軍民兩用機載設備耐久振動試驗的對比方法

林 舒，楊 峻，焦玉亮，吳 狄

（中國航空無線電電子研究所，上海 200241）

軍民兩用機載設備耐久振動試驗的對比方法

林 舒，楊 峻，焦玉亮，吳 狄

（中國航空無線電電子研究所，上海 200241）

提出了一種適用于軍民兩用機載設備耐久振動試驗的對比方法，該方法通過量化指標對軍民機標準下的振動試驗環境進行考核，能夠實現不同環境的試驗嚴酷度評估。以直升機顯示器為例對該方法進行了詳細論述，結果表明無法通過對比方法完成試驗。

試驗對比；耐久振動；軍民機標準；顯示器

引言

振動是引發電子設備故障的重要環境因素。相關統計表明，航空機載設備有約52 %的故障是由環境因素引起的，其中振動占到27 %[1]。因此，振動試驗一直作為機載電子設備環境適應性考核的重要項目。進行振動試驗的目的就是測試設備能否承受壽命周期內的振動條件并正常工作，保障設備功能性能符合要求，同時通過充分的試驗驗證來早期發現和暴露設計、工藝問題，從而提升研制水平，減少故障發生。

我國的許多機載設備有兼顧軍民兩用的需求。對于包括振動試驗在內的諸多環境試驗項目，軍民機載設備有著不同的標準要求，因而深入探求不同標準下振動試驗間的區別和聯系無疑具有現實意義。一方面，通過多維度解析梳理標準差異，可以更精準、有效地完成試驗驗證，進而指導產品的設計和改型；另一方面，充分利用標準規范，深度挖掘細則條目，可以優化試驗過程，避免重復、過度的試驗。例如試驗項中的耐久振動，不僅耗時長，而且屬于破壞性試驗，若能合理運用標準，通過對比的方式完成試驗，就能降低時間和經濟成本。據筆者了解，目前此領域的研究尚處空白，缺乏對不同標準開展的試驗條件量化分析，更沒有形成系統的對比方法。本文提出了一種軍民兩用機載設備耐久振動試驗的對比方法，并以直升機顯示器為應用對象具體闡述了DO-160G和GJB 150A標準中耐久振動試驗的不同要求，對兩份標準下振動試驗的嚴苛程度進行了分析。該方法能有效支撐型號項目試驗的開展，并具備一定的推廣意義。

1 對比方法

根據經驗總結，振動試驗對比前需要考慮以下幾方面因素：

1）設備的動態相似性，如設備的重心位置、機箱的材料和結構、PCB的尺寸質量和安裝方式、緊固件的選擇和安裝等；

表1 DO-160G與GJB 150A振動試驗對比

2）振動試驗環境，如振動的類型、頻率范圍、強度、疲勞損傷等；

3）試驗的檢測項目。

本文假定軍民兩用設備在設備的動態相似性和試驗的檢測項目方面都相同，對比只考慮振動試驗環境方面的影響，主要也就是軍機和民機標準要求的差異。目前，軍機機載設備主要依據的振動試驗標準是GJB 150A，民機則依據DO-160G標準。兩份標準在振動試驗部分的規定有較大差別，表1是兩份標準的振動試驗要求對比[2-4]。

設備的振動試驗環境是由振動譜定義的，振動譜從頻域上描述振動的強度和頻率的關系，其形態由試驗的振動方式與振動參數決定。

根據施加的振動載荷的不同，振動方式可以分為正弦振動試驗和隨機振動試驗兩種基本類型。兩份標準中對振動方式的要求都是依據產品的分類制定的。

振動參數反映的是振動的頻率和劇烈程度，兩份軍民機標準中只規定了少量的振動參數，大部分參數由主機提供的數值或標準規定的公式計算得到。

本文提出的對比方法基本步驟如下：

1）根據分類原則初步確定設備的試驗振動譜形式（振動方式與部分振動參數）；

2）根據主機提供的參數和標準規定的公式計算所得振動參數，補充完善振動譜；

3）對振動譜進行嚴酷度評估并最終得到對比分析結論。

上述第三步是對比分析的關鍵，由于嚴酷度和振動方式有關，下面將分別討論正弦振動和隨機振動的嚴酷度評估方案。方案中評估參數選取的原則是基于振動環境誘發設備破壞的機理。振動環境對設備造成的不同破壞形式分為兩類：一是引發設備在外激振動頻率下產生振動，響應幅值超過設備的耐受極限造成破壞的；二是造成設備疲勞損害的，即在長時間重復應力作用下，設備及元器件、零部件因疲勞過度而導致損壞。

1）正弦振動嚴酷度評估

正弦振動是實驗室中經常采用的試驗方法，用于模擬旋轉、脈動、震蕩所產生的振動。對于周期固定的正弦振動，其在振動譜上表現為一條垂直于橫軸的直線，振動的強度用正弦加速度幅值衡量[5]。正弦振動的主要參數有頻率值、加速度幅值和試驗持續時間。本文采用的正弦振動嚴酷度評估參數包括頻率值、加速度幅值和疲勞損傷度。

設備的疲勞損傷與振動量級和時間息息相關。一般在振動量級相等的情況下可以直接通過振動時間來衡量；當振動量級不等時，就不能簡單地以時間長短判定疲勞損傷度。查閱GJB 150A附錄后發現，可以用簡化的疲勞關系來確定最大使用量級。式（1）可用于確定不同正弦振動環境下的疲勞等價關系：

其中，g0表示規定的正弦振動量值（峰值加速度），g1表示施加的正弦振動量值（峰值加速度），T0表示規定的時間，T1表示施加的時間。

2）隨機振動嚴酷度評估

隨機振動用于模擬產品整體性結構耐震強度評估以及在包裝狀態下的運送環境。隨機振動在振動譜上表現為振動強度隨頻率變化的曲線，即加速度譜密度曲線（ASD）/功率譜密度曲線（PSD），振動的強度用加速度譜密度衡量[6]。隨機振動的主要參數有頻率范圍、加速度譜密度、試驗持續時間和軸向。本文采用的隨機振動嚴酷度評估參數包括頻率范圍、均方值加速度水平和疲勞損傷度。

對于相同標準下的隨機振動譜，可以直觀地比較振動量級，但是對于兩種譜線的振動量級判定，則需要引入量化標準GRMS，即均方值加速度水平。該參數通過計算一定頻率范圍內的功率譜密度，表征振動能量的強弱。

均方值加速度水平可以通過計算譜密度曲線所圍的面積的方根得到，見式（2）[7]：

式中，A表示面積，fa，fb分別代表起始頻率和截止頻率，P( f )為譜密度函數。

均方值加速度水平可由式（3）得到[7]：

與正弦振動疲勞等價關系相似，式（4）可用于確定不同隨機振動環境下的疲勞等價關系：

其中，W0表示規定的隨機振動量值（加速度譜密度），W1表示施加的隨機振動量值（加速度譜密度），T0表示規定的時間，T1表示施加的時間。

本文以衡量隨機振動的疲勞損傷度。

2 應用

下文將以實際的用例闡述振動試驗對比方法的應用。

A型直升機和B型直升機分別是同一平臺的民用和軍貿直升機，B型直升機顯示器沿用自A型直升機顯示器。A型直升機顯示器已按照DO-160G標準做了耐久振動試驗，出于時間、成本和相關條件等因素考慮，需要確定B型直升機顯示器是否能用對比分析的方式完成GJB 150A要求的耐久振動試驗。由于兩種顯示器的硬件狀態和試驗檢測項目都相同，只需考慮兩者的振動試驗環境。

1）根據對比方法的第一步，由設備的安裝機型和位置確定試驗的振動譜形式。

A型直升機顯示器所用的試驗參考譜形屬于DO-160G中描述的R類直升機2/G類設備（安裝于儀表盤，控制臺和設備架）的加速度譜密度曲線，B型直升機顯示器所用的試驗參考譜形屬于GJB 150A中描述第14類-旋翼飛機-直升機的加速度譜密度曲線。

2）根據對比方法的第二步，得到完整的振動譜。

由主機下發的全機環境技術要求中所提供的參數值并參考標準中的有關換算公式，可以得出參考譜形中的各項參數取值，如表2所列。圖1是最終得到的兩種標準下規定的耐久振動頻譜圖，圖中曲線1代表依據GJB 150A得到的振動譜，曲線2代表依據DO-160G得到的振動譜。

3）根據對比方法第三步，對振動譜進行嚴酷度評估。

由圖1和表2可以初步推斷：

①曲線2的隨機振動譜頻率范圍比曲線1的大。

②曲線2的部分正弦振動譜f1、f2的頻率與曲線1一致，且其加速度幅值大于曲線1的相應振動譜f1、f2。

現進一步對寬帶隨機條件（隨機振動）和疊加條件（正弦振動）的嚴酷度展開分析。

隨機振動均方值加速度水平：由于譜密度曲線采用的是雙對數坐標，對于正斜率或負斜率段，式（2）可轉化為式（5）或（6）：

表2 顯示器振動條件對照表（GJB 150A & DO-160G）

圖1 顯示器振動譜對比（GJB 150A & DO-160G）

式中，Pa，Pb分別代表起始頻率和截止頻率對應的譜密度，S表示曲線斜率（dB/oct）。

對于平頂線段（S=0）下的面積，有：

結合振動譜參數與式（3）、（5）～（7）式可得，GRMS1=1.79 G，GRMS2=3.89 G。 即曲線2比曲線1的隨機振動總能量大。

隨機振動疲勞損傷度：由于曲線1和曲線2形態不同，無法直接套用式（4）計算。本文采用一種頻率分段的方法進行計算，可以證明JS1≤JS2，也就是：

式中，P1，T1分別代表曲線1的譜密度和振動時間，P2，T2分別代表曲線2的譜密度和振動時間。

當10≤f≤100時，

當300≤f≤500時，首先根據解析幾何關系可知：

繼而得出：

符合式（8），

綜合可得：曲線2的隨機振動嚴酷度比曲線1的隨機振動嚴酷度高。

考核正弦振動，曲線2的f3和f4振幅強度為零（A3=A4=0）。探究原因發現DO-160G中對安裝在直升機儀表盤，控制臺和設備架的產品，只要求考慮主轉子頻率與葉片數乘積的一次和二次諧波，即f1和f2；GJB 150A中對安裝在主旋翼影響區域的產品，要求考慮主槳的一至四階通過頻率，即f1～f4。為探尋原因，筆者曾聯系有關標準研究人員，得到的答復是民機考慮到儀表板的減震作用，忽略了f3和f4的影響，而軍機在機動飛行方面遠比民機復雜，對振動環境條件有著更多的約束。因而曲線2與曲線1的正弦振動嚴酷度不能直接比較。

接下來對正弦振動和隨機振動的等效可能性進行分析。GJB 150A指出，“正弦振動和隨機振動的特征是基于兩種數學理論。為比較給定的隨機振動和正弦振動對裝備產生的環境效果，應詳細了解裝備的動態響應。通用的等效關系是不可行的”。任錦勝等人在文獻中指出正弦和隨機不存在嚴格等效關系但在積累疲勞損傷領域正弦和隨機具有明確的等效性，并針對列車空調耐久性提出了隨機振動和正弦振動嚴酷度可通過等效性計算比較的觀點[8]。筆者認為，任錦勝等人提出的方法有一定的適用性，但依賴于產品材料S-N曲線，其數學模型參數需由疲勞試驗決定，所以不適合作為本文中等效分析的依據。至于機載設備領域，尚未發現有對正弦振動和隨機振動的等效轉化的論述。因此無法證明曲線2的正弦振動嚴酷度強于曲線1的正弦振動嚴酷度。

綜上所述，結合隨機振動和正弦振動條件對比，A型直升機顯示器的振動環境不能完全覆蓋B型直升機顯示器的振動環境（嚴酷度不同），所以無法通過對比分析的方式完成耐久振動試驗。

3 總結

本文針對軍民機機載設備試驗要求不同的背景，提出了一種軍民機標準下耐久振動試驗的對比方法，并詳細論述了不同振動方式的嚴酷度評估方案。文中以B型直升機顯示器和A型直升機顯示器為例，應用對比方法分析了兩者耐久振動試驗的可比性，著重評估了兩者的試驗嚴酷度。在考核隨機 振動疲勞損傷度時，采用了一種分段計算等效轉換的方法，可以用于不同譜型（可以是量級、頻率范圍都不同）間的比較。結果表明，A型直升機顯示器的隨機振動要求能夠覆蓋B型直升機顯示器的隨機振動要求，但由于兩者的正弦振動要求存在差別，所以總的振動環境不同，無法使用對比分析完成耐久振動試驗。

[1] 皮桂英.振動環境試驗中應注意問題分析[J].環境技術, 2016(1): 22-24.

[2] GJB 150.16A-2009, 軍用裝備實驗室環境試驗方法 第16部分：振動試驗[S].

[3] RTCA DO-160G, Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment[S].

[4]林琳, 晏效鋒, 張熙川.民機機載產品環境試驗技術解析[J].測控技術, 2008, 27: 109-111.

[5] GB/T 2423.10-2008, 電工電子產品環境試驗 第2部分：試驗方法 試驗Fc：振動（正弦）[S].

[6] GB/T 2423.56-2006, 電工電子產品環境試驗 第2部分：試驗方法 試驗Fh：寬帶隨機振動（數字控制）和導則[S].

[7] [美]戴夫·S.斯坦伯格（Dave S.Steinberg）著, 王建剛譯.電子設備振動分析[M].北京: 航空工業出版社, 2012.6.

[8] 任錦勝, 楊蘋.GB/T 21563-2008與TB/T 1804-2009耐久振動嚴酷度分析[J].質量與可靠性, 2015, 5: 47-50.

林舒（1988.11-），男，浙江湖州人，工程師，碩士研究生畢業，研究方向：直升機航空電子系統設計。

A Comparison Method for Endurance Vibration Test Applicable to Military and Civil Airborne Equipment

LIN Shu, YANG Jun, JIAO Yu-liang, WU Di
(China National Aeronautical Radio Electronics Research Institute, Shanghai 200241)

A comparison method applicable to military and civil airborne equipment’s endurance vibration is proposed.Using quantitative indicators, the method can be used to evaluate the severities of different vibration environments compliant to military and civil aircraft standards.A vibration test for a helicopter display is provided as an example to illustrate the method.The result shows that the test via comparison is not feasible.

test comparison; endurance vibration; military and civil aircraft standards; display

V216.2

A

1004-7204（2016）05-0028-05