大尺寸结构振动试验系统浅析

魏英魁，张晓颖，胡彦平

（1.北京强度环境研究所，北京 100076；2.北京宇航系统工程研究所，北京 100076）

大尺寸结构振动试验系统浅析

魏英魁1，张晓颖2，胡彦平1

（1.北京强度环境研究所，北京 100076；2.北京宇航系统工程研究所，北京 100076）

研究总结了大尺寸结构振动试验系统现状与振动试验方法，解决随着振动试件尺寸的增大而出现的振动试验加载安装尺寸不足和单台振动台推力不足等问题。对国内外主要可靠性试验室针对大尺寸振动试验采取的方法和技术进行了研究和总结，分析与比较不同技术和方法对于解决问题的优劣，并介绍了采用不同方法进行大尺寸结构试件振动试验案例。总结并介绍了大尺寸结构产品振动试验系统，并对未来大尺寸结构产品振动试验系统的发展进行了展望。

振动试验；大尺寸结构；振动试验系统

振动力学环境是飞机、火箭等飞行器、风电设备、轨道运输设备、电子产品等在服役或使用过程中最常遇到的力学环境，只有经过振动试验，才能完整地考核产品结构的可靠性及对于振动环境的适应性，振动试验是考核产品可靠性试验的重要组成部分。

在振动试验过程中，通常通过振动台给产品施加振动载荷的方法来考核产品在振动环境下的可靠性[1]。对于小尺寸试验件（试件最外围尺寸小于振动台面外围尺寸），采用压板或连接孔直接和振动台相连；中等尺寸试验件（试件最外围尺寸与振动台台面外围尺寸比小于 3.5），通常采取设计转接夹具的方法来实现与振动台的连接；对于中小尺寸振动试验件采用的均为单台单轴振动试验系统，单台单轴振动试验方法法在航天产品品研制中发挥挥了重要作用，并并衍生了大量量的试验设备备、试验方法法和标准规范[2——3]。对于大尺尺寸结构试件件（尺寸比大于3.5），若设设计转接夹具具，则因尺寸寸比过大导致所设计夹具斜面面坡角过大，且夹具过高高会导致夹具与试件安装面距距离振动台面面距离过大，振动传递性差。同时由于夹具具面大，振动动量级的均匀匀性受到较大影响，振动试验验容易产生过过试验或欠试试验的问题[4——5]。大尺寸试件一一般质量较大大，普通小推推力振动台已已不能满足振动试试验要求。随随着航天型号号产品结构的的大型型化、复杂化化、多样化，传统的单台台单轴振动试试验系系统逐渐凸显显其能力不足足。

针对大尺尺寸结构振动动试验件，国国内外振动试验室室通常采用以以下两种措施施解决振动载荷加载问题：采采用台面尺寸寸更大、推力力更大的振动动台，振动台单台台推力要达到到300 kN及及以上；采用用双台并激或多台台并激的方法法，组成多台台单轴振动试试验系统，振动控控制采用MMIMO控制，解决单台振振动台推力不足和和均匀性等问问题。

1　　单台振动台试验系统

针对单台台振动台推力力不足的问题，美国与欧欧洲等等发达国家积极推进大推力电动振动台的研制，大推推力振动台具有更大的单台推力，空载单台振动台推推力达到300 kN及以上。同时大推力振动台轴向和和滑台面尺寸也更大，滑台尺寸为2.5 m×2.5 m及以以上。美国NASA振动试验室的大推力振动试验系系统如图1所示，该系统已顺利承担了美军与NNASA各种型号产品的振动试验[6—10]。对于大推力振振动试验系统，世界上其他国家较著名的还有英国““菱”公司的LLDSV994、日本的AKAASHI EDS1354

图1 美国NASA水平大推力振动试验系统Fig.1 Horizontal large thrust vibration test system of NASA in the United States

300 kN与350 kN振动动试验系统先先后完成了多多项航航天与武器型号大尺寸寸结构产品的振动可靠性性试验验。300 kN振动台系统统进行的CZ-3B仪器舱、双星星整流罩振动动试验如图3所示，双星整流罩、仪仪器舱舱产品高12m，产品与与工装总质量约8.5 t，试试验频频率范围为5～100 Hz，是当时全国国最大规模的的单振振动台激励的的振动试验。。350 kN振振动台系统进进行的的通用电气（GE）公司司机柜振动试试验如图4所所示，，北京卫星环环境工程研究究所进行的某某型号卫星镜镜头振振动试验如图图5所示。

单台振动台台试验方法也也有其局限性，电动振动台产产生推力的主主要部件是动动圈，由于大推力振动台台体体尺寸增大，，导致动圈质质量增加，其一阶固有频率减减小，这样使使得振动台系系统推力输出增加，现有技术术水平已很难难将更大尺寸寸（大于350 kN电动振振动动试验系统[11—12]等。

电动振动台台是力学环境境试验的重要要手段，广泛泛应用用于卫星、飞飞机、船舶、、高铁、汽车车和电子等尖尖端产产业的科研生生产过程中。。长期以来，西方发达国国家在在大推力电动动振动台方面一直对我国实行禁运运封锁锁，特别是90 kN推力以上的大型振动台更是严严加管管制，企图以此来限制我国国防事业的发展[13]]。

我国在大推力电动振动台研制方面较为突出的有北京强度环境研究所，其主要以军工技术为依托，，研制生产各各种规格的电动振动台，在大推力振动试试验系统方面面先后研制成功了300，350，700 kN电动动振动台，并并应用于各类类试验中。其其中 700 kN电动动振动台是目前为止世世界上单台推推力最大的电动振振动台[14]，如如图2所示。动台动圈尺寸）动圈一阶固有频率达到1700 Hz[15—17]。同时，由于适应大尺寸结构产品尺寸跨度大的特点，大推力振动台滑台尺寸增大，质量明显增加，在横向试验时，振动台台体输出功率造成极大损耗。

图2　我国成成功研制的700 kN大推力电电动振动台Fiig.2 The 70 kkN big thrust eelectric vibratioon test system successfully deveeloped by Chinna

图3 CZ-3B仪器舱、双星整流罩振动试验Fig.3 CZ-3B instrument module, binary fairing vibrationtest

图4　通用电气GE公司机柜振动试验Fig.4 Vibration test of the cabinet of general electric GE

图5　某型号卫星镜头振动试验Fig.5 Vibration test of a certain type of satellite lens

2　多台单轴振动试验系统

多台单轴并并激振动试验验系统，多个个振动台并联联沿同一方向同步步激励或推拉拉同一个试件，振动台间间的相位相同，可以解决单个振动台推力不够的难题。同时，采用多个振动台，振动台台面增多，相当于于振动台面面积增大，大尺寸结构产品可通过液压球球头和振动夹具与振动台台面进行连接[18—20]。多台台单轴振动试验系统采用刚度大的整体夹具与试件件进行连接，整体夹具通过设计对接口与振动台面进进行连接，试件与夹具需由橡皮绳组成的悬吊系统进进行保护，同时需要与振动台数目相同的的液压球头来来进行行解耦，某典典型细长大尺尺寸结构试验验件双台同轴轴试验验系统如图6所示。

图6 典型细长长大结构试件双台并同轴振振动试验系统Fig.6 Double sstage and coaxiial vibration teest system for a typical slendeer structure

这种试验系系统的优势在在于：对于细细长体结构的的振动动试验，使试试件的振动载载荷分布更加加均匀、合理理、真实实，减少单台台激励带来的的应力集中，，减轻局部欠欠试验验或过试验程程度；使夹具具设计更加灵灵活方便；解解决了了单台振动台台推力不足问问题，振动台台推力和试验验量级级均得到了明明显提升。可可根据所做试试验件的质量量和试试验量级来增增加或者撤换换相应的振动动台。

对于多台单单轴振动试验验系统，国外外振动试验室室分别别建立了多台单轴横向向和多台单轴轴垂向振动试试验系系统，在多台台单轴振动试试验系统方面面均进行了成成功尝尝试[21—23]。欧洲ESTEC试验室由2台160 kNN电动动振动台构成成的一套大大推力水平振振动试验系统统如图图7所示，正正在进行某型火箭舱段的振动试验验。欧洲洲ESTEC试试验室4台1660 kN电动振振动台构成一一套6640 kN大推推力垂直振动动试验系统如如图8所示。欧洲洲IABG试验验室4个电动动振动台构成成一套大推力力横向振动试验系统图9所示，正在进行火箭仪器舱振动试验和火箭储箱系统级的振动试验。国外振动试验室双台并激构成的“蓝宝石”系列导弹振动试验系统如图10所示，用于测试导弹的飞行可靠性。

图7　ESTEC大尺寸结构舱段试验系统Fig.7 ESTEC large sizestructure of cabin test system

图8　ESTEC大推力垂直振动试验系统Fig.8 ESTEC large thrust vertical vibration test syste m

国外振动动试验室建立的大推力振动试验系统圆满地解决了了大尺寸结构产品、大质量振动试验件的振动试验振振动载荷加载问题，为其国家的航天以及国防、科技技事业的发展提供了强有力的试验技术保障。

图9　IABG试验室大推力水平振动试验系统Fig.9 IABG horizontal vibration test systemfor large thrust: a)Vibration testfor instrument cabin of rocket; b) Systemic vibration test for reservoir of rocket

图10　双台并激垂垂向振动试验系系统Fig.10 Douuble platform aand vibration test system

国内在多多台单轴振动试验系统方面也进行了成功探索与尝试试，北京强度环境研究所以军工产品环境可靠性试验验为依托，成功组建了多套多台同轴振动试验系统，，已完成多项大尺寸结构产品振动可靠性试验。根据据振动试件产品尺寸、质量和振动试验量级级选择不同推推力电动振振动台组成单轴振动试验验系统统，设计不同同的振动夹具具将振动试件与电动振动动台连连接，圆满解解决了单台振振动台推力不足和大尺寸寸结构构产品安装的的问题[24—255]。多台单轴振动试验系系统已已成功运用于于XX-5，XX8等运载和武器型号大大尺寸寸结构产品、、大质量试件件产品的振动试验。已成成功完完成振动环境境可靠性试试验的多台单轴振动试验验系统统，如图11所示。

图11所示示为2台350kN电动振动台组成的双双台并并激振动试验验系统，所做试验件为某型号仪器舱舱，直径径长达5 m，是典型大尺寸结构振动试件，该双双台并并轴试验系统统圆满完成了某型号仪器舱振动环环境试试验考核。

多台单轴振振动试验系统具有推力力组合方式灵灵活、、安装布置便便捷等优势，其劣势在于于整个振动试试验系系统组装复杂杂，其包含液压球头、力平衡系统统、挂载载保护系统等等多套系统，组装耗费时时间长。同时时实现现多台同步和和控制精度是该系统控制加载难题题，在振动台台数大于2台的振动试验系统尤为突出，如何实现完全同步和提高其控制精度是未来研究的重要方向[[26—27]。

图11　某型号仪器舱双台并激垂向向振动试验Fig.11 A mmodel of the dual stage of theinstrument cabin and the vibration test

3　结语

在经济、、技术高速发发展的今天，，产品的质量量越来越得到人们们的重视，人人们更加重视视产品的环境境可靠性问题。振振动环境可靠靠性试验是环环境可靠性试试验的的重要组成部部分，随着航天在研火箭型号和其他他武器器的结构尺寸逐渐增大，振动试验量级逐步增加，对对振动载荷加载系统提出更高的要求，振动试验系统统需满足大尺寸结构试件安装和大质量试件载荷加加载的要求，这也是未来振动试验系统的发展趋势。

综合国内外环境可靠性试验室的方法，目前均采采取以下两种措施来解决大尺寸结结构试件振动试验验的难题：研研制更大台面面尺寸、更大大单台推力的电动动振动台；采采用多台电动动振动台组成成多台单轴并激振振动试验系统统。两种方法法各有优劣，，因单台振动台推力有限，多台单轴并激振动试验系统会成为解决决大尺寸结构产品振动试验加载难题的主要措施，如如何提高其控制精度与同步性是未来振动试验技术术发展的重要方向。

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Vibration Test System for Large Dimension Structure

WEI Ying-kui1, ZHANG Xiao-ying2, HU Yan-ping1
(1.Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076, China; 2.Beijing Aerospace System Engineering Research Institute, Beijing 100076, China)

The work sums up and studies the methods of vibration test system for large dimension structure to solve the problems of deficiency for fixing test products and lack for single vibration table. It investigated and summarized the methods and technologies that were adopted by major reliability laboratories at home and abroad for vibration test of large dimension structure. It analyzed and compared the advantages and disadvantages of different technologies and methods and introduced cases by different methods. The paper summarizes and introduces the vibration test system for large dimension structure and describes its development prospect in future.

vibration test; large dimension structure; vibration test system

2016-04-02；Revised：2016-05-20

10.7643/ issn.1672-9242.2016.05.015

TJ03；TB123

A

1672-9242(2016)05-0092-06

2016-04-02；

2016-05-20

魏英魁（1986—），男，北京人，硕士，工程师，主要研究方向为可靠性与环境试验。

Biography：WEI Ying-kui（1986—）， Male， from Beijing， Master， Engineer， Research focus: reliability and environmental test.