机载悬挂装置虚拟振动试验技术研究

刘艳欣 周志卫 任向前 王向进

摘要：针对产品振动试验中存在的过试验或欠试验问题，基于Simcenter 3D仿真平台，应用振动基本理论和模态分析理论研究了机载悬挂装置试验系统关键部位的响应特性。以随机振动试验为例，采用Solidworks和Simcenter 3D软件建立了物理模型和有限元模型；通过模态分析得到了该系统的固有频率及其振型；基于模态叠加法对该系统进行虚拟振动试验得到了关键点空载、垂向的频响特性，并进行了试验验证。基于模态叠加法对机载悬挂装置进行虚拟振动试验，获取受试件关键部位的响应特性和传递特性，为试验设计的控制点优选提供指导。在夹具与产品连接处的夹具附近传递特性较好，信号不易失真；而产品与悬挂物连接附近响应值较大，传递特性相对较差，信号失真较大。

关键词：机载悬挂装置；虛拟振动试验；随机振动；模态分析；响应特性；控制点优选

中图分类号：V214.3+3文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.03.015

机载悬挂装置是一种能够担负悬挂、运载与发射弹药任务的飞机组件，如梁式挂架、框式挂架和复式挂架等，在执行任务时会受到发动机噪声、湍流干扰、气动噪声等多种环境耦合而产生振动，这种形式的载荷将会影响产品的可靠性与安全性，尤其是共振时。因此，需要在地面模拟机载悬挂装置安装于飞机时的实际状态进行振动试验。目前，机载悬挂装置的结构设计多以实物试验验证为主，其动强度问题基本上都是以能否通过振动台试验为验收准则。参考文献[1]和文献[2]针对航空产品振动试验方法进行了研究，提出了可行的试验方法。然而，实物试验可能存在过试验或欠试验的问题，难以保证试验的质量。此外，机载悬挂装置结构复杂，连接形式多样，质量和体积特别大，有时产品还存在严重的偏心，试验传递级数多，在实物试验时特别难以控制，这给试验带来了巨大的挑战。以计算机仿真技术为手段的虚拟振动试验，可以降低产品研制成本，缩短研制周期，在积累大量数据的前提下可替代部分的实物试验[3-4]。开展机载悬挂装置虚拟振动试验的意义就在于：可以预先判断试件的响应特性，能够及时有效地评估试验条件的合理性，据此制定更加合理的模拟载荷；可以充分考虑所选用设备能否承担起给定试验条件的振动试验，以及判断控制点的选取；可以快速识别出产品的薄弱环节，并得到改进方案；可以模拟各种实物振动试验难以考虑的工况。

20世纪90年代，美国实验室就开展了虚拟振动试验技术研究，建立了试验优化所需的虚拟环境[5]。2003年，欧洲航天局和比利时LMS公司共同研究了多点激励多轴向虚拟振动技术[6]。郑威等[7]采用Virtual Lab软件研究了模拟弹多维随机振动试验控制点选取问题。韩伟等[8]利用有限元软件研究了典型外挂物随机振动试验双点激励时的频响特性。李青等[9]通过MSC.Nastran软件研究了航天器结构的频响特性。向树红等[10]采用有限元和数字仿真技术研究了40t振动台虚拟试验技术和有限元修正技术。谭永华[11]利用同样方法研究了获得电动振动台传递函数的方法。崔朝凯等[12]基于Simcenter 3D软件研究了人字齿轮箱的振动频响特性。张戈等[13]通过有限元仿真研究了弹性模型风洞试验支撑系统虚拟试验技术。江世媛等[14]采用ANSYS软件研究了船体的固有频率，并进行了试验验证。袁修开等[15]采用灵敏度分析法和有限元仿真法对螺栓连接结构随机振动响应的不确定性进行了研究。上述文献所研究的虚拟振动试验技术应用于振动台试验、模拟弹振动试验、航天连接器振动试验等领域。目前，在公开的文献中，尚未见有学者通过虚拟振动技术研究机载悬挂装置振动试验。

本文以随机振动试验为例，首先分析机载悬挂装置虚拟振动试验的理论基础；然后基于Simcenter 3D仿真平台构建有限元仿真模型，并在此基础上，利用模态叠加法对受试产品进行虚拟振动试验，得到产品关键部位的响应特性；最后，利用实物试验对虚拟振动试验结果的置信度进行评估。

1虚拟振动基本理论[16]

1.1动力学方程

2虚拟振动试验研究

2.1虚拟试验模型构建

虚拟振动试验系统建模主要包括物理模型和有限元建模。该系统的全局坐标系采用右手坐标系，即笛卡儿坐标系，其坐标系以产品的侧向、垂向和航向作为x轴、y轴和z轴，以通用夹具底部中心作为原点。

2.1.1物理模型

振动试验系统包括产品、通用夹具、振动夹具和振动台体。根据振动试验系统的受力情况、变形情况和承受载荷的特点，从力学角度进行分析、假设和简化，以得到其物理模型[14]。

振动试验系统的振动台体与通用夹具的圆形分布接口连接，其作用是为振动试验系统提供激励。在振动仿真中，以节点来替代振动台体，且该节点与通用夹具底部刚性连接。通用夹具上体与其下体通过螺栓进行连接，与专用夹具也通过螺栓进行连接。在建模型时，可通过将通用夹具上体与其下体共节点、通用夹具与专用夹具共节点来替代螺栓连接。专用夹具与产品的前、后肩轴之间的连接方式为螺纹连接，在建立模型时可通过刚性连接来替代螺纹连接。产品的其他部分在建模时通过共节点来替代之间的约束，所得物理模型如图1所示。

2.1.2网格划分

在划分网格之前，首先在通用夹具底部中心正下方100mm处创建一个节点，作为虚拟试验系统激励的输入点，记为A点。夹具和产品的单元类型均采用CTETRA（4）（四面体网格），分别如图2和图3所示。产品的前、后肩轴与夹具之间的连接类型和节点A与夹具底部的连接类型均采用面面连接，单元类型采用RBE2（刚体单元）[12]，所得装配有限元模型如图4所示。通过网格划分所得该系统的单元总数为129099，节点总数为43759。

2.1.3材料模型

虚拟振动试验系统的夹具与产品仿真用参数见表1。由表1可知，铝合金和30CrMnSiA的泊松比分别在0.320～0.360和0.300～0.310范围内波动，本文将其取为0.320和0.300。

2.1.4边界条件模拟

振动台体内部的连接方式使得动圈表现出来的运动形式只有y方向的振动，而动圈与振动夹具之间的连接方式为刚性连接，这使得振动夹具与其振动形式基本一致。因此，在进行有限元建模时可将A点的x向和z向固定，y向设置为自由状态，并对该节点施加强制位移约束，以便于在施加激励时能自动识别该位置。

振动台体内部的连接方式使得动圈表现出来的运动形式只有y方向的振动，而动圈与振动夹具之间的连接方式為刚性连接，这使得振动夹具与其振动形式基本上一致。因此，在进行有限元建模时可将A点的x向和z向固定，y向设置为自由状态，并对该节点施加强制位移约束，以便于在施加激励时能自动识别该位置。

2.2虚拟振动试验

2.2.1模态分析

基于Simcenter 3D分析程序，采用Lanczos算法提取了虚拟试验系统在20～2000Hz范围内的固有频率及其振型，图5给出了虚拟振动试验系统前6阶的振型及其固有频率。

2.2.2随机振动仿真

本文所采用的阻尼参数模型如图6所示[9]。虚拟振动试验的激励谱PSD取自于GJB 1063A—2008《机载悬挂装置试验方法》，如图7所示。

2.2.3仿真结果与分析

（1）关键响应点选取

为了给实物试验控制点与测量点优选提供参考，需要获得关键部位的响应数据，根据GJB 1063A—2008《机载悬挂装置试验方法》关于控制点选取的规定，并结合参考文献[11]给出的以无质量的节点替代测量点传感器的方法，在获取仿真结果时，设定了响应点1、响应点2、响应点3和响应点4共4个节点，这4个节点分别在试验夹具上与产品连接的前、后肩轴接口处和在产品上与悬挂物连接的前、后肩轴接口处，如图8所示。

（2）响应数据获取与结果分析

基于模态叠加法对机载悬挂装置试验系统进行仿真得到了随机振动空载、垂向的测量点的响应数据，利用Origin. lab对数据进行处理，所得结果如图9所示。

由图9可知，响应点1～响应点4在频率约为150Hz处响应值较大，其值约为8g2/Hz，该值相对于输入激励放大了约400倍。所得放大倍数较大主要因为该频率恰好是振动试验系统的第4阶固有频率，且对应的模态振型为试验系统模态主振型。响应点1～响应点4所对应的均方根值分别为11.30g、13.99g、10.62g和24.64g。因此，响应点1至响应点3的均方根值基本一致，响应点4的均方根值相对于其他三个响应点值增大约一倍。与输入激励均方根值相比，响应点1～响应点4的均方根值分别放大了约为1.80、2.30、1.77和4.11倍。可以看出，响应点1～响应点3的均方根值与输入激励值的放大倍数基本一致，响应点4的放大倍数值比其他三个响应点的放大倍数增大了一倍。该结果可为实物试验控制点选取提供参考。

此外，响应点1、响应点2在1800Hz前后出现较大响应值且带宽较大，主要原因在于约1800Hz处为试验系统的固有频率，模态参与因子较大，对振动贡献量大，所以响应值较大。响应点4在1600Hz和1800Hz前后均出现较大响应值的原因与响应点1、响应点2在1800Hz前、后出现较大响应值且带宽较大的原因基本一样。结合阻尼模型不难看出，在高频段阻尼较小，因此1600Hz和1800Hz前、后出现的响应值均超过了150Hz处的响应值。

由上述分析可以看出，在夹具与产品连接处的夹具附近传递特性较好，信号不易失真；产品与悬挂物连接附近响应值较大，传递特性相对较差，信号失真较大。

3虚拟试验置信度评估

3.1试验原理与方法

为了验证虚拟振动试验结果的置信度，利用40t振动台对产品进行垂向、空载的随机振动试验。振动试验控制仪输出的驱动电流经过功率放大模块后，输出较大的驱动电流，供给振动台，使其输出驱动力；试验件上安装的传感器采集到的信号经过滤波和放大电路模块后，反馈给振动试验控制仪；振动试验控制仪将信号处理后，输出给功率放大模块，如此形成闭环控制。

将被试品按实际悬挂状态安装于400kN振动台上，按GJB 1063—2008的“未挂载的随机振动试验”要求进行振动试验，试验时传感器分别安装于夹具与对接的前、后肩轴处的夹具上和前、后叉耳附近，控制方式为4点平均控制，振动方向为垂向，试验时间为10min，试验谱如图7所示。随机振动试验实物图如图10所示。表2列出了试验所用传感器信息和控制策略。

3.2试验结果与分析

通过试验得到了产品随机振动垂向、空载时的控制图谱，如图11所示。将夹具前的响应信号作为产品的输入信号，将产品前的响应信号作为产品的输出信号，所得产品的传递函数如图12所示。

由图11可知，根据仿真结果选取的控制点进行随机振动试验，控制效果较好。结合图12可知，仿真所得夹具与产品的传递函数与试验所得曲线的变化趋势基本一致，但传递比相对较小。主要原因是虚拟振动试验仿真时忽略了在实物试验时产品零部件之间存在的微弱碰撞、冲击以及本底噪声所带来的杂波信号，即本文的虚拟振动试验系统属于线性系统。因此，本文仿真结果具有可信性。由此可知，基于模态叠加法对机载悬挂装置进行虚拟振动试验，获取受试件关键部位的响应特性和传递特性，可以为试验设计的控制点优选提供指导。

4结论

本文以随机振动试验为例，基于Simcenter 3D仿真平台，应用振动学基本理论和模态分析理论研究了机载悬挂装置试验系统关键部位的响应特性，并对虚拟试验结果的置信度进行了评估，得到主要结论如下。

（1）实物试验结果表明，基于模态叠加法对机载悬挂装置进行虚拟振动试验，获取受试件关键部位的响应特性和传递特性，可为试验设计的控制点优选提供指导。

（2）虚拟试验结果表明，在夹具与产品连接处的夹具附近传递特性较好，信号不易失真；而产品与悬挂物连接附近响应值较大，传递特性相对较差，信号失真较大。

（3）机载悬挂装置虚拟振动试验的关键技术是精确的有限元模型构建和准确的阻尼模型，下一步将进一步研究虚拟试验模型的有限元模型修正技术和通过试验研究阻尼规律。

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Research on Virtual Vibration Test Technology of Airborne Store Suspension

Liu Yanxin，Zhou Zhiwei，Ren Xiangqian，Wang Xiangjin

Zhengzhou Aircraft Equipment Co.，Ltd.，Zhengzhou 450005，China

Abstract： Aiming at the problems of over test or under test in product vibration tests， based on Simcenter 3D simulation platform， the response characteristics of key parts of airborne store suspension test system are studied with the basic theory of vibration and modal analysis theory. Taking random vibration test as an example， firstly， the physical model and finite element model are established with Solidworks software and Simcenter 3D software respectively. Then， the natural frequency and vibration mode of the system are obtained through the modal analysis. Finally，based on modal superposition method， frequency response characters of the key points of the system are calculated under no-load vertical conditions via random vibration module of Simcenter 3D software， and are verified with the test. The virtual vibration test of airborne suspension device based on modal superposition method can obtain the response characteristics and transmission characteristics of the key parts of the test system which can provide guidance for the optimization of control points in test design. The transmission characteristics near the fixture at the connection between the fixture and the product are good， and the signal is not easy to be distorted. The response characteristics near the connection between the product and the suspension are large， the transmission characteristics are relatively poor， and the signal distortion is large.

Key Words：airborne store suspension；virtual vibration test；random vibration；modal analysis；response characteristic； control point optimization