基于ADAMS的艙體多余物檢測效果影響因素分析

鄧 威 威，劉 淑 杰，梅 志 恒

(大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連 116024)

0 引 言

艙體類設(shè)備如導(dǎo)彈、航天發(fā)動機等，由于其生產(chǎn)、制造過程復(fù)雜，在加工過程中所產(chǎn)生的金屬或非金屬多余物，如金屬屑、焊錫渣、導(dǎo)線皮、扎帶等會掉落在艙體內(nèi)部．當該設(shè)備在工作過程中受到強烈的振動或沖擊時，這些多余物就會被激活并在艙體內(nèi)部活動，當其掉落在某些電氣元器件上時，極易引起管路堵塞、電路短路等嚴重故障，導(dǎo)致設(shè)備工作故障，造成重大事故和嚴重損失[1-2]．由此可見，艙體類設(shè)備在投入使用前進行多余物檢測至關(guān)重要．

粒子碰撞噪聲檢測(particle impact noise detection，PIND)法因具有準確度高、操作簡單等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于多余物檢測過程中，其檢測是通過振動系統(tǒng)對待測試件施加一定的振動激勵，使試件內(nèi)部的多余物處于游離狀態(tài)，并與試件殼體內(nèi)壁發(fā)生隨機碰撞，碰撞所產(chǎn)生的信號通過黏附于試件外壁的傳感器采集并以電壓形式輸出至揚聲器和示波器顯示．

大量生產(chǎn)實踐表明，PIND法試驗信號中包含反映多余物特性的豐富信息，對多余物檢測具有重要意義．David研究了混合電路多余物檢測過程中PIND法的應(yīng)用，結(jié)果表明，非導(dǎo)電性多余物檢測時不受靜電因素的干擾，其檢測效果要優(yōu)于導(dǎo)電性多余物的[3]．McCullough等對不同試驗條件下的繼電器多余物檢測效果進行了討論，但沒有進行具體分析[4]．杜迎等針對PIND法試驗過程出現(xiàn)的問題，通過對其工作原理的研究給出了解決方案；并指出振動力學條件過高，PIND法試驗會因繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞而失去效用[5]．Zhang等從多余物PIND試驗機理出發(fā)，建立了基于小球彈跳理論的多余物碰撞動力學模型，研究不同力學試驗條件對顆粒碰撞強度的影響．但該模型假設(shè)限制過多，過于理想化難以實現(xiàn)[6-9]．高開明通過研究指出，在一定振動加速度的正弦激勵條件下，多余物的碰撞能量隨振動頻率的增大而減小[10]．Wang等對航天繼電器多余物檢測的試驗條件進行了充分研究，提出了一種基于ADAMS仿真的分析方法，可較好模擬繼電器內(nèi)部多余物被激活時的運動過程；并提出繼電器多余物檢測的極限試驗條件和新的檢測試驗流程，充分發(fā)揮PIND的效用[11-13]．戚樂設(shè)計了代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工檢測的適用于航天發(fā)動機的多余物自動檢測系統(tǒng)，并提出了發(fā)動機內(nèi)部有無多余物、多余物粒徑范圍及所在位置的判別方法[14]．丁丹丹等設(shè)計了一套適用于導(dǎo)彈艙體的多余物檢測系統(tǒng)，一定程度上實現(xiàn)了多余物檢測過程的自動化[15]．孟偲等將語音識別領(lǐng)域的MFCC應(yīng)用到彈體多余物信號識別中，提出把時頻域統(tǒng)計特征與MFCC特征相結(jié)合，使用支持向量機訓練構(gòu)建分類器，提高了不同材質(zhì)多余物識別的準確性[16]．

目前，現(xiàn)有PIND法的研究對象主要為密封電子元件和航天電子設(shè)備等，對體積和質(zhì)量更大、結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的導(dǎo)彈等艙體類航天產(chǎn)品的研究相對較少，且主要集中在多余物檢測系統(tǒng)設(shè)計和識別算法，有關(guān)檢測試驗條件和影響因素的研究較少．此外，現(xiàn)有檢測方式主要采用傳統(tǒng)的沿軸線轉(zhuǎn)動艙體的方式，殘留在艙體內(nèi)部的多余物顆粒難以被激活或運動不充分，影響檢測效果．

針對此類問題，本文借鑒航天電子設(shè)備檢測方法，提出由振動臺提供激勵的艙體多余物檢測方式，代替?zhèn)鹘y(tǒng)沿軸線轉(zhuǎn)動艙體的檢測方式．通過ADAMS建立多余物相對艙體內(nèi)壁碰撞的動力學模型，以仿真過程中多余物相對艙體內(nèi)壁的速度有效值和振動試驗中碰撞信號強度為評價指標，分析多余物檢測過程中振動加速度、振動頻率、多余物材質(zhì)、多余物粒徑4個因素對檢測效果的影響規(guī)律及原因，從而確定關(guān)鍵影響因素及最佳振動試驗條件，并對多余物材質(zhì)和粒徑識別的可行性及識別順序進行分析，為艙體類設(shè)備多余物檢測提供參考．

1 顆粒碰撞仿真模型的建立

艙體類產(chǎn)品在工作過程中，當受到外界激勵時，多余物在艙體設(shè)備內(nèi)部作復(fù)雜無規(guī)律的非線性隨機運動，采用理論推導(dǎo)的方法研究多余物在艙體的運動情況較為困難．而ADAMS作為常用機械系統(tǒng)仿真分析軟件，通過在計算機上建立仿真模型，可用于機械系統(tǒng)性能測試、碰撞檢測等，能夠有效仿真分析多余物在艙體內(nèi)部運動的過程，且更加簡便經(jīng)濟．因此，本文基于如圖1所示的PIND法原理，在ADAMS中建立多余物相對艙體內(nèi)壁碰撞的動力學模型，并通過構(gòu)件接觸參數(shù)設(shè)置和外加振動激勵定義，仿真分析不同試驗條件下多余物相對于艙體內(nèi)壁的運動情況．

在ADAMS中建立多余物顆粒-艙體內(nèi)壁接觸運動模型，如圖2所示．載物臺的表面尺寸為500 mm×500 mm，簡化的艙體模型為直徑150 mm、高400 mm、壁厚2 mm的鋁材料圓柱殼體．多余物材質(zhì)模型分別選擇為鋼珠、鋁粒、焊錫粒、橡膠粒和扎帶5種不同類型，粒徑范圍為1.0～3.0 mm．通過在載物臺質(zhì)心位置添加驅(qū)動副來加載所需激勵，方向沿X軸向右．

圖1 粒子碰撞噪聲檢測系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of particle impact noise detection system

圖2 多余物碰撞動力學模型Fig.2 Collision dynamics model of loose particles

1.1 多余物與艙體內(nèi)壁接觸形式定義

為了能夠更好地模擬模型中多余物在艙體內(nèi)壁中的運動碰撞情況，需要對建立的動力學模型中多余物與艙體內(nèi)壁間的接觸形式進行定義．在ADAMS中，主要對模型中多余物與艙體內(nèi)壁之間的接觸正壓力和摩擦力進行定義．首先，根據(jù)Hertz接觸理論，采用Impact函數(shù)提供的非線性等效彈簧阻尼模型計算接觸正壓力Fn，其廣義表達形式為

Fn=Kδe+Cv

(1)

式中：K為接觸剛度，δ為穿透深度，C為阻尼，e為力指數(shù)，v為速度．

摩擦包括動摩擦和靜摩擦兩種形式，ADAMS 接觸力中的摩擦力根據(jù)兩接觸構(gòu)件相對運動關(guān)系互相轉(zhuǎn)換，屬于非線性摩擦．由于多余物在艙體內(nèi)運動時，兩者之間主要為動摩擦，故定義時考慮優(yōu)先保證動摩擦因數(shù)的準確性，其他參數(shù)取推薦值即可．碰撞模型中多余物與艙體接觸參數(shù)設(shè)置為K=1.0×105N/mm，δ=0.1 mm，C=50 N·s/mm，e=1.5，動摩擦因數(shù)為0.25，靜摩擦因數(shù)為0.3，靜平移速度為0.1 mm/s，摩擦平移速度為10.0 mm/s．

1.2 振動激勵定義

本文提出采用振動臺提供激勵的方式進行艙體多余物檢測，借鑒現(xiàn)有針對航天電子設(shè)備多余物檢測標準中規(guī)定的振動試驗條件，采用正弦振動激勵作為外加激勵進行多余物碰撞運動仿真試驗．正弦激勵信號力的函數(shù)定義如下：

FX=Asin(2πfT)

(2)

式中：A為信號幅值，f為信號頻率，T為持續(xù)時間．

2 單因素仿真試驗分析

仿真試驗過程中，多余物在艙體內(nèi)部的運動情況對多余物檢測效果具有直接影響，多余物獲得的運動速度越大，其相對于艙體內(nèi)壁碰撞越激烈，越能得到較好的檢測效果．多余物在艙體內(nèi)的運動復(fù)雜無規(guī)律，很難直接計算碰撞瞬間兩者的接觸力．為分析多余物的運動過程，本文以仿真過程中多余物與艙體內(nèi)壁碰撞前的相對速度有效值為評價指標，此時多余物只受重力的作用，且重力為恒力不會對碰撞前相對速度有效值整體規(guī)律產(chǎn)生影響．仿真過程中，以振動試驗條件中的振動加速度和頻率、多余物材質(zhì)和粒徑屬性作為仿真分析的考察因素，首先進行單因素試驗，分別研究各因素對多余物檢測效果的顯著性影響及其影響規(guī)律．仿真步數(shù)設(shè)置為200，每組試驗設(shè)置10.0 s的振動激勵，重復(fù)10次，結(jié)果取平均值．

2.1 振動力學試驗條件中加速度和頻率的影響

為探究振動力學試驗條件對多余物檢測效果的影響，本文以振動加速度和頻率作為參考因素，設(shè)計二因素五水平仿真正交試驗．本研究中所采用的電磁式振動試驗平臺的輸出加速度范圍為1g～10g，頻率范圍為40～300 Hz，故仿真過程振動頻率選擇為50、70、90、110、130 Hz，加速度選擇為2g、4g、6g、8g、10g，多余物模型設(shè)置為半徑R=2 mm的小鋼珠．多余物速度曲線如圖3所示．

方差分析結(jié)果見表1，多余物速度有效值隨振動加速度、頻率變化的仿真結(jié)果如圖4所示．

(a)50 Hz，10g

表1 不同振動力學條件下的方差分析結(jié)果Tab.1 The results of ANOVA under different vibration mechanic conditions

根據(jù)方差分析結(jié)果中p值大小判斷各因素顯著性影響．在顯著性水平為0.05時，若p>0.05，則接受原假設(shè)，即不存在顯著影響；若0.01

由圖4可知，當多余物材質(zhì)和粒徑一定時，多余物的速度有效值隨振動頻率的增大而減小，隨振動加速度的增大而增大，這是因為隨著振動頻率減小和加速度增大，振動幅度增大，多余物在艙體內(nèi)的運動更激烈．表明艙體多余物檢測效果與振動頻率呈反比關(guān)系，與振動加速度呈正比關(guān)系，故在本研究中可選擇加速度10g、頻率50 Hz作為振動檢測時的最佳力學試驗條件．

2.2 多余物粒徑和材質(zhì)的影響

為分析不同粒徑和材質(zhì)的多余物對檢測效果和碰撞信號的影響，在ADAMS中將多余物模型的材質(zhì)分別設(shè)置為小鋼珠、鋁粒、焊錫粒、橡膠粒和扎帶5種不同類型，不同多余物的密度、彈性模量和泊松比取值如表2所示．各材質(zhì)粒徑取值范圍均為1.0～3.0 mm，在振動加速度為10g、頻率為50 Hz的試驗條件下分別進行仿真試驗．不同粒徑和材質(zhì)的多余物速度曲線分別如圖5、6所示．

(a)測量結(jié)果

表2 不同材質(zhì)多余物性能參數(shù)Tab.2 The performance parameters of different loose particle materials

(a)r=1.0 mm的焊錫粒

(a)r=2.0 mm的小鋼珠

方差分析結(jié)果如表3所示，多余物速度有效值隨粒徑和材質(zhì)變化的仿真結(jié)果曲線如圖7所示．

由表3可知，列的p值1.101 71×10-8<0.01，行的p值2.304 81×10-14<0.01，表明不同多余物材質(zhì)和粒徑參數(shù)均對多余物檢測效果具有極顯著性影響．

表3 不同多余物粒徑和材質(zhì)條件下的方差分析結(jié)果Tab.3 The results of ANOVA under different loose particle sizes and materials

圖7 多余物速度有效值隨粒徑和材質(zhì)變化的仿真結(jié)果曲線Fig.7 The velocity effective value simulation result curve under different loose particle sizes and materials

由圖7可知，對于某一材質(zhì)的多余物，當振動力學試驗條件一定時，其粒徑越大，獲得的速度有效值越小，檢測效果越弱．這是因為當材質(zhì)等其他影響因素一定時，多余物的質(zhì)量隨粒徑增大而增大，質(zhì)量越大獲得的運動速度就越小．當振動試驗條件和多余物粒徑一定時，不同材質(zhì)多余物的速度有效值存在明顯差異，且橡膠粒和扎帶等非金屬多余物速度有效值明顯大于小鋼珠、鋁粒和焊錫粒等金屬多余物速度有效值，檢測效果要更好．這是因為不同材質(zhì)屬性的多余物與艙體內(nèi)壁接觸效果不同，相對于非金屬多余物，質(zhì)量較大的金屬多余物獲取的運動速度相對較?。?/p>

3 關(guān)鍵影響因素的確定

通過單因素試驗結(jié)果可知，振動加速度、振動頻率、多余物材質(zhì)、多余物粒徑4個因素均對多余物檢測效果具有極顯著性影響．為探究各因素的影響程度及關(guān)鍵因素，本文采用正交試驗法和極差分析法進行試驗安排及結(jié)果分析．按照因素、水平和試驗指標三要素的正交表進行試驗安排，記錄試驗結(jié)果并計算反映各列因素水平變化對試驗指標影響程度的極差值R，R越大，說明該因素對試驗的影響越大．

3.1 仿真試驗及結(jié)果分析

在仿真試驗中選定影響多余物檢測效果的振動加速度和頻率、多余物材質(zhì)及粒徑等4個因素為試驗因子，各因素分別設(shè)定3個水平．頻率分別為50、70、90 Hz，加速度選擇6g、8g、10g，多余物材質(zhì)選擇小鋼珠、焊錫粒、橡膠粒，粒徑選擇1.0、2.0、3.0 mm．各因素水平安排如表4所示．

表4 因素水平表Tab.4 The factor and level table

正交試驗安排與極差計算結(jié)果如表5、6所示．根據(jù)正交表安排仿真試驗，記錄仿真過程中多余物與艙段殼體的相對速度有效值作為試驗評價指標于表中，采用極差分析探究各因素對檢測效果的影響程度和關(guān)鍵因素，并對多余物材質(zhì)與粒徑進一步識別分類的可行性進行分析．

表5 仿真試驗正交試驗設(shè)計Tab.5 The orthogonal test design for simulation test

表6中Ki為1、2、3水平對應(yīng)的試驗指標數(shù)值之和；ki為各因素同一水平試驗指標的平均值，ki=Ki/3．

由表5、6可知，多余物速度有效值隨振動頻率的增大而減小，隨振動加速度的增大而增大，與單因素分析結(jié)果一致．各因素對多余物速度有效值的顯著性影響程度為多余物材質(zhì)>多余物粒徑>振動頻率>振動加速度．可知多余物材質(zhì)為影響艙體多余物檢測效果的關(guān)鍵因素．

表6 仿真試驗極差分析表Tab.6 The table of range analysis for simulation test

3.2 振動試驗及結(jié)果分析

為獲得多余物與被測艙體試件的碰撞信號，采用圖8所示的電磁振動臺提供振動試驗所需的力學條件，被測艙體試件是與仿真中簡化模型一致的鋁質(zhì)圓柱殼體，通過專用夾具固定于振動臺上，由殼體一端預(yù)留的開口放入多余物，顆粒材質(zhì)和粒徑規(guī)格與仿真過程中一致．振動試驗過程中，通過數(shù)據(jù)采集卡將聲發(fā)射傳感器(AE)檢測到的多余物與被測艙體試件內(nèi)壁的碰撞信號數(shù)據(jù)采集并傳輸至計算機，進行后續(xù)處理分析．試驗過程中采用的是UT1000型聲發(fā)射傳感器，其峰值靈敏度為73 dB，頻率響應(yīng)范圍為0～1 MHz．

圖8 多余物檢測系統(tǒng)實物圖Fig.8 The photo of loose particles detection system

采用與仿真試驗中相同的振動試驗條件進行振動試驗，因素水平安排如表4所示．以多余物與艙體試件碰撞的信號平均強度為評價指標，分析各因素的顯著性影響．正交試驗安排與極差分析結(jié)果如表7、8所示．

由表7、8可知，多余物檢測碰撞信號強度隨頻率的增大而減小，隨加速度增大而增大．各因素對信號強度的顯著性影響程度為多余物材質(zhì)>多余物粒徑>振動頻率>振動加速度，表明影響檢測效果的關(guān)鍵因素為多余物材質(zhì)．與仿真結(jié)果一致．

綜合結(jié)果表明，多余物材質(zhì)、多余物粒徑、振動加速度和頻率4個因素均對艙體設(shè)備多余物檢測效果產(chǎn)生極顯著的影響．其中影響程度較大的是多余物材質(zhì)和粒徑屬性，其次是振動頻率和加速度．當多余物材質(zhì)和粒徑參數(shù)一定時，多余物檢測效果與振動加速度成正比，與振動頻率成反比．因此，可以根據(jù)振動加速度和頻率對檢測效果的影響規(guī)律與被測艙體試件的結(jié)構(gòu)特點，適當減小振動頻率，增大振動加速度，獲得最佳檢測效果的振動力學試驗條件．

表7 振動試驗正交試驗設(shè)計Tab.7 The orthogonal test design for vibration test

表8 振動試驗極差分析表Tab.8 The table of range analysis for vibration test

當振動條件一定時，多余物材質(zhì)作為關(guān)鍵影響因素，且不同材質(zhì)多余物的碰撞信號相差較大，容易識別．因此，在進行艙體內(nèi)部多余物檢測時，可首先對碰撞信號特征具有明顯差異的不同材質(zhì)多余物進行判別，然后進行不同粒徑多余物的識別．最后通過特征提取和識別分類方法達到準確識別不同材質(zhì)、不同粒徑多余物的目的．

4 結(jié) 論

(1)以簡化的艙體模型為研究對象，提出采用基于正弦激勵的振動檢測代替?zhèn)鹘y(tǒng)沿軸線轉(zhuǎn)動艙體的多余物檢測方式，增強了激勵效果，便于多余物信號的檢測和采集．

(2)單因素仿真試驗表明，振動加速度、振動頻率和多余物材質(zhì)、多余物粒徑屬性對多余物檢測效果均有極顯著性影響．在相同振動條件下，多余物碰撞信號因材質(zhì)不同而存在較大差異，同一材質(zhì)的不同粒徑的多余物碰撞信號也具有較大差異，易于識別．多余物檢測效果與振動頻率成反比，與振動加速度成正比，可以適當減小振動頻率、增大振動加速度來增強多余物檢測效果．

(3)正交試驗結(jié)果表明，各因素對艙體多余物檢測效果的顯著性影響程度為多余物材質(zhì)>多余物粒徑>振動頻率>振動加速度，確定了多余物材質(zhì)為關(guān)鍵因素，并提出了在一定力學試驗條件下，提高多余物材質(zhì)和粒徑參數(shù)識別準確性檢測識別次序，為艙體類設(shè)備多余物參數(shù)的進一步識別分類提供一定參考．