振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)控制允差的剪裁應(yīng)用

朱學(xué)旺

（中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所，綿陽(yáng) 621900）

振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)控制允差的剪裁應(yīng)用

朱學(xué)旺

（中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所，綿陽(yáng) 621900）

從工程應(yīng)用的角度，本文分析討論了GJB 150.16A對(duì)振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)控制允差的要求。結(jié)果表明，GJB150.16A對(duì)控制允差的要求是靈活的，但是未規(guī)定RMS允差，容易造成過(guò)試驗(yàn)或欠試驗(yàn)，且對(duì)加速度譜密度的控制允差要求的表述存在著一定的模糊。文中給出了解決建議。

振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)；控制；控制允差；剪裁

概述

無(wú)論是直接應(yīng)用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中推薦的預(yù)估數(shù)據(jù)，還是以特定裝備的測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)條件時(shí)，一般都要考慮適度的附加裕度——允差。適度的允差或是為了包含哪些在制定振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)條件時(shí)不能涵蓋的環(huán)境因素，如最嚴(yán)重的工況、與其它環(huán)境因素（溫度、加速度）的疊加以及三軸向振動(dòng)同時(shí)作用的耦合效應(yīng)等，或是因?yàn)闇y(cè)量數(shù)據(jù)不能涵蓋全部工況，如測(cè)點(diǎn)數(shù)量、測(cè)點(diǎn)可及性限制，還要考慮試驗(yàn)實(shí)施過(guò)程的等效模擬，如用單軸代替多軸，用夾具模擬平臺(tái)等因素[1]。

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)時(shí)，按照振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)條件允差實(shí)施試驗(yàn)控制——控制允差。不同的控制允差實(shí)現(xiàn)代表了對(duì)試驗(yàn)件的不同嚴(yán)酷程度的考核。文獻(xiàn)2簡(jiǎn)單分析了不同的控制允差對(duì)疲勞損傷程度的影響。結(jié)果表明，相同的控制允差范圍（比如±3dB），當(dāng)波動(dòng)模型不同時(shí)，疲勞損傷程度可以相差很大[2]。嚴(yán)格按照疲勞損傷程度來(lái)設(shè)計(jì)振動(dòng)試驗(yàn)控制允差不容易實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)實(shí)的做法是，無(wú)論是引用預(yù)估數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)條件還是統(tǒng)計(jì)分析測(cè)量數(shù)據(jù)獲得試驗(yàn)條件，一般都是直接按照標(biāo)準(zhǔn)中推薦的允差剪裁指南，確定具體的試驗(yàn)控制允差。

GJB 150.16A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第16部分 振動(dòng)試驗(yàn)》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)），是振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)研究中應(yīng)用最為廣泛的國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)之一。本文應(yīng)用其提供的剪裁指南，討論分析振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)控制允差的剪裁應(yīng)用。

1 標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于控制允差剪裁的提法

標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于允差剪裁的主要內(nèi)容包括：制定的

a)控制允差制定的原則：既可以單獨(dú)規(guī)定控制允差，也可以直接應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)推薦的控制允差，還可以根據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)的最小允差在試驗(yàn)前經(jīng)由研制單位和用戶確認(rèn)；

b)給出了推薦的控制允差的具體指標(biāo)：最嚴(yán)格的要求（+2.0dB，—1.0dB），退一步的要求±3dB，最低要求500Hz以下±3dB、500Hz以上（3dB，—6dB）且超差帶寬限制在試驗(yàn)總帶寬的5%之內(nèi)；

c)強(qiáng)調(diào)加速度總均方根值用于試驗(yàn)監(jiān)測(cè)（如均方根值在檢查加速度控制譜的設(shè)定中的錯(cuò)誤時(shí)是非常有用的），而不用于試驗(yàn)的控制；

d)對(duì)加速度功率譜密度測(cè)量的精度要求給出了規(guī)定，如準(zhǔn)確度要求為振動(dòng)量級(jí)的±0.5dB以內(nèi)，分析帶寬應(yīng)不大于2.5Hz(25Hz以下）或不大于5Hz(25Hz以上），快速傅立葉變換的譜線數(shù)要求以及統(tǒng)計(jì)自由度要求等等。

2 控制允差的剪裁應(yīng)用

不難看出，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)控制允差的要求體現(xiàn)了剪裁思想。簡(jiǎn)單地理解，我們既可以根據(jù)具體的試驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)分析評(píng)價(jià)獲得“另行規(guī)定”的控制允差，也可以按照標(biāo)準(zhǔn)之6.2.3.2～6.2.3.5的內(nèi)容確定控制允差，甚至當(dāng)我們無(wú)力實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)所要求的允差時(shí)，還可以根據(jù)我們的能力來(lái)放寬允差要求。前面提到，自定義控制允差絕非易事，而放寬允差則是沒(méi)有辦法而采取的妥協(xié)。就算按照標(biāo)準(zhǔn)要求，確定某一具體振動(dòng)項(xiàng)目的控制允差也會(huì)出現(xiàn)分歧。

1）標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有對(duì)均方根值允差給出明確的要求，只是定性地要求“根據(jù)試驗(yàn)變量和試驗(yàn)設(shè)備來(lái)規(guī)定均方根監(jiān)測(cè)值的允差”。簡(jiǎn)單的算例便可以說(shuō)明，即使?jié)M足標(biāo)準(zhǔn)提出的最嚴(yán)格的控制允差要求（2.0dB或－1.0dB之內(nèi)）的試驗(yàn)結(jié)果，也會(huì)出現(xiàn)我們不愿意看到的過(guò)試驗(yàn)或欠試驗(yàn)。設(shè)功率譜密度為平直譜隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。當(dāng)控制結(jié)果在全頻段均為2.0dB時(shí)，則實(shí)際實(shí)現(xiàn)的總均方根值為要求值的1.259倍，實(shí)際實(shí)現(xiàn)的加速度的峰值也是設(shè)計(jì)要求的1.259倍，這是明顯的過(guò)試驗(yàn)；當(dāng)控制結(jié)果在全頻段均為－1.0dB時(shí)，則實(shí)際加載的總均方根值為要求值的0.891倍，峰值亦降低為設(shè)計(jì)值的0.891，這是明顯的欠試驗(yàn)。不難驗(yàn)證，對(duì)其它形狀功率譜曲線規(guī)定的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)也有類(lèi)似結(jié)果。美軍標(biāo)MIL-STD-810F METHOD 514.5VIBRATION 中對(duì)均方根值的允差的規(guī)定也存在著同樣的缺陷[3]。2008年頒布執(zhí)行的美軍MIL-STD-810G METHOD 514.6 VIBRATION中，對(duì)均方根值的允差給出了明確的規(guī)定:振動(dòng)試驗(yàn)的總均方根值的偏差不超過(guò)參考值的10%[4]。

2）標(biāo)準(zhǔn)中優(yōu)先推薦的控制允差（2.0dB或－1.0dB之內(nèi)）太過(guò)嚴(yán)格，以至于標(biāo)準(zhǔn)中都認(rèn)為難以實(shí)現(xiàn)而給出了折中處理方案，“在任何情況下，整個(gè)試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)的允差應(yīng)不超過(guò)±3dB；500Hz以上可以為3dB，－6dB。這些超過(guò)允差的累積帶寬應(yīng)限制在整個(gè)試驗(yàn)頻帶范圍的5%以內(nèi)”。遺憾的是，劃線部分又帶來(lái)了理解的歧義和執(zhí)行上的困難。5%的帶寬到底是指超過(guò)優(yōu)先推薦的控制允差（2.0dB或－1.0dB之內(nèi)）還是指超過(guò)±3dB允差的那部分帶寬，并不明確。

這一部分的表述與美軍標(biāo)MIL-STD-810F METHOD 514.5 VIBRATION中相應(yīng)內(nèi)容是完全相同的[3]。也就是說(shuō)，美軍標(biāo)810F對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)控制功率譜密度的控制允差同樣存在模糊之處?；仡橤JB 150.16，與之相關(guān)的描述是“控制點(diǎn)的測(cè)量功率譜密度與規(guī)定的功率譜密度相差不得超過(guò)±3dB”。在500～2000Hz范圍內(nèi)，允許容差（即允差）為－6dB，但累計(jì)帶寬不得大于試驗(yàn)頻率范圍的5%，其描述明確易懂，為避免混淆還給出了圖示說(shuō)明。

MIL-STD-810G METHOD 514.6 VIBRATION中，對(duì)相關(guān)表述進(jìn)行了修改。首先宏觀要求要盡可能實(shí)現(xiàn)控制允差的最小化，然后給出了對(duì)控制允差的一般要求±3dB ，最后給出了當(dāng)出現(xiàn)超差時(shí)的放行處理辦法：500Hz以下 ±3 dB ，500 Hz以上±6 dB ，且?guī)捵疃嗖怀^(guò)試驗(yàn)頻率范圍的5%[4]。

由此可見(jiàn)，MIL-STD-810G METHOD 514.6 VIBRATION對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)控制允差的要求完全不同于810F。簡(jiǎn)單地說(shuō)，它不僅比810F（GJB 150.16A）要寬松，甚至比GJB 150.16還要寬松，5%帶寬的超±3dB控制譜密度可以達(dá)到±6 dB，而不是GJB 150.16要求的－6dB。

3 結(jié)論與討論

上述分析可以得出結(jié)論：

1)對(duì)RMS給出允差要求是必要的，以目前標(biāo)準(zhǔn)中推薦的預(yù)估數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)條件時(shí)，RMS值的允差按照不超過(guò)要求值的10%執(zhí)行是現(xiàn)實(shí)的；

2)除非另外規(guī)定，加速度譜密度的控制允差一般不要執(zhí)行“2.0dB或－1.0dB之內(nèi)”的要求，當(dāng)按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允差要求進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，直接應(yīng)用±3dB允差，高頻可以放寬至－6dB(有時(shí)甚至可以放寬至±6dB)，允許放寬的累計(jì)帶寬為試驗(yàn)帶寬的5%。

值得注意的是，在上述分析中，并沒(méi)有涉及加速度譜密度測(cè)量的精度問(wèn)題。實(shí)際中，因?yàn)榧铀俣茸V密度為間接測(cè)量量，其測(cè)量結(jié)果是加速度測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)適當(dāng)方法獲得的估計(jì)值，而一個(gè)隨機(jī)統(tǒng)計(jì)量的估計(jì)的精度受多種因素的影響。也許正是因?yàn)檫@些復(fù)雜性，在MILSTD-810G METHOD 514.6 VIBRATION討論允差之前明確說(shuō)明沒(méi)有考慮加速度譜密度的測(cè)量不確定度。另外如何正確理解和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)振動(dòng)測(cè)量提出的“其準(zhǔn)確度為振動(dòng)量級(jí)的±0.5dB之內(nèi)”的要求，也是值得研究討論的。

[1] GJB 150.16A-2009，軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第16部分 振動(dòng)試驗(yàn)[S].

[2]朱學(xué)旺.基于疲勞損傷分析的振動(dòng)試驗(yàn)控制誤差評(píng)價(jià)[J].航天器環(huán)境工程，2007，24(3)：182-186.

[3] MIL-STD-810F，Environmental engineering considerations and laboratory tests, METHOD 514.5VIBRATION[S].

[4] MIL-STD-810G，Environmental engineering considerations and laboratory tests ,METHOD 514.6 VIBRATION[S].

Clipping Application of the Control Tolerance of Vibration Environment Test

ZHU Xue-wang
（Institute of Systems Engineering ,CAEP, Mianyang 621900）

This paper analyzes and discusses the requirements of GJB 150.16A for the control tolerance of vibration environment test from the perspective of engineering application. The result shows that the requirements on the control tolerance in GJB 150.16A is flexible. However, due to no stipulation on RMS tolerance, it will easily result in over-test or under-test; and the description on the control tolerance of the PSD (Power Spectral Density) of an acceleration signal is fuzzy to some extent. The suggestion is presented in the paper for clipping the control tolerance.

vibration environment test；test control；control tolerance；clipping

O346.5

A

1004-7204（2014）01-0060-03

朱學(xué)旺（1963- ），男，湖北鄂州人，研究員，研究方向?yàn)閺?fù)雜結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)。