3 振动试验技术讲座

可靠性测试技术之一——振动试验技术陈永祥高级工程师中国航天科技集团公司北京强度环境研究所上海试验与检测中心1、基本理论可靠性：三个“规定”——时间、环境、功能环境因素：气候、力学、生物、电磁力学环境：振动、冲击、跌落、碰撞¨¨振动危害：设备损坏、人体危害、严重事故按振动规律分类：振动确定性振动周期性振动简谐振动——正弦复杂周期振动非周期性振动准周期振动瞬态非周期振动非确定性振动（随机振动）平稳随机振动各态历经随机振动非各态历经随机振动非平稳随机振动一般非平稳随机振动瞬态随机振动1、基本理论振动的表示方法•时域——时间历程横坐标——时间；纵坐标——运动参数•频域——振动频谱（1）周期振动——频谱是若干竖直线段，离散谱周期函数可用傅立叶级数展开成许多简谐函数之和——周期振动由若干成谐波关系的简谐振动组成•方波的频谱：1、基本理论•三角波的频谱：•阻尼振动的频谱：（2）非周期振动——连续的曲线，连续谱非周期函数可用傅立叶积分表示——非周期振动由无数个谐波分量组成2、正弦振动理论正弦振动的运动参数•位移：•速度：•加速度：正弦振动的描述（1）时域描述：正弦波形（2）频域描述：•定频正弦——竖直线段；•正弦扫描——连续的曲线；()sin()vtAt()sin()xtAt2()sin()atAt122fT2()(),()()vtxtatxt幅值描述量：•峰值——幅值•峰峰值——2倍幅值•均方根值——0.707倍幅值3、随机振动理论定义：不能用确定函数描述，只能用概率和统计方法描述；随机振动的特征描述：（1）时域描述•样本函数——代表母体全部统计信息；TTdttxTx0)(1lim（2）幅值域描述•概率分布函数——瞬时幅值低于某一值的概率；•概率密度函数——瞬时幅值落在某一区间的概率；•平均值——静态分量；•方差——动态分量；•均方值——能量的大小；•均方根值——均方值的正平方根＝振动量级TTdttxTx0)(1limTTdttxTx022)(1limTTxdtxtxT022])([1lim3、随机振动理论（3）时差域描述•自相关函数——随机信号在不同时刻的相似性；用途：（1）检测混淆于随机振动过程中的确定性周期振动；（2）求自功率谱密度函数•互相关函数——两个随机振动信号之间的依赖性；用途：（1）响应对激励的滞后时间；（2）确定信号传递通道；（3）检测隐藏在噪声中的信号。TTxdttxtxTR0)()(1)(limTTxydttytxTR0)()(1)(lim3、随机振动理论（4）频率域描述•自功率谱密度函数——随机振动能量在频域的分布；自谱包含了振幅和频率信号，丢失了相位信息；“白谱”——各频率包含相等的能量→检测传递特性；•互功率谱密度函数——两个随机信号在频域上的相互关系；获取频响函数、评价操纵机构在频域内的操纵性、灵敏性和稳定性；)(xS)()(xFFTxSR)(xyS)()(xyFFTxySR4、正弦振动试验主要用途：1）模拟激励源为周期函数的振动；2）搜寻结构共振频率；3）考核试件的疲劳强度；4）与随机振动叠加产生模拟实际环境的振动（SOR——直升机，汽车发动机舱）A=VωDVA分类：正弦定频/正弦扫描•正弦扫描寻找共振频率，在共振频率定频驻留，考核疲劳强度交越频率：振动特征量由一种关系变为另一种关系的频率严酷等级——频率范围、振动幅值、扫描方式、扫描速率、持续时间gf(Hz)f1f2f3f44、正弦振动试验扫描方式：•线性扫描——频率变化是线性的→各频率振动时间相同•对数扫描——频率的对数线性变化→各频率振动次数近似相同疲劳损伤与应力交变次数有关——通常采用对数扫描扫描速率：Hz/min、Oct/min•倍频程：•快速扫描——响应来不及进入非线性，用于模态分析；•慢速扫描——激起最大的共振响应，用于搜寻共振频率；采用快慢结合的方式搜寻共振频率压缩速率——控制仪修正控制误差的速度。•太快控制不稳定，太慢容易出现超差2lg/)(lg2LHLHnffnff5、随机振动试验随机振动假设：平稳、各态历经、高斯分布•平稳——统计特性与时间无关•各态历经——每个子样可以代表过程的统计特性；•高斯分布——瞬时加速度值的概率密度函数符合高斯分布严酷等级——频率范围、加速度谱密度、总均方根、持续时间随机振动中的计算：•均方根值：•功率谱密度：（斜率）•最大推力：•最大位移：213001067FWXPP21)(ffrmsdffSA12212loglg10ffWWmrmstfagMMMFPSD(g2/Hz)f(Hz)208020003dB/oct0.04-3dB/oct350Grms=6.06g5、随机振动试验试验条件的设置：•分辨率——最大频率与谱线数之比；•自由度数——统计中独立变量的个数；•峰值因子——瞬时最大峰值与均方根的比值，通常取3σ；随机振动的均衡：•根据系统传递特性，对驱动信号进行调整，达到预定功率谱的过程；随机振动控制：•单轴振动——控制自功率谱；•多轴振动——控制各点自功率谱和各点之间的互功率谱；对数坐标：•保证小值的精度，包容较大的变化范围，使高次函数线性化；)()()(fDfHfX6、混合模式振动试验•模拟真实的工作环境——宽带随机＋正弦和/或窄带随机；•（1）正弦加随机（SoR）profile(f)high-abort(f)low-abort(f)high-alarm(f)low-alarm(f)control(f)525.0075.00100.001.00E+050.00030.00100.01000.10001.000010.0000100.00001000.00001.00E+04Frequency(Hz)(m/s2)2/Hzprofile-tone1(f)control-tone1(f)profile-tone2(f)control-tone2(f)profile-tone3(f)control-tone3(f)525.0075.00100.00158.48935.623410.0000100.0000Frequency(Hz)m/s2L1F2F3F4103800.02FtWtL2L3L4F1直升机汽车发动机6、混合模式振动•（2）随机加随机（RoR）•（3）正弦加随机加随机（SoRoR）profile(f)high-abort(f)low-abort(f)high-alarm(f)low-alarm(f)control(f)2000.0015.00100.001000.007.94330.00130.01000.10001.0000Frequency(Hz)(gn)2/Hz履带车螺旋桨飞机7、振动试验条件试验条件的获取：•实测数据、类似产品、相关标准常用标准•军工产品：GJB150、MIL-STD-810F•电子产品：GB/T2423、IEC60068；•汽车零部件：ISO16750；GM3172•轨道交通：IEC61373、TB3058；•包装运输：GB/T4857、ASTM、ISTA8、振动试验的共性问题边界条件的模拟：•正确模拟边界条件，才能保证试验的正确性；——夹具•激励试验时不需模拟实际边界条件——HALT、ESS传感器的安装位置：•控制点——夹具上试件与夹具的结合面，靠近固定点；•测量点——试件上刚度较大的位置，避免局部薄壁振动；振动控制策略•单点控制——一个控制点；•多点控制——平均、最大、最小、带谷控制(响应控制)；•运动控制——控制运动信号（加速度、速度、位移）；•力控制——避免大试件试验时过试验或欠试验；•多台并激控制——大试件、多台同步；•多维振动控制——控制各维自谱，各维之间互谱；8、振动试验的共性问题再现性——不是试验与实际环境的再现性，而是不同人在不同场合进行试验时结果的一致性(±1.0dB)≌(±10%)振动的疲劳累积效应；——加速试验振动耐久试验——通过增大量级缩短试验时间kAATT00100001SSGG振动与温湿度的综合——模拟工作环境、温度引起材料性能的改变、振动传递特性变化（RGT/汽车）；温度与振动综合——传感器灵敏度变化的影响；多维振动试验——更真实模拟实际环境；故障处理——FRACS（定位准确、机理清楚、措施有效、举一反三）9、振动试验夹具夹具作用：•模拟边界条件；传递振动能量夹具的基本要求：•1）真实模拟边界条件；•2）方便与振动台和试件连接；•3）将振动不失真的传递给试件；•4）重量轻；夹具的动态特性要求：•1）一阶频率：试件一阶谐振频率和夹具的一阶谐振频率之比应在0.5~1.4之间；•2）传递特性：在+20dB和-3dB之间；•3）横向振动：不大于30%，个别频率也不应超50%；9、振动试验夹具设计原则：•1）材料选用比刚度大、阻尼大的材料；•2）制造工艺优先采用整体铸造，其次采用焊接和螺接工艺；•3）结构形式优先采用对称封闭型；•4）夹具和试件的综合重心应尽量接近振动台的中心；夹具的测试：•A、锤击响应法；•B、振动试验法；•1）在台面与夹具连接处安装控制点；•2）在夹具上与试件连接处安装测量点；•3）以1g的加速度在试验频率内进行扫描；•4）以试验条件进行试验，检验控制谱是否在误差范围内；夹具设计流程：mkf10、典型试验轨道交通汽车零部件风电设备消费电子医疗设备包装运输结束语•交叉学科——控制理论、动力学、信号处理、电工学等交叉渗透；•工程性强——理论性与工程性结合非常紧密，工程经验很重要；•关键环节——试验条件、边界模拟、振动控制、数据分析；•精益求精——没有最好，只有更好；Thankyou