大尺寸結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)淺析

魏英魁，張曉穎，胡彥平

（1.北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

大尺寸結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)淺析

魏英魁1，張曉穎2，胡彥平1

（1.北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

研究總結(jié)了大尺寸結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)現(xiàn)狀與振動(dòng)試驗(yàn)方法，解決隨著振動(dòng)試件尺寸的增大而出現(xiàn)的振動(dòng)試驗(yàn)加載安裝尺寸不足和單臺(tái)振動(dòng)臺(tái)推力不足等問題。對(duì)國內(nèi)外主要可靠性試驗(yàn)室針對(duì)大尺寸振動(dòng)試驗(yàn)采取的方法和技術(shù)進(jìn)行了研究和總結(jié)，分析與比較不同技術(shù)和方法對(duì)于解決問題的優(yōu)劣，并介紹了采用不同方法進(jìn)行大尺寸結(jié)構(gòu)試件振動(dòng)試驗(yàn)案例?？偨Y(jié)并介紹了大尺寸結(jié)構(gòu)產(chǎn)品振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，并對(duì)未來大尺寸結(jié)構(gòu)產(chǎn)品振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

振動(dòng)試驗(yàn)；大尺寸結(jié)構(gòu)；振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)

振動(dòng)力學(xué)環(huán)境是飛機(jī)、火箭等飛行器、風(fēng)電設(shè)備、軌道運(yùn)輸設(shè)備、電子產(chǎn)品等在服役或使用過程中最常遇到的力學(xué)環(huán)境，只有經(jīng)過振動(dòng)試驗(yàn)，才能完整地考核產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的可靠性及對(duì)于振動(dòng)環(huán)境的適應(yīng)性，振動(dòng)試驗(yàn)是考核產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)的重要組成部分。

在振動(dòng)試驗(yàn)過程中，通常通過振動(dòng)臺(tái)給產(chǎn)品施加振動(dòng)載荷的方法來考核產(chǎn)品在振動(dòng)環(huán)境下的可靠性[1]。對(duì)于小尺寸試驗(yàn)件（試件最外圍尺寸小于振動(dòng)臺(tái)面外圍尺寸），采用壓板或連接孔直接和振動(dòng)臺(tái)相連；中等尺寸試驗(yàn)件（試件最外圍尺寸與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面外圍尺寸比小于 3.5），通常采取設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)接夾具的方法來實(shí)現(xiàn)與振動(dòng)臺(tái)的連接；對(duì)于中小尺寸振動(dòng)試驗(yàn)件采用的均為單臺(tái)單軸振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，單臺(tái)單軸振動(dòng)試驗(yàn)方法法在航天產(chǎn)品品研制中發(fā)揮揮了重要作用，并并衍生了大量量的試驗(yàn)設(shè)備備、試驗(yàn)方法法和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[2——3]。對(duì)于大尺尺寸結(jié)構(gòu)試件件（尺寸比大于3.5），若設(shè)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)接夾具具，則因尺寸寸比過大導(dǎo)致所設(shè)計(jì)夾具斜面面坡角過大，且夾具過高高會(huì)導(dǎo)致夾具與試件安裝面距距離振動(dòng)臺(tái)面面距離過大，振動(dòng)傳遞性差。同時(shí)由于夾具具面大，振動(dòng)動(dòng)量級(jí)的均勻勻性受到較大影響，振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)容易產(chǎn)生過過試驗(yàn)或欠試試驗(yàn)的問題[4——5]。大尺寸試件一一般質(zhì)量較大大，普通小推推力振動(dòng)臺(tái)已已不能滿足振動(dòng)試試驗(yàn)要求。隨隨著航天型號(hào)號(hào)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的的大型型化、復(fù)雜化化、多樣化，傳統(tǒng)的單臺(tái)臺(tái)單軸振動(dòng)試試驗(yàn)系系統(tǒng)逐漸凸顯顯其能力不足足。

針對(duì)大尺尺寸結(jié)構(gòu)振動(dòng)動(dòng)試驗(yàn)件，國國內(nèi)外振動(dòng)試驗(yàn)室室通常采用以以下兩種措施施解決振動(dòng)載荷加載問題：采采用臺(tái)面尺寸寸更大、推力力更大的振動(dòng)動(dòng)臺(tái)，振動(dòng)臺(tái)單臺(tái)臺(tái)推力要達(dá)到到300 kN及及以上；采用用雙臺(tái)并激或多臺(tái)臺(tái)并激的方法法，組成多臺(tái)臺(tái)單軸振動(dòng)試試驗(yàn)系統(tǒng)，振動(dòng)控控制采用MMIMO控制，解決單臺(tái)振振動(dòng)臺(tái)推力不足和和均勻性等問問題。

1　　單臺(tái)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)系統(tǒng)

針對(duì)單臺(tái)臺(tái)振動(dòng)臺(tái)推力力不足的問題，美國與歐歐洲等等發(fā)達(dá)國家積極推進(jìn)大推力電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的研制，大推推力振動(dòng)臺(tái)具有更大的單臺(tái)推力，空載單臺(tái)振動(dòng)臺(tái)推推力達(dá)到300 kN及以上。同時(shí)大推力振動(dòng)臺(tái)軸向和和滑臺(tái)面尺寸也更大，滑臺(tái)尺寸為2.5 m×2.5 m及以以上。美國NASA振動(dòng)試驗(yàn)室的大推力振動(dòng)試驗(yàn)系系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)已順利承擔(dān)了美軍與NNASA各種型號(hào)產(chǎn)品的振動(dòng)試驗(yàn)[6—10]。對(duì)于大推力振振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，世界上其他國家較著名的還有英國““菱”公司的LLDSV994、日本的AKAASHI EDS1354

圖1 美國NASA水平大推力振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Horizontal large thrust vibration test system of NASA in the United States

300 kN與350 kN振動(dòng)動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)先先后完成了多多項(xiàng)航航天與武器型號(hào)大尺寸寸結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的振動(dòng)可靠性性試驗(yàn)驗(yàn)。300 kN振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)統(tǒng)進(jìn)行的CZ-3B儀器艙、雙星星整流罩振動(dòng)動(dòng)試驗(yàn)如圖3所示，雙星整流罩、儀儀器艙艙產(chǎn)品高12m，產(chǎn)品與與工裝總質(zhì)量約8.5 t，試試驗(yàn)頻頻率范圍為5～100 Hz，是當(dāng)時(shí)全國國最大規(guī)模的的單振振動(dòng)臺(tái)激勵(lì)的的振動(dòng)試驗(yàn)。。350 kN振振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)進(jìn)行的的通用電氣（GE）公司司機(jī)柜振動(dòng)試試驗(yàn)如圖4所所示，，北京衛(wèi)星環(huán)環(huán)境工程研究究所進(jìn)行的某某型號(hào)衛(wèi)星鏡鏡頭振振動(dòng)試驗(yàn)如圖圖5所示。

單臺(tái)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)試驗(yàn)方法也也有其局限性，電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)產(chǎn)生推力的主主要部件是動(dòng)動(dòng)圈，由于大推力振動(dòng)臺(tái)臺(tái)體體尺寸增大，，導(dǎo)致動(dòng)圈質(zhì)質(zhì)量增加，其一階固有頻率減減小，這樣使使得振動(dòng)臺(tái)系系統(tǒng)推力輸出增加，現(xiàn)有技術(shù)術(shù)水平已很難難將更大尺寸寸（大于350 kN電動(dòng)振振動(dòng)動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)[11—12]等。

電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)是力學(xué)環(huán)境境試驗(yàn)的重要要手段，廣泛泛應(yīng)用用于衛(wèi)星、飛飛機(jī)、船舶、、高鐵、汽車車和電子等尖尖端產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的科研生生產(chǎn)過程中。。長(zhǎng)期以來，西方發(fā)達(dá)國國家在在大推力電動(dòng)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)方面一直對(duì)我國實(shí)行禁運(yùn)運(yùn)封鎖鎖，特別是90 kN推力以上的大型振動(dòng)臺(tái)更是嚴(yán)嚴(yán)加管管制，企圖以此來限制我國國防事業(yè)的發(fā)展[13]]。

我國在大推力電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)研制方面較為突出的有北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，其主要以軍工技術(shù)為依托，，研制生產(chǎn)各各種規(guī)格的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，在大推力振動(dòng)試試驗(yàn)系統(tǒng)方面面先后研制成功了300，350，700 kN電動(dòng)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，并并應(yīng)用于各類類試驗(yàn)中。其其中 700 kN電動(dòng)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)是目前為止世世界上單臺(tái)推推力最大的電動(dòng)振振動(dòng)臺(tái)[14]，如如圖2所示。動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈尺寸）動(dòng)圈一階固有頻率達(dá)到1700 Hz[15—17]。同時(shí)，由于適應(yīng)大尺寸結(jié)構(gòu)產(chǎn)品尺寸跨度大的特點(diǎn)，大推力振動(dòng)臺(tái)滑臺(tái)尺寸增大，質(zhì)量明顯增加，在橫向試驗(yàn)時(shí)，振動(dòng)臺(tái)臺(tái)體輸出功率造成極大損耗。

圖2　我國成成功研制的700 kN大推力電電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)Fiig.2 The 70 kkN big thrust eelectric vibratioon test system successfully deveeloped by Chinna

圖3 CZ-3B儀器艙、雙星整流罩振動(dòng)試驗(yàn)Fig.3 CZ-3B instrument module, binary fairing vibrationtest

圖4　通用電氣GE公司機(jī)柜振動(dòng)試驗(yàn)Fig.4 Vibration test of the cabinet of general electric GE

圖5　某型號(hào)衛(wèi)星鏡頭振動(dòng)試驗(yàn)Fig.5 Vibration test of a certain type of satellite lens

2　多臺(tái)單軸振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)

多臺(tái)單軸并并激振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)系統(tǒng)，多個(gè)個(gè)振動(dòng)臺(tái)并聯(lián)聯(lián)沿同一方向同步步激勵(lì)或推拉拉同一個(gè)試件，振動(dòng)臺(tái)間間的相位相同，可以解決單個(gè)振動(dòng)臺(tái)推力不夠的難題。同時(shí)，采用多個(gè)振動(dòng)臺(tái)，振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面增多，相當(dāng)于于振動(dòng)臺(tái)面面積增大，大尺寸結(jié)構(gòu)產(chǎn)品可通過液壓球球頭和振動(dòng)夾具與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面進(jìn)行連接[18—20]。多臺(tái)臺(tái)單軸振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)采用剛度大的整體夾具與試件件進(jìn)行連接，整體夾具通過設(shè)計(jì)對(duì)接口與振動(dòng)臺(tái)面進(jìn)進(jìn)行連接，試件與夾具需由橡皮繩組成的懸吊系統(tǒng)進(jìn)進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)需要與振動(dòng)臺(tái)數(shù)目相同的的液壓球頭來來進(jìn)行行解耦，某典典型細(xì)長(zhǎng)大尺尺寸結(jié)構(gòu)試驗(yàn)驗(yàn)件雙臺(tái)同軸軸試驗(yàn)驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 典型細(xì)長(zhǎng)長(zhǎng)大結(jié)構(gòu)試件雙臺(tái)并同軸振振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.6 Double sstage and coaxiial vibration teest system for a typical slendeer structure

這種試驗(yàn)系系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在在于：對(duì)于細(xì)細(xì)長(zhǎng)體結(jié)構(gòu)的的振動(dòng)動(dòng)試驗(yàn)，使試試件的振動(dòng)載載荷分布更加加均勻、合理理、真實(shí)實(shí)，減少單臺(tái)臺(tái)激勵(lì)帶來的的應(yīng)力集中，，減輕局部欠欠試驗(yàn)驗(yàn)或過試驗(yàn)程程度；使夾具具設(shè)計(jì)更加靈靈活方便；解解決了了單臺(tái)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)推力不足問問題，振動(dòng)臺(tái)臺(tái)推力和試驗(yàn)驗(yàn)量級(jí)級(jí)均得到了明明顯提升。可可根據(jù)所做試試驗(yàn)件的質(zhì)量量和試試驗(yàn)量級(jí)來增增加或者撤換換相應(yīng)的振動(dòng)動(dòng)臺(tái)。

對(duì)于多臺(tái)單單軸振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)系統(tǒng)，國外外振動(dòng)試驗(yàn)室室分別別建立了多臺(tái)單軸橫向向和多臺(tái)單軸軸垂向振動(dòng)試試驗(yàn)系系統(tǒng)，在多臺(tái)臺(tái)單軸振動(dòng)試試驗(yàn)系統(tǒng)方面面均進(jìn)行了成成功嘗嘗試[21—23]。歐洲ESTEC試驗(yàn)室由2臺(tái)160 kNN電動(dòng)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)構(gòu)成成的一套大大推力水平振振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)統(tǒng)如圖圖7所示，正正在進(jìn)行某型火箭艙段的振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)。歐洲洲ESTEC試試驗(yàn)室4臺(tái)1660 kN電動(dòng)振振動(dòng)臺(tái)構(gòu)成一一套6640 kN大推推力垂直振動(dòng)動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)如如圖8所示。歐洲洲IABG試驗(yàn)驗(yàn)室4個(gè)電動(dòng)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)構(gòu)成成一套大推力力橫向振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)圖9所示，正在進(jìn)行火箭儀器艙振動(dòng)試驗(yàn)和火箭儲(chǔ)箱系統(tǒng)級(jí)的振動(dòng)試驗(yàn)。國外振動(dòng)試驗(yàn)室雙臺(tái)并激構(gòu)成的“藍(lán)寶石”系列導(dǎo)彈振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖10所示，用于測(cè)試導(dǎo)彈的飛行可靠性。

圖7　ESTEC大尺寸結(jié)構(gòu)艙段試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.7 ESTEC large sizestructure of cabin test system

圖8　ESTEC大推力垂直振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.8 ESTEC large thrust vertical vibration test syste m

國外振動(dòng)動(dòng)試驗(yàn)室建立的大推力振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)圓滿地解決了了大尺寸結(jié)構(gòu)產(chǎn)品、大質(zhì)量振動(dòng)試驗(yàn)件的振動(dòng)試驗(yàn)振振動(dòng)載荷加載問題，為其國家的航天以及國防、科技技事業(yè)的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的試驗(yàn)技術(shù)保障。

圖9　IABG試驗(yàn)室大推力水平振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.9 IABG horizontal vibration test systemfor large thrust: a)Vibration testfor instrument cabin of rocket; b) Systemic vibration test for reservoir of rocket

圖10　雙臺(tái)并激垂垂向振動(dòng)試驗(yàn)系系統(tǒng)Fig.10 Douuble platform aand vibration test system

國內(nèi)在多多臺(tái)單軸振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)方面也進(jìn)行了成功探索與嘗試試，北京強(qiáng)度環(huán)境研究所以軍工產(chǎn)品環(huán)境可靠性試驗(yàn)驗(yàn)為依托，成功組建了多套多臺(tái)同軸振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，，已完成多項(xiàng)大尺寸結(jié)構(gòu)產(chǎn)品振動(dòng)可靠性試驗(yàn)。根據(jù)據(jù)振動(dòng)試件產(chǎn)品尺寸、質(zhì)量和振動(dòng)試驗(yàn)量級(jí)級(jí)選擇不同推推力電動(dòng)振振動(dòng)臺(tái)組成單軸振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)系統(tǒng)統(tǒng)，設(shè)計(jì)不同同的振動(dòng)夾具具將振動(dòng)試件與電動(dòng)振動(dòng)動(dòng)臺(tái)連連接，圓滿解解決了單臺(tái)振振動(dòng)臺(tái)推力不足和大尺寸寸結(jié)構(gòu)構(gòu)產(chǎn)品安裝的的問題[24—255]。多臺(tái)單軸振動(dòng)試驗(yàn)系系統(tǒng)已已成功運(yùn)用于于XX-5，XX8等運(yùn)載和武器型號(hào)大大尺寸寸結(jié)構(gòu)產(chǎn)品、、大質(zhì)量試件件產(chǎn)品的振動(dòng)試驗(yàn)。已成成功完完成振動(dòng)環(huán)境境可靠性試試驗(yàn)的多臺(tái)單軸振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)系統(tǒng)統(tǒng)，如圖11所示。

圖11所示示為2臺(tái)350kN電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)組成的雙雙臺(tái)并并激振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)系統(tǒng)，所做試驗(yàn)件為某型號(hào)儀器艙艙，直徑徑長(zhǎng)達(dá)5 m，是典型大尺寸結(jié)構(gòu)振動(dòng)試件，該雙雙臺(tái)并并軸試驗(yàn)系統(tǒng)統(tǒng)圓滿完成了某型號(hào)儀器艙振動(dòng)環(huán)環(huán)境試試驗(yàn)考核。

多臺(tái)單軸振振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)具有推力力組合方式靈靈活、、安裝布置便便捷等優(yōu)勢(shì)，其劣勢(shì)在于于整個(gè)振動(dòng)試試驗(yàn)系系統(tǒng)組裝復(fù)雜雜，其包含液壓球頭、力平衡系統(tǒng)統(tǒng)、掛載載保護(hù)系統(tǒng)等等多套系統(tǒng)，組裝耗費(fèi)時(shí)時(shí)間長(zhǎng)。同時(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)多臺(tái)同步和和控制精度是該系統(tǒng)控制加載難題題，在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)數(shù)大于2臺(tái)的振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)尤為突出，如何實(shí)現(xiàn)完全同步和提高其控制精度是未來研究的重要方向[[26—27]。

圖11　某型號(hào)儀器艙雙臺(tái)并激垂向向振動(dòng)試驗(yàn)Fig.11 A mmodel of the dual stage of theinstrument cabin and the vibration test

3　結(jié)語

在經(jīng)濟(jì)、、技術(shù)高速發(fā)發(fā)展的今天，，產(chǎn)品的質(zhì)量量越來越得到人們們的重視，人人們更加重視視產(chǎn)品的環(huán)境境可靠性問題。振振動(dòng)環(huán)境可靠靠性試驗(yàn)是環(huán)環(huán)境可靠性試試驗(yàn)的的重要組成部部分，隨著航天在研火箭型號(hào)和其他他武器器的結(jié)構(gòu)尺寸逐漸增大，振動(dòng)試驗(yàn)量級(jí)逐步增加，對(duì)對(duì)振動(dòng)載荷加載系統(tǒng)提出更高的要求，振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)統(tǒng)需滿足大尺寸結(jié)構(gòu)試件安裝和大質(zhì)量試件載荷加加載的要求，這也是未來振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

綜合國內(nèi)外環(huán)境可靠性試驗(yàn)室的方法，目前均采采取以下兩種措施來解決大尺寸結(jié)結(jié)構(gòu)試件振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)的難題：研研制更大臺(tái)面面尺寸、更大大單臺(tái)推力的電動(dòng)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)；采采用多臺(tái)電動(dòng)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)組成成多臺(tái)單軸并激振振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)統(tǒng)。兩種方法法各有優(yōu)劣，，因單臺(tái)振動(dòng)臺(tái)推力有限，多臺(tái)單軸并激振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)會(huì)成為解決決大尺寸結(jié)構(gòu)產(chǎn)品振動(dòng)試驗(yàn)加載難題的主要措施，如如何提高其控制精度與同步性是未來振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)術(shù)發(fā)展的重要方向。

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Vibration Test System for Large Dimension Structure

WEI Ying-kui1, ZHANG Xiao-ying2, HU Yan-ping1
(1.Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076, China; 2.Beijing Aerospace System Engineering Research Institute, Beijing 100076, China)

The work sums up and studies the methods of vibration test system for large dimension structure to solve the problems of deficiency for fixing test products and lack for single vibration table. It investigated and summarized the methods and technologies that were adopted by major reliability laboratories at home and abroad for vibration test of large dimension structure. It analyzed and compared the advantages and disadvantages of different technologies and methods and introduced cases by different methods. The paper summarizes and introduces the vibration test system for large dimension structure and describes its development prospect in future.

vibration test; large dimension structure; vibration test system

2016-04-02；Revised：2016-05-20

10.7643/ issn.1672-9242.2016.05.015

TJ03；TB123

A

1672-9242(2016)05-0092-06

2016-04-02；

2016-05-20

魏英魁（1986—），男，北京人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榭煽啃耘c環(huán)境試驗(yàn)。

Biography：WEI Ying-kui（1986—）， Male， from Beijing， Master， Engineer， Research focus: reliability and environmental test.