、AZD-2-2和AZD-2-3，如圖8所示。

圖8 試驗工裝天線單元安裝接口

通過有限元分析得到工裝Z向的正弦振動分析結(jié)果，包括各安裝接口的傳遞率曲線(0～1 000 Hz)、正交耦合比曲線(0～500 Hz)以及均勻性偏差曲線(0～1 000 Hz)，如圖9～圖11所示。

圖9 Z向試驗工裝傳遞率曲線

圖10 Z向試驗工裝正交耦合比曲線

圖11 Z向試驗工裝均勻性偏差曲線

從試驗工裝各安裝接口的均勻性偏差曲線可以看出，各安裝點的加速度響應(yīng)較為均勻；從工裝安裝接口的傳遞率曲線可以看出，除共振點外，其余傳遞率均小于2；試驗工裝結(jié)構(gòu)的正交耦合比在0～1 000 Hz范圍內(nèi)均低于0.6。通過仿真發(fā)現(xiàn)，改進后的工裝能夠滿足試驗要求。

5 結(jié)束語

機載雷達振動試驗是機載雷達研制過程中必不可少的過程之一，而振動工裝性能的好壞決定了振動試驗的可靠度和真實度。本文針對某機載雷達振動試驗工裝進行分析，探討了振動試驗工裝設(shè)計中應(yīng)注意的事項，指出傳統(tǒng)工裝設(shè)計只關(guān)注設(shè)計工裝的固有頻率及傳遞率，而忽略了工裝正交耦合現(xiàn)象對試驗的影響，從而使試驗件處于過試驗狀態(tài)，嚴重時甚至會毀壞試驗件。文中針對工裝提出了規(guī)避正交耦合性的設(shè)計措施，可供類似振動試驗工裝設(shè)計參考。

[1] 曹燎原, 田珂. 懸掛裝置連接框裂紋分析[J]. 失效分析與預(yù)防, 2012, 7(3): 188-191, 205.

[2] 田海英, 聶品, 董斌, 等. 一種航空遙感器動力學環(huán)境試驗工裝的設(shè)計與分析[J]. 長春理工大學學報, 2012, 35(4): 18-20.

[3] 黃佳婕, 衛(wèi)佳, 廖云龍. 衛(wèi)星電推進系統(tǒng)力學環(huán)境試驗工裝設(shè)計[J]. 火箭推進, 2013, 39(1): 72-76.

[4] 倪振華. 振動力學[M]. 西安: 西安交通大學出版社, 2007.

王 朋(1985-), 男, 博士, 工程師, 主要從事雷達結(jié)構(gòu)總體設(shè)計工作。

Research on a Large-scale Vibration Test Fixture

WANG Peng

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

The vibration test for the airborne radar is one of the indispensable processes in the radar design. And the performance of vibration fixture determines the authenticity and reliability of the vibration test. In the traditional fixture design the effect of quadrature is neglected. As a result, the radar antenna is in the over-test condition, even is destroyed in some serious cases. The vibration characteristics of the airborne antenna vibration fixture are analyzed by finite element method and experiment in this paper. The result shows that the vibration transmission rate and the natural frequency of the vibration fixture satisfy the requirements of design and test, but the quadrature phenomenon is obvious. Finally, the improvement measures are put fonward for this vibration fixture. This can provide good reference for further design and research of the similar vibration test fixture.

airborne radar; vibration test; test fixture; quadrature

2016-06-30

TN82

A

1008-5300(2016)05-0016-04