军民两用机载设备耐久振动试验的对比方法

林 舒，杨 峻，焦玉亮，吴 狄

（中国航空无线电电子研究所，上海 200241）

军民两用机载设备耐久振动试验的对比方法

林 舒，杨 峻，焦玉亮，吴 狄

（中国航空无线电电子研究所，上海 200241）

提出了一种适用于军民两用机载设备耐久振动试验的对比方法，该方法通过量化指标对军民机标准下的振动试验环境进行考核，能够实现不同环境的试验严酷度评估。以直升机显示器为例对该方法进行了详细论述，结果表明无法通过对比方法完成试验。

试验对比；耐久振动；军民机标准；显示器

引言

振动是引发电子设备故障的重要环境因素。相关统计表明，航空机载设备有约52 %的故障是由环境因素引起的，其中振动占到27 %[1]。因此，振动试验一直作为机载电子设备环境适应性考核的重要项目。进行振动试验的目的就是测试设备能否承受寿命周期内的振动条件并正常工作，保障设备功能性能符合要求，同时通过充分的试验验证来早期发现和暴露设计、工艺问题，从而提升研制水平，减少故障发生。

我国的许多机载设备有兼顾军民两用的需求。对于包括振动试验在内的诸多环境试验项目，军民机载设备有着不同的标准要求，因而深入探求不同标准下振动试验间的区别和联系无疑具有现实意义。一方面，通过多维度解析梳理标准差异，可以更精准、有效地完成试验验证，进而指导产品的设计和改型；另一方面，充分利用标准规范，深度挖掘细则条目，可以优化试验过程，避免重复、过度的试验。例如试验项中的耐久振动，不仅耗时长，而且属于破坏性试验，若能合理运用标准，通过对比的方式完成试验，就能降低时间和经济成本。据笔者了解，目前此领域的研究尚处空白，缺乏对不同标准开展的试验条件量化分析，更没有形成系统的对比方法。本文提出了一种军民两用机载设备耐久振动试验的对比方法，并以直升机显示器为应用对象具体阐述了DO-160G和GJB 150A标准中耐久振动试验的不同要求，对两份标准下振动试验的严苛程度进行了分析。该方法能有效支撑型号项目试验的开展，并具备一定的推广意义。

1 对比方法

根据经验总结，振动试验对比前需要考虑以下几方面因素：

1）设备的动态相似性，如设备的重心位置、机箱的材料和结构、PCB的尺寸质量和安装方式、紧固件的选择和安装等；

表1 DO-160G与GJB 150A振动试验对比

2）振动试验环境，如振动的类型、频率范围、强度、疲劳损伤等；

3）试验的检测项目。

本文假定军民两用设备在设备的动态相似性和试验的检测项目方面都相同，对比只考虑振动试验环境方面的影响，主要也就是军机和民机标准要求的差异。目前，军机机载设备主要依据的振动试验标准是GJB 150A，民机则依据DO-160G标准。两份标准在振动试验部分的规定有较大差别，表1是两份标准的振动试验要求对比[2-4]。

设备的振动试验环境是由振动谱定义的，振动谱从频域上描述振动的强度和频率的关系，其形态由试验的振动方式与振动参数决定。

根据施加的振动载荷的不同，振动方式可以分为正弦振动试验和随机振动试验两种基本类型。两份标准中对振动方式的要求都是依据产品的分类制定的。

振动参数反映的是振动的频率和剧烈程度，两份军民机标准中只规定了少量的振动参数，大部分参数由主机提供的数值或标准规定的公式计算得到。

本文提出的对比方法基本步骤如下：

1）根据分类原则初步确定设备的试验振动谱形式（振动方式与部分振动参数）；

2）根据主机提供的参数和标准规定的公式计算所得振动参数，补充完善振动谱；

3）对振动谱进行严酷度评估并最终得到对比分析结论。

上述第三步是对比分析的关键，由于严酷度和振动方式有关，下面将分别讨论正弦振动和随机振动的严酷度评估方案。方案中评估参数选取的原则是基于振动环境诱发设备破坏的机理。振动环境对设备造成的不同破坏形式分为两类：一是引发设备在外激振动频率下产生振动，响应幅值超过设备的耐受极限造成破坏的；二是造成设备疲劳损害的，即在长时间重复应力作用下，设备及元器件、零部件因疲劳过度而导致损坏。

1）正弦振动严酷度评估

正弦振动是实验室中经常采用的试验方法，用于模拟旋转、脉动、震荡所产生的振动。对于周期固定的正弦振动，其在振动谱上表现为一条垂直于横轴的直线，振动的强度用正弦加速度幅值衡量[5]。正弦振动的主要参数有频率值、加速度幅值和试验持续时间。本文采用的正弦振动严酷度评估参数包括频率值、加速度幅值和疲劳损伤度。

设备的疲劳损伤与振动量级和时间息息相关。一般在振动量级相等的情况下可以直接通过振动时间来衡量；当振动量级不等时，就不能简单地以时间长短判定疲劳损伤度。查阅GJB 150A附录后发现，可以用简化的疲劳关系来确定最大使用量级。式（1）可用于确定不同正弦振动环境下的疲劳等价关系：

其中，g0表示规定的正弦振动量值（峰值加速度），g1表示施加的正弦振动量值（峰值加速度），T0表示规定的时间，T1表示施加的时间。

2）随机振动严酷度评估

随机振动用于模拟产品整体性结构耐震强度评估以及在包装状态下的运送环境。随机振动在振动谱上表现为振动强度随频率变化的曲线，即加速度谱密度曲线（ASD）/功率谱密度曲线（PSD），振动的强度用加速度谱密度衡量[6]。随机振动的主要参数有频率范围、加速度谱密度、试验持续时间和轴向。本文采用的随机振动严酷度评估参数包括频率范围、均方值加速度水平和疲劳损伤度。

对于相同标准下的随机振动谱，可以直观地比较振动量级，但是对于两种谱线的振动量级判定，则需要引入量化标准GRMS，即均方值加速度水平。该参数通过计算一定频率范围内的功率谱密度，表征振动能量的强弱。

均方值加速度水平可以通过计算谱密度曲线所围的面积的方根得到，见式（2）[7]：

式中，A表示面积，fa，fb分别代表起始频率和截止频率，P( f )为谱密度函数。

均方值加速度水平可由式（3）得到[7]：

与正弦振动疲劳等价关系相似，式（4）可用于确定不同随机振动环境下的疲劳等价关系：

其中，W0表示规定的随机振动量值（加速度谱密度），W1表示施加的随机振动量值（加速度谱密度），T0表示规定的时间，T1表示施加的时间。

本文以衡量随机振动的疲劳损伤度。

2 应用

下文将以实际的用例阐述振动试验对比方法的应用。

A型直升机和B型直升机分别是同一平台的民用和军贸直升机，B型直升机显示器沿用自A型直升机显示器。A型直升机显示器已按照DO-160G标准做了耐久振动试验，出于时间、成本和相关条件等因素考虑，需要确定B型直升机显示器是否能用对比分析的方式完成GJB 150A要求的耐久振动试验。由于两种显示器的硬件状态和试验检测项目都相同，只需考虑两者的振动试验环境。

1）根据对比方法的第一步，由设备的安装机型和位置确定试验的振动谱形式。

A型直升机显示器所用的试验参考谱形属于DO-160G中描述的R类直升机2/G类设备（安装于仪表盘，控制台和设备架）的加速度谱密度曲线，B型直升机显示器所用的试验参考谱形属于GJB 150A中描述第14类-旋翼飞机-直升机的加速度谱密度曲线。

2）根据对比方法的第二步，得到完整的振动谱。

由主机下发的全机环境技术要求中所提供的参数值并参考标准中的有关换算公式，可以得出参考谱形中的各项参数取值，如表2所列。图1是最终得到的两种标准下规定的耐久振动频谱图，图中曲线1代表依据GJB 150A得到的振动谱，曲线2代表依据DO-160G得到的振动谱。

3）根据对比方法第三步，对振动谱进行严酷度评估。

由图1和表2可以初步推断：

①曲线2的随机振动谱频率范围比曲线1的大。

②曲线2的部分正弦振动谱f1、f2的频率与曲线1一致，且其加速度幅值大于曲线1的相应振动谱f1、f2。

现进一步对宽带随机条件（随机振动）和叠加条件（正弦振动）的严酷度展开分析。

随机振动均方值加速度水平：由于谱密度曲线采用的是双对数坐标，对于正斜率或负斜率段，式（2）可转化为式（5）或（6）：

表2 显示器振动条件对照表（GJB 150A & DO-160G）

图1 显示器振动谱对比（GJB 150A & DO-160G）

式中，Pa，Pb分别代表起始频率和截止频率对应的谱密度，S表示曲线斜率（dB/oct）。

对于平顶线段（S=0）下的面积，有：

结合振动谱参数与式（3）、（5）～（7）式可得，GRMS1=1.79 G，GRMS2=3.89 G。 即曲线2比曲线1的随机振动总能量大。

随机振动疲劳损伤度：由于曲线1和曲线2形态不同，无法直接套用式（4）计算。本文采用一种频率分段的方法进行计算，可以证明JS1≤JS2，也就是：

式中，P1，T1分别代表曲线1的谱密度和振动时间，P2，T2分别代表曲线2的谱密度和振动时间。

当10≤f≤100时，

当300≤f≤500时，首先根据解析几何关系可知：

继而得出：

符合式（8），

综合可得：曲线2的随机振动严酷度比曲线1的随机振动严酷度高。

考核正弦振动，曲线2的f3和f4振幅强度为零（A3=A4=0）。探究原因发现DO-160G中对安装在直升机仪表盘，控制台和设备架的产品，只要求考虑主转子频率与叶片数乘积的一次和二次谐波，即f1和f2；GJB 150A中对安装在主旋翼影响区域的产品，要求考虑主桨的一至四阶通过频率，即f1～f4。为探寻原因，笔者曾联系有关标准研究人员，得到的答复是民机考虑到仪表板的减震作用，忽略了f3和f4的影响，而军机在机动飞行方面远比民机复杂，对振动环境条件有着更多的约束。因而曲线2与曲线1的正弦振动严酷度不能直接比较。

接下来对正弦振动和随机振动的等效可能性进行分析。GJB 150A指出，“正弦振动和随机振动的特征是基于两种数学理论。为比较给定的随机振动和正弦振动对装备产生的环境效果，应详细了解装备的动态响应。通用的等效关系是不可行的”。任锦胜等人在文献中指出正弦和随机不存在严格等效关系但在积累疲劳损伤领域正弦和随机具有明确的等效性，并针对列车空调耐久性提出了随机振动和正弦振动严酷度可通过等效性计算比较的观点[8]。笔者认为，任锦胜等人提出的方法有一定的适用性，但依赖于产品材料S-N曲线，其数学模型参数需由疲劳试验决定，所以不适合作为本文中等效分析的依据。至于机载设备领域，尚未发现有对正弦振动和随机振动的等效转化的论述。因此无法证明曲线2的正弦振动严酷度强于曲线1的正弦振动严酷度。

综上所述，结合随机振动和正弦振动条件对比，A型直升机显示器的振动环境不能完全覆盖B型直升机显示器的振动环境（严酷度不同），所以无法通过对比分析的方式完成耐久振动试验。

3 总结

本文针对军民机机载设备试验要求不同的背景，提出了一种军民机标准下耐久振动试验的对比方法，并详细论述了不同振动方式的严酷度评估方案。文中以B型直升机显示器和A型直升机显示器为例，应用对比方法分析了两者耐久振动试验的可比性，着重评估了两者的试验严酷度。在考核随机 振动疲劳损伤度时，采用了一种分段计算等效转换的方法，可以用于不同谱型（可以是量级、频率范围都不同）间的比较。结果表明，A型直升机显示器的随机振动要求能够覆盖B型直升机显示器的随机振动要求，但由于两者的正弦振动要求存在差别，所以总的振动环境不同，无法使用对比分析完成耐久振动试验。

[1] 皮桂英.振动环境试验中应注意问题分析[J].环境技术, 2016(1): 22-24.

[2] 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].

[3] RTCA DO-160G, Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment[S].

[4]林琳, 晏效锋, 张熙川.民机机载产品环境试验技术解析[J].测控技术, 2008, 27: 109-111.

[5] GB/T 2423.10-2008, 电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验Fc：振动（正弦）[S].

[6] GB/T 2423.56-2006, 电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验Fh：宽带随机振动（数字控制）和导则[S].

[7] [美]戴夫·S.斯坦伯格（Dave S.Steinberg）著, 王建刚译.电子设备振动分析[M].北京: 航空工业出版社, 2012.6.

[8] 任锦胜, 杨苹.GB/T 21563-2008与TB/T 1804-2009耐久振动严酷度分析[J].质量与可靠性, 2015, 5: 47-50.

林舒（1988.11-），男，浙江湖州人，工程师，硕士研究生毕业，研究方向：直升机航空电子系统设计。

A Comparison Method for Endurance Vibration Test Applicable to Military and Civil Airborne Equipment

LIN Shu, YANG Jun, JIAO Yu-liang, WU Di
(China National Aeronautical Radio Electronics Research Institute, Shanghai 200241)

A comparison method applicable to military and civil airborne equipment’s endurance vibration is proposed.Using quantitative indicators, the method can be used to evaluate the severities of different vibration environments compliant to military and civil aircraft standards.A vibration test for a helicopter display is provided as an example to illustrate the method.The result shows that the test via comparison is not feasible.

test comparison; endurance vibration; military and civil aircraft standards; display

V216.2

A

1004-7204（2016）05-0028-05