某大型振動(dòng)試驗(yàn)工裝研究*

王 朋

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

某大型振動(dòng)試驗(yàn)工裝研究*

王 朋

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

機(jī)載雷達(dá)振動(dòng)試驗(yàn)是機(jī)載雷達(dá)研制過(guò)程中不可缺少的過(guò)程之一，而振動(dòng)工裝設(shè)計(jì)的合理性決定了振動(dòng)試驗(yàn)的真實(shí)性和可靠性。傳統(tǒng)工裝設(shè)計(jì)忽略了振動(dòng)正交耦合的影響，使雷達(dá)天線單元處于過(guò)試驗(yàn)狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)毀壞雷達(dá)天線單元。文中通過(guò)有限元仿真和試驗(yàn)分析了某機(jī)載雷達(dá)天線單元振動(dòng)工裝的振動(dòng)特性。結(jié)果表明，該振動(dòng)試驗(yàn)工裝的固有頻率和振動(dòng)傳遞率均滿足設(shè)計(jì)和試驗(yàn)要求，但正交耦合現(xiàn)象較為明顯。最后對(duì)該工裝提出了設(shè)計(jì)改進(jìn)措施，可為今后類似振動(dòng)工裝的設(shè)計(jì)和研究提供有益的參考。

機(jī)載雷達(dá)；振動(dòng)試驗(yàn)；工裝；正交耦合

引 言

對(duì)于機(jī)載雷達(dá)天線單元，振動(dòng)試驗(yàn)是其研制過(guò)程中必須進(jìn)行的環(huán)境試驗(yàn)[1]，其目的是考核天線單元能否承受載機(jī)起飛、滑行及降落過(guò)程中可能遇到的振動(dòng)和沖擊等動(dòng)態(tài)環(huán)境。

隨著機(jī)載雷達(dá)天線單元的大型化發(fā)展，雷達(dá)天線(特別是懸掛結(jié)構(gòu))無(wú)法直接固定在振動(dòng)臺(tái)面上進(jìn)行試驗(yàn)，因此需要設(shè)計(jì)振動(dòng)工裝，將雷達(dá)天線單元與振動(dòng)臺(tái)連接起來(lái)。振動(dòng)工裝性能的好壞決定了振動(dòng)試驗(yàn)的可靠度和真實(shí)度。為了將振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)特性如實(shí)地傳遞給天線單元，環(huán)境試驗(yàn)工裝不僅要有很好的剛度和強(qiáng)度，還要有較高的固有頻率，且其固有頻率一般要高于天線單元頻率的3～5倍[2]。

傳統(tǒng)的環(huán)境試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)[2-3]只關(guān)注振動(dòng)工裝的剛度、強(qiáng)度、固有頻率及工裝傳遞率，忽略了振動(dòng)工裝正交耦合對(duì)測(cè)試件的影響。當(dāng)正交耦合性較大時(shí)試件會(huì)處于過(guò)試驗(yàn)狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)粴?。本文針?duì)某機(jī)載雷達(dá)天線單元的振動(dòng)試驗(yàn)工裝進(jìn)行分析與試驗(yàn)測(cè)量，指出工裝設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，并提出設(shè)計(jì)改進(jìn)措施，可為今后振動(dòng)工裝的設(shè)計(jì)提供參考。

1 振動(dòng)工裝設(shè)計(jì)

根據(jù)某機(jī)載雷達(dá)天線單元振動(dòng)工裝系統(tǒng)要求和天線單元安裝要求，受振動(dòng)臺(tái)擴(kuò)展臺(tái)面限制，設(shè)計(jì)的振動(dòng)工裝如圖1所示。

圖1 振動(dòng)工裝

工裝設(shè)置4處吊點(diǎn)，安裝4個(gè)吊環(huán)螺釘，利用吊環(huán)螺釘將振動(dòng)工裝吊起，用螺栓將振動(dòng)工裝連接在振動(dòng)臺(tái)面上，拆下吊環(huán)螺釘后，將雷達(dá)天線吊裝在工裝上，模擬雷達(dá)天線與載機(jī)的吊裝方式。安裝后的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)狀態(tài)如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)狀態(tài)

2 仿真分析

對(duì)振動(dòng)工裝建立有限元模型(如圖3所示)，約束位置為與振動(dòng)臺(tái)面的接觸部分。通過(guò)有限元分析得到的振動(dòng)工裝模態(tài)參數(shù)見表1，其1階模態(tài)云圖如圖4所示。

圖3 工裝有限元模型

圖4 工裝1階模態(tài)

模態(tài)固有頻率/Hz振型1203.60Z向扭轉(zhuǎn)2205.20Z向扭轉(zhuǎn)+彎曲3221.65X向擺動(dòng)4222.80X向扭轉(zhuǎn)+Z向彎曲5334.30Z向扭轉(zhuǎn)+彎曲6334.80Z向扭轉(zhuǎn)+Y向彎曲

由分析可知，振動(dòng)工裝1階模態(tài)為203.6 Hz，天線單元的固有頻率為33.8 Hz,工裝1階固有頻率是天線單元的6.02倍，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 試驗(yàn)測(cè)量

在振動(dòng)試驗(yàn)中，按照振動(dòng)試驗(yàn)量級(jí)對(duì)工裝進(jìn)行正弦掃描振動(dòng)試驗(yàn)[4]，測(cè)得其1階固有頻率為173.6 Hz，與仿真分析結(jié)果有一定的誤差，其主要原因是仿真建模時(shí)將螺栓連接當(dāng)作剛性連接處理了。

在進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)工裝的邊緣有一定的懸空。為了考察試驗(yàn)的正交耦合性能，將天線單元安裝到振動(dòng)工裝上，在天線安裝點(diǎn)處和臺(tái)面上分別布置測(cè)點(diǎn)，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置位置和方向見表2和圖5。為了測(cè)量振動(dòng)傳遞到天線單元的響應(yīng)，在天線前端的1個(gè)安裝吊點(diǎn)處布置測(cè)點(diǎn)1；為了測(cè)量擴(kuò)展平臺(tái)最外端的振動(dòng)響應(yīng)，在擴(kuò)展平臺(tái)懸臂最大處布置測(cè)點(diǎn)2；為了測(cè)量安裝架與擴(kuò)展平臺(tái)連接處的響應(yīng)，分別布置了測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)4；為了測(cè)量振動(dòng)臺(tái)與擴(kuò)展平臺(tái)中心處的振動(dòng)響應(yīng)，布置了測(cè)點(diǎn)5。在Z向隨機(jī)振動(dòng)下分別測(cè)量了各測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)，結(jié)果見表3。各測(cè)點(diǎn)的加速度功率譜密度曲線如圖6所示。

表2 工裝各測(cè)點(diǎn)位置說(shuō)明

圖5 工裝測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)點(diǎn)響應(yīng)方向響應(yīng)RMS耦合比/%1X11.8g226.9Y3.0g57.7Z5.2g—2X1.9g23.5Y2.1g25.9Z8.1g—3X1.6g55.2Y2.1g72.4Z2.9g—4X1.7g51.5Y2.0g60.6Z3.3g—5Z4.9g—

圖6 各測(cè)點(diǎn)的加速度功率譜密度曲線

振動(dòng)激勵(lì)的RMS值為4.8g，振動(dòng)工裝與天線單元連接點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)RMS值為5.29g。試驗(yàn)結(jié)果表明：工裝的傳遞率為1.10，滿足工裝設(shè)計(jì)要求。但是通過(guò)對(duì)比各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：在測(cè)點(diǎn)1(天線單元與工裝連接點(diǎn))的三向響應(yīng)數(shù)據(jù)中，Z向(振動(dòng)方向)上的響應(yīng)RMS值為5.29g，X向和Y向上的響應(yīng)RMS值分別為11.8g和3.0g，與Z向響應(yīng)RMS值的比值分別為226.9%和57.7%，正交耦合非常明顯，特別是在X向上，其振動(dòng)響應(yīng)RMS值為Z向的2倍多。從功率譜曲線的形狀和峰值位置可知，X向振動(dòng)的能量主要集中在低頻段，其原因是天線和工裝在X向上的整體剛度較低。從轉(zhuǎn)接臺(tái)面上測(cè)點(diǎn)2、3、4的各向響應(yīng)RMS值對(duì)比可知，這幾點(diǎn)的振動(dòng)耦合響應(yīng)雖沒有測(cè)點(diǎn)1明顯，但也存在著一定的正交耦合，且臺(tái)面上的振動(dòng)響應(yīng)RMS值離散性較大。

4 工裝改進(jìn)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)造成正交耦合現(xiàn)象的主要原因是工裝在某一方向上的整體剛度較低。為了避免正交耦合現(xiàn)象的發(fā)生，使試驗(yàn)件處于過(guò)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，對(duì)工裝進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的工裝如圖7所示。

圖7 改進(jìn)后的工裝

為了對(duì)試驗(yàn)工裝的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行有效檢定，采用基于模態(tài)法的正弦振動(dòng)有限元分析，考察工裝結(jié)構(gòu)的傳遞性、正交耦合性、天線單元與試驗(yàn)工裝連接各點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)的均勻性等指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求。將試驗(yàn)工裝上用于天線安裝的6個(gè)接口分別命名為AZD-1-1、AZD-1-2、AZD-1-3、AZD-2-1、AZD-2-2和AZD-2-3，如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)工裝天線單元安裝接口

通過(guò)有限元分析得到工裝Z向的正弦振動(dòng)分析結(jié)果，包括各安裝接口的傳遞率曲線(0～1 000 Hz)、正交耦合比曲線(0～500 Hz)以及均勻性偏差曲線(0～1 000 Hz)，如圖9～圖11所示。

圖9 Z向試驗(yàn)工裝傳遞率曲線

圖10 Z向試驗(yàn)工裝正交耦合比曲線

圖11 Z向試驗(yàn)工裝均勻性偏差曲線

從試驗(yàn)工裝各安裝接口的均勻性偏差曲線可以看出，各安裝點(diǎn)的加速度響應(yīng)較為均勻；從工裝安裝接口的傳遞率曲線可以看出，除共振點(diǎn)外，其余傳遞率均小于2；試驗(yàn)工裝結(jié)構(gòu)的正交耦合比在0～1 000 Hz范圍內(nèi)均低于0.6。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的工裝能夠滿足試驗(yàn)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)載雷達(dá)振動(dòng)試驗(yàn)是機(jī)載雷達(dá)研制過(guò)程中必不可少的過(guò)程之一，而振動(dòng)工裝性能的好壞決定了振動(dòng)試驗(yàn)的可靠度和真實(shí)度。本文針對(duì)某機(jī)載雷達(dá)振動(dòng)試驗(yàn)工裝進(jìn)行分析，探討了振動(dòng)試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的事項(xiàng)，指出傳統(tǒng)工裝設(shè)計(jì)只關(guān)注設(shè)計(jì)工裝的固有頻率及傳遞率，而忽略了工裝正交耦合現(xiàn)象對(duì)試驗(yàn)的影響，從而使試驗(yàn)件處于過(guò)試驗(yàn)狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)脑囼?yàn)件。文中針對(duì)工裝提出了規(guī)避正交耦合性的設(shè)計(jì)措施，可供類似振動(dòng)試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)參考。

[1] 曹燎原, 田珂. 懸掛裝置連接框裂紋分析[J]. 失效分析與預(yù)防, 2012, 7(3): 188-191, 205.

[2] 田海英, 聶品, 董斌, 等. 一種航空遙感器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)工裝的設(shè)計(jì)與分析[J]. 長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 35(4): 18-20.

[3] 黃佳婕, 衛(wèi)佳, 廖云龍. 衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)[J]. 火箭推進(jìn), 2013, 39(1): 72-76.

[4] 倪振華. 振動(dòng)力學(xué)[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2007.

王 朋(1985-), 男, 博士, 工程師, 主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)工作。

Research on a Large-scale Vibration Test Fixture

WANG Peng

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

The vibration test for the airborne radar is one of the indispensable processes in the radar design. And the performance of vibration fixture determines the authenticity and reliability of the vibration test. In the traditional fixture design the effect of quadrature is neglected. As a result, the radar antenna is in the over-test condition, even is destroyed in some serious cases. The vibration characteristics of the airborne antenna vibration fixture are analyzed by finite element method and experiment in this paper. The result shows that the vibration transmission rate and the natural frequency of the vibration fixture satisfy the requirements of design and test, but the quadrature phenomenon is obvious. Finally, the improvement measures are put fonward for this vibration fixture. This can provide good reference for further design and research of the similar vibration test fixture.

airborne radar; vibration test; test fixture; quadrature

2016-06-30

TN82

A

1008-5300(2016)05-0016-04