多軸振動與沖擊復合環境試驗技術分析

劉磊

摘 要：探究多軸振動和沖擊的多力學復合狀態測試技術。經過對測試系統的建立、測試控制計劃和振動與沖擊信息的解耦等展開深度探究，介紹了信號分離方法，并規劃了信號分離器，把信號分離器視為閉環管理的一個關鍵環節，能夠有效解耦振動和沖擊信號。信號分離器的工作精度滿足預期成效，得到了振動和沖擊的即時解耦遇與實時把控，提升了沖擊測試的管理精度。經過試驗檢驗，采用的方法可行，具備一定使用價值。

關鍵詞：多軸振動;沖擊信號;試驗方法

伴隨防空導彈的不斷發展，其戰績指標不斷提高，導彈的規劃余量越來越小，該種狀況下，地表模擬試驗檢驗的準確性顯得十分關鍵。針對有設計缺陷和工藝問題的導彈，產品不得誤判，不得下降產品的飛行穩定性，而且針對復合環境適應性需要的導彈產品，也保證不得誤判，防止引起資源浪費與研制時間的延遲。所以，盡可能模擬導彈的準確環境，展開地表模擬驗證，是當前環境試驗方法的一個關鍵發展趨勢。

1 多軸振動和沖擊復合測試系統建立計劃

本文對于細長試件建立一套系統（如圖1所示）。橫側面的2個激振器加上沖擊載荷，垂直向與軸向的3個激振器加上振動載荷，其是1個五自由度測試系統，甚至試件的走向與垂直向能得到線性振動，繞橫側軸能得到角振動，順橫側軸能得到線性沖擊，繞垂直軸能得到角沖擊。這一系統有以下特征：

圖1? ?多軸振動和沖擊復合環境測試平臺

1.1 振動平面垂直于沖擊平面

當位移較小時，沖擊方向一直垂直于振動方向，所以在一階諧振頻率之下，振動和沖擊的耦合性較小，能夠忽視不計。但在一階頻率之上，因為試件的柔性改變，振動與沖擊的耦合性將較大，給試驗管理造成巨大困難。

1.2 試驗系統是靜定系統

為處理系統的可靠性，提升系統線性度與時不變性，于兩個垂直振動機上分布了雙球頭并聯設備，該設備把繞軸向運轉的自由度做出了剛性限制，而且又不干擾其他方位的解耦，經過該設計得到了試驗件自由度的總量和激勵點的總量相同，把靜不定系統調整成靜定系統，大幅度提升了多軸振動和沖擊復合環測試的管理精度，下降了管理困難性。

2 多軸振動和沖擊復合試驗管理技術

2.1 振動和沖擊的交叉耦合

文章提供的系統建立計劃，振動所處平面垂直于沖擊所處平面，若試件屬于剛體，振動和沖擊是不會產生干擾的，唯有試件體現出柔性，才會造成振動和沖擊交叉耦合[1]。試件于一擊頻率之下體現出，剛性振動和沖擊為耦合起來，在一階頻率之上，試件將出現柔性變化，振動和沖擊有很明顯的交叉耦合。所以，耦合至沖擊響應時的振動信號它的下限頻率均是試件的一階頻率。

總之，針對常見沖擊試驗，沖擊和振動的耦合有兩種現象：①試件的一階頻率超過沖擊信號的上限頻率。這時耦合至沖擊響應時的振動分量下限頻率會超過沖擊信號的上限頻率，而沖擊頻率和振動頻率未出現疊合;②試件一階頻率低于沖擊信號上限頻率。這時耦合至沖擊響應時的振動分量下限頻率會低于沖擊信號上限頻率，而沖擊頻率和振動頻率會出現混疊。

因為沖擊響應譜測試的頻率范圍較寬，第一種現象是沒有的，只有第二種現象。所以，沖擊響應時的振動分量和沖擊分量必定出現頻率混疊。針對半正弦沖擊，能把9/2D視為上限頻率，超過9/2D的頻率成分能忽視。針對其他種類的沖擊試驗，因為沖擊能量伴隨頻率加大衰減略慢一點，能適當提升上限頻率。常見的沖擊能量重點集中于低頻，即大多數能量處在試件的一階頻率之下，其耦合至振動響應時的能量較小，能夠忽視不計。若是沖擊響應譜試驗，沖擊時對振動的影響將較大，但是因為沖擊時間較短，只需2次沖擊時間距離夠長，振動響應將逐步均衡至試驗需要值。所以，文章只考量了振動對沖擊的作用，而并未考量沖擊對振動的干擾。

2.2 試驗控制計劃

MIMO振動與MIMO沖擊的管理原理不一樣，需要采取兩個單獨的控制儀逐一把控，因為試驗環節，振動和沖擊有交叉耦合情況，兩個控制儀單獨控制，不能得到沖擊和振動的解耦，因此對試驗管理的影響很大。

圖2? ?多軸振動和沖擊復合測試的控制計劃

此處對沖擊和振動的解耦方式進行了探究，提出了圖2上的試驗管理計劃，該計劃采取兩個單獨的控制儀，分別把控MIMO振動及MIMO沖擊，在沖擊管理回路上規劃了一個信號分離設備，能夠把沖擊響應中存在的振動分量清除。

結合上述的探討，當試件的一階頻率超過沖擊信號上限頻率時，其沖擊響應方面的振動頻率和沖擊頻率未出現混疊，能夠基于低通濾波把沖擊信號方面的振動分量清除。當試件的一階頻率低于沖擊信號上限頻率時，其沖擊響應方面的振動頻率和沖擊頻率會出現混疊，濾波方式已不再適用，需要采取一種信號分離方法，有效隔離振動信號和沖擊信號。對于這兩種現象，信號分離設備應當歸化兩大模塊，得到兩個功能：低通濾波和信號分離。能結合不同現象，選取不同的功能和其組合展開測試，達到最佳的測試效果。

因為有交叉藕合，造成沖擊管理點的響應存在兩大分量：沖擊激勵形成的沖擊響應與振動激勵形成的振動響應。信號隔離器具備實時輸入與實時輸出的作用，其作用即清除沖擊管理點響應信號中存在的振動和數量，且把清潔的沖擊信號反饋至沖擊管理器產生閉環管理[2]。所以，圖2表示的閉環控制計劃并未清理沖擊管理點的振動信號，即是對其展開隔離，管理器呈現的沖擊曲線并非是沖擊管理點的具體響應曲線，其是由沖擊激勵形成的沖擊響應數量。

針對多軸振動和沖擊復合環境測試方法，需要得到的便是振動激勵與沖擊激勵共同影響下形成的復合環境，沖擊信號具有振動響應就是人們所要的。文章關鍵的目標是：確保振動激勵與振動管理點上形成的振動響應與沖擊激勵于沖擊管理點上形成的沖擊響應分別滿足設計需要。

2.3 信號分離器的規劃原理

信號分離的途徑較多，其中使用最普遍的兩種辦法即盲源信號分離法與單獨分量分析信號隔離法，這兩種辦法以較為成熟，常用做故障診斷、語音、通訊和圖像處置等方面。其有一個相同特征，即僅能獲得與原始信號波形相同但幅值有明顯差別的信號，這一點無法符合文章對信號分離方法的需要[3]。文章采取的信號分離方法是依靠篇相干理論出現的，該種方法能夠完全復原初始信號。

沖擊信號中存在的振動分量是通過振動激勵形成的，因此振動信號內的振動分量和振動激勵信號是有關的，而且因為采取兩個控制單獨管理，振動激勵和沖擊相應信號是無關的，所以，信號分離器設計的原理為采用偏相關理論，把沖擊信號中和三個振動激勵信號有關的分量清除。

3 結論

信號分離器的規劃原理是依靠相干函數，其中相干函數就是體現信號間線性關聯的函數，若系統的非線性因素很多，造成輸出和輸入之間相干性很差，信號分離器的工作精度會明顯降低，所以，在規劃系統搭建計劃時要盡量減少非線性出現的因素，圖1上的雙球頭并聯設備就是為提升系統線性度而規劃的。

試驗表明，每次沖擊加載時，振動管理曲線基本無變化，而振動對沖擊的作用較大，沖擊曲線存在許多振動和數量。所以，在控制計劃上未考量沖擊對振動的干擾是準確的。信號分離器能夠有效清除振動數量，沖擊管理過程穩定，因此閉環管理計劃是完全有效的。

參考文獻：

[1]鄒學利，李宏民，王海燕.多軸振動與沖擊復合環境試驗技術研究[J].振動與沖擊，2019，38（03）：237-243+278.

[2]林先松.多軸振動臺架在道路載荷模擬試驗中的應用[J].機電技術，2018（01）：83-84+100.

[3]謝子東.基于模型的多軸振動臺動力學解耦控制研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2017.