多负载状态试件的振动试验实施方法研究

余漫， 任向前， 崔超群

（1.郑州飞机装备有限责任公司， 河南 郑州 450005；2.空装驻郑州地区军事代表室， 河南 郑州 450005）

0 引言

振动试验是验证试件是否能耐受预期振动环境的重要方法， 在航空、 航天、 汽车和兵器等领域有非常广泛的应用。 振动试验往往采取加速的方法进行[1]， 而不是完全模拟试件在整个被考核周期内实际的振动时间。

所谓具有多负载状态试件是指试件在工作过程中需携带不同的载荷， 例如： 油箱在工作过程中会面临不同的装油量， 机载悬挂装置在执行任务过程中需要携带不同的武器等。

对于不带负载或者仅带单一负载的试件来说，振动试验直接依据标准进行剪裁即可实施。 但是，对于具有多负载状态的试件， 振动试验并不能通过简单的计算或直接依据标准进行试验， 还需要根据试件的不同负载工况来制定相应的试验方案，才能达到考核目的。

振动试验的准确实施不仅关系到产品质量，也关系到试件的研制成本和后续制造成本， 因此在产品研制过程中处于重要地位。

通常， 我们在进行某些具有不同负载的试件的振动试验时， 习惯于采用质量最大的负载工况进行试验， 这种方法虽然在以往的经验中证明其具有一定的可行性， 但是也存在诸多弊端。

1 最大负载工况试验存在的问题

采用质量最大的负载工况是将试件的不同负载工况等效于单一最严苛的工况进行考核， 将负载等效看做是一个质量体。 这种等效不仅对负载质量的影响考虑得不够充分， 对负载的特性考虑得也不够全面。

1.1 对负载质量影响的考虑相对保守

将试件的不同负载工况等效于负载质量最大的单一工况进行考核， 这种等效是建立在经典力学（F=ma） 的基础上， 认为在加速度一定的情况下， 试件所受的力与其质量成正比。

这是一种相对保守的方法， 在多数情况下，这种考核过于严酷。 对于具有多种负载工况的试件来说， 试件并不总是在质量最大的负载工况下工作， 因此参照利用这种方法进行试验得到的结果进行产品设计， 易导致试件的冗余设计过多，不仅增加了设计难度， 而且会导致试件后期制造成本增加， 不利于成本控制。

1.2 对负载的特性考虑不足

采用质量最大的负载工况作为试验工况是将质量作为影响振动试验严酷度的唯一因素， 对负载的不同特性考虑不足。 实际上， 质量只是影响试件振动试验考核的重要因素之一， 并不是全部。

2 影响振动试验严酷程度的因素

通常， 我们是根据试验谱型和质量来判断一个振动试验的严酷程度， 然而， 对于具有不同载荷或者变载荷的试件来说， 仅靠以上两个因素来判断是不充分的， 还需要考虑诸如负载的质量分布、 模态和负载对平台的固有频率的影响、 不同负载的振动试验量值、 不同负载与试件的交联关系等因素的影响。

负载的质量分布对试件振动试验的影响容易判断， 当负载和试件有多处连接时， 偏载越严重，承受载荷较大的连接处受到的振动考核越严酷，越容易造成试件的局部破坏。 各个连接处的载荷分布越均匀， 负载的质量分布对振动试验影响越小。 因此， 在选择振动试验负载时， 要分析负载的质量分布。

负载的模态也是影响试件振动试验考核结果的一个重要因素， 在振动激励下， 不同模态负载的响应不同， 对试件产生的作用也不同， 进而影响振动试验结果。 尤其是当负载上的测量点参与振动试验控制时， 这种影响更加明显。 在负载状态下， 试件系统的模态也会受到负载的影响， 试件和不同负载的动力学特性耦合后会产生不同的振动响应， 一般情况下， 负载和试件的固有频率越接近， 振动对试件产生的破坏越严重[2]。

除此之外， 还应分析不同负载与试件之间的连接关系， 不同负载与试件连接是否采用同样的连接位置和方式， 当不同负载采用不同的连接位置和方式时， 采用最大负载的考核方式可能会使试件上的一些连接点及连接方式得不到有效的考核； 当连接位置和方式相同时， 还应考虑各种负载在安装到试件上时， 是否采用相同的减振方式等，负载的减振方式不同， 对试件的振动影响也不同。

3 多负载状态试件的振动试验实施方法

通过以上分析， 对于多负载状态试件， 在进行振动试验时， 应尽可能地将上述所有的重要因素都考虑在内， 基于此， 可以总结出不同负载试件的振动试验实施方法。

3.1 负载工况的选择

对试件在振动试验考核的寿命周期内的每种负载工况都进行振动试验考核， 这种方法最能真实地反映试件在整个考核寿命周期内的振动环境。但是这种方法也有不少局限， 例如： 1） 需要在试验前尽可能多地掌握试件在考核寿命周期内的使用情况， 再依次分配每种载荷工况的试验量值和试验时间， 这对于新研产品来说常常难以做到；2） 每种载荷都进行试验， 不仅增加了试验工装的数量和种类， 而且会增加试验的装拆次数， 延长试验时间， 造成试验效率低， 试验成本难以降低[3]。

当难以对所有的负载都进行振动试验时， 应从以下几个方面考虑试验的实施。

a） 负载与试件不同的连接关系

为了使试件每一种不同联接形式都能得到充分验证， 振动试验实施时应对每一种具有不同物理连接关系的负载工况进行试验。 试件与负载间的连接关系不仅是指连接形式如柔性连接或者刚性连接， 还有连接点位置和数量， 例如： 单点连接、 多点连接等。

b） 负载的不同特性

负载的质量、 质量分布、 模态和负载对系统的固有频率的影响等都是影响振动试验严酷度的因素， 当不能对所有的负载工况都进行试验时，在负载与试件同一种连接关系下， 应对每一种质量最大的、 偏载最严重的和模态对平台固有频率影响最严酷的负载工况都进行考核， 以上工况选择可以通过仿真计算的方法得出。

考虑到负载的质量是影响试验量值计算的因素， 遵从惯性定律， 负载质量越小， 通过标准计算出的振动量值越大。 为了保证不在负载力传力路径上的部位能得到充分的考核， 应对试件进行最轻负载（或无负载） 工况的振动试验[4]。

对于变载荷负载， 例如： 飞机上的副油箱等，当无相关规范说明如何选择试验工况时， 建议至少进行满载荷、 半载荷和无负载工况的振动试验。

c） 组合负载

当试件工作时挂载两个及以上负载时， 便会出现组合负载的情况， 当出现组合负载工况时，振动试验实施时应对每一种具有不同连接关系的组合负载工况进行试验； 在组合负载与试件同一种连接关系下具有不同的组合负载时， 也至少应对质量最大的、 偏载最严重的和模态对平台固有频率影响最严酷的组合负载工况进行考核[5]。

3.2 试验时间计算

对相似负载工况在振动考核的寿命周期内的挂载时间进行统计， 然后按挂载时间在整个被考核的寿命周期中所占的比例计算出每种负载的振动试验时间。 每种负载的振动试验时间计算公式如下[6]：

式（1） 中： t0——振动试验总持续时间， 单位为h；

t1——某负载工况下的振动持续时间， 单位为h；

T0——振动试验所考核的试件寿命总时间， 单位为h；

T1——振动试验所考核的试件寿命总时间中某负载工况的持续时间， 单位为h。

3.3 试验实施顺序

根据振动试验的疲劳叠加理论， 不同负载工况试验的先后顺序不影响试件在承受整个振动试验后最终的考核结果， 但是在试验实施过程中，不同负载工况振动试验开展的先后顺序会影响与其相关的缺陷的发现时机， 因此， 实施顺序可以根据振动试验目的进行调整。

当需要在同一试件上获得更多负载工况下的振动试验情况时， 可从最简单工况到最严酷工况依次开展试验； 而对于通过性试验， 为了节省时间， 需要在尽可能短的时间内验证试件是否能通过振动试验考核时， 可以按照相反的顺序进行，便于尽早地发现试件缺陷， 为研制争取时间。

4 结束语

本文通过对传统的、 采用最大负载工况进行振动试验存在的问题进行分析， 通过分析找出了影响某些具有不同负载试件振动试验结果的相关因素， 并在此基础上总结出不同负载试件的振动试验实施方法， 该方法可以用于指导具有不同负载工况的试件进行振动试验， 鉴于此类试件较为普遍， 因此， 该方法具有重要的实践指导意义。