熊杰

摘 要： 首先對振動的基本理論進行探討，在了解振動的相關(guān)知識的前提下對振動試驗進行研究，并對現(xiàn)在振動試驗的分類進行了歸納，并以某一型號為振動試驗為基礎(chǔ)，對導(dǎo)彈振動試驗的進行深入研究。

關(guān)鍵詞： 振動；功率譜密度函數(shù)；均方根；振動譜

振動是一種普遍存在的一種自然現(xiàn)象，也是工程技術(shù)領(lǐng)域中經(jīng)常碰到的問題，人們經(jīng)常利用振動來進行一些有益的工作，但是更多的是振動往往起著影響機械設(shè)備性能和壽命等問題。特別是像導(dǎo)彈這樣飛行速度高、在真實使用環(huán)境中振源較多的情況下，研究其振動尤為重要。目前，解決振動問題主要有兩種途徑：一是通過計算進行理論分析；二是用振動試驗手段進行測試和分析。振動試驗對真實模擬大多數(shù)試件的外場環(huán)境來說，是必不可少的。在導(dǎo)彈的研制過程中，為了解產(chǎn)品的動力學(xué)性能，檢驗產(chǎn)品的合理性，驗證和修改結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，考核和改善產(chǎn)品經(jīng)受振動環(huán)境的能力，檢查產(chǎn)品在制造工藝和質(zhì)量方面的缺陷，都需要對產(chǎn)品進行振動環(huán)境模擬試驗。

1 振動的基本理論

振動是物體圍繞位置（或平均位置）往復(fù)運動的一種形式，通常用一些物理參量（如位移、速度、加速度等）隨時間變化的函數(shù)式來表征的時間歷程。振動可分為確定性振動和非確定性振動。

隨機運動由連續(xù)分布在所考慮頻帶內(nèi)所有頻率上的正弦波組成。此外，這些正弦波的幅值和相位角隨時間的變化是無法預(yù)測的（隨機的），它不能用精確的數(shù)學(xué)公式來描述一類的振動。隨機振動最明顯的特點是非周期性，知道隨機振動過去的歷程只能預(yù)示各個振動幅值出現(xiàn)的相對概率，而不能預(yù)示某一給定瞬間的瞬時值。

在振動試驗和分析方面存在下列限制：有用記錄的次數(shù)和數(shù)量；時間、費用和設(shè)備；描述隨機運動統(tǒng)計性質(zhì)的數(shù)學(xué)知識。為此做如下基本假設(shè)：隨機振動為平穩(wěn)的、各態(tài)歷經(jīng)的和高斯的。

（1）平穩(wěn)隨機過程

我們認為平穩(wěn)隨機過程的統(tǒng)計特性值（如均方根值，功率譜密度）與時間無關(guān)。有了這一假設(shè)就可以在無限長的隨機信號中任取一段進行研究。它可以節(jié)省隨機振動試驗的時間與費用。

（2）各態(tài)歷經(jīng)隨機過程

各態(tài)歷經(jīng)隨機過程是指系集的統(tǒng)計特性與時間的統(tǒng)計平均值相同。因為事實上不可能得到大量的外場記錄，所以一般隨機過程都假設(shè)為各態(tài)歷經(jīng)的，這一假設(shè)允許我們根據(jù)足夠長的單次時間歷程來確定隨機振動的統(tǒng)計特性。

（3）高斯（正態(tài)）分布

高斯分布是指隨機振動瞬時加速度值可用幅值概率密度來統(tǒng)計描述，且概率密度函數(shù)符合高斯分布。

2 振動試驗的類別

振動試驗是評定元器件、零部件及整機在預(yù)期的運輸及使用環(huán)境中的抵抗能力，根據(jù)試件所承受的環(huán)境不同，振動試驗分以下種類：

（1）正弦定頻試驗

在選定的頻率上（可以是共振頻率，特定頻率，或危險頻率）按規(guī)定的量值進行正弦振動試驗，并達到規(guī)定要求的時間。以考核試件的抗振能力和耐振強度。

（2）正弦掃頻試驗

按規(guī)定的振動量級的正弦波，在試驗頻率范圍內(nèi)，以某種規(guī)律連續(xù)改變振動頻率以激勵被試元器件、部件或整機的正弦振動試驗稱為正弦掃描試驗。掃頻試驗分線性掃頻試驗和指數(shù)掃頻試驗，線性掃頻速度單位為Hz/s，指數(shù)掃描頻率的變化按指數(shù)變化，掃描速率單位為Oct/min，Oct是倍頻程。如果上限頻率為fH，下限為fL，fH/fL=2n，n就是下限頻率到上限經(jīng)過了n個倍頻程。

（3）窄帶隨機掃描試驗

窄帶隨機掃描試驗和正弦掃描試驗相類似，它采用一個頻率較窄的隨機信號（約幾赫茲到幾百赫茲），在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)，用掃描的方法來激勵試件。試驗過程中，窄帶隨機波的頻率寬帶可以不變（稱為等帶寬），而窄帶隨機波的中心頻率以某種規(guī)律在掃描頻率范圍內(nèi)變化，既可以是線性掃描，也可以是對數(shù)掃描，但一般多采用對數(shù)掃描方式。

（4）寬帶隨機振動試驗

在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)，按規(guī)定的譜形和總均方根值作寬帶隨機振動，并達到規(guī)定要求的時間。

（5）寬帶隨機疊加正弦振動試驗

在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)，在隨機振動的基礎(chǔ)上疊加有若干個頻率的正弦振動，按規(guī)定量級規(guī)定時間完成試驗。

（6）寬帶隨機疊加窄帶隨機掃描振動試驗

在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)，在寬帶隨機振動的基礎(chǔ)上疊加有若干窄帶隨機峰值，按規(guī)定量級規(guī)定時間完成試驗。

3 隨機振動試驗中的計算

功率譜密度等于均方根除以帶寬： ，由上式得到均方值為：

（1）

因為均方根值等于均方值的平均值，故（1）式可寫成：

（2）

式中： ，W=在頻帶△f上的PSD，△f=頻帶。

根據(jù)上式，總均方根值等于在頻率極限f1和f2之間功率譜曲線所包面積的平方根。這可以寫成：

（3）

在振動試驗中，主要的隨機計算是用雙對數(shù)坐標(biāo)紙上的平直譜或成型譜圖形來進行的。

3 振動試驗實例

以某益導(dǎo)彈為例，根據(jù)以上介紹的振動及振動試驗的相關(guān)知識，研究其振動試驗。進行全彈的振動試驗，目的是通過振動試驗考核彈體結(jié)構(gòu)強度和彈上設(shè)備的性能是否滿足相關(guān)要求。這是環(huán)境適應(yīng)性及動強度合一的振動試驗，隨機振動試驗組成。

3.1 試驗要求

試驗要求導(dǎo)彈處于自由—自由狀態(tài)，進行隨機振動試驗，試驗條件為：沿彈體y方向進行，穩(wěn)定振動時間為30s。

3.2 試件的安裝

為了滿足試驗要求的自由—自由狀態(tài)，采用橡皮繩懸掛，通常要求懸掛系統(tǒng)的頻率小于試件一階固有頻率的1/3～1/5。該試驗的夾角是單獨設(shè)計的一個卡箍，將其固定在質(zhì)心處，在保證其剛度和強度的條件下，夾具質(zhì)量要盡可能小。

3.3 控制點的布置

控制點分別布置在彈體頭部、質(zhì)心、發(fā)動機艙、尾部。由于該導(dǎo)彈是一個細長體，各重要部位必須布置控制點，否則很容易出現(xiàn)局部振動過大造成破壞。四個控制點采用極大值控制。

3.4 振動試驗控制和測試

在振動試驗過程中，彈上的設(shè)備和儀器均要同時工作，也要測試，這是由各相關(guān)部門分別負責(zé)。所以振動試驗和測試的協(xié)調(diào)是一個重要的問題。只有通過多次的合練才能比較順利地進行試驗和測試。

3.5 試驗結(jié)果

在試驗過程中的振動控制試驗非常重要，是衡量試驗是否成功的依據(jù)，一般試驗在試驗結(jié)束后就可以繪制出。圖1示出了隨機振動的控制曲線。它們反映在試驗過程中的控制量級是否超差。

圖1 隨機振動控制譜

4 結(jié)語

振動試驗的好壞不但取決于振動譜是否真實反映飛行環(huán)境振動條件，其實振動試驗的實施也至關(guān)重要，其中包括上述所論述的振動試驗要求、試件安裝、控制點的選擇、振動試驗控制與測試，只有在長期的試驗工作不斷總結(jié)各種經(jīng)驗，才能把振動試驗做好，為導(dǎo)彈飛行試驗成功奠定基礎(chǔ)?！?/p>

參考文獻

[1] 丁力，王小青，尉明.工程應(yīng)用中的隨機振動試驗技術(shù)研究[J]，航空計算技術(shù)，2002.32（3）：110-113

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