影響振動環境試驗的若干關鍵技術要點解析

許江文

（中國電子科技集團第十八研究所，天津 300384）

影響振動環境試驗的若干關鍵技術要點解析

許江文

（中國電子科技集團第十八研究所，天津 300384）

從振動試驗方案設計、試驗方法和步驟、試驗設備選擇、振動試驗控制方法等幾個方面對影響振動試驗的關鍵技術進行了詳細的解析；并結合結構動力學闡述了振動試驗夾具設計的注意要點。

振動；夾具；控制；結構動力學

引言

環境振動是考核、評定產品的耐振動環境適應性的一種重要研究手段。它通過在實驗室人工模擬場外振動環境條件來檢驗產品結構在實際使用過程中能否滿足要求，同時暴露產品的設計缺陷，為產品結構優化提供數據支持。隨著工業的不斷發展，環境振動試驗在控制產品質量中發揮了越來越重要的作用，有效地提高了產品可靠性[1]。

振動夾具是振動試驗臺和試驗產品的連接部件，試驗中要求它把振動試驗臺的能量不失真地傳遞到試驗產品上。由于機械結構本身的傳遞特性，試驗夾具在其固有頻率點的附近頻段內使得傳遞的能量失真，如果試驗夾具的固有頻率和試驗產品的固有頻率重合，將對試驗產品產生更為嚴重的耦合作用，這樣試驗結果將嚴重失真。因此在實驗室模擬外場的振動試驗中，振動夾具的優劣將直接影響整個試驗結果的有效性。除此之外，選擇合適的控制策略也能很好地彌補因夾具和試驗樣品結構傳遞特性耦合帶來的不利影響。

1 振動試驗臺選擇

在進行一項振動試驗時，如果選擇的試驗設備不合理，可能會使試驗不能順利進行，甚至會因設備超能力使用產生嚴重的事故。在選擇試驗設備時應注意如下三個原則[2]：

1）根據被試產品（含夾具）的質量和正弦振動的最大加速度值（或隨機振動的均方根值）的乘積、加上30%余量確定設備額定激振力。

2）根據試驗規范的頻率范圍選擇振動臺的上、下限工作頻率。

3）根據試驗規范的振動控制要求正弦振動、隨機振動等選擇振動臺應配置的控制器。

由于目前廣泛應用的是電動振動臺，本文以電動振動臺為例，說明在振動試驗前如何選擇合適的設備。圖1為振動臺的最大工作特性曲線，電動臺適應的頻率范圍較寬，一般能達到2000Hz。其激振力的輸出能力與頻率范圍有關，在較高頻率段能輸出全激振力，低頻段由于受到最大位移的限制，其加速度值隨著頻率的下降而下降，中間頻率段為恒速度段，在該區域內，設備將達到最大速度值。從上述可以看出，振動臺的最大位移、最大速度、最大加速度等指標并不都能在全工作頻域內得到滿足，因此在對被測對象進行試驗前，必須對被測對象的振動參數進行分析，合理地選用振動臺及測試儀器才能得到正確的結果。

確定額定激振力的大小：

這里m1為試件質量；m2為夾具質量；m3為動圈質量；m4為擴展臺面質量。

當根據式（1）確定了恒加速度區域的激振力和已知試驗加速度幅值a后，用下式即可計算出此試驗負載下的加速度和速度區的交越點：

然后用式（3）確定該交越點以下的速度區域內頻率點各對應的速度幅值的大小，當計算值小于初步選定的振動臺的最大速度幅值時，試驗可行，反之則不行。

以同樣的方法驗證在位移區內相應的位移能否滿足要求。

2 振動試驗夾具的設計

試驗中，試件的固定和振動載荷的傳遞都是靠夾具來完成的，其動態特性的優劣直接關系到試驗結果的真實性。理想的振動試驗夾具除了要滿足邊界約束條件和試驗設備能力外，還要求將激勵力不失真地傳遞給試件，這就必須對夾具的力的傳遞途徑、強度、剛度等作綜合考慮。

2.1 夾具設計常用原則

2.1.1 夾具材料要求

夾具材料應選用剛度大、阻尼大、質量輕的材料，如鎂、鋁及其合金，盡量不要使用優質碳素鋼。

圖1 振動臺最大工作曲線

2.1.2 對中要求

應盡量設計重心較低且對稱的夾具。在垂直方向試驗時，通常要求試件和夾具的合成重心盡可能地與振動臺動圈的中心線重合，以避免由于重心不一致在振動試驗過程中振動臺臺面搖晃，造成對試件不應有的沖擊應力，從而導致振動臺臺面波形嚴重失真，甚至損壞振動臺（試驗時，送試方應提供夾具和試件的重心位置及重量等相關參數）。

2.1.3 動力學傳遞特性要求[3]

夾具的振動傳遞特性原則上應趨于1，這樣激勵力在通過夾具傳遞給試件的時候不會因夾具本身而放大或變小，能避免出現過試驗或欠試驗的情況。要滿足這一要求只有夾具是剛體時才能達到；實際上夾具本身不可能是完全剛體，當試驗頻帶較寬時，在夾具的諧振峰處，夾具的振動傳遞率是大于 1 的，在該頻率值附近時試件處于過試驗；相反地，在峰谷處該頻率值附近時試件處于欠試驗。美國圣地亞實驗室針對不同大小的夾具，從經驗上給出了夾具在試驗頻帶內對共振峰的要求。除此之外，振動夾具的動力學特性通常應滿足下列要求：

1）夾具的一階頻率。夾具的一階諧振頻率和試件的一階諧振頻率之比應在0.5～1.4之間。

2）在整個試驗頻段內，夾具的共振頻率點應盡可能少，且品質數Q應小于 4 。

3）夾具與試件連接面上的各點的響應要盡量一致，以確保試驗時輸入激勵的均勻性。

4）限定橫向運動量級：對非試驗方向的振動量值進行規定，限定其小于某個值，一般橫向振動應不大于30%，個別點也不應超過50%。

2.2 夾具結構形式

由于試驗產品門類多，形狀也不盡相同，人們很難用通用的夾具來完成試驗，需要結構設計師或試驗工程師自行設計。一般按用途來分，夾具分為專用和通用兩種，專用夾具是專門為某個試驗設計的，通用夾具可用于多個不同試驗。夾具材料應采用比剛度大、阻尼大的材料，鋁、鎂及合金是最常用的材料，表1列出了常用夾具材料的一些重要物理特性[5-6]。

常見的通用夾具結構形式主要有平板、立方體、半圓形、臺面擴展轉接板、方盒形、L形、T形、開口盒形等幾種，如圖2所示。

2.3 基于響應加速度譜密度偏離度最小的振動夾具優化設計

在某些特定設備的大型夾具設計過程中，雖然夾具設計人員希望自己設計的夾具特性能夠滿足上述通用要求，但是考慮到振動臺實際情況下多點加權控制和整個試驗頻段內的動力學響應特性耦合效應，大部分夾具都很難達到設計要求的理想狀態，這就需要尋找一種更合理地設計方法。

夾具設計參數對傳遞特性影響，可以從傳遞函數的分析中看出[4]。系統具有N自由度時，系統設計參數向量為ξ，假定只有在結構的o點的作用有激振力0F，則有任一點i處的響應iX將是：

表1 常用夾具材料特性參數

圖2 常見通用夾具結構形式

振動環境試驗系統包括：振動臺體、夾具和試件，以夾具為研究對象，假定振動臺傳遞給夾具振動量級的傳力點位于振動臺面中心位置處的夾具上的點o上，夾具傳遞給試件的振動量級傳力點為試件與夾具得到安裝部位di（i = 1,2,3..,m），傳感器安裝位置為 ck（k= 1,2,...n），夾具設計參數向量為ξ，則有：

若是隨機激勵作用下，通過響應與激勵協方差函數Fourier變換可得id，kc點相對于o點的加速度功率譜密度傳遞函數等式：

式中 Hξ,dio（f ）和 Hξ,cko（f）是與夾具設計變量參數向量ξ有關的頻響函數。

考慮到計算和測試時頻率是離散的，則有：

所以有：

代入式（4），

3 振動控制策略

在實驗室模擬場外振動環境試驗中，一般來說試驗樣品無法直接與振動臺連接，都是通過通用或某些專用夾具與振動臺轉接，所以在實驗室試驗中，振動臺、夾具、試驗樣品組成一個試驗系統。

GJB 150A中對試驗系統控制點的位置選擇有明確說明，一般選在試驗夾具上且最接近試驗產品與試驗夾具的連接點處。在實際試驗過程中，由于整個試驗系統之間的動力學耦合作用，使得試驗產品上產生的振動環境與理想的狀態不符，這將導致試驗產品的某些部分過試驗，而在其它某些特定部分欠試驗。在試驗夾具和試驗產品結構無法進一步改進的情況下，采取適當的控制改善試驗失真程度，使試驗結果可信度更高是行之有效的方法[5]。

3.1 加速度輸入控制法

加速度輸入控制法是振動環境試驗的傳統方法。在這種控制方法中，加速度傳感器安裝在振動臺面上或與試驗件連接的夾具上。試驗時，根據規定的振動試驗譜產生振動抬得驅動信號，以反映預期使用過程中平臺產生的振動環境激勵。從理論上說，在振動臺、夾具、產品之間的動力耦合作用不會導致試驗結果產生明顯偏離的情況下，加速度輸入控制法是可靠的。因此該控制方法適用于試驗產品和重量相對于振動臺的試驗夾具可以看作是剛體的試驗。

3.2 力輸入控制策略

在振動臺、夾具和產品之間采用動態力傳感器連接，以反映預期使用過程中平臺與產品之間傳遞的動態界面力。振動試驗時，根據規定的振動試驗力譜或時間歷程，產生振動臺的驅動信號，并通過動態力傳感器的反饋信號對驅動信號進行實時修正。

3.3 加速度限制控制策略

加速度限制控制法是對加速度輸入控制方法的一種改進，目的是為了減小加速度輸入控制中由于振動臺、試驗夾具、試件之間的動力學耦合作用所造成的過試驗程度。與加速度輸入控制法不同的是，加速度限控制法除了在夾具上安裝控制傳感器外，還在試件的某些特定點上安裝監測加速度傳感器，并規定振動試驗中這些特定點上的振動加速度響應限值。

在振動試驗時，根據試件連接界面上規定的振動試驗加速度譜產生驅動信號，并通過控制加速度傳感器的反饋信號對驅動信號進行實時修正，以保證夾具、試件界面處達到規定的振動量級。但是當某些頻段上出現監測加速度傳感器的振動響應值超過預先設定的限制譜時，可對輸入進行修改以將監測加速度傳感器的振動響應控制在規定的限制譜內。加速度限控制法實際上是對振動試驗輸入譜的某些頻段進行下凹處理，這種方法也稱為帶谷控制。

3.4 加速度響應控制策略

對于加速度響應控制法，振動試驗條件一般是由試驗件上特定點的加速度響應值規定的。與加速度輸入控制不同，基于響應模擬原理的響應控制，只需試驗件有足夠的運動自由度上的振動加速度值滿足要求即可。

采用加速度響應控制法時，控制點選在試驗條件規定的試驗產品的特定點上，試驗條件輸入和過程控制與加速度輸入法一樣。但是當某些試件或夾具的響應動態范圍過大時，采用該方法很可能出現振動試驗失控而損壞試驗產品的情況，所以在選擇該控制策略時要特別注意。

4 結束語

振動是力學環境試驗中最為常見的一項環境試驗，試驗過程的失誤，會造成錯誤的實驗結果判斷，會給設計提供不準確的數據資料，甚至會造成無法估計的嚴重后果。試驗方案的設計、試驗樣品的合理安裝、試驗夾具的合理設計與使用、控制點與測試點的選擇、試驗設備的選擇、試驗數據的采集、分析與處理以及試驗測試方案的確立等都會影響到整個試驗的有效性。

[1]《力學環境試驗技術》編著委員會,力學環境試驗技術[M]. 西安：西北工業大學出版社, 2003：10-15.

[2]邱景湖,鐘瓊華. 振動與振動試驗設備[M]. 蘇州：蘇州試驗儀器總廠, 2004.

[3]王東. 振動試驗夾具的設計制作技術[J]. 現代防御技術, 1997,（3）：10-12.

[4]李奇志. 環境振動試驗若干技術研究[D].南京：南京航空航天大學, 2013.

[5] GJB 150A-2001,軍用設備環境試驗方法[S] .

許江文 ，1980.11，男，湖北人，工程師，從事系統工程，最終檢測方面的研究工作。

Analysis on Some Key Technologies of Impact Vibration Environment Test

XU Jiang-wen
(18th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Tianjin 300384)

This paper detailedly analyzes the key technologies of vibration test from the perspectives of scheme design, test method and steps, choice of test equipment, control method, etc. Besides, it expounds the key points of the fixture design of vibration test combined with structural dynamics.

vibration; fixture; control; structural dynamics

TB123

B

1004-7204（2015）03-0010-04