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        導引頭瞬態(tài)沖擊環(huán)境辨識與天地差異分析*

        2022-01-06 13:19:08蘇華昌孫穎陳貴齡付瑋王穎
        現(xiàn)代防御技術 2021年6期
        關鍵詞:導引頭遙測瞬態(tài)

        蘇華昌,孫穎,陳貴齡,付瑋,王穎

        (北京強度環(huán)境研究所,北京 100076)

        0 引言

        導引頭是制導控制系統(tǒng)的核心部件,在精確制導武器中占有重要位置,武器是否能命中目標,導引頭起到關鍵作用[1]。某導引頭在飛試過程中,出現(xiàn)功能故障,通過遙測數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)導引頭故障發(fā)生在發(fā)動機點火時刻。發(fā)動機點火會產(chǎn)生沖擊載荷,產(chǎn)生彈體結構瞬態(tài)響應,傳遞到導引頭后,對導引頭結構與內部設備造成影響。沖擊通常具有短時、大幅值的特征,能激起結構和設備固有頻率的瞬態(tài)振動,由于沖擊幅值高,結構和設備可能因瞬態(tài)響應超過允許極限而損壞[2]。武器產(chǎn)品在設計研制過程中,需要進行沖擊環(huán)境強度分析與試驗考核,以保證對沖擊使用環(huán)境的承受能力[3-4]。導引頭結構內部帶有多層電子器件,發(fā)動機點火沖擊可能導致器件電子失效,從而對導引頭工作性能產(chǎn)生影響。在導引頭設計階段,針對發(fā)動機點火瞬態(tài)沖擊環(huán)境,制定了試驗考核項目。在地面試驗時,將導引頭固定安裝在沖擊臺上,以導引頭安裝端面作為控制點,利用半正弦條件對產(chǎn)品進行沖擊環(huán)境性能考核,在各次檢測試驗中,導引頭均通電工作正常??紤]到導引頭通過地面試驗驗收后,仍在實際使用過程中出現(xiàn)故障,需要開展分析與試驗研究,查找地面試驗與飛行環(huán)境差異,以確定故障原因,為產(chǎn)品后期的驗收提供指導依據(jù)。

        1 研究思路

        為了查找原因,首先對地面試驗模擬與飛行的差異進行分析評估。地面試驗的輸入點在導引頭安裝端面,其輸入環(huán)境為標準的半正弦沖擊,幅值為60g,脈寬2~6 ms。在實際飛行工作中,導引頭安裝端面沒有遙測點,但其內部布置有一個遙測點,飛行試驗獲得了點火時刻的瞬態(tài)沖擊響應,從時域信號來看,其量級最大約70g。在地面試驗時,受條件限制,沒有進行遙測點響應監(jiān)測,由于導引頭端面位置與遙測點位置有較大差異,無法直接對比地面試驗與飛行試驗的環(huán)境量級差異,因此需要解決地面試驗環(huán)境參考點與飛行試驗遙測點的對比分析問題。

        從結構動力學原理可知,基于響應辨識方法,可以由已知響應來推導激勵輸入。激勵或載荷識別又稱為環(huán)境模擬,是結構動力學中的另一類振動反問題[5]。有時載荷難以通過理論計算與實測得到,這時可以通過載荷識別的方法來估算。載荷識別通常先測量系統(tǒng)的傳遞函數(shù),然后測量系統(tǒng)在實際工作下的響應,以此來識別對應響應的外載荷。按照載荷識別的思路,雖然導引頭安裝端面沒有遙測,但可以通過導引頭傳遞特性試驗,獲取遙測點對于安裝端面處的傳遞函數(shù),然后根據(jù)遙測點時間歷程數(shù)據(jù)和試驗所得的傳遞函數(shù)來反推導引頭端面處的輸入環(huán)境,最后將基于飛行試驗推導環(huán)境條件與地面試驗條件進行比較,來確定地面環(huán)境考核方式是否合理有效。

        2 結構傳遞率矩陣測量方法

        對于一個時不變的多自由度線性系統(tǒng),結構上任意2點A,B的響應總是存在一定的傳遞關系。在平穩(wěn)隨機激勵條件下,假設A為輸入,B為輸出,A點三方向輸入為{ax,ay,az},B點三方向的響應為{bx,by,bz},輸入與響應均為平穩(wěn)隨機過程,對其有限樣本作傅里葉變換,定義A(f)為輸入的傅氏譜矩陣,B(f)為響應的傅氏譜矩陣。在頻域可以得到

        B(f)=HAB(f)·A(f),

        (1)

        式中:HAB(f)為輸入與響應之間的傳遞函數(shù)矩陣。在式(1)兩邊乘以輸入譜矩陣的共軛轉置AH(f),取時間平均及集合平均,則可以得到[6]

        (2)

        由功率譜密度的定義可知,等式最右端為輸入的自譜密度矩陣GAA(f),左端為輸入與輸出的互譜密度矩陣GAB(f),將式(2)轉換為

        GAB(f)=HAB(f)GAA(f).

        (3)

        (4)

        通過隨機振動試驗,同步測量A點激勵與B點響應,利用式(4)即可獲得結構A,B兩點之間傳遞率矩陣。具體實施有2種方式:第1種是單維振動激勵方式,在A點進行單方向激勵,同時測量單維輸入和B點三方向的響應,一次試驗可獲得傳遞率矩陣中的一行,三方向分別進行試驗,然后可組成整個傳遞矩陣HAB(f)。另一種方式是三維同步激勵方式,利用三軸振動試驗系統(tǒng),3個方向同時進行激勵,設置三方向輸入互不相干的情況下,滿足輸入矩陣GAA(f)求逆非奇異條件,則可以一次獲得整個傳遞矩陣HAB(f)。

        通過地面單維或三維隨機振動試驗,可以實測出遙測點與相對于端面輸入的傳遞率矩陣,試驗時在導引頭各重要內部組件上安裝傳感器,也可以獲得導引頭內部各組件對端面輸入的傳遞率矩陣,為后續(xù)其他組件的環(huán)境條件分析提供依據(jù)。

        3 端面輸入載荷識別方法

        (5)

        輸出B3方向響應與輸入A3方向的輸入都相關,利用遙測數(shù)據(jù)計算出輸出響應傅氏譜矩陣B(f),結合傳遞矩陣TAB(f)計算出A(f),在頻域獲得輸入的傅氏譜矩陣A(f)后,再進行傅里葉逆變換,從頻域變成時域,便得到了輸入A的時間歷程{ax,ay,az}。

        4 試驗驗證

        4.1 傳遞特性測試

        為了保持地面試驗與飛行產(chǎn)品的一致性,選擇與實際結構動力學特性相同的不通電產(chǎn)品作為試驗件,同時在遙測點相同位置布置加速度測點,并在導引頭剛度較強的位置打孔,便于傳感器電纜穿出,以便在地面試驗時實現(xiàn)該位置的響應測量。為了更真實地模擬飛行安裝狀態(tài),設計專用工裝使導引頭呈水平放置狀態(tài),再固定在試驗臺上,試驗安裝示意見圖1。

        圖1 傳遞特性測試安裝示意圖Fig.1 Installation diagram of transfer characteristic test

        試驗時,選用應力篩選譜作為試驗條件,以導引頭端面處加速度測點為控制,同步測量遙測點位置的加速度響應,來計算導引頭遙測點到端面的傳遞特性。試驗分為軸向x、橫向y,z3個方向,與彈體坐標方向一致,振動按單維方式進行加載,分別測量3個正交軸方向的傳遞特性,垂向在振動臺上進行,水平2個方向在滑臺上進行。通過導引頭結構傳遞特性試驗,獲取了遙測點對端面輸入點的傳遞特性,圖2給出了x,y,z3方向的對角線傳遞率幅頻特性曲線。從傳遞特性曲線可以看出,其幅頻特性在低頻時接近于1,在結構諧振處放大,具有典型傳遞特性特征。

        圖2 遙測點相對端面的傳遞特性Fig.2 Transfer characteristics of telemetry position relative to installation section

        4.2 遙測數(shù)據(jù)預處理

        為了便于載荷辨識,需要對實際飛行的遙測數(shù)據(jù)進行預處理。由于數(shù)據(jù)飛行傳輸?shù)囊?,遙測采樣頻率與地面試驗并不相合,必須進行重采樣選抽,使其與地面試驗數(shù)據(jù)頻帶一致。為了防止出現(xiàn)混疊,選抽時必須進行濾波??紤]到濾波器的相位失真會對沖擊信號有較大的影響,需要使用線性相位濾波器,防止濾波器帶來的波形失真。選擇實測的飛行發(fā)動機點火瞬態(tài)振動時域數(shù)據(jù),按照上述原則進行預處理后,其時間歷程見圖3左列(即a),c),e))曲線。從曲線來看,該信號具有2次沖擊特征,第2次沖擊幅值比第1次大,整個瞬態(tài)沖擊振動的持續(xù)時間約0.10~0.15 s,軸向(x)量級相比橫向(y,z)要大。

        圖3 遙測響應與端面輸入環(huán)境Fig.3 Telemetry response and input environment of installation section

        4.3 端面輸入環(huán)境辨識

        基于試驗獲得遙測點相對于輸入端面的傳遞率矩陣,結合預處理后的遙測時間歷程,利用式(5),推導輸入端面的瞬態(tài)振動傅氏譜,再通過傅里葉反變換到時域,即可轉化為輸入端面的瞬態(tài)振動時域曲線。圖3右列(即b),d),f))給出了使用實測傳遞率辨識的端面輸入載荷時間歷程曲線。

        從辨識結果可以看出,輸入端面載荷環(huán)境具有典型瞬態(tài)振動響應特征,軸向(x)推導的端面輸入時間歷程較大,橫向(y,z)結果較小,與遙測響應規(guī)律相同,而且x向時域二次沖擊特征最明顯,橫向特征略差。由于試驗件可能與實際飛行結構存在個體差異,會對結果產(chǎn)生一定影響。另外,遙測信號中不可避免存在噪聲,可供參考的遙測點響應只有一個,缺少加權平均信息,從而影響了傳遞率矩陣測量結果。圖4給出了軸向端面輸入和遙測響應時間歷程的沖擊響應譜對比,從圖中可以看出,沖擊響應譜在200 Hz和700 Hz處響應較大,應是沖擊經(jīng)過彈體結構固有頻率后放大所致,在獲得端面輸入環(huán)境后,可以依據(jù)該結果開展分析。

        圖4 遙測和端面的沖擊響應譜對比Fig.4 Comparsion of shock response spectrum of telemetry position and installtion section

        5 地面試驗模擬與飛行差異分析

        對于沖擊環(huán)境,目前常用有3種模擬方式:經(jīng)典波形沖擊、瞬態(tài)波形再現(xiàn)、沖擊響應譜[7]。經(jīng)典波形沖擊模擬方式使用半正弦波、后峰鋸齒波、梯形波等標準波形作為試驗模擬的參考條件,經(jīng)典波形不是模擬產(chǎn)品承受的真實沖擊激勵環(huán)境,而是認為施加的經(jīng)典激勵波形和嚴酷度等級能近似地模擬產(chǎn)品在實際使用中承受的沖擊效應。瞬態(tài)波形再現(xiàn)方式,是將產(chǎn)品實際工作中采集得到的典型沖擊時域波形在試驗設備上模擬再現(xiàn),其特點是考慮了試驗環(huán)境條件的真實再現(xiàn),比較適用于特定故障環(huán)境復現(xiàn)或特殊沖擊現(xiàn)象模擬。沖擊響應譜模擬方式,采用對產(chǎn)品“響應等效”的模擬原則去研究沖擊的環(huán)境效應與失效模式,它比規(guī)定沖擊激勵脈沖波形的模擬更接近于沖擊的實際效果,試驗結果更加可信。

        為了簡化生產(chǎn)流程,導引頭在驗收時,使用半正弦經(jīng)典脈沖進行考核,半正弦脈沖適用于模擬線性系統(tǒng)的沖擊,在電工電子產(chǎn)品中比較常用。用經(jīng)過大量實踐的統(tǒng)一性標準脈沖波形來開展試驗,便于對試驗設備和操作人員進行規(guī)范化,保證試驗一致性。由于這種試驗方式操作簡便,在各類產(chǎn)品研制中得到了廣泛應用。從目前遙測及辨識結果來看,導引頭實際工作環(huán)境是一個復雜的二次沖擊瞬態(tài)波形,其能量較寬,但半正弦評價的標準是波形容差,不是其沖擊響應譜能量特征,使用傳統(tǒng)的半正弦來表征復雜波形的瞬態(tài)沖擊,需要從譜能量角度對其真實性進行評估。

        導引頭在發(fā)動機點火時刻出現(xiàn)故障,點火帶來的瞬態(tài)沖擊經(jīng)過結構傳遞到導引頭,由于結構軸向剛度較大,辨識偏差較小,選擇軸向的推導結果進行地面試驗與實際飛行環(huán)境差異對比分析。將地面試驗考核時導引頭端面半正弦試驗條件轉化為沖擊響應譜,與辨識的實際點火復雜瞬態(tài)波形的沖擊響應譜進行對比,來查找天地差異,為故障分析提供依據(jù),見圖5。從對比圖可以看出,實際使用環(huán)境的沖擊響應譜存在3個比較明顯的峰值,但地面試驗確定的半正弦沖擊條件的譜值不能很好地覆蓋,在共振處存在明顯的欠試驗。

        圖5 地面試驗與實際使用狀態(tài)沖擊響應譜對比Fig.5 Comparison of shock response spectrum between ground test and actual use

        從對比分析結果來看,目前地面考核試驗方式存在較大失真。采用半正弦沖擊模擬瞬態(tài)沖擊環(huán)境時,其沖擊響應譜能量特征通常與脈寬有關,脈寬較寬,低頻譜能量越大,高頻譜能量就越??;相反,脈寬越窄,高頻能量越大,低頻能量就越小,對于瞬態(tài)沖擊環(huán)境存在共振情況時,半正弦更難有效覆蓋沖擊響應譜能量,從而造成試驗模擬產(chǎn)生偏差。從半正弦沖擊模擬特征來看,在給定脈寬的情況下,試驗條件要兼顧低頻和高頻譜型,只能提高半正弦量級,但是增大試驗量級必然會導致局部頻段過試驗,這是采取半正弦脈沖試驗考核的缺點。沖擊響應譜模擬試驗方法比較適用于復雜波形情況,目前很多重要產(chǎn)品都逐漸用該方式來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的半正弦沖擊試驗,制定試驗條件開展相關研究[8-11]。在GJB150A國家軍用標準沖擊試驗部分[12],也推薦優(yōu)先采用沖擊響應譜的模擬方法來開展沖擊試驗。另外,電磁振動臺也可用于沖擊響應譜模擬試驗,各種用于生成復雜波形的沖擊響應譜匹配方法已非常成熟[13-15]。大多數(shù)振動控制儀都配備了相應的功能,可以通過時域復雜波形閉環(huán)控制的方式來進行間接實現(xiàn)沖擊響應譜精確模擬,進一步增加沖擊試驗考核的真實性。

        6 結論

        (1) 通過隨機振動試驗,獲得了遙測點相對于導引頭安裝端面的三軸傳遞特性,根據(jù)遙測時間歷程,辨識出了導引頭安裝端面的瞬態(tài)沖擊環(huán)境,所給出的環(huán)境推導方法,既適用于瞬態(tài)振動環(huán)境,也適用于平穩(wěn)隨機振動環(huán)境。

        (2) 基于辨識的導引頭瞬態(tài)振動環(huán)境沖擊響應譜開展天地差異對比分析,確定現(xiàn)有的半正弦經(jīng)典波形沖擊考核方式會導致地面欠試驗,為故障分析定位提供了重要依據(jù)。

        (3) 半正弦沖擊試驗考核通常難以高低頻兼顧,有必要采用復雜波形沖擊或波形復現(xiàn)的方式來進行地面試驗模擬,從而實現(xiàn)沖擊響應譜的準確模擬,提高地面試驗考核真實性。

        本研究為導引頭的故障分析提供了重要參考依據(jù),其方法可應用于其他產(chǎn)品的傳遞特性試驗研究、整機環(huán)境和單機飛行環(huán)境條件推導中,為地面試驗環(huán)境條件制定和故障分析提供技術手段。本研究僅使用了一次飛行遙測數(shù)據(jù),對于該次故障復現(xiàn)是可行的,若需制定產(chǎn)品的環(huán)境條件,還應增加遙測數(shù)據(jù)樣本或條件容差,提高產(chǎn)品地面試驗考核的安全性。

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