導彈飛行振動環(huán)境地面模擬試驗方法

劉青林，陳穎，田光明，李明海

（中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽 621900）

導彈飛行振動環(huán)境地面模擬試驗方法

劉青林，陳穎，田光明，李明海

（中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽 621900）

分析了導彈飛行環(huán)境的載荷特征和環(huán)境條件，指出了目前常用的試驗方法在某些情況下存在的不足。簡要介紹了振動-噪聲復合試驗方法及柔性懸掛-多點激勵試驗方法，并分析了其優(yōu)、缺點。振動-噪聲復合試驗方法可更有效地模擬飛行過程中的寬頻帶振動環(huán)境，多點激勵試驗方法可對飛行過程中的面載荷進行有效模擬，采用柔性懸掛可模擬飛行過程中的自由邊界。這些試驗方法與傳統(tǒng)試驗方法相互補充，可更精確地模擬導彈飛行振動環(huán)境。

寬頻帶；面載荷；自由邊界

導彈武器系統(tǒng)在其壽命周期內(nèi)可能會經(jīng)歷貯存、運輸、飛行等任務環(huán)境[1]，其中飛行過程所遭受的環(huán)境載荷最為嚴酷。高速飛行的導彈，外表面的高超音速繞流流場將誘發(fā)復雜的振動、過載、高溫及其他環(huán)境，其中振動環(huán)境有可能造成結(jié)構(gòu)破壞、松動、電路板焊點脫落等，直接影響到了裝備的可靠性。因此，對導彈飛行振動環(huán)境與地面模擬試驗方法進行研究是裝備環(huán)境工程專業(yè)的一項重要工作內(nèi)容。

1　導彈飛行環(huán)境分析

1.1 載荷特征

與其他任務剖面相比，導彈高速飛行過程中所經(jīng)歷的振動環(huán)境主要有以下特征。

1) 寬頻帶：飛行過程中結(jié)構(gòu)振動響應的主要特點之一為載荷及響應頻域范圍寬。其中，由機械傳遞的振動的頻率范圍為0～2 000 Hz，而噪聲激勵的頻率范圍可達10～10 000 Hz[2—4]。振動激勵對質(zhì)量-彈簧類結(jié)構(gòu)作用效果更為明顯，噪聲激勵對板殼類結(jié)構(gòu)作用效果更明顯[5]，且導彈內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，各元器件有其不同的敏感頻段，因此要求地面模擬試驗載荷頻率范圍盡可能與實際一致。

2) 面載荷：導彈的起飛及再入階段是在大氣層內(nèi)飛行，作用于殼體外表面的氣動湍流是彈上設備振動環(huán)境的主要能量來源[6]，受彈體外形、飛行速度、攻角等的影響[7]，氣動湍流在殼體的不同部位產(chǎn)生的振動載荷有較大的差異[8]。

3) 自由邊界：導彈飛行過程中其邊界處無任何約束，在外激勵作用下，其模態(tài)響應以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部的振動傳遞均是自由邊界條件。

導彈飛行振動環(huán)境的寬頻帶、面載荷、自由邊界三個特征，對地面振動模擬技術(shù)提出了特殊要求，為了更真實地對導彈飛行振動環(huán)境進行模擬，考核飛行振動環(huán)境下導彈的結(jié)構(gòu)完整性和工作可靠性，制定合理的振動試驗條件，并采用合適的地面試驗方法是很有必要的。

1.2 現(xiàn)有方法的不足

受地面試驗技術(shù)條件限制，目前針對飛行振動環(huán)境常用的地面模擬試驗方法是采用基礎激勵振動試驗模擬2000 Hz以下的振動環(huán)境[9]。在實施時，將試驗件通過理想剛性夾具與振動臺相連接，振動臺產(chǎn)生的激勵只能通過夾具與振動臺的連接（如包帶）處傳遞給產(chǎn)品[10—11]，試驗系統(tǒng)如圖1所示。

該試驗方法有一定的有效性，但也有其局限性，主要體現(xiàn)在以下方面：

1) 單項振動試驗難以模擬飛行過程中載荷的寬頻帶特性。隨機振動試驗時，能量傳遞路徑相當于一個低通濾波器，在基礎頻率以上的激勵頻率開始衰減，從而造成高頻能量無法有效傳遞到結(jié)構(gòu)上相應的部位[12—13]；噪聲試驗受試驗室自身容積的限制，低頻區(qū)（200 Hz以下）模態(tài)密度偏小，往往在低頻區(qū)難以對結(jié)構(gòu)固有特性充分激勵。在某些情況下，復合環(huán)境對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的作用結(jié)果并不是每個單項環(huán)境作用結(jié)果的簡單迭加，復合載荷有可能激發(fā)單項載荷無法激發(fā)的故障模式[14]。

圖1 振動試驗系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of the vibration testing system

2) 單臺基礎激勵振動試驗無法模擬飛行振動環(huán)境載荷的面分布特性。導彈的起飛過程中，氣動湍流作用于殼體外表面，其能量傳遞路徑是從殼體外表面?zhèn)髦羶?nèi)部結(jié)構(gòu)，且在殼體的不同部位產(chǎn)生的振動載荷有較大的差異。單臺基礎激勵實質(zhì)上是把試驗件受到的面載荷轉(zhuǎn)換變成了集中載荷，且單臺激勵只能對一個點的響應情況進行控制（多點控制時實際是通過一定的算法將多個點的響應合成為一個虛擬的點），控制系統(tǒng)難以兼顧試件上的多點響應情況，由此可能導致結(jié)構(gòu)局部欠試驗或過試驗[15—16]。

3) 試驗過程中試驗件安裝固定方式與飛行過程中的自由邊界不吻合。在振動試驗實施時，將試驗件通過夾具與振動臺相連接，把自由邊界狀態(tài)變成了約束狀態(tài)。與自由邊界相比，約束邊界狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型、模態(tài)頻率必然出現(xiàn)明顯的變化，結(jié)構(gòu)響應與真實狀況必然存在較大的差異[17]。

近年來，為提高地面模擬試驗的真實性，國內(nèi)外諸多學者圍繞飛行振動環(huán)境的寬頻帶、面載荷、自由邊界特性的地面模擬試驗方法開展了研究，取得了一系列研究成果。晏廷飛[18]等通過對某產(chǎn)品聲振組合環(huán)境試驗與單項試驗效果進行對比，驗證了振動-噪聲復合試驗方法的有效性；楊江[19]等開展了航天器組件聲振組合試驗及仿真技術(shù)的研究；趙保平[20—21]、王夢魁[22]、張殿坤[23]等對目前振動試驗存在的問題進行了分析，并對多維振動試驗方法的優(yōu)點及技術(shù)難點進行了闡述。中國工程物理研究院總體工程研究所也在這些方面開展了大量的研究工作，在飛行振動環(huán)境載荷的寬頻帶特性模擬方面，開展了振動-噪聲復合試驗方法研究；在飛行振動載荷面分布載荷特性及自由邊界模擬方面，開展了柔性懸掛-多點激勵試驗方法研究；在試驗平臺搭建、載荷協(xié)調(diào)加載、試驗程序制定等方面取得了一系列研究成果，有效提高了飛行振動環(huán)境模擬真實性，同時推動了試驗技術(shù)的發(fā)展。

2　振動-噪聲復合試驗

2.1 試驗原理及系統(tǒng)構(gòu)成

振動-噪聲復合試驗的原理即同時將這兩種載荷施加到試件上，其中振動載荷由振動臺施加，噪聲載荷通過混響場噪聲試驗系統(tǒng)或行波管噪聲試驗系統(tǒng)施加。試驗時，振動臺放置在混響室內(nèi)（用行波管噪聲試驗系統(tǒng)時，振動臺置于行波管底部），試件通過夾具固定在振動臺上。給試件同時施加振動和噪聲兩種載荷，用二者的組合試驗來彌補隨機振動試驗高頻段和噪聲試驗低頻段的能量不足[24]。

其系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示，主要包括噪聲試驗子系統(tǒng)和振動試驗子系統(tǒng)兩大部分。噪聲試驗子系統(tǒng)由氣源、發(fā)聲器（揚聲器）、混響室、傳聲器、控制器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、功率放大器等組成；振動試驗子系統(tǒng)由振動臺、加速度傳感器、控制器、功率放大器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。

圖2 振動噪聲復合試驗系統(tǒng)Fig.2 Schematic diagram of the vibro-acoustic testing system

2.2 試驗控制

2.2.1 控制方式選擇

單項噪聲試驗有三種控制方式，單項振動試驗有五種控制方式，對兩種載荷的控制方式進行組合后，分析可用于振動-噪聲復合試驗的控制方式，圖 3中連線的組合理論上都可用于振動-噪聲復合試驗。

圖3 振動-噪聲復合試驗控制方式Fig.3 Control method of the vibro-acoustic test

與閉環(huán)控制相比，開環(huán)控制中兩種載荷基本可以認為是相互獨立的，更易于實現(xiàn)，但閉環(huán)控制可更精確控制兩種載荷的量級及譜形。因此，推薦兩種載荷均采用閉環(huán)控制的控制方式。

2.2.2 兩種載荷同時施加對控制結(jié)果的影響

2.2.2.1 振動對噪聲控制結(jié)果影響

振動臺運行會出現(xiàn)明顯的噪聲，這類噪聲不是由發(fā)聲器產(chǎn)生的，不受噪聲控制器的控制。若在某些頻段出現(xiàn)運行噪聲量級過大，可能會對噪聲控制結(jié)果造成明顯影響。通過實測多種工況下隨機振動試驗時振動臺的運行噪聲，結(jié)果表明，大部分情況下，振動臺運行噪聲總聲壓級在120 dB以下。

關(guān)于噪聲試驗條件，GJB 150.17A—2009和MIL-STD-810F都有這樣的描述：如果寬帶隨機噪聲總聲壓級不超過130 dB或每赫茲帶寬小于100 dB，則噪聲試驗是不需要的。即標準認為有必要進行噪聲試驗的試驗條件是總聲壓級不低于130 dB。

通常情況下，振動臺運行噪聲比噪聲標準譜低10 dB以上。分貝（dB）反映能量之間的對數(shù)關(guān)系，將這種關(guān)系轉(zhuǎn)換為線性差異，振動臺運行噪聲不超過標準聲譜總能量的3%。若在進行總聲壓級130 dB噪聲試驗過程中，振動臺運行的噪聲為120 dB，將其迭加到噪聲試驗標準譜上，在單個1/3倍頻程頻段上的總聲壓級增量不超過0.5 dB，在全頻段上總聲壓級增量不超過0.2 dB，其產(chǎn)生的增量均低于國軍標所規(guī)定的允差限（總聲壓級，1/3倍頻程聲壓級±4～±10 dB）。由此可見，即使不考慮噪聲控制器的均衡能力，振動臺運行噪聲也基本不會造成噪聲控制超出允差限，因此在試驗過程中，振動臺運行噪聲對噪聲控制的影響基本可忽略。

2.2.2.2 噪聲對振動控制結(jié)果影響

若振動控制點所在位置對噪聲載荷響應較明顯，振動控制器無法抑制該響應，也有可能引起超差。根據(jù)噪聲載荷的特點分析，噪聲載荷對薄殼類結(jié)構(gòu)作用明顯，對剛度較好的部位作用效果較差?？偮晧杭?50 dB噪聲載荷作用下，15 mm厚鋼板和5 mm厚鋁板上的響應如圖4所示。

圖4 150 dB噪聲場中15 mm厚鋼板與5 mm厚鋁板加速度響應對比Fig.4 Acceleration responses of the 15mm steel panel and the 5 mm aluminum in noise level of 150 dB

從圖4可以看出，15 mm厚鋼板上的響應基本在0.001 g2/Hz以下。振動-噪聲復合試驗時，若選擇該點為振動控制點，試驗條件為目前型號試驗常見的0.02～0.13 g2/Hz量級范圍，因噪聲載荷引入的結(jié)構(gòu)響應不超過振動試驗量級的1/10（不考慮信號相關(guān)性），這種差異在控制器可調(diào)范圍以內(nèi)，且在±3 dB允差范圍以內(nèi)。因此，噪聲載荷對振動控制的影響在可接受范圍。5 mm厚鋁板在450～1500 Hz頻段響應超過 0.01 g2/Hz，最大響應出現(xiàn)在約670 Hz，最大值為67 g2/Hz。若該點作為復合試驗振動控制點，則會出現(xiàn)嚴重超差。事實上，在實施過程中，這種情況會導致控制器自檢過程中信噪比過差而無法啟動，從而導致試驗無法進行。

由此可見，噪聲載荷對振動控制結(jié)果的影響程度會因控制點位置不同而有很大差異。只要控制點處的剛度足夠，這種影響在可接受范圍內(nèi)。對于結(jié)構(gòu)響應控制，由于控制點位于試件上，若控制點處試件剛度較弱，則可能導致復合試驗無法進行，因此合理選擇控制點位置對復合試驗的實施有重要意義。

2.3 試驗程序設計

復合試驗準備階段振動方面需先根據(jù)試驗條件與試件質(zhì)量估算所需的設備能力，振動夾具準備，試驗設備狀態(tài)檢查、試運行等。噪聲方面的準備工作包括噪聲貯氣罐充氣，根據(jù)試驗譜形及控制點分布調(diào)試控制參數(shù)，噪聲試驗設備試運行等[25]。

正式試驗階段主要流程如圖5所示，其中振動試驗系統(tǒng)、噪聲試驗系統(tǒng)應通過在控制器內(nèi)時間同步設置，盡量使振動載荷與噪聲載荷同時達到試驗量級，避免因加載時間不精確造成的欠試驗或過試驗。

圖5 振動-噪聲復合試驗主要流程Fig.5 Flow chart of the vibro-acoustic test

3　柔性懸掛-多點激勵試驗

3.1 試驗原理與系統(tǒng)構(gòu)成

多點激勵振動試驗原理是通過多個激振器同時對一個試件施加振動載荷，并通過多輸入多輸出控制系統(tǒng)控制目標點或界面的運動響應，使試件作多自由度或單自由度振動，模擬實際的隨機振動、周期振動環(huán)境或復現(xiàn)實測的振動時間歷程[26]，以考核試件經(jīng)受實際振動環(huán)境的能力。理想狀態(tài)下，多個振動臺協(xié)同加載可使試件在不同部位同時達到想要的不同載荷條件，提高試驗模擬的置信度[27—29]。多點激勵試驗系統(tǒng)主要包括兩個及以上獨立的振動臺、多輸入多輸出振動控制系統(tǒng)、測量與分析系統(tǒng)以及柔性懸掛系統(tǒng)等，系統(tǒng)組成如圖6所示。

圖6 多點激勵試驗系統(tǒng)Fig.6 Schematic diagram of the multi-exciter vibration testing system

3.2 多點激勵振動試驗條件定義

多點激勵振動試驗條件是一個 n×n階的矩陣[30]，n為控制目標點的個數(shù)，見式（1）：

式中：Gii(f)為第i個目標點（i=1，2，…，n）的振動加速度響應自功率譜密度函數(shù)；Gij(f)為第i個和第j個目標點（i=1，2，…，n，j=1，2，…，n，i≠ j）的振動加速度響應互功率譜密度函數(shù)。

對于兩點激勵振動試驗來說，激勵源為2個獨立的振動臺，控制目標點n =2，因此式（1）試驗條件矩陣變?yōu)椋?/p>

由于

因此G(f)必定是半正定的，也即對兩點激勵振動試驗來說，試驗條件矩陣式（2）總是物理可實現(xiàn)的。

3.3 柔性懸掛系統(tǒng)設計

模擬導彈自由飛振動環(huán)境時，采用柔性懸掛系統(tǒng)可以更好地模擬其自由邊界條件。柔性懸掛系統(tǒng)主要包括柔性掛索、結(jié)構(gòu)支撐架等，此外還需要振動臺激勵所需的激勵桿等。GJB 150.16A—2009中沒有包含多激振器振動試驗的內(nèi)容，但參照美軍標810F，外掛式產(chǎn)品的柔性懸掛方式有一些原則性的要求，在兩點激勵試驗中應照此來開展柔性懸掛的夾具設計：結(jié)構(gòu)支撐架彎曲振型的模態(tài)頻率盡可能高，至少是外掛一階彎曲頻率的兩倍，而且不與外掛的模態(tài)耦合；外掛、懸掛設備及結(jié)構(gòu)支承架的組合剛體模態(tài)頻率應在5～20 Hz之間，且低于外掛頻率最低彎曲頻率的一半[31]。此外，還應考慮掛點安裝、易于調(diào)整、激勵傳遞等問題。

根據(jù)以上原則，在柔性懸掛系統(tǒng)設計過程中，選用的掛索應具備如下特性：

1) 掛索剛度可調(diào)。可根據(jù)不同試件質(zhì)量要求，計算和組合得到不同剛度的掛索。

2) 掛索長度可調(diào)?？筛鶕?jù)不同試件尺寸、振動臺布局、懸掛支架的位置等，調(diào)整掛索長度，以滿足試件安裝要求。

3) 掛索受力可控?？杀O(jiān)控各掛索的受力情況，并通過調(diào)整掛索長度來改變掛索受力，以保證各掛索受力均勻。

根據(jù)以上要求，設計的柔性掛索一般由三部分組成：長度可調(diào)的吊索、變形部件（橡皮繩組/剛彈簧組）、載荷測量部件（電子吊稱/力傳感器等）。

常見的柔性掛索彈性變形部件有兩種，一種是橡皮繩，另一種是鋼彈簧。橡皮繩懸掛的優(yōu)點是剛度可調(diào)、質(zhì)量輕，其缺點是每根橡皮繩組件的多根橡皮繩長度難以完全一致，在使用過程中受力不均勻，且單根橡皮繩的剛度較低，對于質(zhì)量較大的試件，需要采用多個橡皮繩組并聯(lián)的設計。鋼彈簧的優(yōu)點在于生產(chǎn)加工工藝成熟，安裝方便，單根鋼彈簧的剛度范圍較大，使得鋼彈簧組的可調(diào)剛度范圍很大，可以滿足大質(zhì)量試件懸掛的頻率要求；鋼彈簧組的缺點是與橡皮繩組相比較質(zhì)量略大?？傮w來說，鋼彈簧組的安裝使用更為方便，可調(diào)節(jié)范圍大，安全性更好，因此試驗中推薦選鋼彈簧組作為柔性掛件。

3.4 試驗程序設計

與傳統(tǒng)試驗方法相比，采用柔性懸掛方式。試驗準備工作除了試驗設備、測控儀器的準備外，還應包括結(jié)構(gòu)支撐架準備、激振桿準備、柔性掛索準備等。采用柔性懸掛方式，試驗的一般程序如圖7所示。

圖7 多點激勵振動試驗程序Fig.7 Flow chart of the multi-exciter vibration test

4　結(jié)論

與傳統(tǒng)試驗方法相比，新試驗方法主要有以下優(yōu)點。

1) 振動-噪聲復合試驗方法實現(xiàn)了振動與噪聲載荷的同時加載，振動載荷可彌補噪聲載荷在低頻段的能量不足，噪聲載荷則可直接作用于試件表面，有效了避免振動載荷高頻能量的衰減問題，在某些情況下還可暴露單項試驗所不能暴露出的故障模式。

2) 多點激勵試驗方法可使試件上多個點同時達到指定量級，可有效地模擬飛行過程中的面載荷加載環(huán)境，改善對整個外掛設備采用單臺激勵帶來的局部欠試驗或過試驗現(xiàn)象。

3) 柔性懸掛方式可模擬導彈飛行過程中的自由邊界，提高試驗的精確性和有效性。

這些新試驗方法與傳統(tǒng)試驗方法互為補充，可為導彈飛行振動環(huán)境提供更精確、更有效的地面模擬環(huán)境。實際操作過程中應根據(jù)試件結(jié)構(gòu)特征及使用環(huán)境的特點，選取合適的試驗方法。

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Laboratory Test Methods of Vibration Environment for the Flighting Missiles

LIU Qing-lin, CHEN Ying, TIAN Guang-ming, LI Ming-hai
（China Academy of Engineering Physics, Institute of Systems Engineering, Mianyang 621900, China）

In this paper, the load characteristics and the test conditions of the environment for the flighting missiles are analyzed, and the shortcomings of the traditional test methods in some cases are pointed out. The vibro-acoustic environment test method and the flexible suspension-multi exciter vibration test method are introduced briefly. Also their virtues and shortcomings are analyzed. The vibro-acoustic environment test method can reproduce the broadband vibro-acoustic environment more accurately, and the multi-exciter vibration test method is more suitable to simulate the surface distributed load in flight. The flexible suspension method can simulate the free boundary conditions. All these test methods can complement the conventional test methods. And the rational application of these methods can reproduce the environment of the flighting missiles more accurately.

broadband; surface distributed load; free boundary

2016-08-04；Revised： 2016-08-07

10.7643/ issn.1672-9242.2016.05.011

TJ01；TB114

A

1672-9242(2016)05-0068-08

2016-08-04；

2016-08-07

劉青林（1978—），男，山東煙臺人，碩士，高級工程師，主要研究方向為振動理論與應用。

Biography：LIU Qing-lin（1978—）， Male， from Yantai， Shandong， Master， Engineer， Research focus: vibration theory and application