制導(dǎo)艙隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力篩選試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

黃 凱， 戴秀芬， 劉 宇， 趙 磊

(上海無(wú)線電設(shè)備研究所， 上海 200090)

制導(dǎo)艙隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力篩選試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

黃 凱， 戴秀芬， 劉 宇， 趙 磊

(上海無(wú)線電設(shè)備研究所， 上海 200090)

闡述隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力篩選在制導(dǎo)艙研制和生產(chǎn)中的重要性和必要性。以典型制導(dǎo)艙為對(duì)象，在分析試驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上，開(kāi)展試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、夾具設(shè)計(jì)、控制策略選擇，并驗(yàn)證試驗(yàn)方法的可行性。該方法可有效避免隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力篩選過(guò)程中產(chǎn)品的“欠應(yīng)力”和“過(guò)應(yīng)力”。

隨機(jī)振動(dòng)； 應(yīng)力篩選； 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，導(dǎo)彈研制初期的飛行試驗(yàn)中50%的故障是由振動(dòng)引起的[1]。制導(dǎo)艙通常由導(dǎo)引頭、數(shù)據(jù)鏈和引信等無(wú)線電設(shè)備組成，是一種大型電子設(shè)備。制導(dǎo)艙隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力篩選是向制導(dǎo)艙施加適當(dāng)?shù)碾S機(jī)振動(dòng)應(yīng)力和電應(yīng)力激勵(lì)，暴露制造工藝和元器件缺陷，并加以剔除的一道工序。它是一種經(jīng)濟(jì)有效地降低硬件制造缺陷和元器件缺陷的工藝，而不是一般意義上的試驗(yàn)。對(duì)處在研制階段的試驗(yàn)樣機(jī)而言，可作為早期發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)隱患，提高產(chǎn)品可靠性的手段[2-4]。

制導(dǎo)艙主要由大量的電路板組件、電纜組件、線束組件和金屬結(jié)構(gòu)件，通過(guò)緊固件連接而成。具有體積大、質(zhì)量重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)。制導(dǎo)艙振動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的多體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。在制導(dǎo)艙隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力篩選試驗(yàn)前，有必要開(kāi)展試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析，避免產(chǎn)品出現(xiàn)“欠應(yīng)力”現(xiàn)象，影響篩選效果。同時(shí)，也要避免產(chǎn)品出現(xiàn)“過(guò)應(yīng)力”現(xiàn)象，影響產(chǎn)品的使用壽命，甚至發(fā)生篩選過(guò)程中的過(guò)應(yīng)力故障。

本文以典型制導(dǎo)艙為試驗(yàn)對(duì)象，闡述隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力篩選的試驗(yàn)條件、試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，確保制導(dǎo)艙隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力篩選試驗(yàn)達(dá)到剔除產(chǎn)品早期缺陷的目的。制導(dǎo)艙隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力篩選試驗(yàn)一般分別在xyz三個(gè)方向進(jìn)行，各方向的試驗(yàn)方法大致相同。受篇幅限制，本文僅闡述x方向試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)條件是開(kāi)展試驗(yàn)設(shè)計(jì)的前提。制導(dǎo)艙試驗(yàn)條件一般以國(guó)軍標(biāo)《GJB 1032-1990 電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》為依據(jù)，結(jié)合制導(dǎo)艙自身產(chǎn)品特點(diǎn)而定。制導(dǎo)艙隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力篩選的試驗(yàn)條件：

a) 振動(dòng)方向?yàn)閤向；

b) 振動(dòng)時(shí)間3分鐘；

c) 控制方式為響應(yīng)控制；

d) 受試產(chǎn)品通過(guò)夾具與振動(dòng)臺(tái)剛性連接；

e) 產(chǎn)品在振動(dòng)過(guò)程中需通電；

f) 隨機(jī)振動(dòng)功率譜密度峰值為0.04 g2/Hz。

隨機(jī)振動(dòng)譜如圖1所示。

圖1中，振動(dòng)譜的能量集中在80 Hz～350 Hz頻率范圍內(nèi)，此范圍包括了一般典型電子

產(chǎn)品內(nèi)部線路板法向共振頻率，使線路板本身產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)，存在較大的交變應(yīng)力[5]。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)包括試驗(yàn)系統(tǒng)組成、振動(dòng)臺(tái)推力估算、夾具設(shè)計(jì)和控制策略。

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

制導(dǎo)艙隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力篩選試驗(yàn)系統(tǒng)主要由振動(dòng)臺(tái)、夾具、制導(dǎo)艙和監(jiān)控系統(tǒng)組成。振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生隨機(jī)振動(dòng)推力，經(jīng)過(guò)夾具傳遞給制導(dǎo)艙。在制導(dǎo)艙艙體上安裝加速度傳感器，既可監(jiān)測(cè)艙體上的響應(yīng)譜，也可作為控制點(diǎn)。制導(dǎo)艙內(nèi)設(shè)備的最前端是天線組件，懸臂最長(zhǎng)，需安裝加速度傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。微波組件是制導(dǎo)艙內(nèi)對(duì)振動(dòng)環(huán)境最敏感的組件，也需安裝加速度傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。

振動(dòng)試驗(yàn)所用的加速度傳感器采用502膠水粘接在相應(yīng)位置。傳感器安裝時(shí)為避免靜電干擾，在試件和傳感器間用環(huán)氧玻璃布層壓薄片進(jìn)行隔離。加速度傳感器安裝過(guò)程中，特別要注意保持敏感軸與振動(dòng)方向平行。

2.2 推力估算

隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力篩選試驗(yàn)推力估算是試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的必要環(huán)節(jié)。根據(jù)試驗(yàn)所需推力，選取合適的振動(dòng)臺(tái)。振動(dòng)臺(tái)所需推力估算公式為

(1)

式中：F為推力；m為產(chǎn)品重量、夾具重量、水平滑臺(tái)重量和動(dòng)圈重量之和；a為產(chǎn)品振動(dòng)加速度的均方根值。

由于制導(dǎo)艙是彈性體, 所需推力用適合于剛體的公式計(jì)算, 其結(jié)果只是一個(gè)估算。按經(jīng)驗(yàn)，振動(dòng)臺(tái)所需推力應(yīng)乘以系數(shù)1.2[1]。試驗(yàn)所選振動(dòng)臺(tái)的推力必須大于計(jì)算值。

2.3 夾具設(shè)計(jì)

制導(dǎo)艙隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)用夾具是將振動(dòng)臺(tái)的推力傳遞給艙段，是振動(dòng)試驗(yàn)的關(guān)鍵裝備。振動(dòng)夾具必須具備良好的強(qiáng)度、剛度和動(dòng)力傳遞特性。夾具設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮到艙段產(chǎn)品圓筒狀的外形特點(diǎn)，產(chǎn)品采用抱箍緊固，夾具安裝法蘭與振動(dòng)臺(tái)通過(guò)螺釘緊固。振動(dòng)夾具如圖3所示。

應(yīng)力篩選試驗(yàn)用振動(dòng)夾具原則上要求在2 kHz內(nèi)無(wú)諧振峰存在，沿振動(dòng)軸方向的傳遞函數(shù)必須保持平坦，其不平坦允差不超過(guò)±3 dB。由于制導(dǎo)艙重量大，夾具體積也大，設(shè)計(jì)的夾具難以保證。按GJB 1032要求，在500 Hz～1 kHz內(nèi)允差可放寬到±6 dB，累計(jì)帶寬不超過(guò)100 Hz。在1 kHz～2 kHz內(nèi)允差可放寬到±9 dB，累計(jì)帶寬不超過(guò)300 Hz。

2.4 控制策略

典型的振動(dòng)控制方法有平均控制、最大控制和最小控制。不同的控制方式只有在多點(diǎn)控制時(shí)才起作用。在同一結(jié)構(gòu)、同一譜型的試驗(yàn)中，不同的控制方式、各個(gè)控制點(diǎn)的功率譜密度曲線和均方根值是不同的。所謂平均控制、最大控制、最小控制是指多個(gè)控制點(diǎn)的功率譜密度在每個(gè)頻率取平均、最大或最小來(lái)合成控制譜。

在不同的控制策略下，產(chǎn)品所承受的應(yīng)力也不同。最大控制是保守的控制策略，最小控制是非保守的控制策略，平均控制則介于兩者之間，是常用的控制方式。制導(dǎo)艙隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力篩選試驗(yàn)一般選用平均控制，以振動(dòng)臺(tái)面、艙段前端和艙段后端傳感器的平均值進(jìn)行控制。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力篩選試驗(yàn)設(shè)計(jì)完成后，在正式開(kāi)展篩選試驗(yàn)前，需要進(jìn)行夾具驗(yàn)證、系統(tǒng)傳遞特性測(cè)定和分析。

3.1 夾具驗(yàn)證

振動(dòng)夾具上安裝制導(dǎo)艙模擬件，并按圖1所示譜線進(jìn)行振動(dòng)，監(jiān)測(cè)夾具響應(yīng)，結(jié)果如圖4所示。

圖4中，響應(yīng)曲線基本滿足要求。在頻段20 Hz～250 Hz內(nèi)，擬合較好。在250 Hz～2 kHz，曲線存在一定偏差，但基本都在±6 dB的允差范圍內(nèi)。

3.2 系統(tǒng)傳遞特性

系統(tǒng)傳遞特性是隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力篩選試驗(yàn)中必須獲取的一項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，主要包括共振頻率、優(yōu)勢(shì)頻率和各組件對(duì)振動(dòng)輸入的響應(yīng)情況。

以振動(dòng)臺(tái)傳感器1、制導(dǎo)艙前端傳感器2和后端傳感器3作為振動(dòng)控制點(diǎn)，按圖1所示譜線進(jìn)行振動(dòng)，監(jiān)測(cè)制導(dǎo)艙模擬件天線組件傳感器4和微波組件傳感器5上的頻譜響應(yīng)。

振動(dòng)控制點(diǎn)頻譜曲線，如圖5所示。其中，圖5(a)為傳感器1的頻譜曲線，頻譜曲線在220 Hz處有個(gè)下陷的谷。圖5(b)為傳感器2的頻譜曲線，頻譜曲線在280 Hz處有個(gè)下陷的谷。圖5(c)為傳感器3的頻譜曲線，頻譜曲線在280 Hz處有個(gè)峰。

振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)頻譜曲線如圖6所示。其中，圖6(a)為傳感器4的頻譜曲線，在頻率20 Hz～300 Hz內(nèi)，曲線擬合較好，基本無(wú)振動(dòng)放大；300 Hz～750 Hz內(nèi)，出現(xiàn)振蕩放大；在750 Hz～2 kHz內(nèi)，出現(xiàn)明顯的振動(dòng)衰減現(xiàn)象。圖6(b)為傳感器5的頻譜曲線。在頻率20 Hz～350 Hz內(nèi)，曲線擬合較好，基本無(wú)振動(dòng)放大；350 Hz內(nèi)～750 Hz內(nèi)，出現(xiàn)振動(dòng)放大。在750 Hz～2 kHz內(nèi)，出現(xiàn)明顯的振動(dòng)衰減現(xiàn)象。

3.3 驗(yàn)證分析

從圖5和圖6可知：

a) 制導(dǎo)艙共振頻率在430 Hz；

b) 制導(dǎo)艙的優(yōu)勢(shì)頻率在300 Hz～750 Hz；

c) 天線組件的加速度響應(yīng)均方根值7.084 g，相比標(biāo)準(zhǔn)6.06 g放大16.9%；

d) 微波組件的加速度響應(yīng)均方根值7.048 g，相比標(biāo)準(zhǔn)6.06 g放大16.3%；

e) 制導(dǎo)艙內(nèi)組件在750 Hz～2 kHz高頻區(qū)間，出現(xiàn)一定衰減。

制導(dǎo)艙由眾多組件組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造成動(dòng)力學(xué)傳遞特性也十分復(fù)雜。制導(dǎo)艙在環(huán)境試驗(yàn)中，要求滿足加速度功率譜密度0.1 g2/Hz條件下正常工作。可見(jiàn)，隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力篩選試驗(yàn)中，輸入量值在產(chǎn)品中產(chǎn)生的響應(yīng)不大于環(huán)境試驗(yàn)中的振動(dòng)響應(yīng)值。

按此試驗(yàn)方法進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力篩選試驗(yàn)，未造成產(chǎn)品的“過(guò)應(yīng)力”和“欠應(yīng)力”。

4 結(jié)論

本文介紹了制導(dǎo)艙隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力篩選試驗(yàn)

的重要性和必要性。從試驗(yàn)條件、試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和驗(yàn)證分析方面深入論述，避免篩選過(guò)程中造成產(chǎn)品“欠應(yīng)力”和“過(guò)應(yīng)力”，確保應(yīng)力篩選試驗(yàn)達(dá)到預(yù)期效果。

[1] 丁力，王小青，尉明.工程應(yīng)用中的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)研究[J].航空計(jì)算技術(shù)， 2002， 32(3)： 110-113.

[2] 國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì). 航天產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選指南： QJ 3138-2001[S]. 北京：中國(guó)航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所，2001.

[3] 國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì). 電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法： GJB 1032-1990[S]. 北京：航空航天工業(yè)部，1990.

[4] 國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì). 電子產(chǎn)品定量環(huán)境應(yīng)力篩選指南： GJB/Z 34-93[S]. 北京：航空航天工業(yè)部，1993.

[5] 田義宏，江雅婷.環(huán)境應(yīng)力篩選中的振動(dòng)試驗(yàn)方法[J].強(qiáng)度與環(huán)境， 2010， 37(6)： 18-24.

Experimental Design and Analysis on Random Vibration Stress Screening of Seeker Cabin

HUANGKai,DAIXiu-fen,LIUYu,ZHAOLei

(Shanghai Radio Equipment Research Institute, Shanghai 200090, China)

At first the importance and necessity of random vibration stress screening in the development and production of seeker cabin is stated. Then on the basis of experimental condition analysis, experimental system design, fixture design and control strategy selection are carried out by taking a typical seeker cabin for example. Finally the feasibility of this method is verified. The results show that it can effectively avoid the lacking-stress and over-stress cases in the random vibration stress screening process.

random vibration; stress screening; experimental design

2017-01-13

黃 凱(1982-)，男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事制導(dǎo)艙結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)與試驗(yàn)技術(shù)研究。

1671-0576(2017)01-0001-04

TJ760.35

A