CN103616148B - 分解获取电子模块集成安装架内lrm振动试验条件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的分解获取电子模块集成安装架内LRM振动试验条件的方法，旨在提供一种能够避免过试验或欠试验，试验结果接近真实情况，对电子模块集成安装架（MIR）整体振动试验条件进行分解的方法。本发明通过下述技术方案予以实现：先将MIR架内空间分为若干独立的区域；在区域内选取现场可更换模块（LRM）不同安装位置的若干关键点和监测点，安装加速度传感器，在振动台上振动激励，用动态信号采集分析仪采集关键点及监测点的加速度响谱；用统计容差法数据综合处理为测试谱；用分段平直谱等效方法将测试谱规范化处理成规范谱；然后对比试验测试验证规范谱，将对比响应谱一致，谱峰值比较相近的规范谱，作为MIR振动试验条件的合适结果用作LRM独立振动试验的试验条件。

Description

分解获取电子模块集成安装架内LRM振动试验条件的方法

技术领域

本发明是关于电子设备振动环境试验技术领域，确定模块化电子设备振动试验条件的方法，特别是关于对电子模块集成安装架（ModuleIntegrationRack，MIR）整体承受的振动试验条件进行分解，获取MIR内部所安装的现场可更换模块（LineReplaceableModule，LRM）实际承受的振动环境的方法。

背景技术

众所周知，机械振动对电子设备有着很大的破坏作用。电子设备是指由集成电路、晶体管、电子管等电子元器件组成，应用电子技术（包括）软件发挥作用的设备，包括电子计算机以及由电子计算机控制的机器人、数控或程控系统等。机械振动对电子设备电信功能的影响机理非常复杂，采取相应的工程应对措施也非常困难。为了解决了现代电子产品高可靠性、低开发成本和短研制周期之间的矛盾，保证电子设备的可靠性，在完成初步样机以及后续设计定型时，必须以给定的振动试验条件对设备进行振动环境试验，以全面考察验证其抗振动环境适应性能，确保设备在真实振动环境中使用时的可靠性。

振动环境试验通常是在实验室条件下产生一个人工可控的振动环境，作用于被试的产品上，使得产品经受与实际使用过程的振动环境相同或相似的振动激励作用。振动环境试验的有效性取决于实验室条件下产生的振动环境与实际使用过程的振动环境之间的相似程度，而实验室条件下产生的振动环境，是由试验规范规定的振动试验条件（即振动控制点上沿规定方向的振动激励条件）来决定的，而试验规范规定的振动试验条件通常是由电子设备的用户方根据设备的具体使用环境而制定。如图5所示为该振动试验条件的一种示例，以振动环境的加速度功率谱密度曲线的形式给出，图中横坐标表示频率范围，示例中为15～2000赫兹，纵坐标表示各频率点对应的加速度功率谱密度值。

长期以来，由单一厂家生产交付的独立电子设备，用户方总会根据设备的实际使用环境，给出该设备整体需要进行振动环境试验的试验条件，而电子设备则是直接采用给定的整体振动环境试验条件进行振动试验。然而当电子设备发展到模块化综合设备后，一些独立的电子设备被体积更小、功能更强的现场可更换模块（LRM）所替代，数十个LRM集中安装在MIR内，实现相互之间的信号互联。LRM往往分别由不同的单位研制，最后集中交付在MIR内进行机械和电气互联，从而形成一个整体设备。为保证最终整体设备的可靠性，每个LRM在研制和交付的各个阶段都需要进行独立的振动环境试验，而且往往要进行振动模态试验及随机振动试验等,以保证电子产品的各元器件及控制系统能够稳定运行，这就面临着如何确定LRM振动环境试验条件的问题。常用的做法是采用机架整体振动试验条件来对LRM进行振动环境试验。如图6所示，是采用图5所示振动试验条件，在振动台上对LRM独立进行振动试验和将其装入MIR进行整体振动试验时，测量的到的LRM上某点的加速度响应谱的对比。由图6中的两条加速度功率谱密度曲线可以看出，加速度响应谱曲线差异很大，第一谱峰值所对应的频率分别175Hz和360Hz，其它谱峰值的差异也很大，且随机振动试验过程中会出现振动过应力的情况,因此采用MIR整体振动试验条件来对LRM进行振动试验与其实际承受的振动情况不相符，而且过试验条件会造成试验样品特性的损坏，欠试验条件则不能达到考核试验样品振动可靠性的目的,是不合理的。本发明的目的就是要给出合理的、对LRM独立进行振动环境交付试验时的试验条件。

目前对LRM进行振动环境试验的不足之处在于：

1）由于机架本身结构动特性的影响，LRM实际承受的振动环境是不同于机架整体所受振动试验条件的，要单个模块去承受整个设备所面对的振动试验条件，将可能造成模块本身过试验或者欠试验，对其可靠性造成隐患。

2）不适当的振动试验条件不能保证在电子产品设计过程中，充分了解LRM在使用环境激励条件下的动态响应情况，从而很难准确评估LRM的振动环境可靠性，也不能及时有效地对LRM进行动力学优化设计。

发明内容

为了克服现有技术采用机架整体振动试验条件，对LRM进行独立振动环境试验的不足，解决电子设备模块化综合导致的振动环境试验问题，本发明提供一种能够避免过试验或欠试验，并且试验结果更接近真实使用情况，对电子模块集成安装架（MIR）整体振动试验条件进行分解的方法。

本发明还给出了一种将分解得到的LRM独立振动试验条件应用到LRM独立振动试验中的应用装置。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种分解获取电子模块集成安装架内LRM振动试验条件的方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）首先将电子模块集成安装架（MIR）的内部空间区域进行分区，分区为若干独立的区域；

（2）在上述独立区域内选取不同现场可更换模块（LRM）安装位置的若干关键点，同时在相同独立区域内所安装的LRM上选取若干监测点；在上述关键点和监测点处安装加速度传感器，然后对MIR附带安装LRM的设备在振动台上进行振动激励，激励量值为设备研制协议中给定的设备整体振动试验条件，同时用动态信号采集分析仪获取关键点以及监测点的加速度响应谱；

（3）为了获得上述独立区域单一的振动环境试验条件，采用统计容差法，将所述独立区域各关键点的响应谱数据进行数据综合处理，形成一条单一响应谱，称为测试谱；

（4）测试谱一般情况下比较复杂，不适于作为能方便输入振动激励装置的振动环境试验条件使用，需要进行规范化。采用分段平直谱等效的方法，对在步骤（3）中获得的测试谱进行规范化处理，以获得适合作为振动环境试验条件的规范谱；

（5）对比试验测试验证规范谱，应用步骤（4）得到的规范谱振动试验条件对LRM进行独立振动试验，试验中，选定与步骤（2）中选定的相同监测点处，安装加速度传感器，利用信号采集分析仪获取该监测点当前时刻的加速度响应数值的响应谱，与步骤（2）中测得的监测点加速度响应数值的响应谱进行对比，将两个对比响应谱一致，各谱峰对应的频率点以及各谱峰值都比较相近的规范谱，作为电子模块集成安装架振动试验条件分解的合适结果，此结果将用作LRM独立进行振动试验的试验条件。

本发明还给出一种针对振动试验条件分解结果的应用装置，其特征在于可以将独立的LRM安装在内，将分解所得试验条件直接施加到应用装置上，实现对LRM进行合理的振动环境试验。

与现有技术方法相比，本发明的有益效果为：

本发明以不同于以往采用MIR的整体振动试验条件来对LRM进行振动环境试验的方法，提出了对MIR总体振动试验条件进行分解的思路。本发明通过对MIR所承受的总体振动环境试验条件进行分解映射，得到LRM实际承受的振动环境量值，以此作为LRM独立振动试验的条件，使LRM能够以合理的试验条件进行振动环境试验，避免过试验或欠试验，并且试验结果更接近真实使用情况。

附图说明

图1是集中安装现场可更换模块（LRM）的电子模块集成安装架（MIR）示意图。

图2是本发明针对图1所示MIR设备的整体振动试验条件进行分解的流程图。

图3是图1所示设备中某区域的测试谱和规范谱曲线示意图。

图4是针对MIR整体振动试验条件的分解结果进行应用的振动试验装置。

图5是图1所示MIR设备需要承受的整体振动试验条件的加速度功率谱密度曲线。

图6是采用图5所示MIR的整体振动试验条件，对LRM进行独立振动试验，与将其装入MIR进行整体振动试验时，LRM上某点加速度响应谱的对比。

图中：101电子模块集成安装架（MIR），102现场可更换模块（LRM），601顶板，602左侧板，603模块安装槽，604底板，605右侧板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一个实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1。若干现场可更换模块102集中安装在模块化综合集成机架101内，形成了的模块化综合设备。一般在该类设备的研制协议中，只给出了模块化综合设备整体进行振动环境试验的试验条件。

参阅图2。为了实现电子模块集成安装架振动试验条件的分解，获得LRM实际应该承受的振动试验条件，本发明首先确立了针对电子模块集成安装架振动试验条件进行分解的流程，包括如下步骤：

（1）对MIR101的内部空间区域进行分区；

（2）以整体振动条件对设备进行振动试验测试；

（3）测试得到关键点的振动响应数据，同时测得LRM上监测点的振动响应数据；

（4）对关键点振动响应数据进行数据综合得到测试谱；

（5）对测试谱进行规范化处理，得到试验条件规范谱；

（6）应用得到的试验条件规范谱对LRM进行独立的振动试验，同时测得LRM上监测点的振动响应数据；

（7）将步骤（3）和步骤（6）中得到的LRM上监测点的振动响应数据进行对比，来验证分解得到的试验条件规范谱。

本实施例中，首先将图1中MIR101内部空间区域进行分区，分区为若干独立的区域,在这些独立区域内安装的所有LRM，其实际承受的振动环境将视为相同。对MIR内部空间区域分区主要综合依据，包括MIR的总体空间布局和内部承力结构形式、功能区划、相同LRM的分布情况，以及整体结构振动仿真分析得到的MIR内部结构上的响应情况来进行。其中仿真分析是采用有限元方法对图1所示MIR进行振动仿真分析，所得仿真分析结果依据内部结构上的响应谱主峰值、谱线形状和响应谱总均方根值的接近程度来对MIR内部空间区域进行划分。其次，在所划分的独立区域包含的集成安装机架结构上选取若干关键点，这些关键点处的振动响应将从总体上代表了所述独立区域的振动环境。通过在关键点处安装加速度传感器，以设备整体振动环境试验条件进行实际振动试验，测试得到关键点的响应谱。

进一步，将所述独立区域各关键点的响应谱数据进行综合处理，形成单一响应谱，称为测试谱，综合处理的计算公式为：

$G\left(f\right)=\stackrel{\‾}{X}\left(f\right)+k_{f}S\left(f\right)$

其中f为频率，其范围与MIR整体振动环境试验条件的频率范围一致；为响应谱样本G_i(f)的样本均值；k_f为响应谱容差上限系数；S(f)为响应谱样本G_i(f)的标准偏差。

更进一步，的计算公式为：

$\stackrel{\‾}{X}\left(f\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{G}_i\left(f\right)$

其中，N为样本容量。

当给定置信度γ和概率β，k_f的计算公式为：

$k_f=\frac{t_y(N-1)}{\sqrt{N}}+Z_{\mathrm{\β}}\sqrt{\frac{N-1}{{\mathrm{\χ}}_{1-y}^2(N-1)}}$

其中t_y(N-1)为自由度为(N-1)的中心t分布γ分位点；Z_β为满足概率P[Z≤Z_β]＝β的正态分布分位点；为自由度为(N-1)的中心χ²分布γ分位点。

S(f)的计算公式为：

$S\left(f\right)=\sqrt{\frac{1}{N-1}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(G_i\left(f\right)-\stackrel{\‾}{X}\left(f\right))}^2}$

参阅图3，其中的响应谱加速度功率谱密度曲线为关键点响应谱数据进行综合处理后形成单一响应谱的示例。

上述步骤获得的MIR内部不同区域的振动环境测试谱线一般情况下较复杂，并不适合于作为振动环境试验条件使用，需要进行规范化处理。采用分段平直谱等效的方法，包括谱线的包络、平直谱频段的确定、平直谱量值的确定。步骤如下：

（1）首先对如图3中所示，已经得到的单一振动环境测试谱线进行包络处理，依次以各个谱线峰值点的折线连接谱线中的一些最大值点，形成一条尽量贴近原谱线的包络谱线；

（2）对步骤（1）所述包络谱线所包含的频率区间进行频段划分，对应每一个较大的峰值，划分一个独立的平直谱频段，频段宽度大约取该峰值谱线频带的1/2。

（3）对步骤（2）所述平直谱频段对应的平直谱量值的确定。分别按照下面两式对每个频段内的功率谱密度值进行均值μ_x和方差的估计。

${\mathrm{\μ}}_x=\frac{1}{N}\underset{f=f_1}{\overset{f_1}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{G\left(f\right)}$

${\mathrm{\σ}}_x^2=\frac{1}{N-1}\underset{f=f_1}{\overset{f_2}{\mathrm{\Σ}}}{(\sqrt{G\left(f\right)}-{\mathrm{\μ}}_x)}^2$

其中G(f)为测试谱；N为样本容量；f为频率；f₁和f₂为所述频段的下限和上限频率；F为容差上限系数，针对样本数量不是特别大，在0.5置信度和95%概率下，本实施例中取值为1.4。

按照下式计算平直频段谱值：

G(f)＝[μ_x+Fσ_x]²

（4）以斜线连接各平直谱的首尾，形成如图3所示的规范谱。

参阅图4。为针对MIR整体振动试验条件的分解结果进行应用的振动试验装置，包括两个制有矩形通孔的框架顶板601和底板604，以及对称固联在上述顶板601和底板604两端，内侧制有模块安装槽603的L形状的左侧板602和右侧板605，由此组成的振动试验装置通过位于两侧的L形状左侧板602、右侧板605固定在振动台上，LRM则直接通过模块安装槽603安装在振动试验装置中。

将装有LRM的振动试验装置安装在振动台上，借助图4所示振动试验装置，以图3中所示分解得到的LRM振动环境试验条件规范谱作为振动试验条件，对振动试验装置施加振动激励，测试LRM上加速度响应数值的响应谱；然后再将LRM装入MIR，以MIR整体振动环境试验条件进行整体振动环境试验，测得的如图6所示LRM上加速度响应数值的响应谱，然后将两次试验获得的对应频率点的各谱峰值和总量值进行对比，以此来验证电子模块集成安装架振动试验条件分解结果的准确性。

Claims (10)

1.一种分解获取电子模块集成安装架内LRM振动试验条件的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)首先将电子模块集成安装架MIR的内部空间区域分区为若干独立区域；

(2)在上述独立区域内选取现场可更换模块LRM不同安装位置的若干关键点和若干监测点；并在上述若干关键点和若干监测点上安装加速度传感器，然后将电子模块集成安装架MIR整体设备放在振动台上，按照电子模块集成安装架MIR整体设备研制协议给定的振动试验条件激励量值进行振动激励，用动态信号采集分析仪获取关键点以及监测点的加速度响应谱；

(3)采用统计容差法，将上述各关键点的响应谱数据进行数据综合处理，形成一条单一响应谱，称为测试谱；

(4)采用分段平直谱等效的方法对上述获得的测试谱进行规范化处理，获取符合振动环境试验条件的规范谱；

(5)对比试验测试验证规范谱，用上述得到的规范谱振动试验条件对现场可更换模块LRM进行独立振动试验，试验中，利用信号采集分析仪获取监测点当前时刻加速度响应数值的响应谱，再与步骤(2)测得的监测点加速度响应数值的响应谱进行对比，将对比响应谱一致、各谱峰对应的频率点及其谱峰值都比较相近的规范谱，作为电子模块集成安装架MIR振动试验条件分解的合适结果用作现场可更换模块LRM独立振动试验的试验条件。

2.如权利要求1所述的分解获取电子模块集成安装架内LRM振动试验条件的方法，其特征在于：针对电子模块集成安装架振动试验条件进行分解的流程，包括如下步骤：

(1)对电子模块集成安装架MIR(101)的内部空间区域进行分区；

(2)以整体振动条件对设备进行振动试验测试；

(3)测试得到关键点的振动响应数据，同时测得现场可更换模块LRM上监测点的振动响应数据；

(4)对关键点振动响应数据进行数据综合得到测试谱；

(5)对测试谱进行规范化处理，得到试验条件规范谱；

(6)应用得到的试验条件规范谱对现场可更换模块LRM进行独立的振动试验，同时测得现场可更换模块LRM上监测点的振动响应数据；

(7)将步骤(3)和步骤(6)中得到的现场可更换模块LRM上监测点的振动响应数据进行对比，来验证分解得到的试验条件规范谱。

3.如权利要求1所述的分解获取电子模块集成安装架内LRM振动试验条件的方法，其特征在于：对电子模块集成安装架MIR内部空间区域分区，依据包括电子模块集成安装架MIR的总体空间布局和内部承力结构形式、功能区划、相同现场可更换模块LRM的分布情况，以及整体结构振动仿真分析得到的电子模块集成安装架MIR内部结构上的响应情况来进行。

4.如权利要求3所述的分解获取电子模块集成安装架内LRM振动试验条件的方法，其特征在于：所得仿真分析结果依据内部结构上的响应谱主峰值、谱线形状和响应谱总均方根值的接近程度来对电子模块集成安装架MIR内部空间区域进行划分。

5.如权利要求1所述的分解获取电子模块集成安装架内LRM振动试验条件的方法，其特征在于：所划分的独立区域包含集成安装机架结构上选取的若干关键点，这些关键点处的振动响应从总体上代表了所述独立区域的振动环境。

6.如权利要求1所述的分解获取电子模块集成安装架内现场可更换模块LRM振动试验条件的方法，其特征在于：所述的响应谱为：

$G\left(f\right)=\stackrel{\‾}{X}\left(f\right)+k_{f}S\left(f\right)$

其中f为频率，其范围与电子模块集成安装架MIR整体振动环境试验条件的频率范围一致；为响应谱样本G_i(f)的样本均值；k_f为响应谱容差上限系数；S(f)为响应谱样本G_i(f)的标准偏差。

7.如权利要求6所述的分解获取电子模块集成安装架内LRM振动试验条件的方法其特征在于：的计算公式为：

$\stackrel{\‾}{X}\left(f\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{G}_i\left(f\right)$

其中，N为样本容量。

8.如权利要求7所述的分解获取电子模块集成安装架内LRM振动试验条件的方法，其特征在于：当给定置信度γ和概率β，k_f的计算公式为：

$k_f=\frac{t_{\mathrm{\γ}}(N-1)}{\sqrt{N}}+Z_{\mathrm{\β}}\sqrt{\frac{N-1}{{\mathrm{\χ}}_{1-\mathrm{\γ}}^2(N-1)}}$

其中t_γ(N-1)为自由度为(N-1)的中心t分布γ分位点；Z_β为满足概率P[Z≤Z_β]＝β的正态分布分位点；为自由度为(N-1)的中心χ²分布γ分位点。

9.如权利要求1所述的分解获取电子模块集成安装架内LRM振动试验条件的方法，其特征在于：上述分段平直谱等效的方法，包括谱线的包络、平直谱频段的确定和平直谱量值的确定，步骤如下：

(1)首先对已经得到的单一振动环境测试谱线进行包络处理，依次以各个谱线峰值点的折线连接谱线中的一些最大值点，形成一条尽量贴近原谱线的包络谱线；

(2)对步骤(1)所述包络谱线所包含的频率区间进行频段划分，对应每一个较大的峰值，划分一个独立的平直谱频段，频段宽度取该峰值谱线频带的1/2；

(3)对步骤(2)所述平直谱频段对应的平直谱量值的确定，分别按照下面两式对每个频段内的功率谱密度值进行均值μ_x和方差的估计，

${\mathrm{\μ}}_x=\frac{1}{N}\underset{f=f_1}{\overset{f_2}{\Σ}}\sqrt{G\left(f\right)}$

${\mathrm{\σ}}_x^2=\frac{1}{N-1}\underset{f=f_1}{\overset{f_2}{\Σ}}{(\sqrt{G\left(f\right)}-{\mathrm{\μ}}_x)}^2$

其中G(f)为测试谱；N为样本容量；f为频率；f₁和f₂为所述频段的下限和上限频率；F为容差上限系数，针对样本数量不是特别大，在0.5置信度和95％概率下，取值为1.4,

按照下式计算平直谱频段谱值：

G(f)＝[μ_x+Fσ_x]²

(4)以斜线连接各平直谱的首尾，形成规范谱。

10.一种使用权利要求1所述方法的振动试验装置，其特征在于：所述振动试验装置包括两个制有矩形通孔的框架顶板(601)和底板(604)，以及对称固联在上述顶板(601)和底板(604)两端，内侧制有模块安装槽(603)的L形状的左侧板(602)和右侧板(605)，由此组成的振动试验装置通过位于两侧的L形状左侧板(602)、右侧板(605)固定在振动台上，现场可更换模块LRM则直接通过模块安装槽(603)安装在振动试验装置中。