基于加速度限控制策略的振動試驗過載停機實驗研究

李鵬，劉凱，辛敏成，張海濤，鄒田驥，呂從民

（1.中國科學院空間應用工程與技術中心，北京 100094； 2.中國科學院大學，北京 100049）

引言

“十三五”期間，以新一代運載火箭、載人航天、探月工程和高分辨率對地觀測系統等為代表的重大專項已進入實施的關鍵時期, 空間基礎設施、重型運載、深空探測等也進入深化論證階段[1]。不同航天產品在不同壽命周期階段可能經歷不同的振動環境和平臺，例如航天器隨火箭發射、飛行、再入過程中要經歷嚴酷的振動環境，特別是發動機工作及自激勵振動（POGO）效應、火箭發動機點火/關機和級間分離造成高強度的振動環境，輕則導致航天器及其組件結構變形或損壞，重則導致整個發射任務失敗[2]。針對航天產品的復雜性不斷提高，新的力學問題不斷涌現，研制周期與成本的控制力度不斷加大的問題，合理設計并有效開展航天產品地面振動試驗，不僅可評價結構的剛度和強度設計，考核其力學環境適應能力，驗證規定環境條件下的工作性能和可靠性要求，還能獲取敏感部位的振動響應數據，同時暴露工藝制造質量缺陷[3,4]。

航天產品由于小批量、高價值的特點，對振動試驗試驗控制的安全性極為重視，并且要對關鍵、重要部位進行響應信號監測，特別是結構復雜、功能繁多的大型受試產品，需要關注的薄弱部位較多，對數據采集與信號處理的需求較高。因此，西門子Simcenter Testlab振動控制采集分析系統憑借著良好的安全穩定性和高速多通道數據采集與試驗、分析、電子報告功能，在航天領域得以廣泛應用。該系統將振動控制與信號的采集、分析和后處理模塊集成在同一平臺中，包括數據采集前端、測試分析軟件，配套傳感器及線纜等輔助裝置，可以實現正弦、隨機、沖擊、跟蹤與諧波駐留等常用振動控制功能，同時具備時頻域信號記錄與分析、信號特征試驗分析等后處理能力，有效滿足開展大型振動試驗及分析的需求[5]。

盡管Testlab采用了軟件流程化設置，但是存在保護環節多、細節繁雜的特點。一方面，使用手冊僅給出了一般性功能介紹，大量參數默認設置需要結合現場實際情況進行合理調整，而試驗人員對軟件復雜功能細節不明確，許多試驗過程中出現的未知情況也難以提前演練。另一方面，西門子售后工程師缺乏一線實操經驗，對振動臺系統和試驗需求不熟悉，難以準確回答軟件特定功能的工作機制和推薦的參數設置范圍。以加速度限控制功能為例，為防止振動試驗過程中產品安裝界面、接插件和敏感器件安裝點等重點部位響應過大，通過設置特定測量通道的振動加速度響應限，保護被測試件。當某些頻帶上響應值超過預設的限制譜時，系統對輸入譜進行自動修正，將這些通道的振動響應限制在限制譜以內。加速度限控制方法實質上是對輸入譜進行下凹處理，以避免敏感部位出現過試驗的情況[6]。但是使用手冊不可能包含具體的操作細節和注意事項，因此軟件設置錯誤給振動試驗的開展帶來了巨大的安全隱患，不僅存在過試驗、欠試驗的風險，而且導致的試驗異常中斷增加了試驗時間和費用，嚴重影響產品研制交付的進度。

本文針對某航天產品正弦振動試驗的過載停機故障，從Simcenter Testlab軟件的角度分析了原因——對振動試驗中為保護試件的加速度限控制功能的參數設置不合理，或限幅通道量程過低導致試驗異常中斷。通過設計三組實驗，結合分析數據，驗證軟件加速度限控制功能和通道量程設置工作機制，為后續基于Simcenter Testlab振動試驗中限幅通道加速度限控制的使用提供了技術參考。

1 試驗說明及停機原因分析

某航天產品結構工藝件開展正弦振動試驗，采用6點平均加速度輸入控制方法，6個三軸向加速度傳感器（A/B/C/D/E/F）作為控點安裝在試件連接的夾具上，控制儀采集控點信號對振動臺進行反饋控制，以保證夾具/試件界面處達到規定的振動量值。試件上按要求布有41個三軸向加速度傳感器（1#～41#），作為測點采集特定部位的振動加速度響應特性。所有傳感器敏感度約為50 mV/g，標定量程為50 g，各通道量程均設置為100 g。試驗條件如表 1所示，報警容差為±3 dB，停機容差為±6 dB。對部分測點進行加速度限（notch）控制設置，全頻道限幅量級15 g，限幅停機上限+6 dB，即30 g，當任一測點響應值超過限幅限15 g時，系統修正輸入譜使響應低于規定的限幅限，當響應超過30 g時觸發停機保護。

試驗在掃頻至54 Hz時中斷，軟件顯示7#測點過載（overload）導致試驗中斷，此時7#測量通道頻域信號量級為17 g，見圖1，曲線已超過限幅限15 g，觸發了加速度限控制功能，尚未觸碰30 g停機線。如圖2所示，7#時域信號量級為38 g，未采集到超過量程100 g的信號。

對控制傳感器及7#測點傳感器進行檢查，未發生傳感器脫落、松動現象，排除了硬件連接問題。對控點和其他測點的時域、頻域曲線進行了分析，均未發現異常。考慮到安全設置中控制通道和測點通道設置為過載忽略（Ignore），而限幅通道設置為過載停機（Abort），如圖3所示。因此，過載停機原因可能為以下2個方面：

1）7#測點信號在時域或頻域上觸碰notch限幅停機線30 g停機。

2）7#測點信號超100 g造成通道量程過載停機，并且由于通道量程過低，未能在時域頻域采集到超量程信號。

2 試驗設計與分析驗證

針對可能的停機原因：①限幅通道設置為過載停機；②測點通道量程設置過低的軟件設置錯誤，繼而觸發保護功能，導致試驗誤中斷的過載停機。設計了三組實驗，在振動臺空載狀態下進行實驗驗證，如表2所示。

2.1 限幅通道過載停機驗證實驗

7#、8#傳感器相鄰粘貼在水平滑臺上，分別設置為控制和限幅通道，單點控制。限幅通道設置為過載停機，限幅停機上限為0 dB，即15 g，具體方法如表2中T1所示。

表1 正弦掃頻振動試驗條件

實驗中，目標譜超過限幅通道停機線，觸發加速度限控制功能的瞬間保護停機，此時試驗中斷顯示“Notch upper abort”與原試驗中顯示“Overload”不一致，由此排除測點時域或頻域曲線觸碰Notch限幅停機線導致停機。

圖1 7#測點頻域譜線、限幅參考限及停機上限

圖2 7#測點時域信號

圖3 控制、限幅、測量通道過載策略設置

2.2 通道超量程過載停機頻域驗證實驗

限幅通道設置為過載停機，8#通道量程設置為3.16 g，在17～60 Hz范圍內量級為3.4 g，顯然會在頻域觸發超量程3.16 g停機，但不超過限幅停機線+6 dB，即6.4 g，具體方法如表2中T21所示。在17.2 Hz時試驗8#限幅通道過載停機，報錯信息顯示“Overload”，與原試驗一致，由此可定位原停機原因為限幅通道量程過載。

將限幅通道設置為過載忽略，其他試驗條件同T21，具體方法如表2中T22所示。圖4顯示目標譜在17～60 Hz范圍時，8#已經超量程（實時監測狀態變紅且無示數），但未停機中斷，無報錯信息，實驗正常結束。

表2 過載停機實驗分析驗證方法

圖 4 7#測點傳感器時域圖

據此可推斷原試驗停機原因是該限幅通道設置為過載停機，而超量程觸發保護功能。但是，T21/T22實驗僅從頻域上驗證了停機的工作機制，并未從時域上驗證實際試驗中的停機現象。因此，設計了T3從時域上驗證過載停機的原因。

2.3 通道超量程過載停機時域驗證實驗

為保證目標譜在頻域上不超過8#限幅通道量程3.16 g，更改目標譜幅值最高段17～60 Hz量級為2 g，限幅通道設置為過載停機，開展試驗T31。在試驗進行到17～60 Hz過程中，使用力錘敲擊臺面，在時域上產生較大信號干擾，具體方法見表2中T31。在17.04 Hz時試驗8#限幅通道過載停機，報錯信息顯示“Overload”，與原試驗一致，由此從時域上驗證實際試驗中的停機現象。

如圖5所示，7#&8#&9#通道均未采集到臺面敲擊產生的大量級毛刺時域信號，這是由于8#通道量程限制，在敲擊信號出現時過載停機，導致停機瞬間各通道都無法采集到時域信號。

將限幅通道設置為過載忽略，其他試驗條件同T31，開展試驗T32。在試驗進行到17～60 Hz過程中，使用力錘敲擊臺面，在時域上產生較大信號干擾，見表2中T32，試驗順利完成，未發生停機。

如圖6所示，7#&9#通道（量程100 g）均采集到臺面敲擊產生的毛刺時域信號，而8#通道（量程3.16 g）由于量程受限，未采集到超過3.16 g而低于100 g的較大信號。

圖5 T31中7#&8#&9#通道時域信號

圖6 T32中7#&8#&9#通道時域信號

因此，從時域和頻域解釋了過載停機現象，原試驗停機原因為7#限幅通道出現超過量程100 g的時域信號，造成overload停機，但是由于通道量程限制，未能在時域上采集到超量程信號。通過將限幅通道設置為過載忽略，可有效避免過載停機現象。

3 結論與建議

本文從Simcenter Testlab加速度限控制功能的角度分析了某航天產品正弦振動試驗的過載停機故障原因，開展了三組驗證實驗，驗證了停機原因不是觸發限幅報警限，而是傳感器通道過載，未采集到超量程時域信號的原因是通道量程限制。最后，針對基于加速度限控制的振動試驗給出了以下三點建議：

1）Simcenter Testlab在傳感器通道類型中設有控制和測量兩類，分別起到輸入譜控制和輸出譜監測功能，但在過載停機的安全保護設置時通道類型分別控制、測量和限幅三類，需要分別進行過載停機或忽略設置，在選擇相應通道忽略過載停機后，即使采集到超過通道量程的信號也不會過載停機。

2）為防止試驗失控，有效保護試驗件和振動臺，控制通道一般設置過載停機；測量通道采取忽略過載的設置，以保障試驗正常開展；而限幅通道則需要結合試驗件敏感監測部位的實際情況進行合理設置，若采取過載忽略的設置，在量程不夠的情況下能保證試驗的順利開展，但是長時間過載對小量程傳感器自身結構、功能性能都會產生不利影響，致使傳感器參數漂移，另外存在產品極值破壞風險，應做好隨時中斷試驗的準備。

3）Simcenter Testlab通過設置靈敏度與電壓將通道量程與傳感器物理量程進行匹配，其中靈敏度由傳感器標定結果輸入，電壓只能分級設置，常見的三級量程為1 V/3.16 V/10 V，五級量程為0.1 V/0.316 V/1 V/3.16 V/10 V。顯然，通道量程與傳感器物理量程多數情況下都不一致，系統以各通道量程為準，比如傳感器標定量程為500 g，當通道量程為1 000 g時仍能監測到500～1 000 g的信號，只是無法保證信號量級精度。注意傳感器量程與靈敏度的權衡選擇，控點注重精度，為避免試驗控制超差，出現過試驗或欠試驗的風險，一般采用較小量程傳感器，而測點傳感器為滿足信號采集需求，一般選用較大量程傳感器。