制导舱随机振动应力筛选试验设计与分析

黄 凯， 戴秀芬， 刘 宇， 赵 磊

(上海无线电设备研究所， 上海 200090)

制导舱随机振动应力筛选试验设计与分析

黄 凯， 戴秀芬， 刘 宇， 赵 磊

(上海无线电设备研究所， 上海 200090)

阐述随机振动应力筛选在制导舱研制和生产中的重要性和必要性。以典型制导舱为对象，在分析试验条件的基础上，开展试验系统设计、夹具设计、控制策略选择，并验证试验方法的可行性。该方法可有效避免随机振动应力筛选过程中产品的“欠应力”和“过应力”。

随机振动； 应力筛选； 试验设计

0 引言

据统计，导弹研制初期的飞行试验中50%的故障是由振动引起的[1]。制导舱通常由导引头、数据链和引信等无线电设备组成，是一种大型电子设备。制导舱随机振动应力筛选是向制导舱施加适当的随机振动应力和电应力激励，暴露制造工艺和元器件缺陷，并加以剔除的一道工序。它是一种经济有效地降低硬件制造缺陷和元器件缺陷的工艺，而不是一般意义上的试验。对处在研制阶段的试验样机而言，可作为早期发现设计隐患，提高产品可靠性的手段[2-4]。

制导舱主要由大量的电路板组件、电缆组件、线束组件和金属结构件，通过紧固件连接而成。具有体积大、质量重、结构复杂的特点。制导舱振动是一个复杂的多体动力学问题。在制导舱随机振动应力筛选试验前，有必要开展试验设计和分析，避免产品出现“欠应力”现象，影响筛选效果。同时，也要避免产品出现“过应力”现象，影响产品的使用寿命，甚至发生筛选过程中的过应力故障。

本文以典型制导舱为试验对象，阐述随机振动应力筛选的试验条件、试验方案设计、分析和试验验证，确保制导舱随机振动应力筛选试验达到剔除产品早期缺陷的目的。制导舱随机振动应力筛选试验一般分别在xyz三个方向进行，各方向的试验方法大致相同。受篇幅限制，本文仅阐述x方向试验。

1 试验条件

试验条件是开展试验设计的前提。制导舱试验条件一般以国军标《GJB 1032-1990 电子产品环境应力筛选方法》为依据，结合制导舱自身产品特点而定。制导舱随机振动应力筛选的试验条件：

a) 振动方向为x向；

b) 振动时间3分钟；

c) 控制方式为响应控制；

d) 受试产品通过夹具与振动台刚性连接；

e) 产品在振动过程中需通电；

f) 随机振动功率谱密度峰值为0.04 g2/Hz。

随机振动谱如图1所示。

图1中，振动谱的能量集中在80 Hz～350 Hz频率范围内，此范围包括了一般典型电子

产品内部线路板法向共振频率，使线路板本身产生振动响应，存在较大的交变应力[5]。

2 试验方案设计

试验方案设计包括试验系统组成、振动台推力估算、夹具设计和控制策略。

2.1 试验系统组成

制导舱随机振动应力筛选试验系统主要由振动台、夹具、制导舱和监控系统组成。振动台产生随机振动推力，经过夹具传递给制导舱。在制导舱舱体上安装加速度传感器，既可监测舱体上的响应谱，也可作为控制点。制导舱内设备的最前端是天线组件，悬臂最长，需安装加速度传感器进行监测。微波组件是制导舱内对振动环境最敏感的组件，也需安装加速度传感器进行监测。试验系统如图2所示。

振动试验所用的加速度传感器采用502胶水粘接在相应位置。传感器安装时为避免静电干扰，在试件和传感器间用环氧玻璃布层压薄片进行隔离。加速度传感器安装过程中，特别要注意保持敏感轴与振动方向平行。

2.2 推力估算

随机振动应力筛选试验推力估算是试验设计中的必要环节。根据试验所需推力，选取合适的振动台。振动台所需推力估算公式为

(1)

式中：F为推力；m为产品重量、夹具重量、水平滑台重量和动圈重量之和；a为产品振动加速度的均方根值。

由于制导舱是弹性体, 所需推力用适合于刚体的公式计算, 其结果只是一个估算。按经验，振动台所需推力应乘以系数1.2[1]。试验所选振动台的推力必须大于计算值。

2.3 夹具设计

制导舱随机振动试验用夹具是将振动台的推力传递给舱段，是振动试验的关键装备。振动夹具必须具备良好的强度、刚度和动力传递特性。夹具设计过程中考虑到舱段产品圆筒状的外形特点，产品采用抱箍紧固，夹具安装法兰与振动台通过螺钉紧固。振动夹具如图3所示。

应力筛选试验用振动夹具原则上要求在2 kHz内无谐振峰存在，沿振动轴方向的传递函数必须保持平坦，其不平坦允差不超过±3 dB。由于制导舱重量大，夹具体积也大，设计的夹具难以保证。按GJB 1032要求，在500 Hz～1 kHz内允差可放宽到±6 dB，累计带宽不超过100 Hz。在1 kHz～2 kHz内允差可放宽到±9 dB，累计带宽不超过300 Hz。

2.4 控制策略

典型的振动控制方法有平均控制、最大控制和最小控制。不同的控制方式只有在多点控制时才起作用。在同一结构、同一谱型的试验中，不同的控制方式、各个控制点的功率谱密度曲线和均方根值是不同的。所谓平均控制、最大控制、最小控制是指多个控制点的功率谱密度在每个频率取平均、最大或最小来合成控制谱。

在不同的控制策略下，产品所承受的应力也不同。最大控制是保守的控制策略，最小控制是非保守的控制策略，平均控制则介于两者之间，是常用的控制方式。制导舱随机振动应力筛选试验一般选用平均控制，以振动台面、舱段前端和舱段后端传感器的平均值进行控制。

3 试验验证

随机振动应力筛选试验设计完成后，在正式开展筛选试验前，需要进行夹具验证、系统传递特性测定和分析。

3.1 夹具验证

振动夹具上安装制导舱模拟件，并按图1所示谱线进行振动，监测夹具响应，结果如图4所示。

图4中，响应曲线基本满足要求。在频段20 Hz～250 Hz内，拟合较好。在250 Hz～2 kHz，曲线存在一定偏差，但基本都在±6 dB的允差范围内。

3.2 系统传递特性

系统传递特性是随机振动应力筛选试验中必须获取的一项关键参数，主要包括共振频率、优势频率和各组件对振动输入的响应情况。

以振动台传感器1、制导舱前端传感器2和后端传感器3作为振动控制点，按图1所示谱线进行振动，监测制导舱模拟件天线组件传感器4和微波组件传感器5上的频谱响应。

振动控制点频谱曲线，如图5所示。其中，图5(a)为传感器1的频谱曲线，频谱曲线在220 Hz处有个下陷的谷。图5(b)为传感器2的频谱曲线，频谱曲线在280 Hz处有个下陷的谷。图5(c)为传感器3的频谱曲线，频谱曲线在280 Hz处有个峰。

振动监测点频谱曲线如图6所示。其中，图6(a)为传感器4的频谱曲线，在频率20 Hz～300 Hz内，曲线拟合较好，基本无振动放大；300 Hz～750 Hz内，出现振荡放大；在750 Hz～2 kHz内，出现明显的振动衰减现象。图6(b)为传感器5的频谱曲线。在频率20 Hz～350 Hz内，曲线拟合较好，基本无振动放大；350 Hz内～750 Hz内，出现振动放大。在750 Hz～2 kHz内，出现明显的振动衰减现象。

3.3 验证分析

从图5和图6可知：

a) 制导舱共振频率在430 Hz；

b) 制导舱的优势频率在300 Hz～750 Hz；

c) 天线组件的加速度响应均方根值7.084 g，相比标准6.06 g放大16.9%；

d) 微波组件的加速度响应均方根值7.048 g，相比标准6.06 g放大16.3%；

e) 制导舱内组件在750 Hz～2 kHz高频区间，出现一定衰减。

制导舱由众多组件组成，结构复杂，造成动力学传递特性也十分复杂。制导舱在环境试验中，要求满足加速度功率谱密度0.1 g2/Hz条件下正常工作。可见，随机振动应力筛选试验中，输入量值在产品中产生的响应不大于环境试验中的振动响应值。

按此试验方法进行随机振动应力筛选试验，未造成产品的“过应力”和“欠应力”。

4 结论

本文介绍了制导舱随机振动应力筛选试验

的重要性和必要性。从试验条件、试验方案设计和验证分析方面深入论述，避免筛选过程中造成产品“欠应力”和“过应力”，确保应力筛选试验达到预期效果。

[1] 丁力，王小青，尉明.工程应用中的随机振动试验技术研究[J].航空计算技术， 2002， 32(3)： 110-113.

[2] 国防科学技术工业委员会. 航天产品环境应力筛选指南： QJ 3138-2001[S]. 北京：中国航天标准化研究所，2001.

[3] 国防科学技术工业委员会. 电子产品环境应力筛选方法： GJB 1032-1990[S]. 北京：航空航天工业部，1990.

[4] 国防科学技术工业委员会. 电子产品定量环境应力筛选指南： GJB/Z 34-93[S]. 北京：航空航天工业部，1993.

[5] 田义宏，江雅婷.环境应力筛选中的振动试验方法[J].强度与环境， 2010， 37(6)： 18-24.

Experimental Design and Analysis on Random Vibration Stress Screening of Seeker Cabin

HUANGKai,DAIXiu-fen,LIUYu,ZHAOLei

(Shanghai Radio Equipment Research Institute, Shanghai 200090, China)

At first the importance and necessity of random vibration stress screening in the development and production of seeker cabin is stated. Then on the basis of experimental condition analysis, experimental system design, fixture design and control strategy selection are carried out by taking a typical seeker cabin for example. Finally the feasibility of this method is verified. The results show that it can effectively avoid the lacking-stress and over-stress cases in the random vibration stress screening process.

random vibration; stress screening; experimental design

2017-01-13

黄 凯(1982-)，男，高级工程师，硕士，主要从事制导舱结构总体设计与试验技术研究。

1671-0576(2017)01-0001-04

TJ760.35

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