李鵬，劉凱，辛敏成，張海濤，鄒田驥，呂從民

（1.中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心，北京 100094； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

引言

“十三五”期間，以新一代運(yùn)載火箭、載人航天、探月工程和高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)等為代表的重大專項(xiàng)已進(jìn)入實(shí)施的關(guān)鍵時(shí)期, 空間基礎(chǔ)設(shè)施、重型運(yùn)載、深空探測(cè)等也進(jìn)入深化論證階段[1]。不同航天產(chǎn)品在不同壽命周期階段可能經(jīng)歷不同的振動(dòng)環(huán)境和平臺(tái)，例如航天器隨火箭發(fā)射、飛行、再入過程中要經(jīng)歷嚴(yán)酷的振動(dòng)環(huán)境，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)工作及自激勵(lì)振動(dòng)（POGO）效應(yīng)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火/關(guān)機(jī)和級(jí)間分離造成高強(qiáng)度的振動(dòng)環(huán)境，輕則導(dǎo)致航天器及其組件結(jié)構(gòu)變形或損壞，重則導(dǎo)致整個(gè)發(fā)射任務(wù)失敗[2]。針對(duì)航天產(chǎn)品的復(fù)雜性不斷提高，新的力學(xué)問題不斷涌現(xiàn)，研制周期與成本的控制力度不斷加大的問題，合理設(shè)計(jì)并有效開展航天產(chǎn)品地面振動(dòng)試驗(yàn)，不僅可評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度設(shè)計(jì)，考核其力學(xué)環(huán)境適應(yīng)能力，驗(yàn)證規(guī)定環(huán)境條件下的工作性能和可靠性要求，還能獲取敏感部位的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)，同時(shí)暴露工藝制造質(zhì)量缺陷[3,4]。

航天產(chǎn)品由于小批量、高價(jià)值的特點(diǎn)，對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)試驗(yàn)控制的安全性極為重視，并且要對(duì)關(guān)鍵、重要部位進(jìn)行響應(yīng)信號(hào)監(jiān)測(cè)，特別是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能繁多的大型受試產(chǎn)品，需要關(guān)注的薄弱部位較多，對(duì)數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理的需求較高。因此，西門子Simcenter Testlab振動(dòng)控制采集分析系統(tǒng)憑借著良好的安全穩(wěn)定性和高速多通道數(shù)據(jù)采集與試驗(yàn)、分析、電子報(bào)告功能，在航天領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)將振動(dòng)控制與信號(hào)的采集、分析和后處理模塊集成在同一平臺(tái)中，包括數(shù)據(jù)采集前端、測(cè)試分析軟件，配套傳感器及線纜等輔助裝置，可以實(shí)現(xiàn)正弦、隨機(jī)、沖擊、跟蹤與諧波駐留等常用振動(dòng)控制功能，同時(shí)具備時(shí)頻域信號(hào)記錄與分析、信號(hào)特征試驗(yàn)分析等后處理能力，有效滿足開展大型振動(dòng)試驗(yàn)及分析的需求[5]。

盡管Testlab采用了軟件流程化設(shè)置，但是存在保護(hù)環(huán)節(jié)多、細(xì)節(jié)繁雜的特點(diǎn)。一方面，使用手冊(cè)僅給出了一般性功能介紹，大量參數(shù)默認(rèn)設(shè)置需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行合理調(diào)整，而試驗(yàn)人員對(duì)軟件復(fù)雜功能細(xì)節(jié)不明確，許多試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的未知情況也難以提前演練。另一方面，西門子售后工程師缺乏一線實(shí)操經(jīng)驗(yàn)，對(duì)振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)和試驗(yàn)需求不熟悉，難以準(zhǔn)確回答軟件特定功能的工作機(jī)制和推薦的參數(shù)設(shè)置范圍。以加速度限控制功能為例，為防止振動(dòng)試驗(yàn)過程中產(chǎn)品安裝界面、接插件和敏感器件安裝點(diǎn)等重點(diǎn)部位響應(yīng)過大，通過設(shè)置特定測(cè)量通道的振動(dòng)加速度響應(yīng)限，保護(hù)被測(cè)試件。當(dāng)某些頻帶上響應(yīng)值超過預(yù)設(shè)的限制譜時(shí)，系統(tǒng)對(duì)輸入譜進(jìn)行自動(dòng)修正，將這些通道的振動(dòng)響應(yīng)限制在限制譜以內(nèi)。加速度限控制方法實(shí)質(zhì)上是對(duì)輸入譜進(jìn)行下凹處理，以避免敏感部位出現(xiàn)過試驗(yàn)的情況[6]。但是使用手冊(cè)不可能包含具體的操作細(xì)節(jié)和注意事項(xiàng)，因此軟件設(shè)置錯(cuò)誤給振動(dòng)試驗(yàn)的開展帶來了巨大的安全隱患，不僅存在過試驗(yàn)、欠試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)，而且導(dǎo)致的試驗(yàn)異常中斷增加了試驗(yàn)時(shí)間和費(fèi)用，嚴(yán)重影響產(chǎn)品研制交付的進(jìn)度。

本文針對(duì)某航天產(chǎn)品正弦振動(dòng)試驗(yàn)的過載停機(jī)故障，從Simcenter Testlab軟件的角度分析了原因——對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)中為保護(hù)試件的加速度限控制功能的參數(shù)設(shè)置不合理，或限幅通道量程過低導(dǎo)致試驗(yàn)異常中斷。通過設(shè)計(jì)三組實(shí)驗(yàn)，結(jié)合分析數(shù)據(jù)，驗(yàn)證軟件加速度限控制功能和通道量程設(shè)置工作機(jī)制，為后續(xù)基于Simcenter Testlab振動(dòng)試驗(yàn)中限幅通道加速度限控制的使用提供了技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)說明及停機(jī)原因分析

某航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝件開展正弦振動(dòng)試驗(yàn)，采用6點(diǎn)平均加速度輸入控制方法，6個(gè)三軸向加速度傳感器（A/B/C/D/E/F）作為控點(diǎn)安裝在試件連接的夾具上，控制儀采集控點(diǎn)信號(hào)對(duì)振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行反饋控制，以保證夾具/試件界面處達(dá)到規(guī)定的振動(dòng)量值。試件上按要求布有41個(gè)三軸向加速度傳感器（1#～41#），作為測(cè)點(diǎn)采集特定部位的振動(dòng)加速度響應(yīng)特性。所有傳感器敏感度約為50 mV/g，標(biāo)定量程為50 g，各通道量程均設(shè)置為100 g。試驗(yàn)條件如表 1所示，報(bào)警容差為±3 dB，停機(jī)容差為±6 dB。對(duì)部分測(cè)點(diǎn)進(jìn)行加速度限（notch）控制設(shè)置，全頻道限幅量級(jí)15 g，限幅停機(jī)上限+6 dB，即30 g，當(dāng)任一測(cè)點(diǎn)響應(yīng)值超過限幅限15 g時(shí)，系統(tǒng)修正輸入譜使響應(yīng)低于規(guī)定的限幅限，當(dāng)響應(yīng)超過30 g時(shí)觸發(fā)停機(jī)保護(hù)。

試驗(yàn)在掃頻至54 Hz時(shí)中斷，軟件顯示7#測(cè)點(diǎn)過載（overload）導(dǎo)致試驗(yàn)中斷，此時(shí)7#測(cè)量通道頻域信號(hào)量級(jí)為17 g，見圖1，曲線已超過限幅限15 g，觸發(fā)了加速度限控制功能，尚未觸碰30 g停機(jī)線。如圖2所示，7#時(shí)域信號(hào)量級(jí)為38 g，未采集到超過量程100 g的信號(hào)。

對(duì)控制傳感器及7#測(cè)點(diǎn)傳感器進(jìn)行檢查，未發(fā)生傳感器脫落、松動(dòng)現(xiàn)象，排除了硬件連接問題。對(duì)控點(diǎn)和其他測(cè)點(diǎn)的時(shí)域、頻域曲線進(jìn)行了分析，均未發(fā)現(xiàn)異常。考慮到安全設(shè)置中控制通道和測(cè)點(diǎn)通道設(shè)置為過載忽略（Ignore），而限幅通道設(shè)置為過載停機(jī)（Abort），如圖3所示。因此，過載停機(jī)原因可能為以下2個(gè)方面：

1）7#測(cè)點(diǎn)信號(hào)在時(shí)域或頻域上觸碰notch限幅停機(jī)線30 g停機(jī)。

2）7#測(cè)點(diǎn)信號(hào)超100 g造成通道量程過載停機(jī)，并且由于通道量程過低，未能在時(shí)域頻域采集到超量程信號(hào)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析驗(yàn)證

針對(duì)可能的停機(jī)原因：①限幅通道設(shè)置為過載停機(jī)；②測(cè)點(diǎn)通道量程設(shè)置過低的軟件設(shè)置錯(cuò)誤，繼而觸發(fā)保護(hù)功能，導(dǎo)致試驗(yàn)誤中斷的過載停機(jī)。設(shè)計(jì)了三組實(shí)驗(yàn)，在振動(dòng)臺(tái)空載狀態(tài)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如表2所示。

2.1 限幅通道過載停機(jī)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

7#、8#傳感器相鄰粘貼在水平滑臺(tái)上，分別設(shè)置為控制和限幅通道，單點(diǎn)控制。限幅通道設(shè)置為過載停機(jī)，限幅停機(jī)上限為0 dB，即15 g，具體方法如表2中T1所示。

表1 正弦掃頻振動(dòng)試驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)中，目標(biāo)譜超過限幅通道停機(jī)線，觸發(fā)加速度限控制功能的瞬間保護(hù)停機(jī)，此時(shí)試驗(yàn)中斷顯示“Notch upper abort”與原試驗(yàn)中顯示“Overload”不一致，由此排除測(cè)點(diǎn)時(shí)域或頻域曲線觸碰Notch限幅停機(jī)線導(dǎo)致停機(jī)。

圖1 7#測(cè)點(diǎn)頻域譜線、限幅參考限及停機(jī)上限

圖2 7#測(cè)點(diǎn)時(shí)域信號(hào)

圖3 控制、限幅、測(cè)量通道過載策略設(shè)置

2.2 通道超量程過載停機(jī)頻域驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

限幅通道設(shè)置為過載停機(jī)，8#通道量程設(shè)置為3.16 g，在17～60 Hz范圍內(nèi)量級(jí)為3.4 g，顯然會(huì)在頻域觸發(fā)超量程3.16 g停機(jī)，但不超過限幅停機(jī)線+6 dB，即6.4 g，具體方法如表2中T21所示。在17.2 Hz時(shí)試驗(yàn)8#限幅通道過載停機(jī)，報(bào)錯(cuò)信息顯示“Overload”，與原試驗(yàn)一致，由此可定位原停機(jī)原因?yàn)橄薹ǖ懒砍踢^載。

將限幅通道設(shè)置為過載忽略，其他試驗(yàn)條件同T21，具體方法如表2中T22所示。圖4顯示目標(biāo)譜在17～60 Hz范圍時(shí)，8#已經(jīng)超量程（實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)狀態(tài)變紅且無示數(shù)），但未停機(jī)中斷，無報(bào)錯(cuò)信息，實(shí)驗(yàn)正常結(jié)束。

表2 過載停機(jī)實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證方法

圖 4 7#測(cè)點(diǎn)傳感器時(shí)域圖

據(jù)此可推斷原試驗(yàn)停機(jī)原因是該限幅通道設(shè)置為過載停機(jī)，而超量程觸發(fā)保護(hù)功能。但是，T21/T22實(shí)驗(yàn)僅從頻域上驗(yàn)證了停機(jī)的工作機(jī)制，并未從時(shí)域上驗(yàn)證實(shí)際試驗(yàn)中的停機(jī)現(xiàn)象。因此，設(shè)計(jì)了T3從時(shí)域上驗(yàn)證過載停機(jī)的原因。

2.3 通道超量程過載停機(jī)時(shí)域驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為保證目標(biāo)譜在頻域上不超過8#限幅通道量程3.16 g，更改目標(biāo)譜幅值最高段17～60 Hz量級(jí)為2 g，限幅通道設(shè)置為過載停機(jī)，開展試驗(yàn)T31。在試驗(yàn)進(jìn)行到17～60 Hz過程中，使用力錘敲擊臺(tái)面，在時(shí)域上產(chǎn)生較大信號(hào)干擾，具體方法見表2中T31。在17.04 Hz時(shí)試驗(yàn)8#限幅通道過載停機(jī)，報(bào)錯(cuò)信息顯示“Overload”，與原試驗(yàn)一致，由此從時(shí)域上驗(yàn)證實(shí)際試驗(yàn)中的停機(jī)現(xiàn)象。

如圖5所示，7#&8#&9#通道均未采集到臺(tái)面敲擊產(chǎn)生的大量級(jí)毛刺時(shí)域信號(hào)，這是由于8#通道量程限制，在敲擊信號(hào)出現(xiàn)時(shí)過載停機(jī)，導(dǎo)致停機(jī)瞬間各通道都無法采集到時(shí)域信號(hào)。

將限幅通道設(shè)置為過載忽略，其他試驗(yàn)條件同T31，開展試驗(yàn)T32。在試驗(yàn)進(jìn)行到17～60 Hz過程中，使用力錘敲擊臺(tái)面，在時(shí)域上產(chǎn)生較大信號(hào)干擾，見表2中T32，試驗(yàn)順利完成，未發(fā)生停機(jī)。

如圖6所示，7#&9#通道（量程100 g）均采集到臺(tái)面敲擊產(chǎn)生的毛刺時(shí)域信號(hào)，而8#通道（量程3.16 g）由于量程受限，未采集到超過3.16 g而低于100 g的較大信號(hào)。

圖5 T31中7#&8#&9#通道時(shí)域信號(hào)

圖6 T32中7#&8#&9#通道時(shí)域信號(hào)

因此，從時(shí)域和頻域解釋了過載停機(jī)現(xiàn)象，原試驗(yàn)停機(jī)原因?yàn)?#限幅通道出現(xiàn)超過量程100 g的時(shí)域信號(hào)，造成overload停機(jī)，但是由于通道量程限制，未能在時(shí)域上采集到超量程信號(hào)。通過將限幅通道設(shè)置為過載忽略，可有效避免過載停機(jī)現(xiàn)象。

3 結(jié)論與建議

本文從Simcenter Testlab加速度限控制功能的角度分析了某航天產(chǎn)品正弦振動(dòng)試驗(yàn)的過載停機(jī)故障原因，開展了三組驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了停機(jī)原因不是觸發(fā)限幅報(bào)警限，而是傳感器通道過載，未采集到超量程時(shí)域信號(hào)的原因是通道量程限制。最后，針對(duì)基于加速度限控制的振動(dòng)試驗(yàn)給出了以下三點(diǎn)建議：

1）Simcenter Testlab在傳感器通道類型中設(shè)有控制和測(cè)量?jī)深?，分別起到輸入譜控制和輸出譜監(jiān)測(cè)功能，但在過載停機(jī)的安全保護(hù)設(shè)置時(shí)通道類型分別控制、測(cè)量和限幅三類，需要分別進(jìn)行過載停機(jī)或忽略設(shè)置，在選擇相應(yīng)通道忽略過載停機(jī)后，即使采集到超過通道量程的信號(hào)也不會(huì)過載停機(jī)。

2）為防止試驗(yàn)失控，有效保護(hù)試驗(yàn)件和振動(dòng)臺(tái)，控制通道一般設(shè)置過載停機(jī)；測(cè)量通道采取忽略過載的設(shè)置，以保障試驗(yàn)正常開展；而限幅通道則需要結(jié)合試驗(yàn)件敏感監(jiān)測(cè)部位的實(shí)際情況進(jìn)行合理設(shè)置，若采取過載忽略的設(shè)置，在量程不夠的情況下能保證試驗(yàn)的順利開展，但是長(zhǎng)時(shí)間過載對(duì)小量程傳感器自身結(jié)構(gòu)、功能性能都會(huì)產(chǎn)生不利影響，致使傳感器參數(shù)漂移，另外存在產(chǎn)品極值破壞風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)做好隨時(shí)中斷試驗(yàn)的準(zhǔn)備。

3）Simcenter Testlab通過設(shè)置靈敏度與電壓將通道量程與傳感器物理量程進(jìn)行匹配，其中靈敏度由傳感器標(biāo)定結(jié)果輸入，電壓只能分級(jí)設(shè)置，常見的三級(jí)量程為1 V/3.16 V/10 V，五級(jí)量程為0.1 V/0.316 V/1 V/3.16 V/10 V。顯然，通道量程與傳感器物理量程多數(shù)情況下都不一致，系統(tǒng)以各通道量程為準(zhǔn)，比如傳感器標(biāo)定量程為500 g，當(dāng)通道量程為1 000 g時(shí)仍能監(jiān)測(cè)到500～1 000 g的信號(hào)，只是無法保證信號(hào)量級(jí)精度。注意傳感器量程與靈敏度的權(quán)衡選擇，控點(diǎn)注重精度，為避免試驗(yàn)控制超差，出現(xiàn)過試驗(yàn)或欠試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)，一般采用較小量程傳感器，而測(cè)點(diǎn)傳感器為滿足信號(hào)采集需求，一般選用較大量程傳感器。