隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中確定控制點(diǎn)布置方案的方法

馬紅衛(wèi)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引言

振動(dòng)是工程技術(shù)領(lǐng)域中經(jīng)常碰到的問(wèn)題，通常將振動(dòng)分為確定性振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)兩大類(lèi)[1]。隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)是評(píng)估產(chǎn)品抗振功能、耐振強(qiáng)度，以及可靠性指標(biāo)好壞的最基本的試驗(yàn)手段，尤其是安全性、可靠性與環(huán)境適應(yīng)性要求高的航空航天結(jié)構(gòu)及其附屬結(jié)構(gòu)的振動(dòng)問(wèn)題，通常以振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果為最終判據(jù)[2]。對(duì)電子設(shè)備而言，它們?cè)谏a(chǎn)、運(yùn)輸和使用過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷多種類(lèi)型、多個(gè)量級(jí)的振動(dòng)載荷的作用，這些振動(dòng)載荷絕大多數(shù)都可以歸結(jié)為隨機(jī)振動(dòng)載荷[3]。正因?yàn)槿绱耍S機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)被廣泛地應(yīng)用于電子設(shè)備的篩選、驗(yàn)收和交付試驗(yàn)中，并且國(guó)內(nèi)外均有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)定和規(guī)范這些隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。例如：美國(guó)國(guó)防部試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn) “環(huán)境工程考慮和試驗(yàn)室試驗(yàn)” （MIL-STD-810F）和我國(guó)的軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法振動(dòng)試驗(yàn) （GJB 150.16A－2009）。隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)由于其對(duì)實(shí)際振動(dòng)環(huán)境出色的模擬能力吸引了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注，但對(duì)于隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)的研究多集中在偏理論的效果評(píng)價(jià)、載荷等效、控制策略等方面，而對(duì)于試驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中控制的實(shí)現(xiàn)方法，尤其是控制點(diǎn)的選擇方面的研究較少。

本文以電子設(shè)備隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中選擇控制點(diǎn)布置方案的必要性為切入點(diǎn)，闡述控制點(diǎn)選擇的原則，并對(duì)控制點(diǎn)的選擇方法進(jìn)行歸納、研究，給出了電子設(shè)備隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中選擇、確定控制點(diǎn)位置的方法，同時(shí)給出了控制點(diǎn)布置方案的實(shí)際案例。

1 控制點(diǎn)概述

目前，電子設(shè)備的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)主要是在電動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)中完成的?？刂泣c(diǎn)是電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)中作為閉環(huán)控制輸入的加速度計(jì)在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面、夾具或被試設(shè)備上的具體位置?？梢詫⒄駝?dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的控制儀通過(guò)控制點(diǎn)的反饋信號(hào)來(lái)調(diào)整功率放大器的輸出。

根據(jù)控制點(diǎn)數(shù)量的多少，可以將振動(dòng)試驗(yàn)的控制方式分為單點(diǎn)控制和多點(diǎn)控制。單點(diǎn)控制即只安裝一支加速度計(jì)，控制系統(tǒng)通過(guò)將該加速度計(jì)的信號(hào)與參照信號(hào)進(jìn)行比較來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)的控制，這種控制方式僅適用于試件尺寸很小的場(chǎng)合；多點(diǎn)控制又被稱(chēng)為多點(diǎn)平均控制，是通過(guò)將安裝的多支加速度計(jì)的平均信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行比較來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)量級(jí)的控制，這種控制方式的適用范圍廣，是目前工程上大、中型試件試驗(yàn)中經(jīng)常采用的控制方法。

當(dāng)采用同一種控制方法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，控制點(diǎn)位置的選擇不當(dāng)將會(huì)對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)的控制效果造成不良的影響。主要表現(xiàn)為：

1）控制系統(tǒng)無(wú)法有效地控制振動(dòng)量值，造成譜線的個(gè)別頻點(diǎn)振動(dòng)量值超差，造成控制系統(tǒng)報(bào)警停機(jī)，無(wú)法完成試驗(yàn)；

2）振動(dòng)試驗(yàn)的量值不能如實(shí)地反映試驗(yàn)所需要的規(guī)定的量級(jí)，出現(xiàn) “欠試驗(yàn)”和 “過(guò)試驗(yàn)”的現(xiàn)象，尤其是 “欠試驗(yàn)”在工程上是不允許的。

在振動(dòng)試驗(yàn)中，為了在試件上產(chǎn)生所需要的振動(dòng)量值，合理地布置控制點(diǎn)是必要的，在多點(diǎn)控制的振動(dòng)試驗(yàn)中尤其如此。

2 控制點(diǎn)布置方案的確定

前文已經(jīng)提到，振動(dòng)試驗(yàn)可以采用單點(diǎn)控制方式，也可以采用多點(diǎn)控制方式。但是，在實(shí)際試驗(yàn)中，單點(diǎn)控制方式用得很少，而多點(diǎn)控制方式由于其出色的表現(xiàn)得到了廣泛的應(yīng)用。下文將針對(duì)多點(diǎn)控制方式中控制點(diǎn)布置方案的確定進(jìn)行闡述。

選擇、確定控制點(diǎn)位置的基本要求和目的是合理地選擇控制點(diǎn)的數(shù)量和位置，使試件得到合理的考核，防止過(guò)多 “過(guò)試驗(yàn)”的出現(xiàn)，杜絕 “欠試驗(yàn)”的出現(xiàn)。

2.1 基本原則

控制點(diǎn)布置方案的選擇、確定應(yīng)遵循以下原則：

1）條件允許時(shí)，應(yīng)盡量地選擇具有多點(diǎn)控制能力的振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行摸底試驗(yàn)；

2）在振動(dòng)控制系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)，選擇盡可能多的控制點(diǎn)，一般至少選擇3個(gè)控制點(diǎn)；

3）選擇夾具上剛性較硬的地方作為控制點(diǎn)；

4）控制點(diǎn)應(yīng)盡量地靠近試件與夾具或臺(tái)面的連接點(diǎn)；

5）選擇方便安裝加速度計(jì)的位置作為控制點(diǎn)；

6）一般控制點(diǎn)不應(yīng)選在試件上，特殊情況下，如采用加速度限控制方法時(shí)[4]，可以綜合考慮臺(tái)面、夾具和試件上的各個(gè)部位來(lái)合理地選擇控制點(diǎn)；

7）根據(jù)不同的試驗(yàn)的具體要求來(lái)選擇控制點(diǎn)；

8）使用不同結(jié)構(gòu)形式的夾具時(shí)，應(yīng)選擇不同的控制點(diǎn)布置方案。

3.2 具體的方法

控制點(diǎn)布置方案的選擇、確定是一項(xiàng)極其依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)的工作。實(shí)踐中選擇、確定控制點(diǎn)布置方案的方法歸納起來(lái)主要有兩種：類(lèi)比法和試驗(yàn)法。

a）類(lèi)比法

類(lèi)比法是指根據(jù)成功的工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)選擇控制點(diǎn)的方法。該方法以豐富的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)。使用類(lèi)比法來(lái)確定控制點(diǎn)布置方案的步驟如下所述：

1）確定試件的有關(guān)要素 （這些要素主要包括試件的大小、試件的質(zhì)量、振動(dòng)試驗(yàn)的量級(jí)、試驗(yàn)方向，以及試件在試驗(yàn)夾具上的安裝狀態(tài)等）；

2）確定夾具的有關(guān)要素 （這些要素包括夾具的結(jié)構(gòu)形式、重量、夾具的動(dòng)態(tài)特性，以及夾具與臺(tái)面的連接方式等）；

3）從經(jīng)驗(yàn)中尋找可以與該試件控制點(diǎn)的布置方案相比較的成功案例；

4）初步制定試件的控制點(diǎn)布置方案；

5）控制點(diǎn)布置方案的初步試驗(yàn)驗(yàn)證；

6）試驗(yàn)驗(yàn)證與控制點(diǎn)調(diào)整；

7）確定控制點(diǎn)的布置方案。

圖1更為形象地顯示了利用類(lèi)比法確定控制點(diǎn)布置方案的詳細(xì)流程。

圖1 類(lèi)比法確定控制點(diǎn)布置方案的流程

b）試驗(yàn)法

試驗(yàn)法是指為了彌補(bǔ)試驗(yàn)操作人員經(jīng)驗(yàn)缺乏的不足，在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)有目的地選擇若干個(gè)控制點(diǎn)布置方案，通過(guò)比較各個(gè)布置方案的控制效果來(lái)最終確定控制點(diǎn)位置的方法。該方法仍以經(jīng)驗(yàn)為出發(fā)點(diǎn)，利用有限的試驗(yàn)來(lái)有效地彌補(bǔ)經(jīng)驗(yàn)缺乏的不足，應(yīng)用范圍很廣。利用試驗(yàn)法確定控制點(diǎn)布置方案的步驟如下所述：

1）利用經(jīng)驗(yàn)確定出若干個(gè)可能的控制點(diǎn)布置方案；

2）利用加速度計(jì)分別采集上述各個(gè)可能的控制點(diǎn)的響應(yīng)數(shù)據(jù)；

3）比較各個(gè)可能的控制點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并結(jié)合 “選擇控制點(diǎn)的原則”初步確定出若干個(gè)控制點(diǎn)布置方案；

4）分別采用初步確定的控制點(diǎn)選擇方案進(jìn)行短時(shí)間的試驗(yàn)，觀察振動(dòng)系統(tǒng)的控制效果；

5）選擇控制效果最好的一種控制點(diǎn)布置方案作為最終的試驗(yàn)控制點(diǎn)布置方案。

圖2更為形象地顯示了利用試驗(yàn)法確定控制點(diǎn)布置方案的詳細(xì)流程。

3.3 兩種方法的討論

上述兩種確定控制點(diǎn)布置方案的方法各有優(yōu)劣，分別適用于不同的場(chǎng)合。

類(lèi)比法的優(yōu)勢(shì)在于它是一種可以迅速地確定新設(shè)備的控制點(diǎn)布置的方法，而劣勢(shì)在于該方法需要依賴(lài)試驗(yàn)人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。類(lèi)比法主要適用于夾具結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，并且試件具有較好的繼承性的場(chǎng)合。

試驗(yàn)法雖然也要在一定程度上依賴(lài)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但是該方法以試驗(yàn)結(jié)果為主，尤其是當(dāng)其與有限元仿真技術(shù)結(jié)合時(shí)可以有效地彌補(bǔ)試驗(yàn)人員經(jīng)驗(yàn)的不足。但是，試驗(yàn)法需要耗費(fèi)一定的人力和物質(zhì)資源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以及進(jìn)行數(shù)據(jù)分析等繁雜的工作。因此，試驗(yàn)法適用于新設(shè)計(jì)的設(shè)備和夾具結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的場(chǎng)合。

下面以環(huán)境應(yīng)力篩選隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件[5]為例，對(duì)兩種方法在實(shí)際中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，試驗(yàn)條件如表1所示。

表1 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件

3 應(yīng)用

3.1 類(lèi)比法的應(yīng)用

設(shè)備1和設(shè)備2的有關(guān)要素的對(duì)比情況如表2所示。不難發(fā)現(xiàn)，二者的結(jié)構(gòu)形式相似，所采用的夾具的結(jié)構(gòu)形式相同，并且在夾具上的安裝方式也相似。因此，可以利用類(lèi)比法根據(jù)設(shè)備1的控制點(diǎn)布置 （如圖3a所示）來(lái)初步確定設(shè)備2的控制點(diǎn)布置方案 （如圖3b所示）。然后，利用配重試驗(yàn)件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)證明，初步確定的設(shè)備2的控制點(diǎn)的布置方案是可行的。振動(dòng)臺(tái)的控制曲線與理論要求曲線如圖4所示。

表2 設(shè)備要素對(duì)比表

圖3 類(lèi)比法確定控制點(diǎn)布置方案示意圖

圖4 設(shè)備2的最終控制曲線

3.2 試驗(yàn)法的應(yīng)用

某個(gè)設(shè)備的夾具的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，該夾具通過(guò)20顆M10螺栓與振動(dòng)臺(tái)連接。設(shè)備通過(guò)螺釘孔a、b、c、d與夾具連接。Y向是該夾具最“柔弱”的方向，為了避免 “欠試驗(yàn)”和減少 “過(guò)試驗(yàn)”的出現(xiàn)，需要確定Y向的控制點(diǎn)布置方案。該夾具的結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，只能通過(guò)試驗(yàn)法來(lái)確定控制點(diǎn)的布置方案。這里首先根據(jù)有限的經(jīng)驗(yàn)來(lái)初步確定4種控制點(diǎn)布置方案 （3點(diǎn)控制），如表3所示。

表3 控制點(diǎn)布置方案

圖5 夾具結(jié)構(gòu)示意圖

這里分別采集孔a、b、c、d附近的振動(dòng)響應(yīng)值并計(jì)算出各方案下這些振動(dòng)響應(yīng)值的均方根值（RMS：root mean square），進(jìn)而與理論要求的RMS值對(duì)照 （如圖6所示）來(lái)比較各個(gè)控制點(diǎn)布置方案的效果，計(jì)算所得到的RMS值與理論要求的RMS值越接近，說(shuō)明控制點(diǎn)位置的布置方案越好。在不同的控制點(diǎn)布置方案下，夾具上設(shè)備安裝螺釘孔位置的振動(dòng)響應(yīng)有所不同，但大致形狀是相似的，所測(cè)的數(shù)據(jù)如表4所示。圖7中顯示了各個(gè)方案中試件安裝處的振動(dòng)響應(yīng)曲線。圖6中顯示了測(cè)得的各方案下試件安裝處響應(yīng)值的RMS值與理論要求的RMS值之間的對(duì)比情況，從圖6中可以看出，按照方案4選擇控制點(diǎn)時(shí)，所得到的試件安裝處響應(yīng)值的RMS與理論要求的RMS最接近，因而可以初步選擇L2、L3、L63個(gè)位置為控制點(diǎn)。隨后的實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程表明，該控制點(diǎn)布置方案可以滿足試驗(yàn)要求，圖8顯示了方案4下設(shè)備試驗(yàn)時(shí)的平均控制曲線。

表4 各方案下試件安裝處響應(yīng)值 （g）

圖7 試件安裝處的振動(dòng)響應(yīng)

圖8 方案4的控制曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

從選擇、確定控制點(diǎn)布置方案的必要性和基本原則入手，詳細(xì)闡述了利用類(lèi)比法和試驗(yàn)法確定控制點(diǎn)布置方案的過(guò)程和步驟，并且對(duì)類(lèi)比法和試驗(yàn)法的優(yōu)劣進(jìn)行討論和分析；利用實(shí)例分別說(shuō)明了2種方法的應(yīng)用情況。文中提及的2種方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)合，在實(shí)踐中可以此為指導(dǎo)，針對(duì)具體的試件來(lái)確定適合的控制點(diǎn)布置方案。

[1]胡志強(qiáng)，法慶衍，洪寶林，等.隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)應(yīng)用技術(shù) [M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1996：12.

[2]姜節(jié)勝，高躍飛，顧松年.環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)的若干新進(jìn)展 [J].機(jī)械強(qiáng)度 ， 2005， 27（3） ：307-311.

[3]STEINBERG，DAVE S.Vibration analysis for electronicequipment[M].New York： John Wiley&Sons，Inc.，1998.

[4]GJB 150A-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)6.2.2[S].

[5]GJB 1032-1990，電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法，5.2[S].