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北京强度环境研究所上海试验与检测中心内部讲义振动试验的工程技术应用

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relialab
2009-03-31 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《北京强度环境研究所上海试验与检测中心内部讲义振动试验的工程技术应用pdf》,可适用于工程科技领域

振动试验技术的工程应用夏江宁北京强度环境研究所上海试检中心wwwrelialabcomcn年月日主要内容、振动试验的应用背景、振动试验的理论基础、振动试验的操作流程、夹具设计遵循的准则、振动设备的选择、振动试验技术的最新进展工程背景、现代工业产品的制作工艺越来越复杂、复合材料的应用越来越多、产品的使用范围越来越广、产品的可靠性要求越来越高。试验目的根据产品研发阶段的不同其试验目的主要有(MILSTDF):、研制试验目的:用于确定装备的特性暴露设计和构造的不足及评价纠正措施。、鉴定试验目的:确定装备是否满足特定环境要求。、功能试验目的:验证装备暴露在最恶劣的运行环境条件下是否能正常工作。、耐久试验目的:对环境寿命周期高精度的模拟。、可靠性试验目的:获得装备失效率的统计规律。试验件通常较多。振动引发的故障模式、结构疲劳破坏、结构瞬时超越破坏、仪器设备功能失效、产品总体性能下降、对人体造成危害Hz之间的振动可引起颈椎和腰椎的共振振幅增大约%。Hz间的振动可使人的驱体、肩以及颈发生共振振幅增大约%。Hz间的振动使人的关节与肩之间出现强共振其振幅增大%。Hz间的振动可使人的眼球、手指发生共振共振幅增大约%。一般地面设备机械振动的频率范围是lHz舶船设备机械振动的频率范围是lHz可见这些振动对人体都是很有危害性的。试验分类振动过程的分类一般为:、周期性过程和非周期过程、确定性过程和非确定性过程、、平稳过程和非平稳过程。目前振动试验的分类主要有:正弦扫描试验、随机试验、冲击试验以及混合模式试验。正弦扫描试验函数表达式为:()sin()vtAt()sin()xtAt()sin()atAtfT()(),()()vtxtatxt常用术语、扫描方式线性扫描:单位时间扫描相同的频率数。对数扫描:单位时间扫描相同的频率倍数。、扫描速率线性扫描:Hzs、Hzmin对数扫描:octmin倍频程:高低频率倍数关于的相对比值、交越频率的计算GB(IEC)试验条件特点为:低频确定位移高频确定加速度。位移与加速度曲线相交的频率点即为交越频率。计算公式:lg()lgHLLfnfffH为频率上限为频率下限,t即为扫描速率(),AAfDfADD为加速度为位移特点及应用特点:、时间与频率为一一对应关系。、运动量(如加速度、速度或者位移)呈现周期变化规律。应用范围:、激励为周期函数的振动试验(定频振动或者频率扫描振动)。、用于查找产品的共振频率。、与随机激励叠加形成真实的环境激励。*t随机振动试验随机信号的数字特征令振动记录为y(t)数学期望(平均值)均方根值功率谱密度函数均方值与功率谱密度函数的关系()limTTyytdtT()limTrmsTyytdtT()(),(:)()limlimTyffTfGfytdtquestionyTf()()limrmsyfyffGf常用术语、试验带宽即试验的频率范围最低频率至最高频率、试验谱线参与快速傅立叶变换的数据块大小(Blocksize)、频率分辨率相邻频率的差值即试验的最高频率试验谱线、分贝对数标尺数值:dB=*lg(aa)常用分贝对应的倍数dBdBdBdB≈dBdBdBdBdBdB对数坐标既可以保证小值的精度又可以包容很大的变化范围。此外还可使得高次函数线性化。特点和应用特点:、所有试验频率成分同时激振而且在各频率的输入振幅是随机变化的、从时间轴上看随机振动试验为多次瞬间随机振动的叠加。从试验曲线上看测点响应曲线的每一帧都不同、数学模型更为复杂控制设备要求较高、更加符合真实环境激励。应用范围:、模拟车辆实际行驶过程中受到的振动、模拟地震时的振动、模拟飞行器发动机运行时的振动、模拟流体的紊流引发的振动。冲击试验数学表达式根据函数f(t)不同的表达式冲击可分为:()、半正弦波()、矩形波()、后峰锯齿波()、前锋锯齿波()、前后峰锯齿波可组成三角波()sinftatD()fta(),(),()afttDatD()tftaD()()tftaD常用术语、冲击试验条件整个试验过程为:加速度时间历程。、冲击指在冲击过程中遇到的非经常性、非重复性的冲击力(加速度大、冲击脉冲持续时间较短)。、碰撞在碰撞过程中多次出现经常重复的冲击其特点次数多、具有重复性、冲击加速度较低、冲击脉冲持续时间较长。、波形补偿振动台的冲击试验要求为:冲击试验前后台面末位移为零末速度为零。应用范围、冲击环境来自于弹性体之间的机械撞击。、冲击环境主要为:、运输过程中的随机性弹跳冲击、操作过程中的意外敲击、震摇、跌落、利用冲击能的受控冲击环境、化学能或其他能量的突然释放。、冲击试验中的等效损伤原则电工电子产品的结构强度和性能稳定性与产品响应的应力直接相关。【在弹性极限内产品受到的应力相同其变形相同所以表现的故障也相同】、故障类型(a)、结构变形(b)、安装松动产生裂纹甚至断裂(c)、电气连接松动接触不良使得产品工作性能不稳定(d)、产品内部各单元的相对位置发生变化造成性能下降甚至元器件破裂使其无法工作。混合模式混合模式主要有:、正弦叠加随机振动(SOR)、随机叠加随机振动(ROR)、正弦叠加随机再叠加随机振动(SROR)。控制过程图特点及应用特点:、宽带随机的振动量级较小窄带随机和正弦振动量级较大。、ROR模式下可用实现输出较小的激振力进行较大量级的振动。、只能对试件按顺序激起共振不能同时共振。应用范围:、适合模拟复杂激励下的振动试验、可分段完成的大量级振动试验。试验系统中的信号流振动系统主要包括:振动台、功率放大器、控制仪、传感器、电荷放大器、测量线。目前的振动试验过程主要以闭环反馈为主开环试验较少。信号流主要有运动信号和电信号(电压和电荷)。电压信号电压信号运动信号电荷信号电荷信号电压信号常见问题、振动试验中开环(Openloop)原因:一、信号流在某传递环节出现截断现象二、信号较小淹没在噪声中。、振动试验中的均衡过程(Equalization)作用:建立控制点运动信号与功放输出之间的传递关系。、灵敏度设置传感器和电荷放大器(ICP除外)都有自己对应的灵敏度。对应关系为:传感器→电荷放大器→控制仪、试验条件的确定产品的安装位置→激励类型环境激励→试验条件试验参考谱是真实环境激励的极值包络(具备一定的安全储备)。常见问题、传感器a、安装方式模态试验→蜡或磁块小量级振动试验→磁块或胶大量级振动试验→AB胶或螺钉连接为了防止静电干扰传感器底部需加绝缘块。b、安装位置避免:结构振动的节点或节线正确:结构响应信号较大的位置方向:平行振动方向c、常用类型ICP→内含集成电路可直接输出电压信号AC→输出电荷信号必须通过电荷放大器才能输出电压信号常见问题、过试验与欠试验目前振动控制方式不可避免地存在过实验和欠试验。过试验产生的原因→控制点传感器位于节点或节线(即反共振点)。欠试验产生的原因→产品和夹具处于共振频率上。目前解决过试验的办法:控制谱下凹(notching)和响应限值(limitingcontrol)控制谱下凹:即在反共振点上降低试验参考谱值从而达到降低功放输出。响应限值:规定关键测点的最大响应值达到该极值时功放不再增大输出。增加控制点个数使用最大值控制策略也能降低过试验的程度。此外振动测试前沿课题之一的力控和双控技术也主要为了解决过试验问题。常见问题、接地问题振动系统的信号流程绝大数以电信号进行传递。当设备接地或信号接地出现干扰时将会影响到试验的正常进行。常见的接地问题:(a)、电源干扰具体表现为试验测量曲线在Hz或其倍数的频率点出现较大的峰值。(b)、设备不共地具体表现为存在直流分量台面会偏离平衡位置。、信号削波信号测量设备都有其合适的量程当测量值超过量程时信号就会发生削波。解决办法:调低电荷放大器的输出灵敏度进而增大信号的量程。、工程单位的统一信号转换和采集设备都有相互对应的映射关系。只有保障工程单位统一其映射关系才是正确的。加速度的单位有ms^和g。夹具的特性夹具的功能:将振动台的运动和能量传递给试件。夹具的要求:、把台面运动不失真地传递给试件、能真实地模拟试件的边界条件、能方便地与振动台面和试件连接、避免产生横向(非主振方向)的运动。夹具的固有频率对试验的影响:、夹具固有频率大于最高试验频率时相对于试件夹具为刚体即运动不失真。、夹具固有频率小于最高试验频率时夹具自身动力特性将影响试件的运动甚至产生共振耦合。夹具的连接方式对试验的影响:强连接可增大夹具的刚度进而提高夹具的固有频率弱连接不但会降低夹具的刚度甚至会影响试验的安全。夹具设计设计准则、夹具的材料采用比刚度大、阻尼大的材料。常用夹具材料的主要物理特性、夹具的制造工艺优先采用整体浇铸其次采用焊接和螺纹连接。、夹具的结构形式优先采用对称封闭形。、计算夹具的最低固有频率其值应高于试件的第一阶固有频率。夹具设计流程:分析试件动力特性和接口尺寸→三维建模→有限元计算→试验验证材料杨氏模量(N*cm^)密度(N*cm^)比刚度(cm)铝E~E~E镁EEE钢E~E~E试验设备一、激振设备名称激振器特点机械振动台直接作用式:凸轮驱动工作台惯性式:偏心质量块旋转产生的离心力作为激振力优点:价格低廉、工作可靠、载荷和推力大。缺点:工作频率范围窄加速度失真较大。可满足试验方法中低频段试验要求。电动振动台恒定磁场和位于磁场中通有一交变电流的线圈相互作用产生激振力优点:工作频带宽振动波形好易于自动控制操作调节方便。缺点:结构复杂价格较贵载荷和工作台面较小。可满足试验要求中Hz以上的各频段试验要求。液压振动台通过能量转换装置将油泵流出的高压流体的能量转换成激振力。优点:下限频率低易于实现大推力载荷重位移大。缺点:设备复杂价格昂贵对基础要求高。可满足试验方法中低、中频段的试验要求。电磁振动台电磁铁和磁性材料相互作用产生激振力优点:结构简单价格低廉。缺点:频率单一需其他频率时控制复杂功耗大。试验设备二、振动控制仪国外厂家主要有:SD、LMS、LDS、DP等。国内厂家主要有:振动设备制造厂家和相关研究所(如东方所)。按照功能分:正弦控制仪随机控制仪和多功能控制仪。按照控制方式分:模拟式和数字式。控制仪的主要技术指标:、正弦振动控制:a、频率范围b、频率稳定度c、扫描功能d、压缩的动态范围e、测振指示精度f、控制精度。、随机振动控制:a、频率范围b、频率分辨率c、动态范围d、均衡精度e、回路时间。目前常用的振动控制仪均为数字式的多功能控制仪能够满足常规试验的要求。振动台的性能及选型一、振动台的主要性能指标、推力、空载加速度、台面位移、台面承载能力、频率范围。二、如何根据试验条件选择振动台、推力的换算当为随机试验时加速度为加速度均方根值。、台面承载能力、台面安装尺寸、台面倾覆力矩()FMMMAMMMA其中为动圈有效质量为工装质量为试件质量为试验加速度振动试验技术的最新进展一、力控技术或双控技术应用背景:消除低频反共振点处的过实验现象。起因:当振动控制参量为运动量(主要为加速度和位移)时由于存在动力吸振器效应使得位于安装连接面的控制传感器无响应输出从而导致振动台输出过大。解决方案:在连接面处安装力传感器并以其作为振动控制参量。原理:试件与工装(台面)之间的相对位移产生力。反共振点时工装无位移但试件存在峰值位移因此有力信号输出。二、振动试验数据的模态参数提取应用背景:在真实边界、真实激励的情况下提取试件的模态参数。起因:由于实际工作情况下试件受到较大的外部激励从而产生非线性变形使得根据模态试验获得的模态参数发生漂移。工程意义:、获得实际工作条件下的模态参数、能提取实际工作条件下的敏感模态。振动试验技术的最新进展、多维振动试验技术应用背景:单维激励无法获得真实激励情况下的故障模式。起因:真实激励为多维的。解决方案:通过特定的连接工具(如静压球头)和附加台面将多台振动设备组装成为多维振动台产生可控的多自由度运动。、振动过程中的故障诊断技术应用背景:结构的破坏会改变其自身的模态参数。工程应用:实时监测结构的振动响应并提取其模态参数通过不同状态下模态参数的比对对结构进行故障诊断。、虚拟振动试验技术应用背景:在产品定型前的阶段就考虑振动环境引发的潜在故障。解决方案:先对初样产品进行相关的模态参数测试并根据获得的参数对结构的理论模型进行修正再进行振动环境下的数值仿真。工程应用:能最大程度地降低试验时间和成本提高新研制产品的可靠度。典型试验结束语振动试验技术包含了控制理论、振动理论、数字信号处理、积分变换、电工学以及计算机技术等是多学科相互交叉渗透的应用技术有着非常广阔的应用前景。以上是本人对振动试验技术的浅显认识希望今后能与大家多多交流。Theend谢谢

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