振动环境试验控制允差的剪裁应用

朱学旺

（中国工程物理研究院总体工程研究所，绵阳 621900）

振动环境试验控制允差的剪裁应用

朱学旺

（中国工程物理研究院总体工程研究所，绵阳 621900）

从工程应用的角度，本文分析讨论了GJB 150.16A对振动环境试验控制允差的要求。结果表明，GJB150.16A对控制允差的要求是灵活的，但是未规定RMS允差，容易造成过试验或欠试验，且对加速度谱密度的控制允差要求的表述存在着一定的模糊。文中给出了解决建议。

振动环境试验；控制；控制允差；剪裁

概述

无论是直接应用相关标准中推荐的预估数据，还是以特定装备的测量数据为基础，在设计振动环境试验条件时，一般都要考虑适度的附加裕度——允差。适度的允差或是为了包含哪些在制定振动环境试验条件时不能涵盖的环境因素，如最严重的工况、与其它环境因素（温度、加速度）的叠加以及三轴向振动同时作用的耦合效应等，或是因为测量数据不能涵盖全部工况，如测点数量、测点可及性限制，还要考虑试验实施过程的等效模拟，如用单轴代替多轴，用夹具模拟平台等因素[1]。

实验室试验时，按照振动环境试验条件允差实施试验控制——控制允差。不同的控制允差实现代表了对试验件的不同严酷程度的考核。文献2简单分析了不同的控制允差对疲劳损伤程度的影响。结果表明，相同的控制允差范围（比如±3dB），当波动模型不同时，疲劳损伤程度可以相差很大[2]。严格按照疲劳损伤程度来设计振动试验控制允差不容易实现。现实的做法是，无论是引用预估数据作为试验条件还是统计分析测量数据获得试验条件，一般都是直接按照标准中推荐的允差剪裁指南，确定具体的试验控制允差。

GJB 150.16A-2009《军用装备实验室环境试验方法第16部分 振动试验》（以下简称标准），是振动环境试验研究中应用最为广泛的国内标准之一。本文应用其提供的剪裁指南，讨论分析振动环境试验控制允差的剪裁应用。

1 标准中关于控制允差剪裁的提法

标准中关于允差剪裁的主要内容包括：制定的

a)控制允差制定的原则：既可以单独规定控制允差，也可以直接应用标准推荐的控制允差，还可以根据能够实现的最小允差在试验前经由研制单位和用户确认；

b)给出了推荐的控制允差的具体指标：最严格的要求（+2.0dB，—1.0dB），退一步的要求±3dB，最低要求500Hz以下±3dB、500Hz以上（3dB，—6dB）且超差带宽限制在试验总带宽的5%之内；

c)强调加速度总均方根值用于试验监测（如均方根值在检查加速度控制谱的设定中的错误时是非常有用的），而不用于试验的控制；

d)对加速度功率谱密度测量的精度要求给出了规定，如准确度要求为振动量级的±0.5dB以内，分析带宽应不大于2.5Hz(25Hz以下）或不大于5Hz(25Hz以上），快速傅立叶变换的谱线数要求以及统计自由度要求等等。

2 控制允差的剪裁应用

不难看出，标准对振动试验控制允差的要求体现了剪裁思想。简单地理解，我们既可以根据具体的试验目的和实测数据，经过分析评价获得“另行规定”的控制允差，也可以按照标准之6.2.3.2～6.2.3.5的内容确定控制允差，甚至当我们无力实现标准所要求的允差时，还可以根据我们的能力来放宽允差要求。前面提到，自定义控制允差绝非易事，而放宽允差则是没有办法而采取的妥协。就算按照标准要求，确定某一具体振动项目的控制允差也会出现分歧。

1）标准中没有对均方根值允差给出明确的要求，只是定性地要求“根据试验变量和试验设备来规定均方根监测值的允差”。简单的算例便可以说明，即使满足标准提出的最严格的控制允差要求（2.0dB或－1.0dB之内）的试验结果，也会出现我们不愿意看到的过试验或欠试验。设功率谱密度为平直谱随机振动试验。当控制结果在全频段均为2.0dB时，则实际实现的总均方根值为要求值的1.259倍，实际实现的加速度的峰值也是设计要求的1.259倍，这是明显的过试验；当控制结果在全频段均为－1.0dB时，则实际加载的总均方根值为要求值的0.891倍，峰值亦降低为设计值的0.891，这是明显的欠试验。不难验证，对其它形状功率谱曲线规定的随机振动试验也有类似结果。美军标MIL-STD-810F METHOD 514.5VIBRATION 中对均方根值的允差的规定也存在着同样的缺陷[3]。2008年颁布执行的美军MIL-STD-810G METHOD 514.6 VIBRATION中，对均方根值的允差给出了明确的规定:振动试验的总均方根值的偏差不超过参考值的10%[4]。

2）标准中优先推荐的控制允差（2.0dB或－1.0dB之内）太过严格，以至于标准中都认为难以实现而给出了折中处理方案，“在任何情况下，整个试验频率范围内的允差应不超过±3dB；500Hz以上可以为3dB，－6dB。这些超过允差的累积带宽应限制在整个试验频带范围的5%以内”。遗憾的是，划线部分又带来了理解的歧义和执行上的困难。5%的带宽到底是指超过优先推荐的控制允差（2.0dB或－1.0dB之内）还是指超过±3dB允差的那部分带宽，并不明确。

这一部分的表述与美军标MIL-STD-810F METHOD 514.5 VIBRATION中相应内容是完全相同的[3]。也就是说，美军标810F对振动试验控制功率谱密度的控制允差同样存在模糊之处。回顾GJB 150.16，与之相关的描述是“控制点的测量功率谱密度与规定的功率谱密度相差不得超过±3dB”。在500～2000Hz范围内，允许容差（即允差）为－6dB，但累计带宽不得大于试验频率范围的5%，其描述明确易懂，为避免混淆还给出了图示说明。

MIL-STD-810G METHOD 514.6 VIBRATION中，对相关表述进行了修改。首先宏观要求要尽可能实现控制允差的最小化，然后给出了对控制允差的一般要求±3dB ，最后给出了当出现超差时的放行处理办法：500Hz以下 ±3 dB ，500 Hz以上±6 dB ，且带宽最多不超过试验频率范围的5%[4]。

由此可见，MIL-STD-810G METHOD 514.6 VIBRATION对振动试验控制允差的要求完全不同于810F。简单地说，它不仅比810F（GJB 150.16A）要宽松，甚至比GJB 150.16还要宽松，5%带宽的超±3dB控制谱密度可以达到±6 dB，而不是GJB 150.16要求的－6dB。

3 结论与讨论

上述分析可以得出结论：

1)对RMS给出允差要求是必要的，以目前标准中推荐的预估数据作为试验条件时，RMS值的允差按照不超过要求值的10%执行是现实的；

2)除非另外规定，加速度谱密度的控制允差一般不要执行“2.0dB或－1.0dB之内”的要求，当按照标准规定的允差要求进行试验设计时，直接应用±3dB允差，高频可以放宽至－6dB(有时甚至可以放宽至±6dB)，允许放宽的累计带宽为试验带宽的5%。

值得注意的是，在上述分析中，并没有涉及加速度谱密度测量的精度问题。实际中，因为加速度谱密度为间接测量量，其测量结果是加速度测量结果经过适当方法获得的估计值，而一个随机统计量的估计的精度受多种因素的影响。也许正是因为这些复杂性，在MILSTD-810G METHOD 514.6 VIBRATION讨论允差之前明确说明没有考虑加速度谱密度的测量不确定度。另外如何正确理解和应用标准中对振动测量提出的“其准确度为振动量级的±0.5dB之内”的要求，也是值得研究讨论的。

[1] GJB 150.16A-2009，军用装备实验室环境试验方法 第16部分 振动试验[S].

[2]朱学旺.基于疲劳损伤分析的振动试验控制误差评价[J].航天器环境工程，2007，24(3)：182-186.

[3] MIL-STD-810F，Environmental engineering considerations and laboratory tests, METHOD 514.5VIBRATION[S].

[4] MIL-STD-810G，Environmental engineering considerations and laboratory tests ,METHOD 514.6 VIBRATION[S].

Clipping Application of the Control Tolerance of Vibration Environment Test

ZHU Xue-wang
（Institute of Systems Engineering ,CAEP, Mianyang 621900）

This paper analyzes and discusses the requirements of GJB 150.16A for the control tolerance of vibration environment test from the perspective of engineering application. The result shows that the requirements on the control tolerance in GJB 150.16A is flexible. However, due to no stipulation on RMS tolerance, it will easily result in over-test or under-test; and the description on the control tolerance of the PSD (Power Spectral Density) of an acceleration signal is fuzzy to some extent. The suggestion is presented in the paper for clipping the control tolerance.

vibration environment test；test control；control tolerance；clipping

O346.5

A

1004-7204（2014）01-0060-03

朱学旺（1963- ），男，湖北鄂州人，研究员，研究方向为复杂结构动力学及振动环境试验。