第三章正弦振動(dòng)試驗(yàn)

第三章正弦振動(dòng)試驗(yàn)第1頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三正弦振動(dòng)試驗(yàn)的分類：正弦振動(dòng)試驗(yàn)有定頻和掃描兩種試驗(yàn)類型。掃描試驗(yàn)又有線性和對(duì)數(shù)兩種掃描方式。衛(wèi)星及其組件的正弦振動(dòng)試驗(yàn)，根據(jù)環(huán)境要求，一般僅做對(duì)數(shù)掃描振動(dòng)試驗(yàn)。第2頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三定頻正弦振動(dòng)試驗(yàn)正弦振動(dòng)頻率始終不變的試驗(yàn)叫定頻正弦振動(dòng)試驗(yàn)。一般是模擬轉(zhuǎn)速固定的旋轉(zhuǎn)機(jī)械引起的振動(dòng)，或結(jié)構(gòu)固有頻率處的振動(dòng)。定頻試驗(yàn)中有一部分是振動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)，考核疲勞強(qiáng)度。第3頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三掃頻正弦振動(dòng)試驗(yàn)掃頻試驗(yàn)中頻率將按一定的規(guī)律發(fā)生變化，而振動(dòng)量級(jí)是頻率的函數(shù)。分為線性掃描和對(duì)數(shù)掃描。線性掃描頻率變化是線性的，即單位時(shí)間掃過(guò)多少赫茲，單位是Hz/s或Hz/min，這種掃描用于細(xì)找共振頻率的試驗(yàn)。對(duì)數(shù)掃描頻率變化按對(duì)數(shù)變化，掃描率可以是oct/min,oct/s，oct是倍頻程。對(duì)數(shù)掃描的意思是相同時(shí)間掃過(guò)的頻率倍頻程數(shù)是相同的。對(duì)數(shù)掃描時(shí)低頻掃得慢而高頻掃得快。第4頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一、常用參數(shù)的換算（1）運(yùn)動(dòng)參數(shù)的換算正弦振動(dòng)試驗(yàn)中常用的運(yùn)動(dòng)參數(shù)是位移、速度、加速度。一個(gè)正弦振動(dòng)信號(hào)的位移、速度、加速度可分別由下列公式表示：第5頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第6頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三位移幅值，速度幅值，加速度幅值之間的關(guān)系可以表示為：

第7頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（2）掃描速度和掃描持續(xù)時(shí)間的換算：對(duì)線性掃描，其掃描速度可以用試驗(yàn)規(guī)范中給出的上下限頻率之差，除以掃描持續(xù)時(shí)間來(lái)計(jì)算。對(duì)對(duì)數(shù)掃描有下式：第8頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第9頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三掃描時(shí)間或掃描率計(jì)算掃描時(shí)間=掃描帶寬/掃描率如從5Hz掃到105Hz，掃描帶寬為105Hz-5Hz=100Hz，掃描率為0.5Hz/s，則掃描總時(shí)間為T=100/0.5=200s第10頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、正弦掃描試驗(yàn)的試驗(yàn)條件和容差1)試驗(yàn)條件正弦振動(dòng)試驗(yàn)條件包括試驗(yàn)頻率范圍、試驗(yàn)量級(jí)、掃描速度或掃描持續(xù)時(shí)間及試驗(yàn)方向。試驗(yàn)量級(jí)常以表格形式或幅頻曲線形式給出。下圖為以幅頻曲線形式給出的衛(wèi)星組件典型的正弦掃描振動(dòng)試驗(yàn)條件：第11頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第12頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（2）試驗(yàn)容差嚴(yán)格地說(shuō)，試驗(yàn)容差也是試驗(yàn)條件的組成部分，因?yàn)橹贫ㄔ囼?yàn)條件時(shí)就已經(jīng)考慮了試驗(yàn)誤差的因素。試驗(yàn)時(shí)能否滿足容差要求決定了試驗(yàn)的有效性。根據(jù)中國(guó)軍標(biāo)GJB1027的規(guī)定，衛(wèi)星及其組件的正弦振動(dòng)試驗(yàn)容差為：A.頻率+-0.5Hz(<25Hz)+-2%(>=25Hz)B.加速度幅值+-10%(<200Hz)+-15%(>=200Hz)第13頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

經(jīng)驗(yàn)表明，滿足加速度幅值的容差要求并不容易，因?yàn)榭刂凭扰c許多因素有關(guān)。例如，控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍和壓縮速度、試驗(yàn)夾具和試驗(yàn)安裝的合理性、試件本身的動(dòng)特性等都可能影響控制精度。第14頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、正弦振動(dòng)試驗(yàn)的方法正弦掃描振動(dòng)試驗(yàn)條件要求振動(dòng)控制儀能夠保證振動(dòng)臺(tái)處在規(guī)定的頻率上，并以規(guī)定的掃描速度對(duì)產(chǎn)品施加規(guī)定幅值的振動(dòng)。一般的數(shù)字式振動(dòng)控制系統(tǒng)都具有這種功能。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和普及，數(shù)字式振動(dòng)控制系統(tǒng)逐漸被廣泛采用。第15頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三模擬式正弦振動(dòng)控制儀一般由掃描信號(hào)器（振蕩器）、壓縮器、可變?cè)鲆娣糯笃骱驼駝?dòng)計(jì)四部分組成。第16頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三下圖為正弦振動(dòng)控制原理圖。由振蕩器產(chǎn)生的一個(gè)功率變化、振幅恒定的正弦電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)可變?cè)鲆娣糯笃鬏斀o功率放大器，功率放大器把信號(hào)放大驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)。安裝在臺(tái)面上的加速度計(jì)將機(jī)械量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)電荷放大器適調(diào)放大反饋給正弦振動(dòng)控制儀的振動(dòng)計(jì)和壓縮器。壓縮器將臺(tái)面的實(shí)際振動(dòng)量級(jí)和要求的振動(dòng)量級(jí)加以比較，并給可變?cè)鲆娣糯笃魈峁┮粋€(gè)電壓，將實(shí)際振動(dòng)調(diào)整到要求的振動(dòng)量級(jí)，以保證振動(dòng)臺(tái)按要求的試驗(yàn)條件振動(dòng)。第17頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第18頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三數(shù)字正弦振動(dòng)控制系統(tǒng)如下圖，其中心是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，正弦位碼產(chǎn)生后，一切均由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。其中低通濾波器是用于平滑輸出信號(hào)和濾除輸入的高次諧波。這種數(shù)字正弦振動(dòng)控制系統(tǒng)，由于采用了計(jì)算機(jī)和正弦位碼產(chǎn)生器，其頻率精度、幅值控制精度、頻率分辨率、掃頻控制精度等諸參數(shù)，均優(yōu)于模擬控制系統(tǒng)。但在高頻段的實(shí)時(shí)控制方面與模擬控制系統(tǒng)相比還有不足之處。第19頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第20頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（1）振動(dòng)臺(tái)的選擇選用振動(dòng)臺(tái)應(yīng)滿足試驗(yàn)條件規(guī)定的頻率范圍、最大加速度和最大位移等基本要求。頻率范圍振動(dòng)臺(tái)的使用頻率范圍應(yīng)滿足試驗(yàn)條件規(guī)定的上下限頻率要求。第21頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三b.推力估算根據(jù)試驗(yàn)產(chǎn)品、試驗(yàn)夾具、振動(dòng)臺(tái)動(dòng)框、臺(tái)面（或水平滑臺(tái)臺(tái)面）總質(zhì)量和試驗(yàn)最大加速度所估算出來(lái)的需用推力，應(yīng)小于振動(dòng)臺(tái)額定推力：FT=ma<F0式中FT--試驗(yàn)需用推力,N;m--試件、夾具、臺(tái)面、動(dòng)框組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)總有效質(zhì)量，Ｋg;a–試驗(yàn)規(guī)范給定的最大加速度，m/s2;F0–振動(dòng)臺(tái)的額定推力，N;第22頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三c.最大位移估算試驗(yàn)規(guī)范中給定的最大位移幅度或根據(jù)最大加速度所計(jì)算出來(lái)的最大位移應(yīng)小于振動(dòng)臺(tái)的最大額定位移，其近似值如下式：D=250a/f2<Dmax式中D—計(jì)算出的最大位移，mm；

f—與加速度對(duì)應(yīng)的頻率，Hz;Dmax—電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)給定的最大位移，mm;在頻率較低時(shí)，雖然其加速度不大，但其位移可能較大，因此要特別注意低頻時(shí)的位移檢驗(yàn)。第23頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三d.最大速度估算根據(jù)試驗(yàn)條件，計(jì)算出的最大速度應(yīng)小于振動(dòng)臺(tái)的最大額定速度。第24頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（2）試件的安裝與固定試件與夾具或試件與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的連接應(yīng)能模擬試件的實(shí)際安裝情況，嚴(yán)格禁止嚴(yán)重影響試驗(yàn)效果的安裝方式。試件與夾具或試件與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的連接要牢靠，其接觸面不宜過(guò)大。最好將連接孔處加工成凸臺(tái)形式，或用墊圈墊起，以確保接觸良好，減少振動(dòng)波形失真。夾具與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的連接螺栓要有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)有平坦的傳遞特性，因此連接螺栓的固有頻率fr應(yīng)不低于試驗(yàn)的上限頻率fmax,即第25頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三式中n——螺栓個(gè)數(shù)；

d——螺栓直徑，m；

l——螺栓有效長(zhǎng)度，m；

fmax——試驗(yàn)上限頻率，Hz；

m——夾具與試件的總質(zhì)量，kg；

E——材料彈性模量，Pa

可計(jì)算螺栓的直徑、個(gè)數(shù)及材料．將連續(xù)螺栓剛度K=AE/L，連接螺栓截面積A，代入上式，則有

第26頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（3）振動(dòng)控制點(diǎn)的位置和控制加速度計(jì)的安裝a．振動(dòng)控制點(diǎn)的位置振動(dòng)控制點(diǎn)的位置應(yīng)能使試件在振動(dòng)試驗(yàn)中的振級(jí)輸入較真實(shí)地模擬實(shí)際振動(dòng)環(huán)境．控制點(diǎn)選擇一般應(yīng)遵循兩個(gè)原則：1）控制點(diǎn)的位置應(yīng)選在試件與振動(dòng)夾具連接面上的連接螺孔附近．沒有夾具的則選在試件與振動(dòng)臺(tái)面的連接螺栓附近．2）振動(dòng)控制點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離干擾源．如天線、電機(jī)、及易出現(xiàn)撞擊和噪聲的部位．第27頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三b．控制加速度計(jì)的安裝安裝控制加速度計(jì)時(shí)，應(yīng)使加速度計(jì)與地絕緣，以減少接地回路引起的噪聲電平．否則由于噪聲電平過(guò)大，影響控制質(zhì)量，降低了控制精度．通常選用薄的膠木片和小的膠木塊作為絕緣材料．控制加速度計(jì)的安裝優(yōu)先采用螺接方式．因螺接方式最牢靠，即使在很高的量級(jí)下振動(dòng)，加速度計(jì)也不致脫落．其次采用膠接方式，通過(guò)膠水與絕緣薄片把加速計(jì)直接粘在控制點(diǎn)部位．這種方法簡(jiǎn)單、方便、靈活，但在高振動(dòng)量級(jí)時(shí)，加速度計(jì)可能會(huì)發(fā)生脫落現(xiàn)象．第28頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（4）振動(dòng)控制儀壓縮速度的選擇

在正弦掃描振動(dòng)試驗(yàn)中，在頻率緩慢變化下，輸給振動(dòng)臺(tái)一個(gè)合適的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以保證控制振動(dòng)量級(jí)不變．但是由于試件、夾具及振動(dòng)臺(tái)等的共振及反共振，如要保持試件的輸入振動(dòng)量級(jí)不變，則振動(dòng)控制儀的輸出電壓需相應(yīng)改變.第29頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三例如當(dāng)試件共振時(shí)，臺(tái)面振動(dòng)量級(jí)增加，將引起控制點(diǎn)加速度計(jì)輸出電壓的增加，此時(shí)振動(dòng)控制儀輸出電壓乃至振動(dòng)臺(tái)輸入功率會(huì)自動(dòng)地減小，直至恢復(fù)到變化前的同樣振動(dòng)量級(jí)為止．當(dāng)控制加速度計(jì)感覺到振動(dòng)量級(jí)增加或減小時(shí)，振動(dòng)臺(tái)的輸入功率不是自動(dòng)地減小或增加，而是用一定的時(shí)間恢復(fù)原來(lái)的振動(dòng)量級(jí)，這就是所謂調(diào)節(jié)速度的時(shí)間常數(shù)，也就是壓縮速度．因此壓縮速度選擇的好壞直接影響到控制精度．第30頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一般振動(dòng)控制儀上的壓縮速度vp有兩種方式，一種是與頻率無(wú)關(guān)的常壓縮速度，另一種是隨頻頻變化的壓縮速度．選擇時(shí)根據(jù)試件固有頻率fr的高低，放大因子Q值的大小，以及掃描速度vb等因素確定．放大因子Q值高，掃描速度小，固有頻率低者選擇慢的壓縮速度．第31頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三上面的壓縮速度選擇依據(jù)僅僅是原則性的，一般情況是憑借經(jīng)驗(yàn)．對(duì)于重要試件，可以在低振級(jí)下反復(fù)調(diào)試壓縮速度，以得到滿意結(jié)果為止．對(duì)一般試件，通常選取中等壓縮速度即可．第32頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三四、正弦振動(dòng)試驗(yàn)響應(yīng)數(shù)據(jù)處理衛(wèi)星及其組件在振動(dòng)試驗(yàn)中經(jīng)常涉及到兩種數(shù)據(jù)類型，一是正弦數(shù)據(jù)，一是隨機(jī)數(shù)據(jù)．正弦掃描振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)雖然是確定性的周期數(shù)據(jù)，但它又是非穩(wěn)態(tài)的，隨著頻率的線性或?qū)?shù)變化，幅值也在不斷地改變．另外，在振動(dòng)試驗(yàn)中，由于衛(wèi)星及其組件是一個(gè)多自由度的復(fù)雜系統(tǒng)，常常因?yàn)楸舜碎g相互作用而使響應(yīng)信號(hào)成為具有波形失真的準(zhǔn)周期信號(hào)第33頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三正弦掃描振動(dòng)試驗(yàn)典型的輸入輸出波形，對(duì)該類數(shù)據(jù)一般要求給出它的幅頻特性第34頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1、正弦掃描振動(dòng)數(shù)據(jù)處理對(duì)于正弦掃描振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)，一般要求給出它的幅頻特性，因此信號(hào)的頻率辨識(shí)及其相應(yīng)的幅頻分析就成為處理該類數(shù)據(jù)的主要內(nèi)容．第35頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(1)頻率跟蹤辨識(shí)正弦掃描振動(dòng)數(shù)據(jù)是非穩(wěn)態(tài)信號(hào)，頻率隨時(shí)間按線性或?qū)?shù)規(guī)律變化，振動(dòng)激勵(lì)的頻率應(yīng)跟蹤辨識(shí)．頻率辨識(shí)可以用鎖相電路或跟蹤濾波器硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用數(shù)字跟蹤濾波或快速傅氏變換軟件實(shí)現(xiàn)．這里介紹數(shù)字跟蹤濾波的頻率辨識(shí)算法．在掃描某一瞬時(shí)，振動(dòng)數(shù)據(jù)的離散時(shí)間序列可模型化為AR(2)模型．通過(guò)離散時(shí)間序列與AR(2)模型的最小二乘擬合，可獲得模型系數(shù)a1和a2的估計(jì)．第36頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三該瞬間的振動(dòng)激勵(lì)頻率ft可按下式估計(jì)

式中Δt—采樣時(shí)間間隔；

第37頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(2)響應(yīng)幅值對(duì)應(yīng)