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嘉峪檢測網(wǎng) 2024-11-01 15:20
近日，北京控制工程研究所付億波團(tuán)隊(duì)以《異型工裝振動(dòng)試驗(yàn)控制點(diǎn)位置選擇與分析》為題在《環(huán)境技術(shù)》2024年第7期上發(fā)表最新研究內(nèi)容，第一作者為付億波。
試驗(yàn)室開展的航天器組件振動(dòng)試驗(yàn)中，針對(duì)普通結(jié)構(gòu)（如板型、L型）的產(chǎn)品工裝，通常會(huì)在工裝上的產(chǎn)品安裝面布置控制傳感器。然而，當(dāng)面對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的異形工裝時(shí)，缺乏明確的控制點(diǎn)布置要求和方法。若控制點(diǎn)位置選擇不合理，可能嚴(yán)重影響試驗(yàn)結(jié)果，甚至導(dǎo)致產(chǎn)品失效或損壞。針對(duì)該問題，本文基于某型號(hào)航天器組件的異型工裝，依次選擇工裝特征位置進(jìn)行控制點(diǎn)位布置，開展振動(dòng)試驗(yàn)，并分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選出最佳的控制點(diǎn)位置。在滿足試驗(yàn)要求的基礎(chǔ)上，極大提高了試驗(yàn)效率和可靠性，保證產(chǎn)品安全。這一方法也將被應(yīng)用于后續(xù)同類型產(chǎn)品的振動(dòng)試驗(yàn)。
引言
振動(dòng)試驗(yàn)是航天器組件環(huán)模試驗(yàn)中必不可少的一環(huán)，其目的是驗(yàn)證產(chǎn)品對(duì)振動(dòng)環(huán)境的承受能力，暴露產(chǎn)品材料和結(jié)構(gòu)的潛在缺陷和風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)保障航天器運(yùn)行時(shí)的安全性和可靠性具有重要意義。振動(dòng)試驗(yàn)通過振動(dòng)臺(tái)與作為控制點(diǎn)的傳感器之間的信號(hào)反饋進(jìn)行振動(dòng)環(huán)境的控制和模擬，因此控制點(diǎn)按安裝是否牢固、控制方式選擇和點(diǎn)位布置是否合理均振動(dòng)試驗(yàn)的結(jié)果有重大相關(guān)性。若控制不當(dāng)，可能出現(xiàn)傳感器脫落、控制超差、過試驗(yàn)或欠試驗(yàn)等問題，不能正確的對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估，甚至導(dǎo)致產(chǎn)品失效或損壞。
控制影響因素分析
振動(dòng)試驗(yàn)中，傳感器的安裝方法有膠粘劑粘接、螺柱安裝、磁力底座安裝等方法。其中，磁力底座安裝方法安裝簡易快捷，但僅使用磁力約束，面對(duì)大量級(jí)試驗(yàn)時(shí)易發(fā)生脫落現(xiàn)象，且航天器組件多為電子產(chǎn)品，易受磁力影響，故該方法不適用。螺柱安裝諧振頻率最高、可承受量級(jí)最大，但需在夾具和產(chǎn)品上預(yù)留安裝孔，無法根據(jù)試驗(yàn)實(shí)際情況靈活選擇安裝位置。同時(shí)，傳感器反復(fù)受到安裝拆卸時(shí)扭轉(zhuǎn)力的作用，易發(fā)生底座脫落現(xiàn)象，造成損壞。
航天器組件振動(dòng)試驗(yàn)一般選擇膠粘劑粘接方法，使用502瞬間強(qiáng)力膠進(jìn)行粘接，該方法安裝簡易快捷、粘接牢固，能承受高頻大量級(jí)振動(dòng)條件，且不受產(chǎn)品類型和夾具材質(zhì)限制。但打磨產(chǎn)生的膠水粉末、清潔使用的溶劑均屬于毒害品，長期接觸會(huì)對(duì)操作者的健康產(chǎn)生影響，因此要做好防護(hù)措施。
振動(dòng)臺(tái)控制方式有單點(diǎn)控制和多點(diǎn)控制兩種，其中多點(diǎn)控制包括最大值控制、最小值控制和權(quán)重控制3種方法，權(quán)重控制中的一種特殊情況是加權(quán)平均控制方法。采用單點(diǎn)控制時(shí)，由于夾具不同位置響應(yīng)量級(jí)不同，會(huì)導(dǎo)致夾具遠(yuǎn)離控制點(diǎn)位置的實(shí)際振動(dòng)量級(jí)過大或過小，導(dǎo)致過試驗(yàn)或欠試驗(yàn)問題，并且存在損壞產(chǎn)品的潛在風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)試驗(yàn)無具體振動(dòng)量級(jí)要求，僅針對(duì)被試品一個(gè)或多個(gè)薄弱點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)環(huán)境評(píng)估時(shí)，方采取最大最小值控制，此時(shí)控制點(diǎn)需粘貼于被試品。若要求各薄弱點(diǎn)的振動(dòng)量級(jí)均大于某量值時(shí)，采取最小值控制，反之則采取最大值控制。航天器組件振動(dòng)試驗(yàn)均有振動(dòng)量級(jí)要求，故選擇雙點(diǎn)加權(quán)平均控制。
控制點(diǎn)位置選擇是振動(dòng)試驗(yàn)中最重要的因素，也是本文研究方向。針對(duì)板型、L型結(jié)構(gòu)的普通工裝，控制點(diǎn)通常布置于工裝上的產(chǎn)品安裝面，靠近工裝與臺(tái)面連接處或者產(chǎn)品與工裝連接處，并遠(yuǎn)離干擾源和易出現(xiàn)撞擊或噪聲較大的部位，一般均可得到良好的控制效果。航天器組件隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的頻率范圍一般為10Hz~2000Hz，而產(chǎn)品和夾具的多階模態(tài)通常小于2000Hz，因此試驗(yàn)全頻段內(nèi)可能會(huì)在一個(gè)或多個(gè)頻率點(diǎn)出現(xiàn)共振或反共振現(xiàn)象[8]。面對(duì)某些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的異型工裝時(shí)，無明確的控制點(diǎn)位置要求和標(biāo)準(zhǔn)方法，若點(diǎn)位選擇不當(dāng)，會(huì)嚴(yán)重放大該現(xiàn)象，導(dǎo)致控制曲線超差、過試驗(yàn)或欠試驗(yàn)問題，干擾試驗(yàn)結(jié)果甚至導(dǎo)致產(chǎn)品損壞。針對(duì)該問題，本文選擇某型號(hào)航天器組件的專用異型工裝，選擇工裝特征位置進(jìn)行控制點(diǎn)位布置開展振動(dòng)試驗(yàn)，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)中不同控制點(diǎn)的控制曲線穩(wěn)定性和峰值、響應(yīng)峰值和有效值、共振頻率等參數(shù)，選擇最優(yōu)控制點(diǎn)位置。
試驗(yàn)設(shè)計(jì)
本文航天器組件專用異型工裝及安裝方式的三維模型如圖1。根據(jù)組件實(shí)際安裝相對(duì)位置，工裝側(cè)面和頂面各安裝1個(gè)模擬件，由于無預(yù)留安裝孔，采用螺栓、壓塊、墊塊壓緊安裝固定。
圖1 異型工裝安裝三維模型
試件選用模擬件，并分別在2個(gè)試件上布置傳感器作為監(jiān)測點(diǎn)采集試件響應(yīng)數(shù)據(jù)。控制方式采用雙點(diǎn)平均控制，控制傳感器位置依次布置在工裝上端試件安裝面、工裝上端非試件安裝面、工裝下端非試件安裝面3種方案。各位置依次開展固定量級(jí)的正弦特征掃頻和隨機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)矩陣如下表1。
表1 試驗(yàn)工況
試驗(yàn)判斷
試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，首先進(jìn)行正弦特征掃頻，通常采用較小量級(jí)進(jìn)行，目的是獲取試件的動(dòng)力學(xué)特性，在掃頻試驗(yàn)的監(jiān)測點(diǎn)響應(yīng)頻域曲線中，可以獲取試件的一階固有頻率（基頻），對(duì)應(yīng)曲線中縱軸坐標(biāo)（加速度，單位g）的第一個(gè)峰值。對(duì)比矩陣不同工況下的峰值大小，可作為判定控制效果的一項(xiàng)判據(jù)。
其次進(jìn)行隨機(jī)試驗(yàn)，隨機(jī)振動(dòng)由于波形雜亂，各時(shí)刻的瞬時(shí)值無法確定，且單次試驗(yàn)結(jié)果具有不確定性和不可重復(fù)性，所以需要用概率統(tǒng)計(jì)方法定量描述其振動(dòng)規(guī)律，一般通過功率譜密度（PSD）和加速度總均方根值（Grms）兩個(gè)相關(guān)概念進(jìn)行描述。
功率譜密度指隨機(jī)信號(hào)的各頻率分量包含的功率（能量）在頻域內(nèi)的分布，單位用g2/Hz表示，曲線由橫坐標(biāo)-頻率、縱坐標(biāo)-功率譜組成如下圖示例。
圖2 功率譜密度-頻率圖
圖中包含上升譜(S1)、平直譜(S2)和下降譜(S3)，上升段和下降段的斜率分別為m1和m2，平直段的PSD值為ω1，加速度總均方根值指功率譜密度的頻譜在全頻段范圍內(nèi)面積的積分開根號(hào)值，即三個(gè)譜面積和的開方值。
S2的面積計(jì)算公式：
S1的面積計(jì)算公式：
同理，S3的面積計(jì)算公式：
式中fi為各段譜的初始頻率，fj為末端頻率。將全頻段內(nèi)面積之和開方可得加速度總均方根值：
該值在隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中作為判定控制值與目標(biāo)值偏離程度的判據(jù)，若超出容差上限，則存在過試驗(yàn)問題，反之則代表欠試驗(yàn)。同時(shí)該量值也可作為監(jiān)測點(diǎn)響應(yīng)數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)，若響應(yīng)值與理論值差異過大，則可能存在試件異常導(dǎo)致過試驗(yàn)問題、或控制效果欠佳導(dǎo)致欠試驗(yàn)問題。
試驗(yàn)實(shí)施及結(jié)果分析
將工裝與振動(dòng)臺(tái)面連接緊固，根據(jù)組件實(shí)際安裝位置，將兩個(gè)模擬件分別安裝在工裝上表面和側(cè)面。根據(jù)表1中工況1，模擬件表面粘貼傳感器作為監(jiān)測點(diǎn)1、監(jiān)測點(diǎn)2，模擬件安裝面上端，產(chǎn)品連接螺栓附近位置粘貼傳感器作為控制點(diǎn)1、控制點(diǎn)2，試驗(yàn)系統(tǒng)布置如圖3。完成試驗(yàn)前準(zhǔn)備及多余物檢查工作后，開始振動(dòng)試驗(yàn)。
圖3 工裝上端產(chǎn)品安裝面控制
首先進(jìn)行正弦特征掃頻，觀察控制曲線穩(wěn)定性，讀取響應(yīng)曲線中響應(yīng)加速度峰值與被測物一階固有頻率。后進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，觀察控制曲線穩(wěn)定性、曲線形狀與目標(biāo)譜的一致程度、加速度總均方根值（Grms）與目標(biāo)值的偏離程度，判定控制效果是否良好。讀取響應(yīng)曲線中的Grms響應(yīng)值，曲線特征與掃頻曲線特征的一致性。若響應(yīng)值過小，則可能存在監(jiān)測點(diǎn)松動(dòng)問題，響應(yīng)值過大，則可能是控制點(diǎn)位選擇不合理造成共振、工裝或被測物結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等問題，若曲線形狀特征改變，則被測物結(jié)構(gòu)可能發(fā)生改變，如結(jié)構(gòu)斷裂、元件脫落等。
圖4 掃頻控制曲線
圖5 隨機(jī)控制曲線
根據(jù)圖4、圖5控制曲線，曲線穩(wěn)定無共振峰，隨機(jī)控制曲線與目標(biāo)譜特征一致，判定試驗(yàn)控制效果良好。后續(xù)根據(jù)表1中工況2、工況3，保持監(jiān)測點(diǎn)位置不變，改變控制點(diǎn)位置。試驗(yàn)系統(tǒng)布置如圖6、圖7，依次開展振動(dòng)試驗(yàn)。
圖6工裝上端產(chǎn)品非安裝面控制
圖7 工裝下端產(chǎn)品非安裝面控制
對(duì)比工況2、工況3試驗(yàn)的控制曲線，與工況1基本無差異，判定3種點(diǎn)位布置的控制效果與穩(wěn)定性均良好。整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將3次試驗(yàn)兩監(jiān)測點(diǎn)的掃頻響應(yīng)曲線和隨機(jī)響應(yīng)曲線分類匯總得到圖8、圖9。
圖8 掃頻響應(yīng)曲線
圖9 隨機(jī)響應(yīng)曲線
分析試驗(yàn)曲線，可以看到當(dāng)控制點(diǎn)位置處于工裝上端時(shí)，掃頻特征曲線與隨機(jī)曲線的波形基本一致，僅存在響應(yīng)量級(jí)的差異。而控制點(diǎn)位于工裝下端時(shí)，響應(yīng)曲線在全頻段范圍內(nèi)，一階頻率后的多階固有頻率響應(yīng)峰值明顯增大，存在嚴(yán)重的共振放大現(xiàn)象。將試驗(yàn)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)整理匯總表2后進(jìn)一步分析。
表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)
對(duì)比工況1、工況2試驗(yàn)數(shù)據(jù)后得到，針對(duì)該異形工裝，各工況控制值與目標(biāo)值基本一致，控制曲線穩(wěn)定，即控制情況良好?？刂泣c(diǎn)布置在工裝上端時(shí)，選擇試件安裝面與非安裝面進(jìn)行控制，對(duì)2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的響應(yīng)值均影響較小，存在掃頻4.6%、1.5%，隨機(jī)4.7%、5.0%的差異，但在該兩種控制方法下，側(cè)面隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)值均略小于控制值，存在約20%的差值。結(jié)合工況3進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比后得到，控制點(diǎn)布置在工裝下端時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)響應(yīng)明顯增大，相較于同一面的上端，2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的響應(yīng)值分別存在掃頻23.4%、13.4%，隨機(jī)28.5%、59.8%的增量，存在過試驗(yàn)問題。
振動(dòng)試驗(yàn)中，控制點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)反映了振動(dòng)臺(tái)激勵(lì)出的真實(shí)振動(dòng)量級(jí)。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，針對(duì)同一試驗(yàn)量級(jí)，當(dāng)控制點(diǎn)位置高于監(jiān)測點(diǎn)時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)處于結(jié)構(gòu)剛性更強(qiáng)的位置而出現(xiàn)響應(yīng)值小于控制值的現(xiàn)象，在工裝結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定（如框架結(jié)構(gòu)或工裝壁較薄）的情況下，易出現(xiàn)產(chǎn)品欠試驗(yàn)問題。反之，當(dāng)控制點(diǎn)布置于工裝下端時(shí)，由于工裝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)此時(shí)處于剛性更弱的位置而出現(xiàn)響應(yīng)值放大，甚至造成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)斷裂或損壞。對(duì)于文中異形工裝，控制工裝上端時(shí)，由于側(cè)面試件處于較下端位置，響應(yīng)值略小于控制值，在容差允許的范圍內(nèi)可以接受，同時(shí)對(duì)組件有一定保護(hù)作用?？刂乒ぱb下端時(shí)，頂面試件遠(yuǎn)高于控制點(diǎn)位置，造成響應(yīng)增大，易導(dǎo)致過試驗(yàn)。根據(jù)不同試驗(yàn)任務(wù)的要求，若開展鑒定級(jí)振動(dòng)試驗(yàn)，驗(yàn)證組件對(duì)振動(dòng)環(huán)境的承受能力或結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，則可以選擇控制該異型工裝下端，若開展正樣產(chǎn)品的驗(yàn)收試驗(yàn)，為避免過試驗(yàn)導(dǎo)致產(chǎn)品受損或失效的風(fēng)險(xiǎn)，則選擇控制該異型工裝上端。
結(jié)論
振動(dòng)試驗(yàn)控制點(diǎn)的位置選擇影響著控制穩(wěn)定性和響應(yīng)值。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，航天器組件振動(dòng)試驗(yàn)的控制點(diǎn)布置于產(chǎn)品安裝平面對(duì)角位置，選擇兩點(diǎn)平均控制，對(duì)于平板工裝，該控制方法一般均可得到良好的控制效果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。面對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)異型工裝時(shí)，控制點(diǎn)對(duì)角布置并選擇兩點(diǎn)平均控制，也可得到良好的控制效果，但控制點(diǎn)是否布置于產(chǎn)品安裝面對(duì)控制效果和響應(yīng)值的影響不大，此時(shí)控制點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)的相對(duì)位置成為響應(yīng)值的主要影響因素?？刂泣c(diǎn)位置低于監(jiān)測點(diǎn)時(shí)，將放大監(jiān)測點(diǎn)的響應(yīng)值，控制點(diǎn)位置高于監(jiān)測點(diǎn)時(shí)，將減小監(jiān)測點(diǎn)的響應(yīng)值。后續(xù)進(jìn)行異型工裝的航天器組件振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)將控制點(diǎn)布置于監(jiān)測點(diǎn)附件位置，并盡量減小控制點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)的高度差，以獲得良好的控制效果。
引用本文：
付億波,高思陽,趙沙,張景林，鄭向琳.異型工裝振動(dòng)試驗(yàn)控制點(diǎn)位置選擇與分析[J].環(huán)境技術(shù),2024,42(07):214-219+251.
來源：Internet
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