影响振动环境试验的若干关键技术要点解析

许江文

（中国电子科技集团第十八研究所，天津 300384）

影响振动环境试验的若干关键技术要点解析

许江文

（中国电子科技集团第十八研究所，天津 300384）

从振动试验方案设计、试验方法和步骤、试验设备选择、振动试验控制方法等几个方面对影响振动试验的关键技术进行了详细的解析；并结合结构动力学阐述了振动试验夹具设计的注意要点。

振动；夹具；控制；结构动力学

引言

环境振动是考核、评定产品的耐振动环境适应性的一种重要研究手段。它通过在实验室人工模拟场外振动环境条件来检验产品结构在实际使用过程中能否满足要求，同时暴露产品的设计缺陷，为产品结构优化提供数据支持。随着工业的不断发展，环境振动试验在控制产品质量中发挥了越来越重要的作用，有效地提高了产品可靠性[1]。

振动夹具是振动试验台和试验产品的连接部件，试验中要求它把振动试验台的能量不失真地传递到试验产品上。由于机械结构本身的传递特性，试验夹具在其固有频率点的附近频段内使得传递的能量失真，如果试验夹具的固有频率和试验产品的固有频率重合，将对试验产品产生更为严重的耦合作用，这样试验结果将严重失真。因此在实验室模拟外场的振动试验中，振动夹具的优劣将直接影响整个试验结果的有效性。除此之外，选择合适的控制策略也能很好地弥补因夹具和试验样品结构传递特性耦合带来的不利影响。

1 振动试验台选择

在进行一项振动试验时，如果选择的试验设备不合理，可能会使试验不能顺利进行，甚至会因设备超能力使用产生严重的事故。在选择试验设备时应注意如下三个原则[2]：

1）根据被试产品（含夹具）的质量和正弦振动的最大加速度值（或随机振动的均方根值）的乘积、加上30%余量确定设备额定激振力。

2）根据试验规范的频率范围选择振动台的上、下限工作频率。

3）根据试验规范的振动控制要求正弦振动、随机振动等选择振动台应配置的控制器。

由于目前广泛应用的是电动振动台，本文以电动振动台为例，说明在振动试验前如何选择合适的设备。图1为振动台的最大工作特性曲线，电动台适应的频率范围较宽，一般能达到2000Hz。其激振力的输出能力与频率范围有关，在较高频率段能输出全激振力，低频段由于受到最大位移的限制，其加速度值随着频率的下降而下降，中间频率段为恒速度段，在该区域内，设备将达到最大速度值。从上述可以看出，振动台的最大位移、最大速度、最大加速度等指标并不都能在全工作频域内得到满足，因此在对被测对象进行试验前，必须对被测对象的振动参数进行分析，合理地选用振动台及测试仪器才能得到正确的结果。

确定额定激振力的大小：

这里m1为试件质量；m2为夹具质量；m3为动圈质量；m4为扩展台面质量。

当根据式（1）确定了恒加速度区域的激振力和已知试验加速度幅值a后，用下式即可计算出此试验负载下的加速度和速度区的交越点：

然后用式（3）确定该交越点以下的速度区域内频率点各对应的速度幅值的大小，当计算值小于初步选定的振动台的最大速度幅值时，试验可行，反之则不行。

以同样的方法验证在位移区内相应的位移能否满足要求。

2 振动试验夹具的设计

试验中，试件的固定和振动载荷的传递都是靠夹具来完成的，其动态特性的优劣直接关系到试验结果的真实性。理想的振动试验夹具除了要满足边界约束条件和试验设备能力外，还要求将激励力不失真地传递给试件，这就必须对夹具的力的传递途径、强度、刚度等作综合考虑。

2.1 夹具设计常用原则

2.1.1 夹具材料要求

夹具材料应选用刚度大、阻尼大、质量轻的材料，如镁、铝及其合金，尽量不要使用优质碳素钢。

图1 振动台最大工作曲线

2.1.2 对中要求

应尽量设计重心较低且对称的夹具。在垂直方向试验时，通常要求试件和夹具的合成重心尽可能地与振动台动圈的中心线重合，以避免由于重心不一致在振动试验过程中振动台台面摇晃，造成对试件不应有的冲击应力，从而导致振动台台面波形严重失真，甚至损坏振动台（试验时，送试方应提供夹具和试件的重心位置及重量等相关参数）。

2.1.3 动力学传递特性要求[3]

夹具的振动传递特性原则上应趋于1，这样激励力在通过夹具传递给试件的时候不会因夹具本身而放大或变小，能避免出现过试验或欠试验的情况。要满足这一要求只有夹具是刚体时才能达到；实际上夹具本身不可能是完全刚体，当试验频带较宽时，在夹具的谐振峰处，夹具的振动传递率是大于 1 的，在该频率值附近时试件处于过试验；相反地，在峰谷处该频率值附近时试件处于欠试验。美国圣地亚实验室针对不同大小的夹具，从经验上给出了夹具在试验频带内对共振峰的要求。除此之外，振动夹具的动力学特性通常应满足下列要求：

1）夹具的一阶频率。夹具的一阶谐振频率和试件的一阶谐振频率之比应在0.5～1.4之间。

2）在整个试验频段内，夹具的共振频率点应尽可能少，且品质数Q应小于 4 。

3）夹具与试件连接面上的各点的响应要尽量一致，以确保试验时输入激励的均匀性。

4）限定横向运动量级：对非试验方向的振动量值进行规定，限定其小于某个值，一般横向振动应不大于30%，个别点也不应超过50%。

2.2 夹具结构形式

由于试验产品门类多，形状也不尽相同，人们很难用通用的夹具来完成试验，需要结构设计师或试验工程师自行设计。一般按用途来分，夹具分为专用和通用两种，专用夹具是专门为某个试验设计的，通用夹具可用于多个不同试验。夹具材料应采用比刚度大、阻尼大的材料，铝、镁及合金是最常用的材料，表1列出了常用夹具材料的一些重要物理特性[5-6]。

常见的通用夹具结构形式主要有平板、立方体、半圆形、台面扩展转接板、方盒形、L形、T形、开口盒形等几种，如图2所示。

2.3 基于响应加速度谱密度偏离度最小的振动夹具优化设计

在某些特定设备的大型夹具设计过程中，虽然夹具设计人员希望自己设计的夹具特性能够满足上述通用要求，但是考虑到振动台实际情况下多点加权控制和整个试验频段内的动力学响应特性耦合效应，大部分夹具都很难达到设计要求的理想状态，这就需要寻找一种更合理地设计方法。

夹具设计参数对传递特性影响，可以从传递函数的分析中看出[4]。系统具有N自由度时，系统设计参数向量为ξ，假定只有在结构的o点的作用有激振力0F，则有任一点i处的响应iX将是：

表1 常用夹具材料特性参数

图2 常见通用夹具结构形式

振动环境试验系统包括：振动台体、夹具和试件，以夹具为研究对象，假定振动台传递给夹具振动量级的传力点位于振动台面中心位置处的夹具上的点o上，夹具传递给试件的振动量级传力点为试件与夹具得到安装部位di（i = 1,2,3..,m），传感器安装位置为 ck（k= 1,2,...n），夹具设计参数向量为ξ，则有：

若是随机激励作用下，通过响应与激励协方差函数Fourier变换可得id，kc点相对于o点的加速度功率谱密度传递函数等式：

式中 Hξ,dio（f ）和 Hξ,cko（f）是与夹具设计变量参数向量ξ有关的频响函数。

考虑到计算和测试时频率是离散的，则有：

所以有：

代入式（4），

3 振动控制策略

在实验室模拟场外振动环境试验中，一般来说试验样品无法直接与振动台连接，都是通过通用或某些专用夹具与振动台转接，所以在实验室试验中，振动台、夹具、试验样品组成一个试验系统。

GJB 150A中对试验系统控制点的位置选择有明确说明，一般选在试验夹具上且最接近试验产品与试验夹具的连接点处。在实际试验过程中，由于整个试验系统之间的动力学耦合作用，使得试验产品上产生的振动环境与理想的状态不符，这将导致试验产品的某些部分过试验，而在其它某些特定部分欠试验。在试验夹具和试验产品结构无法进一步改进的情况下，采取适当的控制改善试验失真程度，使试验结果可信度更高是行之有效的方法[5]。

3.1 加速度输入控制法

加速度输入控制法是振动环境试验的传统方法。在这种控制方法中，加速度传感器安装在振动台面上或与试验件连接的夹具上。试验时，根据规定的振动试验谱产生振动抬得驱动信号，以反映预期使用过程中平台产生的振动环境激励。从理论上说，在振动台、夹具、产品之间的动力耦合作用不会导致试验结果产生明显偏离的情况下，加速度输入控制法是可靠的。因此该控制方法适用于试验产品和重量相对于振动台的试验夹具可以看作是刚体的试验。

3.2 力输入控制策略

在振动台、夹具和产品之间采用动态力传感器连接，以反映预期使用过程中平台与产品之间传递的动态界面力。振动试验时，根据规定的振动试验力谱或时间历程，产生振动台的驱动信号，并通过动态力传感器的反馈信号对驱动信号进行实时修正。

3.3 加速度限制控制策略

加速度限制控制法是对加速度输入控制方法的一种改进，目的是为了减小加速度输入控制中由于振动台、试验夹具、试件之间的动力学耦合作用所造成的过试验程度。与加速度输入控制法不同的是，加速度限控制法除了在夹具上安装控制传感器外，还在试件的某些特定点上安装监测加速度传感器，并规定振动试验中这些特定点上的振动加速度响应限值。

在振动试验时，根据试件连接界面上规定的振动试验加速度谱产生驱动信号，并通过控制加速度传感器的反馈信号对驱动信号进行实时修正，以保证夹具、试件界面处达到规定的振动量级。但是当某些频段上出现监测加速度传感器的振动响应值超过预先设定的限制谱时，可对输入进行修改以将监测加速度传感器的振动响应控制在规定的限制谱内。加速度限控制法实际上是对振动试验输入谱的某些频段进行下凹处理，这种方法也称为带谷控制。

3.4 加速度响应控制策略

对于加速度响应控制法，振动试验条件一般是由试验件上特定点的加速度响应值规定的。与加速度输入控制不同，基于响应模拟原理的响应控制，只需试验件有足够的运动自由度上的振动加速度值满足要求即可。

采用加速度响应控制法时，控制点选在试验条件规定的试验产品的特定点上，试验条件输入和过程控制与加速度输入法一样。但是当某些试件或夹具的响应动态范围过大时，采用该方法很可能出现振动试验失控而损坏试验产品的情况，所以在选择该控制策略时要特别注意。

4 结束语

振动是力学环境试验中最为常见的一项环境试验，试验过程的失误，会造成错误的实验结果判断，会给设计提供不准确的数据资料，甚至会造成无法估计的严重后果。试验方案的设计、试验样品的合理安装、试验夹具的合理设计与使用、控制点与测试点的选择、试验设备的选择、试验数据的采集、分析与处理以及试验测试方案的确立等都会影响到整个试验的有效性。

[1]《力学环境试验技术》编著委员会,力学环境试验技术[M]. 西安：西北工业大学出版社, 2003：10-15.

[2]邱景湖,钟琼华. 振动与振动试验设备[M]. 苏州：苏州试验仪器总厂, 2004.

[3]王东. 振动试验夹具的设计制作技术[J]. 现代防御技术, 1997,（3）：10-12.

[4]李奇志. 环境振动试验若干技术研究[D].南京：南京航空航天大学, 2013.

[5] GJB 150A-2001,军用设备环境试验方法[S] .

许江文 ，1980.11，男，湖北人，工程师，从事系统工程，最终检测方面的研究工作。

Analysis on Some Key Technologies of Impact Vibration Environment Test

XU Jiang-wen
(18th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Tianjin 300384)

This paper detailedly analyzes the key technologies of vibration test from the perspectives of scheme design, test method and steps, choice of test equipment, control method, etc. Besides, it expounds the key points of the fixture design of vibration test combined with structural dynamics.

vibration; fixture; control; structural dynamics

TB123

B

1004-7204（2015）03-0010-04