第三章-正弦振动试验

正弦振动试验正弦振动试验的分类：•正弦振动试验有定频和扫描两种试验类型。•扫描试验又有线性和对数两种扫描方式。•卫星及其组件的正弦振动试验，根据环境要求，一般仅做对数扫描振动试验。定频正弦振动试验•正弦振动频率始终不变的试验叫定频正弦振动试验。一般是模拟转速固定的旋转机械引起的振动，或结构固有频率处的振动。定频试验中有一部分是振动强度试验，考核疲劳强度。扫频正弦振动试验•扫频试验中频率将按一定的规律发生变化，而振动量级是频率的函数。分为线性扫描和对数扫描。•线性扫描频率变化是线性的，即单位时间扫过多少赫兹，单位是Hz/s或Hz/min，这种扫描用于细找共振频率的试验。•对数扫描频率变化按对数变化，扫描率可以是oct/min,oct/s，oct是倍频程。对数扫描的意思是相同时间扫过的频率倍频程数是相同的。对数扫描时低频扫得慢而高频扫得快。一、常用参数的换算•（1）运动参数的换算•正弦振动试验中常用的运动参数是位移、速度、加速度。一个正弦振动信号的位移、速度、加速度可分别由下列公式表示：位移幅值，速度幅值，加速度幅值之间的关系可以表示为：（2）扫描速度和扫描持续时间的换算：•对线性扫描，其扫描速度可以用试验规范中给出的上下限频率之差，除以扫描持续时间来计算。•对对数扫描有下式：扫描时间或扫描率计算•扫描时间=扫描带宽/扫描率•如从5Hz扫到105Hz，扫描带宽为105Hz-5Hz=100Hz，扫描率为0.5Hz/s，则扫描总时间为T=100/0.5=200s二、正弦扫描试验的试验条件和容差1)试验条件•正弦振动试验条件包括试验频率范围、试验量级、扫描速度或扫描持续时间及试验方向。试验量级常以表格形式或幅频曲线形式给出。下图为以幅频曲线形式给出的卫星组件典型的正弦扫描振动试验条件：（2）试验容差•严格地说，试验容差也是试验条件的组成部分，因为制定试验条件时就已经考虑了试验误差的因素。试验时能否满足容差要求决定了试验的有效性。根据中国军标GJB1027的规定，卫星及其组件的正弦振动试验容差为：•A.频率+-0.5Hz(25Hz)•+-2%(=25Hz)•B.加速度幅值+-10%(200Hz)•+-15%(=200Hz)经验表明，满足加速度幅值的容差要求并不容易，因为控制精度与许多因素有关。例如，控制系统的动态范围和压缩速度、试验夹具和试验安装的合理性、试件本身的动特性等都可能影响控制精度。三、正弦振动试验的方法•正弦扫描振动试验条件要求振动控制仪能够保证振动台处在规定的频率上，并以规定的扫描速度对产品施加规定幅值的振动。一般的数字式振动控制系统都具有这种功能。随着计算机技术的发展和普及，数字式振动控制系统逐渐被广泛采用。•模拟式正弦振动控制仪一般由扫描信号器（振荡器）、压缩器、可变增益放大器和振动计四部分组成。•下图为正弦振动控制原理图。由振荡器产生的一个功率变化、振幅恒定的正弦电压信号，经过可变增益放大器输给功率放大器，功率放大器把信号放大驱动振动台。安装在台面上的加速度计将机械量转换成电压信号，经过电荷放大器适调放大反馈给正弦振动控制仪的振动计和压缩器。压缩器将台面的实际振动量级和要求的振动量级加以比较，并给可变增益放大器提供一个电压，将实际振动调整到要求的振动量级，以保证振动台按要求的试验条件振动。•数字正弦振动控制系统如下图，其中心是一台计算机，正弦位码产生后，一切均由计算机进行控制。其中低通滤波器是用于平滑输出信号和滤除输入的高次谐波。这种数字正弦振动控制系统，由于采用了计算机和正弦位码产生器，其频率精度、幅值控制精度、频率分辨率、扫频控制精度等诸参数，均优于模拟控制系统。但在高频段的实时控制方面与模拟控制系统相比还有不足之处。（1）振动台的选择•选用振动台应满足试验条件规定的频率范围、最大加速度和最大位移等基本要求。a.频率范围振动台的使用频率范围应满足试验条件规定的上下限频率要求。b.推力估算根据试验产品、试验夹具、振动台动框、台面（或水平滑台台面）总质量和试验最大加速度所估算出来的需用推力，应小于振动台额定推力：FT=maF0式中FT--试验需用推力,N;•m--试件、夹具、台面、动框组成的运动系统总有效质量，Ｋg;•a–试验规范给定的最大加速度，m/s2;•F0–振动台的额定推力，N;•c.最大位移估算•试验规范中给定的最大位移幅度或根据最大加速度所计算出来的最大位移应小于振动台的最大额定位移，其近似值如下式：D=250a/f2Dmax•式中D—计算出的最大位移，mm；•f—与加速度对应的频率，Hz;•Dmax—电动振动台给定的最大位移，mm;•在频率较低时，虽然其加速度不大，但其位移可能较大，因此要特别注意低频时的位移检验。•d.最大速度估算•根据试验条件，计算出的最大速度应小于振动台的最大额定速度。（2）试件的安装与固定•试件与夹具或试件与振动台台面的连接应能模拟试件的实际安装情况，严格禁止严重影响试验效果的安装方式。•试件与夹具或试件与振动台台面的连接要牢靠，其接触面不宜过大。最好将连接孔处加工成凸台形式，或用垫圈垫起，以确保接触良好，减少振动波形失真。•夹具与振动台台面的连接螺栓要有足够的强度和刚度，以保证振动试验时有平坦的传递特性，因此连接螺栓的固有频率fr应不低于试验的上限频率fmax,即式中n——螺栓个数；d——螺栓直径，m；l——螺栓有效长度，m；fmax——试验上限频率，Hz；m——夹具与试件的总质量，kg；E——材料弹性模量，Pa可计算螺栓的直径、个数及材料．max21fmKfr将连续螺栓刚度K=AE/L，连接螺栓截面积A，代入上式，则有Emfldn2max2)2(4（3）振动控制点的位置和控制加速度计的安装•a．振动控制点的位置•振动控制点的位置应能使试件在振动试验中的振级输入较真实地模拟实际振动环境．控制点选择一般应遵循两个原则：•1）控制点的位置应选在试件与振动夹具连接面上的连接螺孔附近．没有夹具的则选在试件与振动台面的连接螺栓附近．•2）振动控制点应远离干扰源．如天线、电机、及易出现撞击和噪声的部位．•b．控制加速度计的安装•安装控制加速度计时，应使加速度计与地绝缘，以减少接地回路引起的噪声电平．否则由于噪声电平过大，影响控制质量，降低了控制精度．通常选用薄的胶木片和小的胶木块作为绝缘材料．•控制加速度计的安装优先采用螺接方式．因螺接方式最牢靠，即使在很高的量级下振动，加速度计也不致脱落．其次采用胶接方式，通过胶水与绝缘薄片把加速计直接粘在控制点部位．这种方法简单、方便、灵活，但在高振动量级时，加速度计可能会发生脱落现象．（4）振动控制仪压缩速度的选择•在正弦扫描振动试验中，在频率缓慢变化下，输给振动台一个合适的驱动信号，以保证控制振动量级不变．但是由于试件、夹具及振动台等的共振及反共振，如要保持试件的输入振动量级不变，则振动控制仪的输出电压需相应改变.•例如当试件共振时，台面振动量级增加，将引起控制点加速度计输出电压的增加，此时振动控制仪输出电压乃至振动台输入功率会自动地减小，直至恢复到变化前的同样振动量级为止．当控制加速度计感觉到振动量级增加或减小时，振动台的输入功率不是自动地减小或增加，而是用一定的时间恢复原来的振动量级，这就是所谓调节速度的时间常数，也就是压缩速度．因此压缩速度选择的好坏直接影响到控制精度．•一般振动控制仪上的压缩速度vp有两种方式，一种是与频率无关的常压缩速度，另一种是随频频变化的压缩速度．选择时根据试件固有频率fr的高低，放大因子Q值的大小，以及扫描速度vb等因素确定．•放大因子Q值高，扫描速度小，固有频率低者选择慢的压缩速度．•上面的压缩速度选择依据仅仅是原则性的，一般情况是凭借经验．对于重要试件，可以在低振级下反复调试压缩速度，以得到满意结果为止．对一般试件，通常选取中等压缩速度即可．四、正弦振动试验响应数据处理•卫星及其组件在振动试验中经常涉及到两种数据类型，一是正弦数据，一是随机数据．•正弦扫描振动响应数据虽然是确定性的周期数据，但它又是非稳态的，随着频率的线性或对数变化，幅值也在不断地改变．另外，在振动试验中，由于卫星及其组件是一个多自由度的复杂系统，常常因为彼此间相互作用而使响应信号成为具有波形失真的准周期信号•正弦扫描振动试验典型的输入输出波形，对该类数据一般要求给出它的幅频特性1、正弦扫描振动数据处理•对于正弦扫描振动响应数据，一般要求给出它的幅频特性，因此信号的频率辨识及其相应的幅频分析就成为处理该类数据的主要内容．(1)频率跟踪辨识•正弦扫描振动数据是非稳态信号，频率随时间按线性或对数规律变化，振动激励的频率应跟踪辨识．频率辨识可以用锁相电路或跟踪滤波器硬件实现，也可以用数字跟踪滤波或快速傅氏变换软件实现．这里介绍数字跟踪滤波的频率辨识算法．在扫描某一瞬时，振动数据的离散时间序列可模型化为AR(2)模型．通过离散时间序列与AR(2)模型的最小二乘拟合，可获得模型系数a1和a2的估计．该瞬间的振动激励频率ft可按下式估计•式中Δt—采样时间间隔；(2)响应幅值•对应激励频率ft的响应幅值估计有四种可选形式．•a．峰值响应•信号不进行任何滤波，只检测一个周期或几个周期内响应离散时间序列的最大绝对值作为该频率上的响应幅值．•b．平均值•计算一个或几个周期内响应离散时间序列绝对值的平均值，用平均值乘以π/2作为该激励频率上部分滤去高次谐波分量和随机噪声干扰影响后的响应幅值．•c．均方根值•计算一个或几个周期内响应离散时间序列的均方根值，用均方根值乘以作为该激励频率的响应幅值．