艦船設(shè)備振動試驗方法的探討

朱宜生，王超，陳中青（1.中國船舶重工集團第七二三研究所，江蘇 揚州 2250012.中國船舶工業(yè)電工電設(shè)備環(huán)境與可靠性試驗檢測中心，江蘇 揚州 225001）

艦船設(shè)備振動試驗方法的探討

朱宜生1，2，王超1，2，陳中青1，2
（1.中國船舶重工集團第七二三研究所，江蘇 揚州 225001
2.中國船舶工業(yè)電工電設(shè)備環(huán)境與可靠性試驗檢測中心，江蘇 揚州 225001）

目的 探討艦船設(shè)備振動試驗中的幾個問題并提出解決方法。方法 分析GJB 150.16A，GJB 4.7—83和MIL-STD-167-1A等振動試驗標準，找出其中存在的缺點。闡述實驗室模擬與實際環(huán)境的差異，提出改進建議。結(jié)果 GJB 150.16A中沒有明確說明隨機部分和正弦部分是單獨試驗還是疊加試驗，GJB 4.7—83和MIL-STD-167-1A中沒有給出隨機振動的條件，只有正弦振動部分。結(jié)論對于標準中存在的缺點，在每個軸向，首先進行一半的功能試驗，再進行隨機疊加正弦/隨機振動，最后進行另一半功能試驗。對于實驗室模擬與實際環(huán)境存在差異的問題，通過采用力譜控制、采用模擬艦船結(jié)構(gòu)的夾具、規(guī)定安裝方式、對環(huán)境條件進行反復(fù)迭代等方法改進。

艦船設(shè)備；振動試驗；暴露量級

根據(jù)GJB 150.16A—2009的規(guī)定，艦船振動暴露量級需要考慮船的振動是自然環(huán)境（海浪、風(fēng)）激勵、強迫激勵（螺旋槳軸轉(zhuǎn)速、往復(fù)機械和其他裝備的運行等）、艦船結(jié)構(gòu)、裝備安裝結(jié)構(gòu)和裝備響應(yīng)的復(fù)雜函數(shù)，應(yīng)根據(jù)實測數(shù)據(jù)確定其振動暴露條件[1]。

由于實際應(yīng)用中缺少振動環(huán)境實測數(shù)據(jù)，因此GJB 150.16A給出的試驗條件如下。

1）隨機部分：平直譜，頻率范圍為1～100 Hz，加速度譜密度為0.001 g/Hz，每軸向持續(xù)2 h。

2）正弦部分：每個軸向在規(guī)定頻率范圍內(nèi)掃頻10次后在危險頻率上耐振2 h。

標準沒有給出艦船振動試驗的詳細程序，對于振動試驗中的所遇到的一些細節(jié)問題沒有充分說明，僅零星提出了一些需要考慮的問題，文中就艦船振動試驗中可能會碰到的一些問題提出并展開探討。

1　隨機、正弦振動試驗方法的使用

根據(jù)GJB 150.16A，振動試驗條件按如下確定：“隨機部分量級見圖C.15，三個正交軸的每個軸向試驗持續(xù)時間為2 h；正弦部分的功能試驗量級可按表C.9，試驗持續(xù)時間應(yīng)在選定的試驗頻率范圍內(nèi)，以每分鐘1個倍頻程的速率進行10次掃頻循環(huán)；對耐振試驗，應(yīng)在危險頻率，若沒有危險頻率則在上限頻率上，每個軸向試驗持續(xù)時間至少2 h[1]”。

GJB 150.16A中沒有明確說明隨機部分和正弦部分是單獨試驗還是疊加試驗，根據(jù)原文含義，大部分試驗檢測機構(gòu)和裝備研制生產(chǎn)單位選擇單獨完成隨機部分和正弦部分的試驗。這種方法可以接受，但是也存在幾個缺點：

1）加長試驗時間，每個軸向多2 h，三個方向6 h，艦船電子裝備系統(tǒng)組成常多達十多臺設(shè)備分機，一個振動試驗僅隨機部分就多需要近100 h。目前，各單位裝備研制生產(chǎn)任務(wù)量都很大，交付節(jié)點緊，給任務(wù)安排帶來較大的壓力。

2）隨機振動部分是模擬海浪、風(fēng)等自然環(huán)境激勵的，正弦振動部分是模擬螺旋槳軸轉(zhuǎn)速、往復(fù)機械和其他裝備的運行等強迫激勵的。從實際平臺適用角度出發(fā)，這兩種激勵往往是同時存在的，單獨進行隨機、正弦振動，并不能完全模擬實際情況。

GJB 4.7-83和MIL-STD-167-1A中沒有給出隨機振動的條件，只有正弦振動部分。因此不存在正弦振動與隨機振動進行疊加試驗的問題。針對GJB 150.16A中存在的正弦振動與隨機振動的問題建議采用如下方法解決。

1）對于每個軸向，首先進行一半的功能試驗，采用正弦掃頻，在選定試驗頻率范圍內(nèi)以每分鐘1個倍頻程的速率進行5次掃頻循環(huán)。

2）進行隨機疊加正弦/隨機振動：標準規(guī)定的圖C.15圖譜作為背景隨機振動，在隨機圖譜上于掃頻確定的危險頻率處疊加規(guī)定量值的正弦分量，當危險頻率在一個頻帶內(nèi)變化時也可疊加窄帶隨機[2]。

3）最后再進行另一半功能試驗。目前的振動控制系統(tǒng)大多具備隨機疊加正弦/隨機功能，即便缺少此功能，只要花費很少的費用就能升級，采用上述方法具有如下優(yōu)點：減少試驗時間；更能模擬實際情況；如果有多個危險頻率，可同時疊加在隨機背景振動圖譜上。

2　艦船結(jié)構(gòu)、裝備安裝結(jié)構(gòu)響應(yīng)的模擬

在試驗室進行振動試驗時，一般將裝備固定在近似剛性的夾具上后進行試驗，從而將振動臺的激勵均勻地傳遞給裝備。實際中，裝備安裝時并不完全是剛性安裝在平臺上，平臺即艦船結(jié)構(gòu)、裝備安裝結(jié)構(gòu)等的差異會影響裝備各階振動模態(tài)的共振頻率和阻尼，導(dǎo)致裝備安裝共振頻率與試驗室剛性安裝所測得的共振頻率不完全一樣。

試驗室振動試驗所使用的振動臺及臺面和艦船平臺相比，質(zhì)量相差很大，所以裝備和振動臺之間的動力耦合與裝備和平臺相比，肯定存在明顯的差異，這就會導(dǎo)致試驗室模擬的振動試驗并不能完全代表實際情況。解決方法考慮如下幾個方面。

1）采用力譜控制：在振動臺/夾具和裝備中間安裝動態(tài)力傳感器，振動臺運動由力傳感器的反饋來控制，以再現(xiàn)外場實測的界面力[3]，從而能保證在試驗室振動臺與裝備的界面上輸入正確的平臺實際動態(tài)力，避免裝備過試驗或欠試驗。

2）采用模擬艦船結(jié)構(gòu)的夾具：可參考GJB150.18—1986中艦船中量級沖擊試驗的標準夾具，按照規(guī)定的尺寸、材料和制造工藝設(shè)計制作墊軌和支撐槽鋼，來模擬艦船上船體網(wǎng)格支撐結(jié)構(gòu)[4]。裝備安裝在這些標準夾具上，振動臺輸出相應(yīng)規(guī)定的激勵。

3）規(guī)定安裝方式，在試驗大綱中應(yīng)明確裝備試驗時應(yīng)采用的安裝結(jié)構(gòu)、安裝方式及相應(yīng)安裝參數(shù)，包括安裝頻率及緊固螺釘安裝力矩要求等。

4）對環(huán)境條件進行反復(fù)迭代，將試驗條件逐步接近真實環(huán)境條件[5]。

3　耐振試驗頻點及試驗時間的選擇

GJB 150.16A—2009與GJB 4.7—83中均規(guī)定耐振試驗在確定的危險頻率上進行，如果沒有危險頻率，應(yīng)在上限頻率上進行。結(jié)構(gòu)件危險頻率在共振狀態(tài)下局部會產(chǎn)生大位移，引起局部彎折變形，進而產(chǎn)生疲勞損壞，這樣能迅速評估裝備的結(jié)構(gòu)強度和缺陷[6]。沒有危險頻率則在上限頻率進行耐振的原因更多的是考慮一定的試驗裕量，因為在上限頻率處的振動次數(shù)最多，累積結(jié)構(gòu)疲勞更大，降低裝備壽命和功能振動適應(yīng)性驗證的風(fēng)險。

在上限頻率進行耐振也有不合理之處，也不完全符合艦船平臺的實際情況，屬于一種平臺環(huán)境的粗糙模擬。MIL-STD-167-1A不僅規(guī)定了在危險頻率上進行共振試驗，同時也規(guī)定了對影響設(shè)備功能和結(jié)構(gòu)完整性的非極值頻率進行耐振試驗，因此美軍標MIL-STD-167-1A的規(guī)定更符合實際情況。

針對GJB 150.16A和GJB4.7中耐振試驗的問題，建議耐振頻率的選擇參考直升機振動試驗條件，當有危險頻率時在危險頻率進行耐振試驗；當沒有危險頻率時，根據(jù)裝備在艦船上位置的不同，在螺旋槳或往復(fù)機械的基頻（多個）及其諧波上進行耐振試驗，應(yīng)對每一規(guī)定頻率和軸線的組合進行合理次數(shù)的應(yīng)力循環(huán)[7]。

由于螺旋槳、往復(fù)機械、旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)或艦船結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動環(huán)境具有準周期激勵特征，進一步改進是采用窄帶隨機進行耐振試驗，窄帶帶寬應(yīng)涵蓋代表上述環(huán)境激勵變動或裝備共振頻率變化的頻帶，也可在頻率范圍內(nèi)循環(huán)掃描[8]。

4　利用專用傾斜夾具模擬船體傾斜狀態(tài)下振動

飛行器在機動轉(zhuǎn)彎等動作會產(chǎn)生過載，同時有溫度、振動、沖擊等共同作用的復(fù)合環(huán)境，需要考慮離心復(fù)合試驗[9]。對于艦船裝備，艦船在實際航行過程中受到海浪及風(fēng)的影響，會發(fā)生傾斜，在傾斜的狀態(tài)下，裝備各階振動模態(tài)的頻率和阻尼會受到影響。如對于設(shè)計有隔振器的裝備，隔振器在船體傾斜時因裝備重力原因?qū)е缕滟|(zhì)心與彈性中心存在偏心，振動就會出現(xiàn)耦合，對裝備的隔振作用也會發(fā)生變化[10]。因此可能需要考慮傾斜復(fù)合試驗。

在試驗室試驗時，隨機部分的振動只是模擬海浪及風(fēng)等的環(huán)境激勵，試驗時裝備處于垂直安裝狀態(tài)，并不能模擬實際傾斜的情況。裝備在傾斜搖擺條件下的適應(yīng)性可通過傾斜搖擺試驗來驗證，關(guān)于傾斜狀態(tài)下的振動模擬，可考慮采用專用傾斜夾具，試驗時從耐振試驗持續(xù)時間中截取一部分作為傾斜狀態(tài)下的振動持續(xù)時間。夾具的設(shè)計應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)剛度、自身的共振與反共振對振動臺的影響[11]、傾斜角度等，傾斜角度可參考GJB 150.23A[12]，給出一個傾斜夾具供參考，如圖1所示。

圖1　傾斜試驗夾具Fig.1傾斜試驗夾具

5　結(jié)語

以上主要是結(jié)合實際工作對GJB 150.16A，GJB 4.7—83和MIL-STD-167-1A等振動試驗標準提出的幾點思考，并試著提出相應(yīng)的解決方法。因缺少相應(yīng)的艦船平臺實測數(shù)據(jù)支撐未開展進一步研究，歡迎各位同行對相關(guān)問題進一步探討、研究。

最后，從完善艦船振動試驗角度出發(fā)提出如下建議。

1）相關(guān)總體單位在艦船平臺上對振動響應(yīng)進行實測，實測數(shù)據(jù)共享，從而指導(dǎo)艦船裝備振動暴露條件的確定。

2）在各艦型及其代表位置上開展數(shù)據(jù)實測，取得數(shù)據(jù)并進行分析后形成不同艦型及位置的振動試驗通用條件。

3）根據(jù)艦船裝備的特點，適時推廣力譜振動控制及實際采樣時域信號控制。

4）加強數(shù)據(jù)成果的應(yīng)用和推廣，推動數(shù)據(jù)資源向工程應(yīng)用轉(zhuǎn)化[13]。

5）試驗部門加強對試驗人員培訓(xùn)及實驗室質(zhì)量管理[14]，從試驗條件控制、試驗順序、夾具、安裝及記錄上進一步規(guī)范，利于追溯。

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Discussion on Vibration Test Methods for Shipborne Equipment

ZHU Yi-sheng1，2，WANG Chao1，2，CHEN Zhong-qing1，2
（1.The 723 Institute of CSIC，Yangzhou 225001，China；2.China Shipbuilding Industry Environment and Reliability Test Centre for Electric and Electronic Equipment，Yangzhou 225001，China）

Objective To discuss some problems in the vibration test of ship equipment and put forward the corresponding solutions.Methods The vibration test standards GJB 150.16A,GJB 4.7—83 and MIL-STD-167-1A were analyzed,finding out the shortcomings.The difference between the laboratory simulation and the real environment was expounded,and the improvement suggestions were put forward.Results It was not clearly described that the random part and the since part was a separate test or overlay test in GJB 150.16A,while GJB 4.7—83 and MIL-STD-167-1A only gave the since vibration part,not giving the condition of random vibration.Conclusion For the shortcomings of the standards,first half times of the function test for each axes were carried out,and then random superposition of since/random vibration test was carried out,and finally the residual function test was carried out.Forthe difference between the laboratory simulation and the real environment,the improvement was achieved through using force spectrum control,test fixture for simulating ship′s structure,prescribing the provisions of the installation and repeated iterative of environmental conditions and other methods.

shipborne equipment；vibration test；exposure order

2015-09-03；Revised：2015-09-27

CHEN Zhong-qing（1986—），Male，from Heze，Shandong，Engineer，Research focus：reliability and environmental test，vibration and impact test，modal test.

10.7643/issn.1672-9242.2016.01.021

TJ83

A

1672－9242（2016）01－0112-04

2015-09-03；

2015-09-27

朱宜生（1972—），男，江蘇揚州人，高級工程師，主要研究方向為環(huán)境與可靠性試驗、電磁兼容試驗等。

Biography：ZHU Yi-sheng（1972—），Male，from Yangzhou，Jiangsu，Senior engineer，Research focus：reliability and environmental test，EMC test.

陳中青（1986—），男，山東菏澤人，工程師，主要研究方向為環(huán)境與可靠性試驗、振動沖擊試驗、模態(tài)試驗等。