关于力学环境中振动试验的知识

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一、振动试验条件的制定

振动试验条件是振动试验的依据，国家标准和国家军用标准中给出了试验条件的各种酷等级。这些严酷等级可供产品试验的设计者在制定具体产品试验规范时参考和选择，不同的产品其试验的条件是不一样的，不同类型的振动试验条件制定的方法也是不一样的，振动环境试验条件的制定较为复杂，其制定的原理如下。

1．从试件的实际使用状态测得的数据来制定环境振动试验条件

这是最基本的方法。但由于制定（规范）条件程序的每一步对所有其他步骤都有影响，其影响的因素如成本、样本大小、试验装置、试验的实施以及合格和失效的准则等都必须加以考虑；还包括对假设、近似方法以及证实其合理性的依据提供完整的资料。精度要求应和整个规范的研制、试验方案以及结果的评价协调一致。制定振动条件的一般程序如下：

（1）确定使用情况（从实际使用情况中选取）。

（2）取得典型的现场环境数据。

（3）估计试件在有关使用状态下损坏的可能性，这条可用于：①重新评价所进行试验的合理性；②确定试验条件的精度要求；③预测危险频率并对这些频率分级。

（4）提出一种破坏模式，以用于试验时间的换算。

（5）对数据进行分类（周期、随机、瞬态），以便用不同的技术进行处理。

（6）删去一些可以忽略不计的应力值，将类似的数据向测量的最大使用值合并，从而确定等效情况和等效持续时间。

（7）为了考虑一些尚未估计到的因素，可以采用储备系数（附加严酷度）来解决这个问题，可用系数1.2作为基础-它根据下列原则确定：①试验者所规定的使用状态的可信度；②要求的精度（通过一个试验样品的后果和损坏一个好试验样品的后果之比较）。

（8）进行试验室试验。

（9）对整个试验条件的规定进行评价。

2．预示振动环境制定振动条件

大多数振动试验在产品研制过程中就要进行，也就是说振动试验条件要在产品研制初期就制定出来。这时对实际的使用环境还一无所知，尤法用第一种实测的方法。一般可用现有的相类似的试验条件，也可以用原型机，或相近型号的产品试验条件类推。还有一个方法就是进行环境预示，也可以用原型机，或近似型号的产品试验条件类推。还有一个方法就是进行环境预示，首先要对振源进行分析，对结构进行动力学响应计算，根据经验制定出振动条件。随着产品研制工作的进展，有些原来未知的数据变成已知的数据，不断对原始试验条件进行修改并逐步完善。

二、振动试验方法

做振动试验仅有试验条件是不够的，还必须有规范的试验方法，即试验标准，近年来，我国相继出版的许多振动试验的标准，如国家军用标准，国家标准，还有原航空部、航天部、电子部等部颁标准中都有振动试验方法部分，试验条件是针对某一具体产品进行振动试验的具体要求，它的出发点是对产品的要求。但这些要求在不同的试验室与不同试验设备试验的效果不一定一致，这是不允许的。为了达到试验效果一致，需要对试验方法进行规范，这就出现了大家都必须遵守的试验标准。试验条件规定了输入量级和试验时间，但没规定试验的容差，也没有规定对试验设备的具体要求。这些是试验标准所规定的内容，因此试验标准不是针对某一具体产品而是针对某一类产品做的规定。

1．正弦振动试验

正弦振动试验是试验室经常采用的试验方法，是人们认识最早、了解最多的一种振动。例如凡是旋转、脉冲、振荡（在船舶、飞机、车辆、空间飞行器上所出现的）所产生的振动均是正弦振动。要模拟这些振动环境，无疑须用正弦振动试验。当振动环境是随机的，但又无条件做随机振动试验时，某些情况下可以用正弦振动试验来代替（不是等效）。此外，振动特性试验中，用正弦信号激振是最基本的方法，由于正弦试验设备相对便宜，因此一般的振动试验室几乎都可以进行正弦振动试验。

（1）正弦振动试验的种类。正弦振动试验控制的参数主要有两个，即频率和幅值。依照频率变和不变，正弦振动试验分为定频和扫频两种：

1）定频正弦振动试验。正弦振动频率始终不变的试验叫定频正弦振动试验。这是模拟转速固定的旋转机械引起的振动，或结构固有频率处的振动，定频试验中有一部分是振动强度试验，考核疲劳强度。这种试验会出现一个问题，即如果在试验共振峰处进行定频试验时，随着振动时间的增长，共振峰会移动。为保证试验的质量可以有两种控制方式，一种是跟踪频率、一种是跟踪输人与响应的相位差，使之始终保持共振状态，这种试验称为驻留（Dwell）试验。

定频正弦试验分为两种，即共振频率试验和选定频率试验。共振频率试验是先寻找试件的共振点，取其中的若干个（一般不大于4）作为试验频率，选定频率是选取若干个使用中振源的强迫频率，或其他特征频率，甚至是任选频率作为试验频率。如果零部件、设备或某个系统，是在某个或某几个激振频率下工作，则可在这些相应频率下进行定频试验，以考核试件的抗振能力和耐振强度。若基本判明产品的破坏或故障是由共振引起的，则可采用共振试验来考核其共振寿命。采用的是一个或几个共振频率。

在某些情况下，振动环境的特征来自往复式或旋转式机械及其他周期激励（如螺旋桨、炮击，......）。这些激励可以通过周围结构或流体介质传递到试件，当这种激励方式在某一危险频带内占优势时，可采用“振源驻留（Source Dwell）”试验进行模拟。它与传统的正弦共振驻留试验（即共振试验）不同之处在于：耐共振试验的频率是试件本身的共振频率，而振源驻留试验的“驻留”频率是安装试件的台架环境中占优势的频率，它提供了更为真实的试验条件。

三、随机振动试验的准备

（1）试验夹具的选用和设计。进行随机振动试验和正弦振动试验一样，首先应将试件牢固地固定在振动台台面上。通常情况下必须借助于夹具。有关夹具的问题在后面的章节讨论，这里不再赘述。

在随机振动试验中，如果夹具选择不好，除了会使试件受到失真的振动考核外，还可能使振动控制变得困难，有些地方超差很严重，甚至使实验难以进行。随机振动试验比正弦振动对夹具设计与制作的要求更高也更严。

（2）试件的安装。试件的安装要求基本上与正弦试验一样，只是随机振动更容易使紧固件振松。因此在每次试验前都应检查紧固件是否松动。在试验过程中如果发现控制不稳定，应停机检查紧固件和传感器的连接，这两种连接有问题时，都会造成控制不稳定。在拧紧安装螺栓时应该使用测力扳手，这样既可以保证拧紧，又保证紧固件不受损伤。这里推荐对M8的螺栓。拧紧力矩为3.46kg·m；对M10的螺栓，拧紧力矩为7.6kg·m。如果没有条件使用测力扳手，在拧紧螺栓时要保证弹簧垫圈刚刚压平，不要用大扳手使劲拧，以防将螺纹拧坏或螺栓拧断。

（3）控制加速度计和测量加速度计的安装。试验前必须按试验条件的要求安装好控制和测量的加速度计。安装方法和注意要点与正弦试验相同。为了防止静电干扰，一般在加速度计和夹具或试件之间加绝缘片和绝缘块，其中绝缘块可以在三个垂直方向上粘加速度计。可用502胶粘接，也可以用小螺钉连接绝缘块．另用小螺钉连接加速度计和绝缘块。

（4）随机振动控制仪设置。随机振动试验的试验条件及控制参数均需要事先（试验前）输人控制仪，由于控制仪的种类不同需要输入的参数也不尽相同，这里只能选较为通用的参数作说明。

1）选择频率范围。大部分控制仪需要选择频率范围。一般有几档供选择，只要将试验频率上限值输人，控制仪就可以自动选到最合适的频率范围。个别控制仅则不需要选，频率范围是固定的。

2）谱线数和自由度数的选择。数控仪的分辨率是由谱线数决定的，试验带宽除以请线费就是分辨率，例如试验频率上限为2000 Hz，试验带宽也就是2000 Hz．如选200线，则分辨率为10 Hz，选400线则分辨率为5Hz。常用的谱线数为200，400和800。谱线数越多，分辨率越高，但回路时间（即对输出谱进行一次修正的时间）也越长，也就是说要达到同样精度时均衡的时间也加长，在选择谱线数时，如果试验规范谱形简单，可以先选200线，只有当它不能满足要求时，例如谱的设置由于分辨率不够无法设置，或者某频段内均衡后超差严重等，再增加谱线数。

自由度数是统计学上的术语，它实质上代表最后计算结果所具有的独立变量（测量值）数。测量次数（平均数）越多，自由度数就越高。自由度数与功率谱控制精度要求、置信水平有关。一般仪器给出默认值，即打回车键默认值就进入。

3）谱的设置。将试验规范的谱形输入控制仪，一般试验功率谱密度曲线由折线组成，先要了解有几个折点，每个折点处的功率谱密度值（PSD值）和折点的频率值，起始和最终折线的斜率（单位是dB／倍频程）。如果规范上给出的值与输入值要求不同，应该换算成要求的值，例如规范谱一般起始和终点只给出频率和斜率，而不给出PSD值，有些仪器输入需要这点的PSD值，那就需要计算，并按规范谱将各折点数据依次输入仪器。

4）容差的设置。随机振动试验的容差由两部分组成，即谱形的容差和均方根加速度的容差。前者是控制谱形的，后者是控制总能量的。而设置的容差又分为报警限和终止限，试验中控制谱或均方根加速度超过报警限，仪器报警但不停止试验；超过中止限就要切断输出，停止试验。容差的设置一般应按试验条件的要求设置，可以全频段只设一种，也可以分频段设置不同值。如果试验条件没给出容差要求，推荐使用谱容差为：报警极限±3dB，中止极限±6dB。均方根容差报警极限士1.5dB，中止极限±3dB。

有些仪器还要设置允许超过谱线的数目，这就与2）中置信度有关，如果置信度为90％那么允许10％超限即400线，可最多允许40条超线。虽然这种说法不很严格，但一般试验中可以这样使用。

5）预试量级的设置。随机振动试验首先要在低量级下均衡，均衡完成后，逐步将量级升至试验量级。通常均衙量级要很低，这样不会对试件造成损伤。但低量级均衡到高量级做试验会出现非线性问题，均衡好的谱还要修正。因此在什么量级下进行均衡，分几个量级，用多长时间升到试验量级都需要设置。如果试验条件没给出特殊要求的话，推荐设五个预置量级，即-12 dB．-9 dB．-6 dB，-3 dB．0 dB，上升时间以30s到60s为宜。GB／T2423规定，在正式随机试验前，所允许的预调激励时间（即建立时间）为：

ⅰ）小于规定量级的25％（-12 dB），无时间限制；

ⅱ）在规定量级的25％～50％（-12dB～-6 dB），其时间不大于规定时间的1.5倍：

ⅲ）在规定量级的50％～100％（-6dB～0 dB），其时间不大于规定时间的10％。

上述建立得时间不应从规定试验中扣除。有些随机振动试验一共才几十秒的时间，其预置量级上升的时间不能设得太长，但太短又恐怕不稳定，造成短期过试验。因此，对于时间不长的试验，特别要注意在-3dB试验量级上停留时间不能太长。如果试验时间很长，例如儿个小时，这些就无关紧要了。

（5）试验系统的导通。试验前，无论是控制系统还是测量系统都需要导通。所谓导通就是看系统连接是否有效，是否可靠。一般常用的方法是给试件及振动台一个敲击，观察传感器、电荷放大器以及示波器有无反应。试验前的导通工作十分重要，它是进行安全试验，提高测量可靠性的有效方法。

四、随机振动的预试验

一般大型随机振动试验在试验准备工作做完后都要进行预试验。其目的是通过小量级的振动试验了解系统工作是否正常，试件安装是否合适，并了解试验的振动特性，观察控制曲线和驱动曲线，估计正式试验是否会出现什么问题，想办法解决出现的各种问题。

（1）用试验量级的1／4（-12dB）进行随机振动的预试验，时间60s，记录全部测点的影响，划出控制曲线及驱动曲线，观察功放最大的输出电压和电流。通过试验了解各系统工作是否正常，控制曲线是否完全满足容差要求，驱动曲线的动态范围是否达到控制仪的极限，功放的最大输出电压和电流是否小于额定值的1／4。研究这些问题是为了估计满量级试验是否有把握，在预试验中出现的问题必须解决，如果要解决的问题较多，预试验还可以重复进行，直至满意为止。

（2）频率特性测量。用正弦振动测量试件的频率特性，选择试件上有代表性的若干个测点，给振动台面施加一定加速度值（由表1给出），在整个试验频率范围内进行扫描试验，扫描速率为1倍频程／min，记录各测点的频率响应曲线。

表1频率特性测量时附加的正弦扫描量级

（3）试验件的初始检查。许多试件要求在随机振动试验过程中进行测试，因此在正式试验前必须对试件进行初始检查及通电测试，并记录初始静态数据，还可以利用预试过程观察试件各参数在预试验中的变化。

正式随机振动试验

预试验顺利后就可以开始正式试验。正式试验的注意事项和中断处理与正弦试验基本相同。其中要强调的是试验由一个人统一指挥，各岗位分工明确，职责清楚，试验中出现问题及时报告指挥，由指挥处理。每次试验结束，要大体检查一下控制曲线及测量信号是否已记录下来。

一般试验要进行x·y·z三个方向的试验，三个方向依次进行，但换一个方向后应从预试验开始。因为更换方向，许多部分都要重新连接，重新安装。

在每一方向正式试验做完后，在同样的状态下，按预试验中第（2）项再做一次频率特性测量，使用的试验参数完全相同，记录下各测点的频率响应曲线。

数据处理及编写试验报告

正式试验全部结束后，试验现场可以清理，试件、夹具拆卸后分别送走，测量系统也要收线，拆下传感器清洗处理后准备下一次再用。

由于随机振动测量数据一般都记在磁带上，无法实时处理，需要试验后专门处理。磁带记录的是时域信号，要使用分析仪器把时域信号处理成试验需要的数据，如功率谱密度曲线。总均方根加速度、任何两点的传递函数和相干函数等。通常在任务书上对测量数据的要求都有明确的规定。将数据处理完后结合现场照片和对试验结果的讨论，编写试验报告。报告的格式和正弦试验相同。同样也应按要求归档，做好归档的全部工作。

来源：力学环境试验技术