機載懸掛裝置虛擬振動試驗技術(shù)研究

劉艷欣 周志衛(wèi) 任向前 王向進

摘要：針對產(chǎn)品振動試驗中存在的過試驗或欠試驗問題，基于Simcenter 3D仿真平臺，應(yīng)用振動基本理論和模態(tài)分析理論研究了機載懸掛裝置試驗系統(tǒng)關(guān)鍵部位的響應(yīng)特性。以隨機振動試驗為例，采用Solidworks和Simcenter 3D軟件建立了物理模型和有限元模型；通過模態(tài)分析得到了該系統(tǒng)的固有頻率及其振型；基于模態(tài)疊加法對該系統(tǒng)進行虛擬振動試驗得到了關(guān)鍵點空載、垂向的頻響特性，并進行了試驗驗證?；谀B(tài)疊加法對機載懸掛裝置進行虛擬振動試驗，獲取受試件關(guān)鍵部位的響應(yīng)特性和傳遞特性，為試驗設(shè)計的控制點優(yōu)選提供指導(dǎo)。在夾具與產(chǎn)品連接處的夾具附近傳遞特性較好，信號不易失真；而產(chǎn)品與懸掛物連接附近響應(yīng)值較大，傳遞特性相對較差，信號失真較大。

關(guān)鍵詞：機載懸掛裝置；虛擬振動試驗；隨機振動；模態(tài)分析；響應(yīng)特性；控制點優(yōu)選

中圖分類號：V214.3+3文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.03.015

機載懸掛裝置是一種能夠擔負懸掛、運載與發(fā)射彈藥任務(wù)的飛機組件，如梁式掛架、框式掛架和復(fù)式掛架等，在執(zhí)行任務(wù)時會受到發(fā)動機噪聲、湍流干擾、氣動噪聲等多種環(huán)境耦合而產(chǎn)生振動，這種形式的載荷將會影響產(chǎn)品的可靠性與安全性，尤其是共振時。因此，需要在地面模擬機載懸掛裝置安裝于飛機時的實際狀態(tài)進行振動試驗。目前，機載懸掛裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計多以實物試驗驗證為主，其動強度問題基本上都是以能否通過振動臺試驗為驗收準則。參考文獻[1]和文獻[2]針對航空產(chǎn)品振動試驗方法進行了研究，提出了可行的試驗方法。然而，實物試驗可能存在過試驗或欠試驗的問題，難以保證試驗的質(zhì)量。此外，機載懸掛裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，連接形式多樣，質(zhì)量和體積特別大，有時產(chǎn)品還存在嚴重的偏心，試驗傳遞級數(shù)多，在實物試驗時特別難以控制，這給試驗帶來了巨大的挑戰(zhàn)。以計算機仿真技術(shù)為手段的虛擬振動試驗，可以降低產(chǎn)品研制成本，縮短研制周期，在積累大量數(shù)據(jù)的前提下可替代部分的實物試驗[3-4]。開展機載懸掛裝置虛擬振動試驗的意義就在于：可以預(yù)先判斷試件的響應(yīng)特性，能夠及時有效地評估試驗條件的合理性，據(jù)此制定更加合理的模擬載荷；可以充分考慮所選用設(shè)備能否承擔起給定試驗條件的振動試驗，以及判斷控制點的選??；可以快速識別出產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，并得到改進方案；可以模擬各種實物振動試驗難以考慮的工況。

20世紀90年代，美國實驗室就開展了虛擬振動試驗技術(shù)研究，建立了試驗優(yōu)化所需的虛擬環(huán)境[5]。2003年，歐洲航天局和比利時LMS公司共同研究了多點激勵多軸向虛擬振動技術(shù)[6]。鄭威等[7]采用Virtual Lab軟件研究了模擬彈多維隨機振動試驗控制點選取問題。韓偉等[8]利用有限元軟件研究了典型外掛物隨機振動試驗雙點激勵時的頻響特性。李青等[9]通過MSC.Nastran軟件研究了航天器結(jié)構(gòu)的頻響特性。向樹紅等[10]采用有限元和數(shù)字仿真技術(shù)研究了40t振動臺虛擬試驗技術(shù)和有限元修正技術(shù)。譚永華[11]利用同樣方法研究了獲得電動振動臺傳遞函數(shù)的方法。崔朝凱等[12]基于Simcenter 3D軟件研究了人字齒輪箱的振動頻響特性。張戈等[13]通過有限元仿真研究了彈性模型風(fēng)洞試驗支撐系統(tǒng)虛擬試驗技術(shù)。江世媛等[14]采用ANSYS軟件研究了船體的固有頻率，并進行了試驗驗證。袁修開等[15]采用靈敏度分析法和有限元仿真法對螺栓連接結(jié)構(gòu)隨機振動響應(yīng)的不確定性進行了研究。上述文獻所研究的虛擬振動試驗技術(shù)應(yīng)用于振動臺試驗、模擬彈振動試驗、航天連接器振動試驗等領(lǐng)域。目前，在公開的文獻中，尚未見有學(xué)者通過虛擬振動技術(shù)研究機載懸掛裝置振動試驗。

本文以隨機振動試驗為例，首先分析機載懸掛裝置虛擬振動試驗的理論基礎(chǔ)；然后基于Simcenter 3D仿真平臺構(gòu)建有限元仿真模型，并在此基礎(chǔ)上，利用模態(tài)疊加法對受試產(chǎn)品進行虛擬振動試驗，得到產(chǎn)品關(guān)鍵部位的響應(yīng)特性；最后，利用實物試驗對虛擬振動試驗結(jié)果的置信度進行評估。

1虛擬振動基本理論[16]

1.1動力學(xué)方程

2虛擬振動試驗研究

2.1虛擬試驗?zāi)Ｐ蜆?gòu)建

虛擬振動試驗系統(tǒng)建模主要包括物理模型和有限元建模。該系統(tǒng)的全局坐標系采用右手坐標系，即笛卡兒坐標系，其坐標系以產(chǎn)品的側(cè)向、垂向和航向作為x軸、y軸和z軸，以通用夾具底部中心作為原點。

2.1.1物理模型

振動試驗系統(tǒng)包括產(chǎn)品、通用夾具、振動夾具和振動臺體。根據(jù)振動試驗系統(tǒng)的受力情況、變形情況和承受載荷的特點，從力學(xué)角度進行分析、假設(shè)和簡化，以得到其物理模型[14]。

振動試驗系統(tǒng)的振動臺體與通用夾具的圓形分布接口連接，其作用是為振動試驗系統(tǒng)提供激勵。在振動仿真中，以節(jié)點來替代振動臺體，且該節(jié)點與通用夾具底部剛性連接。通用夾具上體與其下體通過螺栓進行連接，與專用夾具也通過螺栓進行連接。在建模型時，可通過將通用夾具上體與其下體共節(jié)點、通用夾具與專用夾具共節(jié)點來替代螺栓連接。專用夾具與產(chǎn)品的前、后肩軸之間的連接方式為螺紋連接，在建立模型時可通過剛性連接來替代螺紋連接。產(chǎn)品的其他部分在建模時通過共節(jié)點來替代之間的約束，所得物理模型如圖1所示。

2.1.2網(wǎng)格劃分

在劃分網(wǎng)格之前，首先在通用夾具底部中心正下方100mm處創(chuàng)建一個節(jié)點，作為虛擬試驗系統(tǒng)激勵的輸入點，記為A點。夾具和產(chǎn)品的單元類型均采用CTETRA（4）（四面體網(wǎng)格），分別如圖2和圖3所示。產(chǎn)品的前、后肩軸與夾具之間的連接類型和節(jié)點A與夾具底部的連接類型均采用面面連接，單元類型采用RBE2（剛體單元）[12]，所得裝配有限元模型如圖4所示。通過網(wǎng)格劃分所得該系統(tǒng)的單元總數(shù)為129099，節(jié)點總數(shù)為43759。

2.1.3材料模型

虛擬振動試驗系統(tǒng)的夾具與產(chǎn)品仿真用參數(shù)見表1。由表1可知，鋁合金和30CrMnSiA的泊松比分別在0.320～0.360和0.300～0.310范圍內(nèi)波動，本文將其取為0.320和0.300。

2.1.4邊界條件模擬

振動臺體內(nèi)部的連接方式使得動圈表現(xiàn)出來的運動形式只有y方向的振動，而動圈與振動夾具之間的連接方式為剛性連接，這使得振動夾具與其振動形式基本一致。因此，在進行有限元建模時可將A點的x向和z向固定，y向設(shè)置為自由狀態(tài)，并對該節(jié)點施加強制位移約束，以便于在施加激勵時能自動識別該位置。

振動臺體內(nèi)部的連接方式使得動圈表現(xiàn)出來的運動形式只有y方向的振動，而動圈與振動夾具之間的連接方式為剛性連接，這使得振動夾具與其振動形式基本上一致。因此，在進行有限元建模時可將A點的x向和z向固定，y向設(shè)置為自由狀態(tài)，并對該節(jié)點施加強制位移約束，以便于在施加激勵時能自動識別該位置。

2.2虛擬振動試驗

2.2.1模態(tài)分析

基于Simcenter 3D分析程序，采用Lanczos算法提取了虛擬試驗系統(tǒng)在20～2000Hz范圍內(nèi)的固有頻率及其振型，圖5給出了虛擬振動試驗系統(tǒng)前6階的振型及其固有頻率。

2.2.2隨機振動仿真

本文所采用的阻尼參數(shù)模型如圖6所示[9]。虛擬振動試驗的激勵譜PSD取自于GJB 1063A—2008《機載懸掛裝置試驗方法》，如圖7所示。

2.2.3仿真結(jié)果與分析

（1）關(guān)鍵響應(yīng)點選取

為了給實物試驗控制點與測量點優(yōu)選提供參考，需要獲得關(guān)鍵部位的響應(yīng)數(shù)據(jù)，根據(jù)GJB 1063A—2008《機載懸掛裝置試驗方法》關(guān)于控制點選取的規(guī)定，并結(jié)合參考文獻[11]給出的以無質(zhì)量的節(jié)點替代測量點傳感器的方法，在獲取仿真結(jié)果時，設(shè)定了響應(yīng)點1、響應(yīng)點2、響應(yīng)點3和響應(yīng)點4共4個節(jié)點，這4個節(jié)點分別在試驗夾具上與產(chǎn)品連接的前、后肩軸接口處和在產(chǎn)品上與懸掛物連接的前、后肩軸接口處，如圖8所示。

（2）響應(yīng)數(shù)據(jù)獲取與結(jié)果分析

基于模態(tài)疊加法對機載懸掛裝置試驗系統(tǒng)進行仿真得到了隨機振動空載、垂向的測量點的響應(yīng)數(shù)據(jù)，利用Origin. lab對數(shù)據(jù)進行處理，所得結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，響應(yīng)點1～響應(yīng)點4在頻率約為150Hz處響應(yīng)值較大，其值約為8g2/Hz，該值相對于輸入激勵放大了約400倍。所得放大倍數(shù)較大主要因為該頻率恰好是振動試驗系統(tǒng)的第4階固有頻率，且對應(yīng)的模態(tài)振型為試驗系統(tǒng)模態(tài)主振型。響應(yīng)點1～響應(yīng)點4所對應(yīng)的均方根值分別為11.30g、13.99g、10.62g和24.64g。因此，響應(yīng)點1至響應(yīng)點3的均方根值基本一致，響應(yīng)點4的均方根值相對于其他三個響應(yīng)點值增大約一倍。與輸入激勵均方根值相比，響應(yīng)點1～響應(yīng)點4的均方根值分別放大了約為1.80、2.30、1.77和4.11倍。可以看出，響應(yīng)點1～響應(yīng)點3的均方根值與輸入激勵值的放大倍數(shù)基本一致，響應(yīng)點4的放大倍數(shù)值比其他三個響應(yīng)點的放大倍數(shù)增大了一倍。該結(jié)果可為實物試驗控制點選取提供參考。

此外，響應(yīng)點1、響應(yīng)點2在1800Hz前后出現(xiàn)較大響應(yīng)值且?guī)捿^大，主要原因在于約1800Hz處為試驗系統(tǒng)的固有頻率，模態(tài)參與因子較大，對振動貢獻量大，所以響應(yīng)值較大。響應(yīng)點4在1600Hz和1800Hz前后均出現(xiàn)較大響應(yīng)值的原因與響應(yīng)點1、響應(yīng)點2在1800Hz前、后出現(xiàn)較大響應(yīng)值且?guī)捿^大的原因基本一樣。結(jié)合阻尼模型不難看出，在高頻段阻尼較小，因此1600Hz和1800Hz前、后出現(xiàn)的響應(yīng)值均超過了150Hz處的響應(yīng)值。

由上述分析可以看出，在夾具與產(chǎn)品連接處的夾具附近傳遞特性較好，信號不易失真；產(chǎn)品與懸掛物連接附近響應(yīng)值較大，傳遞特性相對較差，信號失真較大。

3虛擬試驗置信度評估

3.1試驗原理與方法

為了驗證虛擬振動試驗結(jié)果的置信度，利用40t振動臺對產(chǎn)品進行垂向、空載的隨機振動試驗。振動試驗控制儀輸出的驅(qū)動電流經(jīng)過功率放大模塊后，輸出較大的驅(qū)動電流，供給振動臺，使其輸出驅(qū)動力；試驗件上安裝的傳感器采集到的信號經(jīng)過濾波和放大電路模塊后，反饋給振動試驗控制儀；振動試驗控制儀將信號處理后，輸出給功率放大模塊，如此形成閉環(huán)控制。

將被試品按實際懸掛狀態(tài)安裝于400kN振動臺上，按GJB 1063—2008的“未掛載的隨機振動試驗”要求進行振動試驗，試驗時傳感器分別安裝于夾具與對接的前、后肩軸處的夾具上和前、后叉耳附近，控制方式為4點平均控制，振動方向為垂向，試驗時間為10min，試驗譜如圖7所示。隨機振動試驗實物圖如圖10所示。表2列出了試驗所用傳感器信息和控制策略。

3.2試驗結(jié)果與分析

通過試驗得到了產(chǎn)品隨機振動垂向、空載時的控制圖譜，如圖11所示。將夾具前的響應(yīng)信號作為產(chǎn)品的輸入信號，將產(chǎn)品前的響應(yīng)信號作為產(chǎn)品的輸出信號，所得產(chǎn)品的傳遞函數(shù)如圖12所示。

由圖11可知，根據(jù)仿真結(jié)果選取的控制點進行隨機振動試驗，控制效果較好。結(jié)合圖12可知，仿真所得夾具與產(chǎn)品的傳遞函數(shù)與試驗所得曲線的變化趨勢基本一致，但傳遞比相對較小。主要原因是虛擬振動試驗仿真時忽略了在實物試驗時產(chǎn)品零部件之間存在的微弱碰撞、沖擊以及本底噪聲所帶來的雜波信號，即本文的虛擬振動試驗系統(tǒng)屬于線性系統(tǒng)。因此，本文仿真結(jié)果具有可信性。由此可知，基于模態(tài)疊加法對機載懸掛裝置進行虛擬振動試驗，獲取受試件關(guān)鍵部位的響應(yīng)特性和傳遞特性，可以為試驗設(shè)計的控制點優(yōu)選提供指導(dǎo)。

4結(jié)論

本文以隨機振動試驗為例，基于Simcenter 3D仿真平臺，應(yīng)用振動學(xué)基本理論和模態(tài)分析理論研究了機載懸掛裝置試驗系統(tǒng)關(guān)鍵部位的響應(yīng)特性，并對虛擬試驗結(jié)果的置信度進行了評估，得到主要結(jié)論如下。

（1）實物試驗結(jié)果表明，基于模態(tài)疊加法對機載懸掛裝置進行虛擬振動試驗，獲取受試件關(guān)鍵部位的響應(yīng)特性和傳遞特性，可為試驗設(shè)計的控制點優(yōu)選提供指導(dǎo)。

（2）虛擬試驗結(jié)果表明，在夾具與產(chǎn)品連接處的夾具附近傳遞特性較好，信號不易失真；而產(chǎn)品與懸掛物連接附近響應(yīng)值較大，傳遞特性相對較差，信號失真較大。

（3）機載懸掛裝置虛擬振動試驗的關(guān)鍵技術(shù)是精確的有限元模型構(gòu)建和準確的阻尼模型，下一步將進一步研究虛擬試驗?zāi)Ｐ偷挠邢拊Ｐ托拚夹g(shù)和通過試驗研究阻尼規(guī)律。

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Research on Virtual Vibration Test Technology of Airborne Store Suspension

Liu Yanxin，Zhou Zhiwei，Ren Xiangqian，Wang Xiangjin

Zhengzhou Aircraft Equipment Co.，Ltd.，Zhengzhou 450005，China

Abstract： Aiming at the problems of over test or under test in product vibration tests， based on Simcenter 3D simulation platform， the response characteristics of key parts of airborne store suspension test system are studied with the basic theory of vibration and modal analysis theory. Taking random vibration test as an example， firstly， the physical model and finite element model are established with Solidworks software and Simcenter 3D software respectively. Then， the natural frequency and vibration mode of the system are obtained through the modal analysis. Finally，based on modal superposition method， frequency response characters of the key points of the system are calculated under no-load vertical conditions via random vibration module of Simcenter 3D software， and are verified with the test. The virtual vibration test of airborne suspension device based on modal superposition method can obtain the response characteristics and transmission characteristics of the key parts of the test system which can provide guidance for the optimization of control points in test design. The transmission characteristics near the fixture at the connection between the fixture and the product are good， and the signal is not easy to be distorted. The response characteristics near the connection between the product and the suspension are large， the transmission characteristics are relatively poor， and the signal distortion is large.

Key Words：airborne store suspension；virtual vibration test；random vibration；modal analysis；response characteristic； control point optimization