多軸振動(dòng)與沖擊復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)分析

劉磊

摘 要：探究多軸振動(dòng)和沖擊的多力學(xué)復(fù)合狀態(tài)測(cè)試技術(shù)。經(jīng)過對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的建立、測(cè)試控制計(jì)劃和振動(dòng)與沖擊信息的解耦等展開深度探究，介紹了信號(hào)分離方法，并規(guī)劃了信號(hào)分離器，把信號(hào)分離器視為閉環(huán)管理的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，能夠有效解耦振動(dòng)和沖擊信號(hào)。信號(hào)分離器的工作精度滿足預(yù)期成效，得到了振動(dòng)和沖擊的即時(shí)解耦遇與實(shí)時(shí)把控，提升了沖擊測(cè)試的管理精度。經(jīng)過試驗(yàn)檢驗(yàn)，采用的方法可行，具備一定使用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：多軸振動(dòng);沖擊信號(hào);試驗(yàn)方法

伴隨防空導(dǎo)彈的不斷發(fā)展，其戰(zhàn)績(jī)指標(biāo)不斷提高，導(dǎo)彈的規(guī)劃余量越來越小，該種狀況下，地表模擬試驗(yàn)檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性顯得十分關(guān)鍵。針對(duì)有設(shè)計(jì)缺陷和工藝問題的導(dǎo)彈，產(chǎn)品不得誤判，不得下降產(chǎn)品的飛行穩(wěn)定性，而且針對(duì)復(fù)合環(huán)境適應(yīng)性需要的導(dǎo)彈產(chǎn)品，也保證不得誤判，防止引起資源浪費(fèi)與研制時(shí)間的延遲。所以，盡可能模擬導(dǎo)彈的準(zhǔn)確環(huán)境，展開地表模擬驗(yàn)證，是當(dāng)前環(huán)境試驗(yàn)方法的一個(gè)關(guān)鍵發(fā)展趨勢(shì)。

1 多軸振動(dòng)和沖擊復(fù)合測(cè)試系統(tǒng)建立計(jì)劃

本文對(duì)于細(xì)長(zhǎng)試件建立一套系統(tǒng)（如圖1所示）。橫側(cè)面的2個(gè)激振器加上沖擊載荷，垂直向與軸向的3個(gè)激振器加上振動(dòng)載荷，其是1個(gè)五自由度測(cè)試系統(tǒng)，甚至試件的走向與垂直向能得到線性振動(dòng)，繞橫側(cè)軸能得到角振動(dòng)，順橫側(cè)軸能得到線性沖擊，繞垂直軸能得到角沖擊。這一系統(tǒng)有以下特征：

圖1? ?多軸振動(dòng)和沖擊復(fù)合環(huán)境測(cè)試平臺(tái)

1.1 振動(dòng)平面垂直于沖擊平面

當(dāng)位移較小時(shí)，沖擊方向一直垂直于振動(dòng)方向，所以在一階諧振頻率之下，振動(dòng)和沖擊的耦合性較小，能夠忽視不計(jì)。但在一階頻率之上，因?yàn)樵嚰娜嵝愿淖?，振?dòng)與沖擊的耦合性將較大，給試驗(yàn)管理造成巨大困難。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)是靜定系統(tǒng)

為處理系統(tǒng)的可靠性，提升系統(tǒng)線性度與時(shí)不變性，于兩個(gè)垂直振動(dòng)機(jī)上分布了雙球頭并聯(lián)設(shè)備，該設(shè)備把繞軸向運(yùn)轉(zhuǎn)的自由度做出了剛性限制，而且又不干擾其他方位的解耦，經(jīng)過該設(shè)計(jì)得到了試驗(yàn)件自由度的總量和激勵(lì)點(diǎn)的總量相同，把靜不定系統(tǒng)調(diào)整成靜定系統(tǒng)，大幅度提升了多軸振動(dòng)和沖擊復(fù)合環(huán)測(cè)試的管理精度，下降了管理困難性。

2 多軸振動(dòng)和沖擊復(fù)合試驗(yàn)管理技術(shù)

2.1 振動(dòng)和沖擊的交叉耦合

文章提供的系統(tǒng)建立計(jì)劃，振動(dòng)所處平面垂直于沖擊所處平面，若試件屬于剛體，振動(dòng)和沖擊是不會(huì)產(chǎn)生干擾的，唯有試件體現(xiàn)出柔性，才會(huì)造成振動(dòng)和沖擊交叉耦合[1]。試件于一擊頻率之下體現(xiàn)出，剛性振動(dòng)和沖擊為耦合起來，在一階頻率之上，試件將出現(xiàn)柔性變化，振動(dòng)和沖擊有很明顯的交叉耦合。所以，耦合至沖擊響應(yīng)時(shí)的振動(dòng)信號(hào)它的下限頻率均是試件的一階頻率。

總之，針對(duì)常見沖擊試驗(yàn)，沖擊和振動(dòng)的耦合有兩種現(xiàn)象：①試件的一階頻率超過沖擊信號(hào)的上限頻率。這時(shí)耦合至沖擊響應(yīng)時(shí)的振動(dòng)分量下限頻率會(huì)超過沖擊信號(hào)的上限頻率，而沖擊頻率和振動(dòng)頻率未出現(xiàn)疊合;②試件一階頻率低于沖擊信號(hào)上限頻率。這時(shí)耦合至沖擊響應(yīng)時(shí)的振動(dòng)分量下限頻率會(huì)低于沖擊信號(hào)上限頻率，而沖擊頻率和振動(dòng)頻率會(huì)出現(xiàn)混疊。

因?yàn)闆_擊響應(yīng)譜測(cè)試的頻率范圍較寬，第一種現(xiàn)象是沒有的，只有第二種現(xiàn)象。所以，沖擊響應(yīng)時(shí)的振動(dòng)分量和沖擊分量必定出現(xiàn)頻率混疊。針對(duì)半正弦沖擊，能把9/2D視為上限頻率，超過9/2D的頻率成分能忽視。針對(duì)其他種類的沖擊試驗(yàn)，因?yàn)闆_擊能量伴隨頻率加大衰減略慢一點(diǎn)，能適當(dāng)提升上限頻率。常見的沖擊能量重點(diǎn)集中于低頻，即大多數(shù)能量處在試件的一階頻率之下，其耦合至振動(dòng)響應(yīng)時(shí)的能量較小，能夠忽視不計(jì)。若是沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)，沖擊時(shí)對(duì)振動(dòng)的影響將較大，但是因?yàn)闆_擊時(shí)間較短，只需2次沖擊時(shí)間距離夠長(zhǎng)，振動(dòng)響應(yīng)將逐步均衡至試驗(yàn)需要值。所以，文章只考量了振動(dòng)對(duì)沖擊的作用，而并未考量沖擊對(duì)振動(dòng)的干擾。

2.2 試驗(yàn)控制計(jì)劃

MIMO振動(dòng)與MIMO沖擊的管理原理不一樣，需要采取兩個(gè)單獨(dú)的控制儀逐一把控，因?yàn)樵囼?yàn)環(huán)節(jié)，振動(dòng)和沖擊有交叉耦合情況，兩個(gè)控制儀單獨(dú)控制，不能得到?jīng)_擊和振動(dòng)的解耦，因此對(duì)試驗(yàn)管理的影響很大。

圖2? ?多軸振動(dòng)和沖擊復(fù)合測(cè)試的控制計(jì)劃

此處對(duì)沖擊和振動(dòng)的解耦方式進(jìn)行了探究，提出了圖2上的試驗(yàn)管理計(jì)劃，該計(jì)劃采取兩個(gè)單獨(dú)的控制儀，分別把控MIMO振動(dòng)及MIMO沖擊，在沖擊管理回路上規(guī)劃了一個(gè)信號(hào)分離設(shè)備，能夠把沖擊響應(yīng)中存在的振動(dòng)分量清除。

結(jié)合上述的探討，當(dāng)試件的一階頻率超過沖擊信號(hào)上限頻率時(shí)，其沖擊響應(yīng)方面的振動(dòng)頻率和沖擊頻率未出現(xiàn)混疊，能夠基于低通濾波把沖擊信號(hào)方面的振動(dòng)分量清除。當(dāng)試件的一階頻率低于沖擊信號(hào)上限頻率時(shí)，其沖擊響應(yīng)方面的振動(dòng)頻率和沖擊頻率會(huì)出現(xiàn)混疊，濾波方式已不再適用，需要采取一種信號(hào)分離方法，有效隔離振動(dòng)信號(hào)和沖擊信號(hào)。對(duì)于這兩種現(xiàn)象，信號(hào)分離設(shè)備應(yīng)當(dāng)歸化兩大模塊，得到兩個(gè)功能：低通濾波和信號(hào)分離。能結(jié)合不同現(xiàn)象，選取不同的功能和其組合展開測(cè)試，達(dá)到最佳的測(cè)試效果。

因?yàn)橛薪徊媾汉希斐蓻_擊管理點(diǎn)的響應(yīng)存在兩大分量：沖擊激勵(lì)形成的沖擊響應(yīng)與振動(dòng)激勵(lì)形成的振動(dòng)響應(yīng)。信號(hào)隔離器具備實(shí)時(shí)輸入與實(shí)時(shí)輸出的作用，其作用即清除沖擊管理點(diǎn)響應(yīng)信號(hào)中存在的振動(dòng)和數(shù)量，且把清潔的沖擊信號(hào)反饋至沖擊管理器產(chǎn)生閉環(huán)管理[2]。所以，圖2表示的閉環(huán)控制計(jì)劃并未清理沖擊管理點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)，即是對(duì)其展開隔離，管理器呈現(xiàn)的沖擊曲線并非是沖擊管理點(diǎn)的具體響應(yīng)曲線，其是由沖擊激勵(lì)形成的沖擊響應(yīng)數(shù)量。

針對(duì)多軸振動(dòng)和沖擊復(fù)合環(huán)境測(cè)試方法，需要得到的便是振動(dòng)激勵(lì)與沖擊激勵(lì)共同影響下形成的復(fù)合環(huán)境，沖擊信號(hào)具有振動(dòng)響應(yīng)就是人們所要的。文章關(guān)鍵的目標(biāo)是：確保振動(dòng)激勵(lì)與振動(dòng)管理點(diǎn)上形成的振動(dòng)響應(yīng)與沖擊激勵(lì)于沖擊管理點(diǎn)上形成的沖擊響應(yīng)分別滿足設(shè)計(jì)需要。

2.3 信號(hào)分離器的規(guī)劃原理

信號(hào)分離的途徑較多，其中使用最普遍的兩種辦法即盲源信號(hào)分離法與單獨(dú)分量分析信號(hào)隔離法，這兩種辦法以較為成熟，常用做故障診斷、語音、通訊和圖像處置等方面。其有一個(gè)相同特征，即僅能獲得與原始信號(hào)波形相同但幅值有明顯差別的信號(hào)，這一點(diǎn)無法符合文章對(duì)信號(hào)分離方法的需要[3]。文章采取的信號(hào)分離方法是依靠篇相干理論出現(xiàn)的，該種方法能夠完全復(fù)原初始信號(hào)。

沖擊信號(hào)中存在的振動(dòng)分量是通過振動(dòng)激勵(lì)形成的，因此振動(dòng)信號(hào)內(nèi)的振動(dòng)分量和振動(dòng)激勵(lì)信號(hào)是有關(guān)的，而且因?yàn)椴扇蓚€(gè)控制單獨(dú)管理，振動(dòng)激勵(lì)和沖擊相應(yīng)信號(hào)是無關(guān)的，所以，信號(hào)分離器設(shè)計(jì)的原理為采用偏相關(guān)理論，把沖擊信號(hào)中和三個(gè)振動(dòng)激勵(lì)信號(hào)有關(guān)的分量清除。

3 結(jié)論

信號(hào)分離器的規(guī)劃原理是依靠相干函數(shù)，其中相干函數(shù)就是體現(xiàn)信號(hào)間線性關(guān)聯(lián)的函數(shù)，若系統(tǒng)的非線性因素很多，造成輸出和輸入之間相干性很差，信號(hào)分離器的工作精度會(huì)明顯降低，所以，在規(guī)劃系統(tǒng)搭建計(jì)劃時(shí)要盡量減少非線性出現(xiàn)的因素，圖1上的雙球頭并聯(lián)設(shè)備就是為提升系統(tǒng)線性度而規(guī)劃的。

試驗(yàn)表明，每次沖擊加載時(shí)，振動(dòng)管理曲線基本無變化，而振動(dòng)對(duì)沖擊的作用較大，沖擊曲線存在許多振動(dòng)和數(shù)量。所以，在控制計(jì)劃上未考量沖擊對(duì)振動(dòng)的干擾是準(zhǔn)確的。信號(hào)分離器能夠有效清除振動(dòng)數(shù)量，沖擊管理過程穩(wěn)定，因此閉環(huán)管理計(jì)劃是完全有效的。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄒學(xué)利，李宏民，王海燕.多軸振動(dòng)與沖擊復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)研究[J].振動(dòng)與沖擊，2019，38（03）：237-243+278.

[2]林先松.多軸振動(dòng)臺(tái)架在道路載荷模擬試驗(yàn)中的應(yīng)用[J].機(jī)電技術(shù)，2018（01）：83-84+100.

[3]謝子?xùn)|.基于模型的多軸振動(dòng)臺(tái)動(dòng)力學(xué)解耦控制研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2017.