多维振动环境试验方法

　　1　引　言

　　多维振动环境试验是指用几个振动台同时激励一个试件,并按试验条件控制试件与激励系统界面的运动响应,使试件作多维空间运动,以考核试件结构的动强度和仪器设备的可靠性。多维振动环境模拟的主要目的是在室内再现试件的真实外场使用环境。根据振动台相对于试件的激励方向,多维振动环境试验可分为两类。一类是单方向激励,即几个振动台激励方向是平行的。当各个激励同相时形成多台同步振动,否则形成空间运动;另一类是三向激励,即几个振动台激励方向是互相垂直的,形成三轴振动或者形成六自由度的空间运动。

　　最早的多维激励振动试验可能是车辆的道路模拟[1]和地震运动模拟。在那些场合激励源是多维的或多轴的。试验的主要目的是以开环形式复现实测响应。多维激励振动试验被引入武器系统和航天产品是近几年的事。虽然很早就知道实际使用环境是多维(轴)的,也反映在试验方法的标准之中,可是由于不具备高精度的闭环多维振动控制系统,所以一直没能在研制过程中采用。促进多轴振动环境试验技术发展的主要原因是一些已经按标准通过了单轴试验的军用设备(如车载电源、通信设备和导弹引信等)在外场(运输)或者使用(飞行)环境中不能承受多维振动环境;而简易的多轴振动环境试验揭示了单轴试验未能发现的潜在故障[2,3]。另一个原因是一些运载火箭施加给卫星、飞船和航天飞机的载荷是非对称的,为了进一步减轻结构重量,很需要真实地模拟这些多维载荷[4]。惯性测量组合的成功应用很可能需要借助于多维振动试验。惯组直接与载体相连,载体的线振动和角振动将直接传递到惯性仪表上,影响组合的测量精度,在带减震器时尤其如此[5]。20世纪末,有关多维激励振动试验的闭环控制技术以及能完成随机、正弦和波形(或冲击谱)再现的专用设备也相继问世[6,7]。有些作者已着手研究合理的多轴随机振动试验的定义方法[3,8]。

　　2　运动控制环境试验原理

　　目前的环境试验都是单维的,也就是说用一个振动台激励一个试件,控制一个点的加速度;这个点或放在台面上或放在夹与试件的界面上,只要控制住试验条件,那么就认为模拟了使用(飞行)环境。在时域,飞行过程中火箭承受外力下的响应可用微分方程表示成:

　　它和单自由度系统的运动方程一致,只不过M,K和C为矩阵;x和f为列阵。

　　对上式两边进行傅氏变换,即在频域有:

　　简单地有:DX=F或者X=HF,其中D为阻抗矩阵,H为导纳(频响函数)矩阵,它们都是频率的函数。

　　如图1所示,在使用条件下,由子结构A和B组成的系统承受外力产生振动。现在要取其中一部分,例如子结构A,在实验室条件下用振动台进行使用环境模拟试验,使其受力状态与使用条件下相同。为此我们将子结构分为界面自由度(I)和非界面自由度(E)。如果子结构A原来是一个被动系统,那么它的非界面自由度的运动响应在频域可写成: