典型結(jié)構(gòu)振動(dòng)-加速度綜合環(huán)境試驗(yàn)研究

周桐，張志旭，任萬(wàn)發(fā)，鄧志剛

（中國(guó)工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621999）

振動(dòng)環(huán)境和加速度環(huán)境是許多武器裝備尤其是飛行器都將經(jīng)歷的環(huán)境，為了確保裝備在此類環(huán)境下結(jié)構(gòu)的完整性和功能的可靠性，研究人員開(kāi)展了大量的地面單一環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)和單一環(huán)境加速度試驗(yàn)，在裝備研制中發(fā)揮了重要作用。

對(duì)于一些特殊的任務(wù)剖面，裝備可能會(huì)同時(shí)經(jīng)歷振動(dòng)載荷和加速度載荷的作用，這兩種載荷均會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、變形甚至功能失效，內(nèi)部應(yīng)力相互疊加超過(guò)承受能力則會(huì)導(dǎo)致破壞。美軍標(biāo)810F[1]中5.12節(jié)和GJB 150.1A—2009[2]中3.13節(jié)均指出，綜合環(huán)境試驗(yàn)可能比一系列連續(xù)的單個(gè)試驗(yàn)更能代表實(shí)際環(huán)境效應(yīng)，使用環(huán)境中遇到這些條件時(shí)，鼓勵(lì)進(jìn)行綜合環(huán)境試驗(yàn)。GJB 8384—2015《核戰(zhàn)斗部振動(dòng)-加速度試驗(yàn)方法》[3]中，也列舉了如下8類可能會(huì)由振動(dòng)-加速度綜合環(huán)境導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)故障模式：磨損、緊固件或元器件松動(dòng)、斷續(xù)的電氣接觸；隔振器件傳遞特性改變；結(jié)構(gòu)裂紋或斷裂；光學(xué)儀器或機(jī)械設(shè)備的失調(diào)；結(jié)構(gòu)變形和斷裂致使試件失效或損壞；密封泄漏；壓力和流量調(diào)節(jié)數(shù)值變化；伺服閥滑閥移位引起錯(cuò)誤和危險(xiǎn)的控制系統(tǒng)響應(yīng)。

與單一環(huán)境時(shí)相比，綜合環(huán)境下結(jié)構(gòu)參數(shù)出現(xiàn)明顯的非線性變化，是導(dǎo)致單一環(huán)境試驗(yàn)與綜合環(huán)境試驗(yàn)出現(xiàn)不同結(jié)果的根本原因。受仿真能力和試驗(yàn)技術(shù)手段的限制，我國(guó)在綜合環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)方面進(jìn)展較緩慢，對(duì)許多機(jī)理性的問(wèn)題認(rèn)識(shí)還不充分[4]。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者[5—7]采用理論分析和有限元仿真方法對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)中的陀螺儀開(kāi)展了初步研究，結(jié)果表明，振動(dòng)-加速度綜合環(huán)境下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征是無(wú)法用單一環(huán)境描述的。

制約國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域試驗(yàn)研究工作的瓶頸在于電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)在離心機(jī)上工作需要突破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)調(diào)研國(guó)外在該領(lǐng)域的研究進(jìn)展，并開(kāi)展獨(dú)立的研究工作[8—11]。目前國(guó)內(nèi)西安交通大學(xué)、浙江大學(xué)、北京強(qiáng)度環(huán)境研究所等單位已經(jīng)具備了不同規(guī)模的振動(dòng)-加速度綜合環(huán)境試驗(yàn)?zāi)芰?，但這方面的試驗(yàn)研究成果鮮見(jiàn)報(bào)道。

文中通過(guò)對(duì)多個(gè)不同類型典型部件在振動(dòng)-加速度綜合環(huán)境下的響應(yīng)特征進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)部件在綜合環(huán)境下的響應(yīng)特征與單一環(huán)境下的特性可能會(huì)出現(xiàn)明顯不同，希望可以使更多的研究人員了解到開(kāi)展此類綜合環(huán)境試驗(yàn)的必要性。

1 帶隔振器試驗(yàn)件一

1.1 試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)

為了研究某帶隔振器組件在不同隔振器受力狀態(tài)、不同邊界剛度、不同邊界傾角、不同載荷狀態(tài)時(shí)的加速度響應(yīng)，設(shè)計(jì)了如圖1所示的典型試驗(yàn)件。試驗(yàn)件通過(guò)橡膠隔振器與支撐結(jié)構(gòu)連接，隔振器的剖面形狀在圖2中給出。隔振器理論上為三向等剛度，但實(shí)測(cè)的隔振器受力變形曲線如圖3所示?？梢钥吹?，受拉時(shí)呈現(xiàn)剛度硬化，而受壓時(shí)剛度先軟化再硬化，而且兩個(gè)方向承載能力差異很大。這就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在不同的過(guò)載環(huán)境下出現(xiàn)不同的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，甚至?xí)霈F(xiàn)由于變形過(guò)大導(dǎo)致試驗(yàn)件與其他相鄰部件碰撞的現(xiàn)象。

圖1 基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Sketch map of basic structure

圖2 隔振器剖面Fig.2 Section of the isolator

圖3力-變形曲線Fig.3 Relation of force and displacement

1.2 響應(yīng)規(guī)律

圖4 給出的是不同隔振器受力狀態(tài)（Y表示受壓，L表示受拉）、不同加速度量級(jí)時(shí)（字母后的數(shù)字表示加速度g值）試驗(yàn)件主振向（y向）的振動(dòng)響應(yīng)（激勵(lì)均為6g均方根值，10～2000 Hz隨機(jī)激勵(lì)）。可以看到，試驗(yàn)件的一階共振頻率發(fā)生了明顯的變化，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)件的加速度均方根值依次為 1.3g，1.5g，1.7g，2.3g，2.7g，2.9g，3.4g，變化同樣顯著，這就可能對(duì)試驗(yàn)件的功能產(chǎn)生影響。

圖4不同加速度環(huán)境下的結(jié)構(gòu)一階響應(yīng)Fig.4 First order response of structure under different acceleration environments

圖5 給出的是試驗(yàn)件安裝在靠近L型邊界根部、隔振器受拉狀態(tài)、0°傾角時(shí)，試驗(yàn)件上測(cè)點(diǎn)非主振向（z向、x向）響應(yīng)?？梢钥吹剑铀俣炔煌瑫r(shí)，測(cè)點(diǎn)的功率譜密度曲線在共振頻率附近也發(fā)生了明顯變化。

圖5 振動(dòng)響應(yīng)Fig.5 Vibration response

2 帶隔振器試驗(yàn)件二

試驗(yàn)件的外觀如圖6所示，試驗(yàn)件在四個(gè)角上通過(guò)橡膠隔振器與邊界連接。x向、y向加速度過(guò)載時(shí)試驗(yàn)件上的加速度功率譜密度曲線如圖7所示，可以看到，隨加速度量級(jí)的增加，試驗(yàn)件的共振頻率逐漸增大，振動(dòng)響應(yīng)也逐漸增大，隔振器的性能有明顯降低。如果只進(jìn)行單一的振動(dòng)試驗(yàn)或加速度試驗(yàn)，是難以發(fā)現(xiàn)這樣的問(wèn)題的。

圖6 四角隔振的試驗(yàn)件Fig.6 Test piece with isolator at four corners

圖7 載時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)Fig.7 Vibration response with over load

在本次試驗(yàn)中，加速度過(guò)載分別為15g，40g和55g，寬帶隨機(jī)激勵(lì)的量級(jí)大約為Grms=10.2g，而最惡劣情況下試驗(yàn)件的響應(yīng)也已接近10g。在一定程度上可以認(rèn)為隔振器已經(jīng)失效，但是如果經(jīng)過(guò)分析，認(rèn)為400 Hz以下的響應(yīng)放大不會(huì)對(duì)試驗(yàn)件造成影響，只要高頻部分響應(yīng)衰減即可，則也可以選擇該隔振器。

試驗(yàn)采用的是類似圖8所示的T型橡膠隔振器，試驗(yàn)后隔振器基本完好，但另外一個(gè)采用T型隔振器的試驗(yàn)件在試驗(yàn)后出現(xiàn)了嚴(yán)重的隔振器損壞，如圖9所示。該試驗(yàn)件曾經(jīng)開(kāi)展過(guò)單一的振動(dòng)試驗(yàn)和加速度試驗(yàn)，未出現(xiàn)異常。該試驗(yàn)結(jié)果表明，綜合環(huán)境下應(yīng)力疊加對(duì)試驗(yàn)件具有更強(qiáng)的破壞作用，通過(guò)了單一環(huán)境考核的試驗(yàn)件可能會(huì)在綜合環(huán)境下暴露出故障。

圖8 T型橡膠隔振器Fig.8 T-type rubber isolator

圖9 試驗(yàn)后隔振器被破壞Fig.9 The destroyed isolator

3 回轉(zhuǎn)體試驗(yàn)件一

3.1 試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)

工程結(jié)構(gòu)中某部件近似為多層回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，不同層的剛度有明顯差異，內(nèi)層受到的約束僅為層間摩擦力，最外層與邊界相連接，層與層之間靠預(yù)緊力保持相對(duì)位置。由于層間的約束相對(duì)較弱，所以可能會(huì)在振動(dòng)環(huán)境激勵(lì)下發(fā)生內(nèi)層結(jié)構(gòu)繞對(duì)稱軸的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，這是結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)所不希望的。

圖10是經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后的試驗(yàn)件模型，共分為上中下三層，每層均為圓餅狀，層與層之間有薄彈性墊層材料。上層與下層之間有限位裝置，上層相對(duì)下層只能沿中間對(duì)稱軸上下運(yùn)動(dòng)，不能轉(zhuǎn)動(dòng)，理論上只有一個(gè)自由度。中間層既可以沿中間對(duì)稱軸上下運(yùn)動(dòng)，又可以繞對(duì)稱軸轉(zhuǎn)動(dòng)，理論上有兩個(gè)自由度。墊層的作用是防止不同層在軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生明顯撞擊，同時(shí)可以提供一定的摩擦力阻止中間層的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。上層和中間層靠預(yù)緊力壓緊在下層上，試驗(yàn)時(shí)在下層的部位進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)，關(guān)注中間層開(kāi)始發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的振動(dòng)量級(jí)和預(yù)緊力大小。

圖10 三層試驗(yàn)件原理Fig.10 Structure of the three-layer test piece

3.2 響應(yīng)規(guī)律

試驗(yàn)時(shí)先給試驗(yàn)件施加規(guī)定的預(yù)緊力，再逐步提高下層受到的隨機(jī)激勵(lì)量級(jí)，每一個(gè)隨機(jī)激勵(lì)量級(jí)保持2 min。激勵(lì)前、后如果預(yù)緊力沒(méi)有明顯降低，則認(rèn)為該試驗(yàn)狀態(tài)有效，否則重新施加預(yù)緊力和隨機(jī)激勵(lì)，最終記錄每個(gè)預(yù)緊力下，中間層發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象所需的最低振動(dòng)量級(jí)（或稱臨界量級(jí)）。憑經(jīng)驗(yàn)通常會(huì)認(rèn)為預(yù)緊力越大，發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象的最低振動(dòng)量級(jí)也會(huì)越高。

圖11給出的是發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)測(cè)得的位移（近似用直線位移代替旋轉(zhuǎn)角度），可以看到，旋轉(zhuǎn)不一定是連續(xù)發(fā)生的，可以是階梯狀間歇式的，而且轉(zhuǎn)動(dòng)的方向也不一定是單向的，可以是往復(fù)的，這在一定程度上說(shuō)明轉(zhuǎn)動(dòng)與偏心質(zhì)量的關(guān)系不大。猜測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)的原因可能與試驗(yàn)時(shí)激勵(lì)的不均勻性或中間層存在輕微繞面內(nèi)對(duì)稱軸轉(zhuǎn)動(dòng)，不是理想兩自由度運(yùn)動(dòng)等因素有關(guān)。

圖11轉(zhuǎn)動(dòng)位移Fig.11 Rotational displacement

圖12 給出的是預(yù)緊力與臨界量級(jí)之間的關(guān)系，可以看到，只進(jìn)行單一振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)時(shí)（實(shí)線），隨預(yù)緊力增加，臨界轉(zhuǎn)動(dòng)量級(jí)也隨之增加，而且是近似線性的。當(dāng)有加速度過(guò)載環(huán)境存在時(shí)，臨界的振動(dòng)量級(jí)竟然不隨預(yù)緊力發(fā)生變化，這一點(diǎn)非常匪夷所思，有待理論分析給出合理的解釋。

圖12 預(yù)緊力與臨界量級(jí)的關(guān)系Fig.12 Relation between preload and critical level

4 回轉(zhuǎn)體試驗(yàn)件二

試驗(yàn)件模型如圖13所示，中間球體上有兩圈平行限位槽，薄壁錐筒與球體接觸后，球體只能夠繞中心對(duì)稱軸轉(zhuǎn)動(dòng)，上、下蓋的作用是給結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行限位并提供預(yù)緊力。

圖13 圓錐和球體組合試驗(yàn)件Fig.13 Combined test piece of circular cone and sphere

首先給試驗(yàn)件同時(shí)施加x向的加速度過(guò)載和隨機(jī)振動(dòng)，發(fā)現(xiàn)中心球體出現(xiàn)了非常明顯的繞對(duì)稱軸轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象，而且轉(zhuǎn)動(dòng)的力非常大，造成了測(cè)量傳感器的損壞。進(jìn)行y向加速度過(guò)載和隨機(jī)振動(dòng)綜合試驗(yàn)時(shí)，中心球體卻基本沒(méi)有出現(xiàn)繞對(duì)稱軸轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象。

5 繼電器試驗(yàn)件

繼電器是一種常用的電子元器件，其主要功能是用一個(gè)較弱的信號(hào)控制另一個(gè)電路的通斷。試驗(yàn)用繼電器如圖14所示，其物理模型如圖15所示。

圖14 實(shí)驗(yàn)用繼電器Fig.14 Relay used in the experiment

圖15 繼電器理論模型Fig.15 Theoretical model of relay

當(dāng)沒(méi)有電磁力作用時(shí)，上觸點(diǎn)處于導(dǎo)通狀態(tài)，電磁力作用后下觸點(diǎn)導(dǎo)通。在振動(dòng)-加速度綜合環(huán)境下，如果加速度過(guò)載方向與電磁力方向一致，則當(dāng)加速度足夠大時(shí)慣性質(zhì)量力超過(guò)彈簧力，就會(huì)使上觸點(diǎn)導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)橄掠|點(diǎn)導(dǎo)通，此時(shí)并無(wú)電磁力控制信號(hào)。如果再疊加上振動(dòng)信號(hào)，就會(huì)在更弱些的加速度過(guò)載環(huán)境下由振動(dòng)引起觸點(diǎn)導(dǎo)通的變化，而且是多次的斷續(xù)導(dǎo)通（如圖16所示）。這些都將引起系統(tǒng)的誤觸發(fā)，甚至?xí)绊懙饺到y(tǒng)的功能。

當(dāng)加速度過(guò)載方向與電磁力方向相反時(shí)，如果電磁力較弱，則會(huì)出現(xiàn)電磁力無(wú)法抵消慣性質(zhì)量力與彈簧力合力的現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法觸發(fā)應(yīng)有的動(dòng)作。這些問(wèn)題在選擇繼電器的時(shí)候都應(yīng)該進(jìn)行考慮。

圖16 綜合環(huán)境下觸點(diǎn)電壓信號(hào)的波動(dòng)Fig.16 Fluctuation of voltage in combined environment

5 結(jié)語(yǔ)

文中通過(guò)試驗(yàn)研究的方法，研究了多種典型結(jié)構(gòu)在振動(dòng)-加速度綜合環(huán)境下的響應(yīng)規(guī)律，結(jié)果表明：

1）在振動(dòng)-加速度綜合環(huán)境下，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的動(dòng)力學(xué)特性與單一振動(dòng)環(huán)境下的特性會(huì)出現(xiàn)一定程度上“量”的不同，尤其是含有彈性材料的部件。

2）綜合環(huán)境下由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部約束特性的變化，試驗(yàn)件的動(dòng)力學(xué)特性可能也會(huì)出現(xiàn)“質(zhì)”的不同，這種差異是在單一振動(dòng)環(huán)境下無(wú)法進(jìn)行模擬的。

3）在振動(dòng)-加速度綜合環(huán)境下，由于應(yīng)力疊加效應(yīng)，結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力會(huì)比單一環(huán)境試驗(yàn)時(shí)大，因此通過(guò)了單一環(huán)境考核的部件可能就會(huì)在綜合環(huán)境時(shí)出現(xiàn)破壞。

[1] MIL-STD-810F.Environmental Engineering Considerations and Laboratory Tests[S].

[2]GJB 150.1A—2009，軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第1部分：通用要求[S].GJB 150.1A—2009，Laboratory Environmental Test Methods for Military Materiel－Part 1：General Requirements[S].

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