翟喚春,趙 鑫,孔小林,李 博

(中國華陰兵器試驗中心,陜西華陰 714200)

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基于力學(xué)環(huán)境實測的某型導(dǎo)彈振動試驗條件制定

翟喚春,趙 鑫,孔小林,李 博

(中國華陰兵器試驗中心,陜西華陰 714200)

為了提高導(dǎo)彈實驗室可靠性鑒定試驗的可信性,首要的是準確復(fù)現(xiàn)導(dǎo)彈發(fā)射飛行環(huán)境條件。文中在對某型導(dǎo)彈發(fā)射飛行力學(xué)環(huán)境實測的基礎(chǔ)上,對獲得的實測數(shù)據(jù)進行了必要的分析處理,給出了振動實測譜和規(guī)范譜的歸納方法。在此基礎(chǔ)上,形成了用于實驗室可靠性鑒定試驗的振動試驗條件。實踐表明該方法滿足工程應(yīng)用需要,操作步驟取舍得當,易于實現(xiàn)。

導(dǎo)彈;實測;振動試驗

0 引言

導(dǎo)彈發(fā)射沖擊和自由飛振動等動力學(xué)環(huán)境是導(dǎo)彈研制和試驗過程中必須予以關(guān)注的關(guān)鍵因素。在實驗室內(nèi)能否科學(xué)的進行可靠性鑒定試驗,首要的是準確復(fù)現(xiàn)導(dǎo)彈發(fā)射飛行環(huán)境條件,難點至少包括兩個:一是導(dǎo)彈發(fā)射飛行過程力學(xué)環(huán)境實測,二是科學(xué)的制定振動沖擊試驗條件。

為了盡可能讓試驗條件反映導(dǎo)彈發(fā)射飛行實際情況,開展環(huán)境實測是最好的選擇[1]。但與地面產(chǎn)品環(huán)境實測不同的是,導(dǎo)彈發(fā)射飛行環(huán)境測試技術(shù)難度大、風(fēng)險高。

至于實測數(shù)據(jù)的歸納,文獻[2-3]對隨機振動實測譜和規(guī)范譜的歸納過程進行了描述,可以把屬于同一總體的各次測量歸納為一個實測譜和規(guī)范譜。但導(dǎo)彈飛行過程以及實際測試都表明導(dǎo)彈飛行經(jīng)歷了不止一種狀態(tài),不同狀態(tài)的隨機振動樣本差別明顯,不屬于同一總體。對于不同狀態(tài)、不同測量區(qū)域這種不同總體的隨機振動實測譜歸納問題,有關(guān)文獻提出了狀態(tài)區(qū)域數(shù)據(jù)歸納的基本思路[4-5]。

文中采用以下方法步驟進行處理:

1)對同一狀態(tài)、同一發(fā)導(dǎo)彈的不同振動數(shù)據(jù)段取最大值包線,用以代表該發(fā)導(dǎo)彈該狀態(tài);

2)對同一狀態(tài)、不同發(fā)導(dǎo)彈的最大值包線求容差上限,即該狀態(tài)的實測譜;

3)對不同狀態(tài)容差上限勾勒包絡(luò)折線,即振動規(guī)范譜;

4)將規(guī)范譜修訂為試驗條件。

實踐表明該方法滿足工程應(yīng)用需要,操作步驟取舍得當,易于實現(xiàn)。

1 導(dǎo)彈發(fā)射飛行過程力學(xué)環(huán)境實測

根據(jù)導(dǎo)彈的實際情況、測試系統(tǒng)成本及以往的測試經(jīng)驗,計劃在彈體戰(zhàn)斗部安裝一只三軸向振動傳感器。測試方法參考文獻[6]。測試系統(tǒng)之間性能指標為:

傳感器指標:靈敏度為3 pC/g,軸向X、Y、Z,最大測量值為2 500 g,頻率范圍0.3～10 kHz,絕緣電阻大于20 MΩ(配套絕緣安裝座),最大抗沖擊加速度為5 000 g;振動測試量程:X、Y、Z方向各±100 g;采樣頻率:10 kHz;動態(tài)范圍:選用16 bit AD變換器,理論96 dB,實際60～80 dB;濾波器:具有抗混疊濾波器,濾波的截止頻率自動設(shè)置為采樣頻率的一半;數(shù)據(jù)記錄時間:大于等于100 s;供電方式:彈上供電;環(huán)境適應(yīng)性:信號記錄裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮從發(fā)射到回收所承受的溫度、振動、沖擊、電磁等環(huán)境,工作溫度-40～+50 ℃,落地沖擊20 000 g,導(dǎo)彈發(fā)射飛行過程應(yīng)確保記錄可靠,落地應(yīng)確保數(shù)據(jù)存儲芯片安全回收。

共對3發(fā)中制導(dǎo)導(dǎo)彈進行了發(fā)射飛行過程力學(xué)環(huán)境實測,飛行過程一致,數(shù)據(jù)一致性好、無明顯異常。

文中僅對3發(fā)導(dǎo)彈的Z向(徑向)振動進行研究,其他軸向方法相同。圖1為3次測試的Z向振動數(shù)據(jù)。以第1發(fā)導(dǎo)彈數(shù)據(jù)說明發(fā)射飛行過程:發(fā)射時安全鎖打開和發(fā)動機點火形成了兩個強烈沖擊,十幾秒后慣性導(dǎo)航介入,轉(zhuǎn)入中制導(dǎo)階段,再過一段時間后導(dǎo)彈進入無控飛行狀態(tài),最后導(dǎo)彈落地,形成第三個強烈沖擊。

圖1 3發(fā)導(dǎo)彈Z向(徑向)發(fā)射飛行過程時域加速度

2 振動實測數(shù)據(jù)預(yù)處理

絕大多數(shù)振動試驗都是對平穩(wěn)隨機過程的復(fù)現(xiàn)。隨機振動的數(shù)據(jù)處理、分析、計算,通常也都是在隨機過程滿足平穩(wěn)性要求的前提下對同一總體的多個振動樣本進行的。若對單個振動樣本數(shù)據(jù)進行分析處理,則還得要求該振動樣本是各態(tài)歷經(jīng)的,即可以用時間上的統(tǒng)計量代替集合上的統(tǒng)計量。直觀整個導(dǎo)彈發(fā)射飛行過程,明顯不是一個平穩(wěn)隨機過程。振動實測數(shù)據(jù)預(yù)處理的主要作用就是要獲得能夠代表飛行過程的局部平穩(wěn)隨機振動信號,為進一步計算做好準備。選取典型數(shù)據(jù)段的要求:一是能通過平穩(wěn)性檢驗,如果只有1發(fā)導(dǎo)彈的數(shù)據(jù)時還必須通過各態(tài)歷經(jīng)檢驗;二是在所處的狀態(tài)段內(nèi)夠典型,最明顯的是幅值夠大,確保據(jù)此得到的功率譜密度包絡(luò)能夠包絡(luò)該狀態(tài)段的其他數(shù)據(jù)段。

預(yù)處理的步驟如下:

第一步,剔除首尾的強沖擊。

第二步,劃分典型狀態(tài)。本測試項目中將每發(fā)導(dǎo)彈的飛行過程劃分為前、中、后3個典型狀態(tài)。

第三步,初步判斷能量分布。在整個振動數(shù)據(jù)中目測選取量值最大且看似平穩(wěn)的一段數(shù)據(jù)進行功率譜密度的計算,大致判斷能量在頻域上的分布情況,為確定濾波的上限截止頻率提供依據(jù)。

第四步,進行數(shù)字濾波。進行數(shù)字濾波主要是因為:一是實驗室振動臺模擬的振動頻率上限通常為2 000 Hz。二是進行振動實測時,雖然采樣頻率為模擬的低通濾波器設(shè)定上限頻率的2倍,滿足采樣定理,但由于模擬濾波器在設(shè)定上限頻率處并不是一個理想的截止形態(tài),這就導(dǎo)致高于二分之一采樣頻率的信號被采集進來,頻率混疊不可避免,因此通常要選擇采樣頻率為低通濾波器設(shè)定上限頻率的3～5倍。三是此次測試項目實際的振動能量在2 000 Hz以上很小。在本測試項目中,采樣頻率為10 kHz,選數(shù)字濾波上限頻率為2 kHz合適。

第五步,在各狀態(tài)段選取典型數(shù)據(jù)段,進行必要處理和平穩(wěn)性檢驗。

選取某典型數(shù)據(jù)段進行剔除野值和消除趨勢項處理。

平穩(wěn)性檢驗可以采用倒排列檢驗方法或輪次檢驗方法,文中采用輪次檢驗方法[4],具體過程是:

1)把該振動樣本分為N個等時間長度的子樣。

2)對每個子樣的加速度計算均方值RMS,把這些子樣的加速度均方值列為新的時間序列。

3)算出序列中相對于中值的輪次數(shù)。如果這個輪次數(shù)落在輪次表中查到的區(qū)間內(nèi),則認為滿足平穩(wěn)性假設(shè)。

例如第1發(fā)導(dǎo)彈Z向18.33 s到19.55 s振動數(shù)據(jù),將這一段振動數(shù)據(jù)均分為20段,分別計算各段的加速度均方值RMS并按順序排列。圖2中RMS最大為2.912 079 g,最小值為1.798 446 g,中值為2.355 262 5 g,輪次數(shù)為9。從輪次表中查得,在α=0.05的顯著水平下，輪次數(shù)應(yīng)最少為6,最多為15,該段數(shù)據(jù)輪次為9滿足要求,平穩(wěn)性檢驗通過。

圖2 第1發(fā)導(dǎo)彈Z向18.33 s到19.558 s振動數(shù)據(jù) 和20段RMS時序排列

相同的辦法,選取3發(fā)導(dǎo)彈前、中、后典型狀態(tài)上多個典型數(shù)據(jù)段,分別不少于3段。

對于初步選取的典型數(shù)據(jù)段,如果因為其中包含幅值較大的尖峰值而使得平穩(wěn)性檢驗無法通過的,應(yīng)當在典型數(shù)據(jù)段中不包括該尖峰,而將該尖峰信號當作沖擊信號處理,與其他振動過程中的尖峰、發(fā)射沖擊一起進行沖擊實測譜的處理。

周期性檢驗和正態(tài)性檢驗可以通過觀察隨機振動的概率密度完成。有明顯周期性信號時概率密度圖會呈現(xiàn)馬鞍形。另外,通常情況振動只要是平穩(wěn)的,加速度都滿足正態(tài)分布。本測試項目通過對各個數(shù)據(jù)段加速度概率密度進行目測,完成周期性檢驗和正態(tài)性檢驗。

3 振動實測譜與規(guī)范譜的歸納

3.1 振動實測譜

此次測試項目對3發(fā)導(dǎo)彈的振動測量處于同一個區(qū)域、同一個位置,且3發(fā)導(dǎo)彈的飛行狀態(tài)變化過程基本一致。對于同一個軸向來說,3次測得的隨機振動數(shù)據(jù)若來源于同一飛行狀態(tài)且是平穩(wěn)的,則相應(yīng)狀態(tài)下的隨機振動PSD在每條譜線上應(yīng)該服從 χ2分布,其開方服從正態(tài)分布,屬于一個總體,由導(dǎo)彈飛行的物理過程來保證,成為進行容差上限估計的前提條件[2]。

如前所述,將飛行振動數(shù)據(jù)看作前、中、后3個狀態(tài)。圖3(a)中的綠色曲線是第1發(fā)導(dǎo)彈中間飛行狀態(tài)各個數(shù)據(jù)段所對應(yīng)的功率譜密度,這些數(shù)據(jù)段是經(jīng)過平穩(wěn)性檢驗的。黃色曲線為深色曲線的最大值包絡(luò)線。同樣,如圖3(b)、圖3(c),可以獲得第2發(fā)和第3發(fā)中間狀態(tài)的功率譜密度最大值包絡(luò)線。

圖3 3發(fā)導(dǎo)彈Z向中間狀態(tài)(強烈振動部分)的振動PSD最大值包絡(luò)線

(1)

(2)

(3)

計算置信度為(1-α)、分位點為β的PSD容差上限系數(shù)F:

(4)

最后計算出該飛行狀態(tài)的PSD容差上限:

(5)

本測試項目選擇90%置信度,95%分位點,則導(dǎo)彈Z向3個狀態(tài)相應(yīng)的PSD容差上限,即實測譜,如圖4綠色曲線所示。黃色曲線為3發(fā)導(dǎo)彈的功率譜密度最大值包絡(luò)線。

圖4 3發(fā)導(dǎo)彈Z向不同飛行狀態(tài)的振動PSD容差上限

3.2 振動規(guī)范譜

GJB/Z 126—99振動、沖擊環(huán)境測量數(shù)據(jù)歸納方法對隨機振動規(guī)范譜的歸納方法采用針對頻段的容差上限法,比較繁瑣,且折線段數(shù)可能較多。工程上較多時候可以采用包線法。如圖5把前中后3個狀態(tài)的實測譜(圖中綠線)放在一起,根據(jù)實測譜的總趨勢,兼顧試驗設(shè)備能力和使用的方便性,在圖紙上直接勾勒出折線,見圖中黑線,這就是能直接指導(dǎo)試驗的振動規(guī)范譜。

圖5 導(dǎo)彈Z向振動PSD規(guī)范譜

4 振動試驗條件

4.1 振動試驗量值

考慮到實際振動同時發(fā)生在3個軸向上,而實驗室振動臺通常只能進行單軸向振動,因此GJB150.16A—2009軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 振動試驗規(guī)定:需要在3個相互獨立的正交軸向上進行振動的試驗,當振動施加在某一軸向時采用下式[1]:

(6)

式中:Ri(i=1,2,3)為要求的試驗量級,Ai為響應(yīng)量級,下標數(shù)字代表軸向。

前述過程計算出了導(dǎo)彈Z向的振動規(guī)范譜,可以依據(jù)上述過程算得導(dǎo)彈X、Y向振動規(guī)范譜。規(guī)范譜即要求的試驗量級。

實際試驗時,以進行Z向(與式(6)中R3、A3對應(yīng))振動試驗為例,由于單軸向振動試驗中往往在另兩個軸向上也有振動,因此A1、A2不為零。實際試驗時應(yīng)當按照Z向振動規(guī)范譜的形狀,由小量級做起,監(jiān)視A1、A2、A3,如果式(6)中等號右邊的計算值偏大,則逐步加大振動響應(yīng)量級,直至滿足要求。如果右邊偏小,則減小振動響應(yīng)量級,直至滿足要求。

4.2 振動試驗時間

當進行功能試驗時,振動試驗時間可以選為導(dǎo)彈單次飛行時間,也可以選定為完成測試所需要的時間,以長者為準。

當進行可靠性試驗時,首要的是算出導(dǎo)彈一個完整發(fā)射飛行過程所對應(yīng)的振動試驗時間,這個振動試驗時間不是整個耐久試驗的振動試驗持續(xù)時間,但它是計算耐久試驗持續(xù)時間的基礎(chǔ),也是把壽命信息統(tǒng)計折算為成敗信息的基礎(chǔ)。由于振動規(guī)范譜是所有狀態(tài)經(jīng)過綜合后的包絡(luò),勢必出現(xiàn)對于有些狀態(tài)振動在量級上是被加大了的,如果試驗時間上還是依據(jù)該狀態(tài)的實際飛行時間,則試驗結(jié)果是把實際振動量級夸大了。因此應(yīng)當將實際振動量級小于規(guī)范譜的狀態(tài)對應(yīng)的飛行時間做一折算,作為該狀態(tài)在規(guī)范譜下的試驗時間,把所有狀態(tài)的試驗時間相加即為一個飛行過程的振動試驗時間,以此為基礎(chǔ)依據(jù)統(tǒng)計試驗方案可以設(shè)計出耐久試驗總的試驗時間。

畫出3個狀態(tài)各自PSD實測譜的包絡(luò)折線,如圖5中紅折線所示。要求包絡(luò)折線與規(guī)范譜分段平行,宜大不宜小,基本反映各自狀態(tài)PSD的趨勢,之后算得與規(guī)范譜的比值,按下式計算一個飛行過程的振動試驗時間:

(7)

式中:T為一個飛行過程的振動試驗時間;An為各個飛行狀態(tài)PSD包絡(luò)折線;A為PSD規(guī)范譜;Tn為各個狀態(tài)的持續(xù)時間;K為振動疲勞曲線的斜率。導(dǎo)彈使用的K值通常為6.5～13.2。

5 結(jié)束語

通過精心設(shè)計導(dǎo)彈力學(xué)環(huán)境實測方案,確保獲得了高質(zhì)量的測試數(shù)據(jù)。在實測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,對振動數(shù)據(jù)進行了分析處理,建立了科學(xué)的、實用的制定振動試驗條件的方法,為在實驗室內(nèi)開展導(dǎo)彈可靠性試驗奠定了堅實基礎(chǔ)。

[1] 施榮明, 朱廣榮, 吳颯, 等. 軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第16部分: 振動試驗: GJB150A—2009 [S]北京: 中國標準出版社, 2009: 5, 14.

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收稿日期:2015-09-25

作者簡介:王海涌(1969-),男,河北唐山人,講師,博士,研究方向:天體敏感器,天文導(dǎo)航及組合導(dǎo)航。

Compilation of Vibration Test Conditions Based on Mechanical Measure for a Missile

ZHAI Huanchun,ZHAO Xin,KONG Xiaolin,LI Bo

(Huayin Ordnance Test Center, Shaanxi Huayin 714200, China)

To improve credibility of reliability qualification test, environmental conditions of launching and flight process for a missile must be reproduced accurately. Based on actually measured data obtained from launching and flight process of a missile, the analysis on data was made, and the inductive method was given for the actually measured spectrum and normative spectrum of vibration. The vibration test condition forms which can be used in reliability qualification test. The practice has proved that the method meets requirements of engineering application and the operational procedure is chosen rightly and can be easily realized.

missile; actual measure; vibration test

2016-02-29

翟喚春(1973-),男,陜西華陰人,高級工程師,碩士,研究方向:環(huán)境模擬。

O329

A