大尺寸結(jié)構(gòu)振動試驗系統(tǒng)淺析

魏英魁，張曉穎，胡彥平

（1.北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

大尺寸結(jié)構(gòu)振動試驗系統(tǒng)淺析

魏英魁1，張曉穎2，胡彥平1

（1.北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

研究總結(jié)了大尺寸結(jié)構(gòu)振動試驗系統(tǒng)現(xiàn)狀與振動試驗方法，解決隨著振動試件尺寸的增大而出現(xiàn)的振動試驗加載安裝尺寸不足和單臺振動臺推力不足等問題。對國內(nèi)外主要可靠性試驗室針對大尺寸振動試驗采取的方法和技術(shù)進(jìn)行了研究和總結(jié)，分析與比較不同技術(shù)和方法對于解決問題的優(yōu)劣，并介紹了采用不同方法進(jìn)行大尺寸結(jié)構(gòu)試件振動試驗案例?？偨Y(jié)并介紹了大尺寸結(jié)構(gòu)產(chǎn)品振動試驗系統(tǒng)，并對未來大尺寸結(jié)構(gòu)產(chǎn)品振動試驗系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

振動試驗；大尺寸結(jié)構(gòu)；振動試驗系統(tǒng)

振動力學(xué)環(huán)境是飛機(jī)、火箭等飛行器、風(fēng)電設(shè)備、軌道運(yùn)輸設(shè)備、電子產(chǎn)品等在服役或使用過程中最常遇到的力學(xué)環(huán)境，只有經(jīng)過振動試驗，才能完整地考核產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的可靠性及對于振動環(huán)境的適應(yīng)性，振動試驗是考核產(chǎn)品可靠性試驗的重要組成部分。

在振動試驗過程中，通常通過振動臺給產(chǎn)品施加振動載荷的方法來考核產(chǎn)品在振動環(huán)境下的可靠性[1]。對于小尺寸試驗件（試件最外圍尺寸小于振動臺面外圍尺寸），采用壓板或連接孔直接和振動臺相連；中等尺寸試驗件（試件最外圍尺寸與振動臺臺面外圍尺寸比小于 3.5），通常采取設(shè)計轉(zhuǎn)接夾具的方法來實現(xiàn)與振動臺的連接；對于中小尺寸振動試驗件采用的均為單臺單軸振動試驗系統(tǒng)，單臺單軸振動試驗方法法在航天產(chǎn)品品研制中發(fā)揮揮了重要作用，并并衍生了大量量的試驗設(shè)備備、試驗方法法和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[2——3]。對于大尺尺寸結(jié)構(gòu)試件件（尺寸比大于3.5），若設(shè)設(shè)計轉(zhuǎn)接夾具具，則因尺寸寸比過大導(dǎo)致所設(shè)計夾具斜面面坡角過大，且夾具過高高會導(dǎo)致夾具與試件安裝面距距離振動臺面面距離過大，振動傳遞性差。同時由于夾具具面大，振動動量級的均勻勻性受到較大影響，振動試驗驗容易產(chǎn)生過過試驗或欠試試驗的問題[4——5]。大尺寸試件一一般質(zhì)量較大大，普通小推推力振動臺已已不能滿足振動試試驗要求。隨隨著航天型號號產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的的大型型化、復(fù)雜化化、多樣化，傳統(tǒng)的單臺臺單軸振動試試驗系系統(tǒng)逐漸凸顯顯其能力不足足。

針對大尺尺寸結(jié)構(gòu)振動動試驗件，國國內(nèi)外振動試驗室室通常采用以以下兩種措施施解決振動載荷加載問題：采采用臺面尺寸寸更大、推力力更大的振動動臺，振動臺單臺臺推力要達(dá)到到300 kN及及以上；采用用雙臺并激或多臺臺并激的方法法，組成多臺臺單軸振動試試驗系統(tǒng)，振動控控制采用MMIMO控制，解決單臺振振動臺推力不足和和均勻性等問問題。

1　　單臺振動臺試驗系統(tǒng)

針對單臺臺振動臺推力力不足的問題，美國與歐歐洲等等發(fā)達(dá)國家積極推進(jìn)大推力電動振動臺的研制，大推推力振動臺具有更大的單臺推力，空載單臺振動臺推推力達(dá)到300 kN及以上。同時大推力振動臺軸向和和滑臺面尺寸也更大，滑臺尺寸為2.5 m×2.5 m及以以上。美國NASA振動試驗室的大推力振動試驗系系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)已順利承擔(dān)了美軍與NNASA各種型號產(chǎn)品的振動試驗[6—10]。對于大推力振振動試驗系統(tǒng)，世界上其他國家較著名的還有英國““菱”公司的LLDSV994、日本的AKAASHI EDS1354

圖1 美國NASA水平大推力振動試驗系統(tǒng)Fig.1 Horizontal large thrust vibration test system of NASA in the United States

300 kN與350 kN振動動試驗系統(tǒng)先先后完成了多多項航航天與武器型號大尺寸寸結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的振動可靠性性試驗驗。300 kN振動臺系統(tǒng)統(tǒng)進(jìn)行的CZ-3B儀器艙、雙星星整流罩振動動試驗如圖3所示，雙星整流罩、儀儀器艙艙產(chǎn)品高12m，產(chǎn)品與與工裝總質(zhì)量約8.5 t，試試驗頻頻率范圍為5～100 Hz，是當(dāng)時全國國最大規(guī)模的的單振振動臺激勵的的振動試驗。。350 kN振振動臺系統(tǒng)進(jìn)進(jìn)行的的通用電氣（GE）公司司機(jī)柜振動試試驗如圖4所所示，，北京衛(wèi)星環(huán)環(huán)境工程研究究所進(jìn)行的某某型號衛(wèi)星鏡鏡頭振振動試驗如圖圖5所示。

單臺振動臺臺試驗方法也也有其局限性，電動振動臺產(chǎn)產(chǎn)生推力的主主要部件是動動圈，由于大推力振動臺臺體體尺寸增大，，導(dǎo)致動圈質(zhì)質(zhì)量增加，其一階固有頻率減減小，這樣使使得振動臺系系統(tǒng)推力輸出增加，現(xiàn)有技術(shù)術(shù)水平已很難難將更大尺寸寸（大于350 kN電動振振動動試驗系統(tǒng)[11—12]等。

電動振動臺臺是力學(xué)環(huán)境境試驗的重要要手段，廣泛泛應(yīng)用用于衛(wèi)星、飛飛機(jī)、船舶、、高鐵、汽車車和電子等尖尖端產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的科研生生產(chǎn)過程中。。長期以來，西方發(fā)達(dá)國國家在在大推力電動動振動臺方面一直對我國實行禁運(yùn)運(yùn)封鎖鎖，特別是90 kN推力以上的大型振動臺更是嚴(yán)嚴(yán)加管管制，企圖以此來限制我國國防事業(yè)的發(fā)展[13]]。

我國在大推力電動振動臺研制方面較為突出的有北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，其主要以軍工技術(shù)為依托，，研制生產(chǎn)各各種規(guī)格的電動振動臺，在大推力振動試試驗系統(tǒng)方面面先后研制成功了300，350，700 kN電動動振動臺，并并應(yīng)用于各類類試驗中。其其中 700 kN電動動振動臺是目前為止世世界上單臺推推力最大的電動振振動臺[14]，如如圖2所示。動臺動圈尺寸）動圈一階固有頻率達(dá)到1700 Hz[15—17]。同時，由于適應(yīng)大尺寸結(jié)構(gòu)產(chǎn)品尺寸跨度大的特點，大推力振動臺滑臺尺寸增大，質(zhì)量明顯增加，在橫向試驗時，振動臺臺體輸出功率造成極大損耗。

圖2　我國成成功研制的700 kN大推力電電動振動臺Fiig.2 The 70 kkN big thrust eelectric vibratioon test system successfully deveeloped by Chinna

圖3 CZ-3B儀器艙、雙星整流罩振動試驗Fig.3 CZ-3B instrument module, binary fairing vibrationtest

圖4　通用電氣GE公司機(jī)柜振動試驗Fig.4 Vibration test of the cabinet of general electric GE

圖5　某型號衛(wèi)星鏡頭振動試驗Fig.5 Vibration test of a certain type of satellite lens

2　多臺單軸振動試驗系統(tǒng)

多臺單軸并并激振動試驗驗系統(tǒng)，多個個振動臺并聯(lián)聯(lián)沿同一方向同步步激勵或推拉拉同一個試件，振動臺間間的相位相同，可以解決單個振動臺推力不夠的難題。同時，采用多個振動臺，振動臺臺面增多，相當(dāng)于于振動臺面面積增大，大尺寸結(jié)構(gòu)產(chǎn)品可通過液壓球球頭和振動夾具與振動臺臺面進(jìn)行連接[18—20]。多臺臺單軸振動試驗系統(tǒng)采用剛度大的整體夾具與試件件進(jìn)行連接，整體夾具通過設(shè)計對接口與振動臺面進(jìn)進(jìn)行連接，試件與夾具需由橡皮繩組成的懸吊系統(tǒng)進(jìn)進(jìn)行保護(hù)，同時需要與振動臺數(shù)目相同的的液壓球頭來來進(jìn)行行解耦，某典典型細(xì)長大尺尺寸結(jié)構(gòu)試驗驗件雙臺同軸軸試驗驗系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 典型細(xì)長長大結(jié)構(gòu)試件雙臺并同軸振振動試驗系統(tǒng)Fig.6 Double sstage and coaxiial vibration teest system for a typical slendeer structure

這種試驗系系統(tǒng)的優(yōu)勢在在于：對于細(xì)細(xì)長體結(jié)構(gòu)的的振動動試驗，使試試件的振動載載荷分布更加加均勻、合理理、真實實，減少單臺臺激勵帶來的的應(yīng)力集中，，減輕局部欠欠試驗驗或過試驗程程度；使夾具具設(shè)計更加靈靈活方便；解解決了了單臺振動臺臺推力不足問問題，振動臺臺推力和試驗驗量級級均得到了明明顯提升?？煽筛鶕?jù)所做試試驗件的質(zhì)量量和試試驗量級來增增加或者撤換換相應(yīng)的振動動臺。

對于多臺單單軸振動試驗驗系統(tǒng)，國外外振動試驗室室分別別建立了多臺單軸橫向向和多臺單軸軸垂向振動試試驗系系統(tǒng)，在多臺臺單軸振動試試驗系統(tǒng)方面面均進(jìn)行了成成功嘗嘗試[21—23]。歐洲ESTEC試驗室由2臺160 kNN電動動振動臺構(gòu)成成的一套大大推力水平振振動試驗系統(tǒng)統(tǒng)如圖圖7所示，正正在進(jìn)行某型火箭艙段的振動試驗驗。歐洲洲ESTEC試試驗室4臺1660 kN電動振振動臺構(gòu)成一一套6640 kN大推推力垂直振動動試驗系統(tǒng)如如圖8所示。歐洲洲IABG試驗驗室4個電動動振動臺構(gòu)成成一套大推力力橫向振動試驗系統(tǒng)圖9所示，正在進(jìn)行火箭儀器艙振動試驗和火箭儲箱系統(tǒng)級的振動試驗。國外振動試驗室雙臺并激構(gòu)成的“藍(lán)寶石”系列導(dǎo)彈振動試驗系統(tǒng)如圖10所示，用于測試導(dǎo)彈的飛行可靠性。

圖7　ESTEC大尺寸結(jié)構(gòu)艙段試驗系統(tǒng)Fig.7 ESTEC large sizestructure of cabin test system

圖8　ESTEC大推力垂直振動試驗系統(tǒng)Fig.8 ESTEC large thrust vertical vibration test syste m

國外振動動試驗室建立的大推力振動試驗系統(tǒng)圓滿地解決了了大尺寸結(jié)構(gòu)產(chǎn)品、大質(zhì)量振動試驗件的振動試驗振振動載荷加載問題，為其國家的航天以及國防、科技技事業(yè)的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的試驗技術(shù)保障。

圖9　IABG試驗室大推力水平振動試驗系統(tǒng)Fig.9 IABG horizontal vibration test systemfor large thrust: a)Vibration testfor instrument cabin of rocket; b) Systemic vibration test for reservoir of rocket

圖10　雙臺并激垂垂向振動試驗系系統(tǒng)Fig.10 Douuble platform aand vibration test system

國內(nèi)在多多臺單軸振動試驗系統(tǒng)方面也進(jìn)行了成功探索與嘗試試，北京強(qiáng)度環(huán)境研究所以軍工產(chǎn)品環(huán)境可靠性試驗驗為依托，成功組建了多套多臺同軸振動試驗系統(tǒng)，，已完成多項大尺寸結(jié)構(gòu)產(chǎn)品振動可靠性試驗。根據(jù)據(jù)振動試件產(chǎn)品尺寸、質(zhì)量和振動試驗量級級選擇不同推推力電動振振動臺組成單軸振動試驗驗系統(tǒng)統(tǒng)，設(shè)計不同同的振動夾具具將振動試件與電動振動動臺連連接，圓滿解解決了單臺振振動臺推力不足和大尺寸寸結(jié)構(gòu)構(gòu)產(chǎn)品安裝的的問題[24—255]。多臺單軸振動試驗系系統(tǒng)已已成功運(yùn)用于于XX-5，XX8等運(yùn)載和武器型號大大尺寸寸結(jié)構(gòu)產(chǎn)品、、大質(zhì)量試件件產(chǎn)品的振動試驗。已成成功完完成振動環(huán)境境可靠性試試驗的多臺單軸振動試驗驗系統(tǒng)統(tǒng)，如圖11所示。

圖11所示示為2臺350kN電動振動臺組成的雙雙臺并并激振動試驗驗系統(tǒng)，所做試驗件為某型號儀器艙艙，直徑徑長達(dá)5 m，是典型大尺寸結(jié)構(gòu)振動試件，該雙雙臺并并軸試驗系統(tǒng)統(tǒng)圓滿完成了某型號儀器艙振動環(huán)環(huán)境試試驗考核。

多臺單軸振振動試驗系統(tǒng)具有推力力組合方式靈靈活、、安裝布置便便捷等優(yōu)勢，其劣勢在于于整個振動試試驗系系統(tǒng)組裝復(fù)雜雜，其包含液壓球頭、力平衡系統(tǒng)統(tǒng)、掛載載保護(hù)系統(tǒng)等等多套系統(tǒng)，組裝耗費(fèi)時時間長。同時時實現(xiàn)現(xiàn)多臺同步和和控制精度是該系統(tǒng)控制加載難題題，在振動臺臺數(shù)大于2臺的振動試驗系統(tǒng)尤為突出，如何實現(xiàn)完全同步和提高其控制精度是未來研究的重要方向[[26—27]。

圖11　某型號儀器艙雙臺并激垂向向振動試驗Fig.11 A mmodel of the dual stage of theinstrument cabin and the vibration test

3　結(jié)語

在經(jīng)濟(jì)、、技術(shù)高速發(fā)發(fā)展的今天，，產(chǎn)品的質(zhì)量量越來越得到人們們的重視，人人們更加重視視產(chǎn)品的環(huán)境境可靠性問題。振振動環(huán)境可靠靠性試驗是環(huán)環(huán)境可靠性試試驗的的重要組成部部分，隨著航天在研火箭型號和其他他武器器的結(jié)構(gòu)尺寸逐漸增大，振動試驗量級逐步增加，對對振動載荷加載系統(tǒng)提出更高的要求，振動試驗系統(tǒng)統(tǒng)需滿足大尺寸結(jié)構(gòu)試件安裝和大質(zhì)量試件載荷加加載的要求，這也是未來振動試驗系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

綜合國內(nèi)外環(huán)境可靠性試驗室的方法，目前均采采取以下兩種措施來解決大尺寸結(jié)結(jié)構(gòu)試件振動試驗驗的難題：研研制更大臺面面尺寸、更大大單臺推力的電動動振動臺；采采用多臺電動動振動臺組成成多臺單軸并激振振動試驗系統(tǒng)統(tǒng)。兩種方法法各有優(yōu)劣，，因單臺振動臺推力有限，多臺單軸并激振動試驗系統(tǒng)會成為解決決大尺寸結(jié)構(gòu)產(chǎn)品振動試驗加載難題的主要措施，如如何提高其控制精度與同步性是未來振動試驗技術(shù)術(shù)發(fā)展的重要方向。

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Vibration Test System for Large Dimension Structure

WEI Ying-kui1, ZHANG Xiao-ying2, HU Yan-ping1
(1.Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076, China; 2.Beijing Aerospace System Engineering Research Institute, Beijing 100076, China)

The work sums up and studies the methods of vibration test system for large dimension structure to solve the problems of deficiency for fixing test products and lack for single vibration table. It investigated and summarized the methods and technologies that were adopted by major reliability laboratories at home and abroad for vibration test of large dimension structure. It analyzed and compared the advantages and disadvantages of different technologies and methods and introduced cases by different methods. The paper summarizes and introduces the vibration test system for large dimension structure and describes its development prospect in future.

vibration test; large dimension structure; vibration test system

2016-04-02；Revised：2016-05-20

10.7643/ issn.1672-9242.2016.05.015

TJ03；TB123

A

1672-9242(2016)05-0092-06

2016-04-02；

2016-05-20

魏英魁（1986—），男，北京人，碩士，工程師，主要研究方向為可靠性與環(huán)境試驗。

Biography：WEI Ying-kui（1986—）， Male， from Beijing， Master， Engineer， Research focus: reliability and environmental test.