細(xì)長(zhǎng)型飛行器雙臺(tái)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)的工程應(yīng)用

毛 凱，李 杰, 馮生泉

（天津航天瑞萊科技有限公司蘇州分公司，蘇州 215129）

細(xì)長(zhǎng)體飛行器雙振動(dòng)臺(tái)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)可有效解決傳統(tǒng)振動(dòng)試驗(yàn)中懸臂過(guò)長(zhǎng)、振動(dòng)應(yīng)力集中的問(wèn)題，能有效緩解試驗(yàn)過(guò)程中的欠試驗(yàn)和過(guò)試驗(yàn)問(wèn)題，提高模擬試驗(yàn)的置信度[1-2]，尤其是解決了單臺(tái)振動(dòng)激勵(lì)解決不了的不同部位激勵(lì)不同的情況，是力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)的重大進(jìn)步和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)[3]。本文介紹了一細(xì)長(zhǎng)體飛行器雙臺(tái)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的實(shí)際應(yīng)用，并介紹了該試驗(yàn)的振動(dòng)試驗(yàn)方案、夾具設(shè)計(jì)、控制選擇和試驗(yàn)結(jié)果。

1 雙振動(dòng)臺(tái)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)原理

雙振動(dòng)臺(tái)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)各部件組成如圖1所示，有電荷式加速度傳感器、電荷放大器、多輸入多輸出振動(dòng)控制系統(tǒng)、功率放大器和振動(dòng)臺(tái)組成一套閉環(huán)控制和反饋系統(tǒng)。隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，閉環(huán)控制和反饋系統(tǒng)通過(guò)不斷比較加速度傳感器反饋回來(lái)的電壓信號(hào)和多輸入多輸出振動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)試驗(yàn)條件生成的電壓信號(hào)，調(diào)節(jié)功率放大器的輸出，使控制傳感器的振動(dòng)響應(yīng)和設(shè)置的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)參考譜一致。

對(duì)雙臺(tái)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，采用多輸入多輸出控制來(lái)施加多點(diǎn)激勵(lì)隨機(jī)振動(dòng)載荷，其載荷條件為：

式中：Sii為控制測(cè)點(diǎn)i的自功率譜密度，Sij為控制點(diǎn)i、j間的互功率譜密度。對(duì)雙振動(dòng)臺(tái)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，當(dāng)n=2時(shí)，激振力和控制點(diǎn)的個(gè)數(shù)相同，控制方式為方陣控制方式；當(dāng)n＞2時(shí)，激振力個(gè)數(shù)小于控制點(diǎn)個(gè)數(shù)，控制方式為長(zhǎng)方陣控制方式。

圖1 雙振動(dòng)臺(tái)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)

2 雙振動(dòng)臺(tái)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)件信息和試驗(yàn)條件

某型號(hào)飛行器為長(zhǎng)10 m，重1 400 kg，直徑550 mm的細(xì)長(zhǎng)體結(jié)構(gòu)，通過(guò)2個(gè)支撐法蘭與振動(dòng)臺(tái)連接。

2個(gè)支撐法蘭分別位于距飛行器頭部2 450 mm處和距飛行器頭部9 550 mm處；（兩支撐法蘭間距為9 550-2 450=7 100 mm）。兩個(gè)支撐法蘭需受到的振動(dòng)量級(jí)相同，均為11.7 g，試驗(yàn)條件見(jiàn)表1。

2.2 雙振動(dòng)臺(tái)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)件的重量和試驗(yàn)條件，選擇合適的、滿(mǎn)足試驗(yàn)要求的振動(dòng)臺(tái)，該試驗(yàn)選取2臺(tái)推力為35 T的振動(dòng)臺(tái)。

夾具設(shè)計(jì)時(shí)，需注意兩個(gè)振動(dòng)臺(tái)的匹配問(wèn)題。通過(guò)兩個(gè)夾具的高度差設(shè)計(jì)來(lái)使試驗(yàn)件保持水平，以避免試驗(yàn)件在支撐法蘭處受到不應(yīng)有的附加載荷。較小的高度差可以通過(guò)調(diào)節(jié)振動(dòng)臺(tái)隔振氣囊來(lái)使試驗(yàn)件保持水平。

雙振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)試驗(yàn)中，兩個(gè)振動(dòng)臺(tái)施加各自的隨機(jī)載荷，因而存在相位不相同、時(shí)域信號(hào)不同步的問(wèn)題。一個(gè)振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈向上運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，另一個(gè)振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈可能向下振動(dòng)，這將使振動(dòng)臺(tái)和試驗(yàn)件承受一定程度的偏載，因此，試驗(yàn)前應(yīng)對(duì)兩個(gè)激勵(lì)點(diǎn)的位移差和偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行計(jì)算分析。

對(duì)于表1所列的振動(dòng)試驗(yàn)條件，通過(guò)振動(dòng)控制儀計(jì)算出兩個(gè)激勵(lì)點(diǎn)的位移均方值D為0.726 mm，隨機(jī)振動(dòng)的3σ最大位移差為：兩個(gè)振動(dòng)臺(tái)的中心距離是7 100 mm，因此兩點(diǎn)3σ最大位移差引起的偏轉(zhuǎn)角度為：

表1 振動(dòng)試驗(yàn)條件

由此可見(jiàn)，上述實(shí)驗(yàn)條件引起的振動(dòng)臺(tái)間的位移差和偏轉(zhuǎn)角度都很小，考慮對(duì)振動(dòng)臺(tái)和試驗(yàn)件的載荷影響小，可以采用夾具和臺(tái)面剛性連接[3-4]；但經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，夾具和振動(dòng)臺(tái)剛性連接時(shí)，兩激勵(lì)點(diǎn)的控制傳感器之間的響應(yīng)干擾較大，難以滿(mǎn)足試驗(yàn)容差要求。因此，試驗(yàn)中在夾具和振動(dòng)臺(tái)之間增加了機(jī)械解耦裝置——液壓球頭，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.3 試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果

按照以上試驗(yàn)設(shè)計(jì)，在天津航天瑞萊科技有限公司蘇州分公司進(jìn)行了某型號(hào)飛行器的雙臺(tái)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)狀態(tài)如圖3所示（因試驗(yàn)件保密要求，下圖為與試驗(yàn)件等重量、安裝位置等尺寸的模擬件的試驗(yàn)狀態(tài)照片）。

試驗(yàn)過(guò)程中，選取了兩種控制方式，第一種是兩激勵(lì)點(diǎn)分別選取支撐法蘭上、下端面兩點(diǎn)平均控制，以10 %量級(jí)進(jìn)行預(yù)振；第二種是兩激勵(lì)點(diǎn)分別選取試驗(yàn)件安裝端面上、中、下三點(diǎn)平均控制方式，以25 %量級(jí)進(jìn)行預(yù)振，試驗(yàn)曲線如圖4所示。從兩種控制方式的控制曲線來(lái)看，第一種控制方式的控制效果較好，但是在該控制方式下，試驗(yàn)件上兩處關(guān)鍵部件在有些頻率上響應(yīng)峰值放大倍數(shù)較大，具體見(jiàn)表2，可能會(huì)使試驗(yàn)件上該部件的結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞，故采取第二種控制方式。

第二種控制方式試驗(yàn)時(shí)，前端振動(dòng)臺(tái)1激勵(lì)點(diǎn)的控制曲線在一些頻率嚴(yán)重超差，經(jīng)對(duì)比試驗(yàn)曲線，決定對(duì)原有試驗(yàn)條件進(jìn)行一些剪裁，對(duì)振動(dòng)臺(tái)2的三個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行+6 dB的限幅控制，取得了較好的效果，試驗(yàn)曲線如圖5所示。

3 結(jié)論

1）本次試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了雙臺(tái)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)在某型號(hào)飛行器上的工程應(yīng)用，完成了該飛行器的試驗(yàn)考核任務(wù)，滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

2）目前對(duì)于雙振動(dòng)臺(tái)隨機(jī)試驗(yàn)的試驗(yàn)允差并無(wú)明確規(guī)定，通常還是按照GJB 150.16A-2009規(guī)定的容差要求執(zhí)行，可以通過(guò)對(duì)試驗(yàn)條件進(jìn)行剪裁或施加限制控制來(lái)滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

圖2 雙臺(tái)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)圖

圖3 雙臺(tái)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)安裝狀態(tài)圖

表2 試驗(yàn)件上部件的響應(yīng)峰值

圖4 雙臺(tái)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)預(yù)試驗(yàn)控制譜曲線

圖5 雙臺(tái)隨機(jī)振動(dòng)控制譜曲線

[1] 張正平，王宇宏，朱曦全. 動(dòng)力學(xué)綜合環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展[J]. 裝備環(huán)境工程，2006, 3(4): 7-11.

[2] 樊石超，馮咬齊. 多維動(dòng)力學(xué)環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)研究[J]. 航天器環(huán)境工程，2006, 23(1): 23-28.

[3] 高富貴，王 剛，趙保平. 細(xì)長(zhǎng)體復(fù)雜結(jié)構(gòu)雙振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)編制若干問(wèn)題研究[J]. 航天器環(huán)境工程，2006, 26(S1): 116-117.

[4] 陳 穎，田光明，鐘繼根. 典型細(xì)長(zhǎng)體結(jié)構(gòu)的兩點(diǎn)激勵(lì)振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)[J]. 航天器環(huán)境工程，2013, 30(1): 68-72.