細長型飛行器雙臺隨機振動試驗技術的工程應用

毛 凱，李 杰, 馮生泉

（天津航天瑞萊科技有限公司蘇州分公司，蘇州 215129）

細長體飛行器雙振動臺隨機振動試驗可有效解決傳統振動試驗中懸臂過長、振動應力集中的問題，能有效緩解試驗過程中的欠試驗和過試驗問題，提高模擬試驗的置信度[1-2]，尤其是解決了單臺振動激勵解決不了的不同部位激勵不同的情況，是力學環境試驗技術的重大進步和未來發展趨勢[3]。本文介紹了一細長體飛行器雙臺隨機振動試驗的實際應用，并介紹了該試驗的振動試驗方案、夾具設計、控制選擇和試驗結果。

1 雙振動臺隨機振動試驗原理

雙振動臺隨機振動試驗系統各部件組成如圖1所示，有電荷式加速度傳感器、電荷放大器、多輸入多輸出振動控制系統、功率放大器和振動臺組成一套閉環控制和反饋系統。隨機振動試驗過程中，閉環控制和反饋系統通過不斷比較加速度傳感器反饋回來的電壓信號和多輸入多輸出振動控制系統根據試驗條件生成的電壓信號，調節功率放大器的輸出，使控制傳感器的振動響應和設置的隨機振動試驗參考譜一致。

對雙臺隨機振動試驗，采用多輸入多輸出控制來施加多點激勵隨機振動載荷，其載荷條件為：

式中：Sii為控制測點i的自功率譜密度，Sij為控制點i、j間的互功率譜密度。對雙振動臺隨機振動試驗，當n=2時，激振力和控制點的個數相同，控制方式為方陣控制方式；當n＞2時，激振力個數小于控制點個數，控制方式為長方陣控制方式。

圖1 雙振動臺隨機振動試驗系統

2 雙振動臺隨機振動試驗方案設計

2.1 試驗件信息和試驗條件

某型號飛行器為長10 m，重1 400 kg，直徑550 mm的細長體結構，通過2個支撐法蘭與振動臺連接。

2個支撐法蘭分別位于距飛行器頭部2 450 mm處和距飛行器頭部9 550 mm處；（兩支撐法蘭間距為9 550-2 450=7 100 mm）。兩個支撐法蘭需受到的振動量級相同，均為11.7 g，試驗條件見表1。

2.2 雙振動臺隨機振動試驗設計

根據試驗件的重量和試驗條件，選擇合適的、滿足試驗要求的振動臺，該試驗選取2臺推力為35 T的振動臺。

夾具設計時，需注意兩個振動臺的匹配問題。通過兩個夾具的高度差設計來使試驗件保持水平，以避免試驗件在支撐法蘭處受到不應有的附加載荷。較小的高度差可以通過調節振動臺隔振氣囊來使試驗件保持水平。

雙振動臺振動試驗中，兩個振動臺施加各自的隨機載荷，因而存在相位不相同、時域信號不同步的問題。一個振動臺動圈向上運動的時候，另一個振動臺動圈可能向下振動，這將使振動臺和試驗件承受一定程度的偏載，因此，試驗前應對兩個激勵點的位移差和偏轉角度進行計算分析。

對于表1所列的振動試驗條件，通過振動控制儀計算出兩個激勵點的位移均方值D為0.726 mm，隨機振動的3σ最大位移差為：兩個振動臺的中心距離是7 100 mm，因此兩點3σ最大位移差引起的偏轉角度為：

表1 振動試驗條件

由此可見，上述實驗條件引起的振動臺間的位移差和偏轉角度都很小，考慮對振動臺和試驗件的載荷影響小，可以采用夾具和臺面剛性連接[3-4]；但經實驗表明，夾具和振動臺剛性連接時，兩激勵點的控制傳感器之間的響應干擾較大，難以滿足試驗容差要求。因此，試驗中在夾具和振動臺之間增加了機械解耦裝置——液壓球頭，試驗設計如圖2所示。

2.3 試驗過程和結果

按照以上試驗設計，在天津航天瑞萊科技有限公司蘇州分公司進行了某型號飛行器的雙臺隨機振動試驗，試驗狀態如圖3所示（因試驗件保密要求，下圖為與試驗件等重量、安裝位置等尺寸的模擬件的試驗狀態照片）。

試驗過程中，選取了兩種控制方式，第一種是兩激勵點分別選取支撐法蘭上、下端面兩點平均控制，以10 %量級進行預振；第二種是兩激勵點分別選取試驗件安裝端面上、中、下三點平均控制方式，以25 %量級進行預振，試驗曲線如圖4所示。從兩種控制方式的控制曲線來看，第一種控制方式的控制效果較好，但是在該控制方式下，試驗件上兩處關鍵部件在有些頻率上響應峰值放大倍數較大，具體見表2，可能會使試驗件上該部件的結構發生損壞，故采取第二種控制方式。

第二種控制方式試驗時，前端振動臺1激勵點的控制曲線在一些頻率嚴重超差，經對比試驗曲線，決定對原有試驗條件進行一些剪裁，對振動臺2的三個控制點進行+6 dB的限幅控制，取得了較好的效果，試驗曲線如圖5所示。

3 結論

1）本次試驗實現了雙臺隨機振動試驗在某型號飛行器上的工程應用，完成了該飛行器的試驗考核任務，滿足試驗要求。

2）目前對于雙振動臺隨機試驗的試驗允差并無明確規定，通常還是按照GJB 150.16A-2009規定的容差要求執行，可以通過對試驗條件進行剪裁或施加限制控制來滿足試驗要求。

圖2 雙臺隨機振動試驗設計圖

圖3 雙臺隨機振動試驗安裝狀態圖

表2 試驗件上部件的響應峰值

圖4 雙臺隨機振動試驗預試驗控制譜曲線

圖5 雙臺隨機振動控制譜曲線

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