典型結(jié)構(gòu)振動-加速度綜合環(huán)境試驗研究

周桐，張志旭，任萬發(fā)，鄧志剛

（中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽 621999）

振動環(huán)境和加速度環(huán)境是許多武器裝備尤其是飛行器都將經(jīng)歷的環(huán)境，為了確保裝備在此類環(huán)境下結(jié)構(gòu)的完整性和功能的可靠性，研究人員開展了大量的地面單一環(huán)境振動試驗和單一環(huán)境加速度試驗，在裝備研制中發(fā)揮了重要作用。

對于一些特殊的任務(wù)剖面，裝備可能會同時經(jīng)歷振動載荷和加速度載荷的作用，這兩種載荷均會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的相對運動、變形甚至功能失效，內(nèi)部應(yīng)力相互疊加超過承受能力則會導(dǎo)致破壞。美軍標(biāo)810F[1]中5.12節(jié)和GJB 150.1A—2009[2]中3.13節(jié)均指出，綜合環(huán)境試驗可能比一系列連續(xù)的單個試驗更能代表實際環(huán)境效應(yīng)，使用環(huán)境中遇到這些條件時，鼓勵進行綜合環(huán)境試驗。GJB 8384—2015《核戰(zhàn)斗部振動-加速度試驗方法》[3]中，也列舉了如下8類可能會由振動-加速度綜合環(huán)境導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)故障模式：磨損、緊固件或元器件松動、斷續(xù)的電氣接觸；隔振器件傳遞特性改變；結(jié)構(gòu)裂紋或斷裂；光學(xué)儀器或機械設(shè)備的失調(diào)；結(jié)構(gòu)變形和斷裂致使試件失效或損壞；密封泄漏；壓力和流量調(diào)節(jié)數(shù)值變化；伺服閥滑閥移位引起錯誤和危險的控制系統(tǒng)響應(yīng)。

與單一環(huán)境時相比，綜合環(huán)境下結(jié)構(gòu)參數(shù)出現(xiàn)明顯的非線性變化，是導(dǎo)致單一環(huán)境試驗與綜合環(huán)境試驗出現(xiàn)不同結(jié)果的根本原因。受仿真能力和試驗技術(shù)手段的限制，我國在綜合環(huán)境試驗技術(shù)方面進展較緩慢，對許多機理性的問題認(rèn)識還不充分[4]。國內(nèi)一些學(xué)者[5—7]采用理論分析和有限元仿真方法對慣導(dǎo)系統(tǒng)中的陀螺儀開展了初步研究，結(jié)果表明，振動-加速度綜合環(huán)境下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征是無法用單一環(huán)境描述的。

制約國內(nèi)該領(lǐng)域試驗研究工作的瓶頸在于電動振動臺在離心機上工作需要突破多項關(guān)鍵技術(shù)，通過調(diào)研國外在該領(lǐng)域的研究進展，并開展獨立的研究工作[8—11]。目前國內(nèi)西安交通大學(xué)、浙江大學(xué)、北京強度環(huán)境研究所等單位已經(jīng)具備了不同規(guī)模的振動-加速度綜合環(huán)境試驗?zāi)芰?，但這方面的試驗研究成果鮮見報道。

文中通過對多個不同類型典型部件在振動-加速度綜合環(huán)境下的響應(yīng)特征進行試驗研究，發(fā)現(xiàn)部件在綜合環(huán)境下的響應(yīng)特征與單一環(huán)境下的特性可能會出現(xiàn)明顯不同，希望可以使更多的研究人員了解到開展此類綜合環(huán)境試驗的必要性。

1 帶隔振器試驗件一

1.1 試驗件結(jié)構(gòu)

為了研究某帶隔振器組件在不同隔振器受力狀態(tài)、不同邊界剛度、不同邊界傾角、不同載荷狀態(tài)時的加速度響應(yīng)，設(shè)計了如圖1所示的典型試驗件。試驗件通過橡膠隔振器與支撐結(jié)構(gòu)連接，隔振器的剖面形狀在圖2中給出。隔振器理論上為三向等剛度，但實測的隔振器受力變形曲線如圖3所示。可以看到，受拉時呈現(xiàn)剛度硬化，而受壓時剛度先軟化再硬化，而且兩個方向承載能力差異很大。這就會導(dǎo)致系統(tǒng)在不同的過載環(huán)境下出現(xiàn)不同的動態(tài)響應(yīng)，甚至?xí)霈F(xiàn)由于變形過大導(dǎo)致試驗件與其他相鄰部件碰撞的現(xiàn)象。

圖1 基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Sketch map of basic structure

圖2 隔振器剖面Fig.2 Section of the isolator

圖3力-變形曲線Fig.3 Relation of force and displacement

1.2 響應(yīng)規(guī)律

圖4 給出的是不同隔振器受力狀態(tài)（Y表示受壓，L表示受拉）、不同加速度量級時（字母后的數(shù)字表示加速度g值）試驗件主振向（y向）的振動響應(yīng)（激勵均為6g均方根值，10～2000 Hz隨機激勵）?？梢钥吹剑囼灱囊浑A共振頻率發(fā)生了明顯的變化，對應(yīng)試驗件的加速度均方根值依次為 1.3g，1.5g，1.7g，2.3g，2.7g，2.9g，3.4g，變化同樣顯著，這就可能對試驗件的功能產(chǎn)生影響。

圖4不同加速度環(huán)境下的結(jié)構(gòu)一階響應(yīng)Fig.4 First order response of structure under different acceleration environments

圖5 給出的是試驗件安裝在靠近L型邊界根部、隔振器受拉狀態(tài)、0°傾角時，試驗件上測點非主振向（z向、x向）響應(yīng)?？梢钥吹剑铀俣炔煌瑫r，測點的功率譜密度曲線在共振頻率附近也發(fā)生了明顯變化。

圖5 振動響應(yīng)Fig.5 Vibration response

2 帶隔振器試驗件二

試驗件的外觀如圖6所示，試驗件在四個角上通過橡膠隔振器與邊界連接。x向、y向加速度過載時試驗件上的加速度功率譜密度曲線如圖7所示，可以看到，隨加速度量級的增加，試驗件的共振頻率逐漸增大，振動響應(yīng)也逐漸增大，隔振器的性能有明顯降低。如果只進行單一的振動試驗或加速度試驗，是難以發(fā)現(xiàn)這樣的問題的。

圖6 四角隔振的試驗件Fig.6 Test piece with isolator at four corners

圖7 載時的振動響應(yīng)Fig.7 Vibration response with over load

在本次試驗中，加速度過載分別為15g，40g和55g，寬帶隨機激勵的量級大約為Grms=10.2g，而最惡劣情況下試驗件的響應(yīng)也已接近10g。在一定程度上可以認(rèn)為隔振器已經(jīng)失效，但是如果經(jīng)過分析，認(rèn)為400 Hz以下的響應(yīng)放大不會對試驗件造成影響，只要高頻部分響應(yīng)衰減即可，則也可以選擇該隔振器。

試驗采用的是類似圖8所示的T型橡膠隔振器，試驗后隔振器基本完好，但另外一個采用T型隔振器的試驗件在試驗后出現(xiàn)了嚴(yán)重的隔振器損壞，如圖9所示。該試驗件曾經(jīng)開展過單一的振動試驗和加速度試驗，未出現(xiàn)異常。該試驗結(jié)果表明，綜合環(huán)境下應(yīng)力疊加對試驗件具有更強的破壞作用，通過了單一環(huán)境考核的試驗件可能會在綜合環(huán)境下暴露出故障。

圖8 T型橡膠隔振器Fig.8 T-type rubber isolator

圖9 試驗后隔振器被破壞Fig.9 The destroyed isolator

3 回轉(zhuǎn)體試驗件一

3.1 試驗件結(jié)構(gòu)

工程結(jié)構(gòu)中某部件近似為多層回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，不同層的剛度有明顯差異，內(nèi)層受到的約束僅為層間摩擦力，最外層與邊界相連接，層與層之間靠預(yù)緊力保持相對位置。由于層間的約束相對較弱，所以可能會在振動環(huán)境激勵下發(fā)生內(nèi)層結(jié)構(gòu)繞對稱軸的相對轉(zhuǎn)動，這是結(jié)構(gòu)功能設(shè)計所不希望的。

圖10是經(jīng)過簡化后的試驗件模型，共分為上中下三層，每層均為圓餅狀，層與層之間有薄彈性墊層材料。上層與下層之間有限位裝置，上層相對下層只能沿中間對稱軸上下運動，不能轉(zhuǎn)動，理論上只有一個自由度。中間層既可以沿中間對稱軸上下運動，又可以繞對稱軸轉(zhuǎn)動，理論上有兩個自由度。墊層的作用是防止不同層在軸向運動時發(fā)生明顯撞擊，同時可以提供一定的摩擦力阻止中間層的旋轉(zhuǎn)運動。上層和中間層靠預(yù)緊力壓緊在下層上，試驗時在下層的部位進行隨機振動激勵，關(guān)注中間層開始發(fā)生相對轉(zhuǎn)動時的振動量級和預(yù)緊力大小。

圖10 三層試驗件原理Fig.10 Structure of the three-layer test piece

3.2 響應(yīng)規(guī)律

試驗時先給試驗件施加規(guī)定的預(yù)緊力，再逐步提高下層受到的隨機激勵量級，每一個隨機激勵量級保持2 min。激勵前、后如果預(yù)緊力沒有明顯降低，則認(rèn)為該試驗狀態(tài)有效，否則重新施加預(yù)緊力和隨機激勵，最終記錄每個預(yù)緊力下，中間層發(fā)生轉(zhuǎn)動現(xiàn)象所需的最低振動量級（或稱臨界量級）。憑經(jīng)驗通常會認(rèn)為預(yù)緊力越大，發(fā)生轉(zhuǎn)動現(xiàn)象的最低振動量級也會越高。

圖11給出的是發(fā)生轉(zhuǎn)動時測得的位移（近似用直線位移代替旋轉(zhuǎn)角度），可以看到，旋轉(zhuǎn)不一定是連續(xù)發(fā)生的，可以是階梯狀間歇式的，而且轉(zhuǎn)動的方向也不一定是單向的，可以是往復(fù)的，這在一定程度上說明轉(zhuǎn)動與偏心質(zhì)量的關(guān)系不大。猜測轉(zhuǎn)動的原因可能與試驗時激勵的不均勻性或中間層存在輕微繞面內(nèi)對稱軸轉(zhuǎn)動，不是理想兩自由度運動等因素有關(guān)。

圖11轉(zhuǎn)動位移Fig.11 Rotational displacement

圖12 給出的是預(yù)緊力與臨界量級之間的關(guān)系，可以看到，只進行單一振動環(huán)境試驗時（實線），隨預(yù)緊力增加，臨界轉(zhuǎn)動量級也隨之增加，而且是近似線性的。當(dāng)有加速度過載環(huán)境存在時，臨界的振動量級竟然不隨預(yù)緊力發(fā)生變化，這一點非常匪夷所思，有待理論分析給出合理的解釋。

圖12 預(yù)緊力與臨界量級的關(guān)系Fig.12 Relation between preload and critical level

4 回轉(zhuǎn)體試驗件二

試驗件模型如圖13所示，中間球體上有兩圈平行限位槽，薄壁錐筒與球體接觸后，球體只能夠繞中心對稱軸轉(zhuǎn)動，上、下蓋的作用是給結(jié)構(gòu)整體進行限位并提供預(yù)緊力。

圖13 圓錐和球體組合試驗件Fig.13 Combined test piece of circular cone and sphere

首先給試驗件同時施加x向的加速度過載和隨機振動，發(fā)現(xiàn)中心球體出現(xiàn)了非常明顯的繞對稱軸轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象，而且轉(zhuǎn)動的力非常大，造成了測量傳感器的損壞。進行y向加速度過載和隨機振動綜合試驗時，中心球體卻基本沒有出現(xiàn)繞對稱軸轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象。

5 繼電器試驗件

繼電器是一種常用的電子元器件，其主要功能是用一個較弱的信號控制另一個電路的通斷。試驗用繼電器如圖14所示，其物理模型如圖15所示。

圖14 實驗用繼電器Fig.14 Relay used in the experiment

圖15 繼電器理論模型Fig.15 Theoretical model of relay

當(dāng)沒有電磁力作用時，上觸點處于導(dǎo)通狀態(tài)，電磁力作用后下觸點導(dǎo)通。在振動-加速度綜合環(huán)境下，如果加速度過載方向與電磁力方向一致，則當(dāng)加速度足夠大時慣性質(zhì)量力超過彈簧力，就會使上觸點導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)橄掠|點導(dǎo)通，此時并無電磁力控制信號。如果再疊加上振動信號，就會在更弱些的加速度過載環(huán)境下由振動引起觸點導(dǎo)通的變化，而且是多次的斷續(xù)導(dǎo)通（如圖16所示）。這些都將引起系統(tǒng)的誤觸發(fā)，甚至?xí)绊懙饺到y(tǒng)的功能。

當(dāng)加速度過載方向與電磁力方向相反時，如果電磁力較弱，則會出現(xiàn)電磁力無法抵消慣性質(zhì)量力與彈簧力合力的現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)無法觸發(fā)應(yīng)有的動作。這些問題在選擇繼電器的時候都應(yīng)該進行考慮。

圖16 綜合環(huán)境下觸點電壓信號的波動Fig.16 Fluctuation of voltage in combined environment

5 結(jié)語

文中通過試驗研究的方法，研究了多種典型結(jié)構(gòu)在振動-加速度綜合環(huán)境下的響應(yīng)規(guī)律，結(jié)果表明：

1）在振動-加速度綜合環(huán)境下，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的動力學(xué)特性與單一振動環(huán)境下的特性會出現(xiàn)一定程度上“量”的不同，尤其是含有彈性材料的部件。

2）綜合環(huán)境下由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部約束特性的變化，試驗件的動力學(xué)特性可能也會出現(xiàn)“質(zhì)”的不同，這種差異是在單一振動環(huán)境下無法進行模擬的。

3）在振動-加速度綜合環(huán)境下，由于應(yīng)力疊加效應(yīng)，結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力會比單一環(huán)境試驗時大，因此通過了單一環(huán)境考核的部件可能就會在綜合環(huán)境時出現(xiàn)破壞。

[1] MIL-STD-810F.Environmental Engineering Considerations and Laboratory Tests[S].

[2]GJB 150.1A—2009，軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第1部分：通用要求[S].GJB 150.1A—2009，Laboratory Environmental Test Methods for Military Materiel－Part 1：General Requirements[S].

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