CN107367364A - 一种高加速振动谱形设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于可靠性试验技术领域，具体涉及一种结合全轴台与电磁台特性的高加速振动谱形设计方法。机电类产品因结构的多样性导致零组件敏感频段呈现出分散分布的情况，而如果产品的敏感频段不能落入试验应力有效能量分布范围，故障的激发效果将大打折扣。本发明利用电磁振动台谱形可控的优势和谱形优化设计方法，克服了全轴振动台低频敏感故障和大位移故障的激发效果并不理想的局限，使电磁振动台与全轴振动台的高加速试验方法形成互补，为不同特点的产品开展高加速试验提供更多的方法选择。

Description

一种高加速振动谱形设计方法
技术领域
本发明属于可靠性试验技术领域，具体涉及一种结合全轴台与电磁台特性的高加速振动谱形设计方法。
背景技术
高加速应力试验(Highly Accelerated Life Test，以下简称HALT)和高加速应力筛选(Highly Accelerated Stress Screening以下简称HASS)是使用远高于产品规范的应力快速激发潜在故障，以寻找产品设计薄弱环节及批产引入早期缺陷，并通过改进提高产品的耐环境能力极限和可靠性的试验技术。目前，该技术已成为国外提升产品可靠性的主要手段，在国内通讯、汽车、医疗等民用领域也已有较为普遍的应用，近年来更是在军用装备新型号的研制中逐步开展，具有极为广阔的应用前景。
振动应力是高加速试验中最为常用的试验应力，以往试验中使用的设备为专用的全轴振动台。全轴振动台是通过气锤锤击台面提供宽频三轴六自由度的振动应力，虽然全轴振动台的能量分布较广(2～10000Hz)，经研究表明该类型振动应力对大多数故障均能有效激发，但其应力特性也存在着一定的局限性，如：1)振动谱形不可控(即能量分布固定不可调整)；2)低频段(0～400Hz)几乎没有能量；3)能量集中分布于4000～5000Hz等，由此导致一些低频敏感故障和大位移故障的激发效果并不理想。众所周知，电子产品的敏感频段普遍在2000Hz以内，而机电类产品也因结构的多样性导致零组件敏感频段呈现出分散分布的情况，而如果产品的敏感频段不能落入试验应力有效能量分布范围，故障的激发效果将大打折扣。
鉴于上述全轴振动台应力的局限性，产品以往仅使用全轴振动台开展高加速试验将不能有效激发各类型产品潜在缺陷的需求。而电磁振动台虽然能量分布范围窄(5～2000Hz)，但其应力在全频率带均为有效频段，且能量可根据需要进行调整分配。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：形成结合全轴振动台和电磁振动台的应力特性优势的谱形设计方法，提高高加速试验的潜在故障激发有效性。
结合全轴振动台及电磁振动台激励谱形优势，通过对全轴振动台Z轴激励谱的多位置多量级实测，对比分析后使用曲线包络法获得电磁振动台试验基础设计谱形，在控制总振动能量强度不超过选定基础谱总能量120％的前提下，利用电磁振动台谱形可控的优势，针对产品关键阶次模态频率与安装环境关键频率带，使用迭代均衡法逐次加强并均衡振动敏感频段的能量分配，形成激励能量与产品特点相匹配的优化设计振动谱形，弥补了全轴振动台能量分布的缺陷，发挥了两类振动台的特性优势，实现更为有效的电磁振动台振动试验故障激发效果。
本发明的高加速振动谱形设计方法，该方法通过在全轴振动台上的多个位置进行多量级的Z轴激励谱实测，然后在其中选择一个代表激励谱，使用曲线包络法获得用于电磁振动台的试验基础谱，在控制总振动能量强度不超过选定量级120％的前提下，针对产品关键阶次模态频率与使用环境关键频率带，使用迭代均衡法逐次加强并均衡能量分配，形成激励能量与产品匹配的振动谱形。
所述Z轴激励谱实测的获得，在所述全轴振动台面粘贴传感器，对Z轴激励谱进行多位置、多量级的实测，获得全轴振动台的多个激励谱谱形。
实测时满足以下条件：
a)不同台面位置的测量：将台面分为中心区、控制传感器区及边缘区；
b)不同振动量级的测量：施加常用振动量级5G、10G、20G、30G、40G、50G；
c)不同产品安装位置的测量：将产品分别安装在中心区和边缘区位置进行激励谱型实测。
选择代表激励谱时，在多个实测激励谱中，评估各状态下振动激励谱谱形的异同，选择典型的实测激励谱，并对其2000Hz以下的频段谱形使用曲线包络法进行处理，得到的所述试验基础谱。
选择全轴振动台上控制传感器位置附近的实测激励谱作为所述试验基础谱。
对所述试验基础谱使用迭代均衡法进行优化，对敏感频段能量进行强化，形成初始优化振动谱形，对样件进行振动实测，若响应超过所述试验基础谱总能量的130％，则再次优化，根据响应谱降低相应频带的能量。
所述的敏感频段包括400Hz以下低频段、产品阶次模态频率±25Hz频带和环境振动谱的能量集中频段，三种能量加强根据需要同时施加或单独施加。
对于400Hz以下低频段，加强的量值以相同振动量级下不低于使用环境振动谱同频段的功率谱密度值为原则。
对于产品阶次模态频率±25Hz频带，加强的量值以不超过基础谱的20％为原则。
对于使用环境振动谱，加强的量值以相同振动量级下不低于使用环境振动谱同频段的功率谱密度值为原则。
本发明的有益效果：本发明突破常规高加速试验方法的设计局限，首次结合全轴振动台和电磁振动台两类振动台的应力特性优势，利用电磁振动台谱形可控的优势和谱形优化设计方法，克服了全轴振动台低频敏感故障和大位移故障的激发效果并不理想的局限，使电磁振动台与全轴振动台的高加速试验方法形成互补，为不同特点的产品开展高加速试验提供更多的方法选择，同时为企业挖掘现有设备潜力，降低企业的生产成本提供一条新途径。
因此通过谱形设计方法，将全轴振动台和电磁振动台应力特征优势结合起来，形成使用电磁振动台的高加速试验方法，将为不同特点的产品开展高加速试验提供更多的方法选择，以使试验达到最佳效果，
同时，使用该谱形设计方法将打破高加速试验仅能在全轴振动台进行的惯例，从而使企业可以挖掘现有设备潜力，使用价格相对便宜的电磁振动台进行高加速试验，不必重新购买昂贵的全轴振动台，降低企业的生产成本。
附图说明
图1是本发明谱形方法的流程图；
图2是全轴台控制点的测量激励谱；
图3是电磁振动台高加速试验对应的基础谱；
图4是优化后得到的振动谱及能量加强示意图。
具体实施方式
某型产品使用电磁振动台进行高加速试验的振动谱形设计步骤：
步骤一：在全轴振动台面(某型号)分区粘贴传感器，对Z轴激励谱进行多位置多量级的实测，获得全轴振动台台面在典型情况的激励谱谱形，具体步骤如下：
a)空台面的分区测量：包括中心区、控制传感器区及边缘区的10个区域的测量；
b)典型试验量级测量：在施加包括5G、10G、20G、30G、40G、50G共6个量级的情况下，分区测量激励谱；
产品安装在台面不同位置的测量：包括产品分别安装在中心区域和边缘区域位置进行激励谱的分区测量。
步骤二：对比分析步骤一)获得的各实测谱形，在多个实测激励谱中，评估各状态下振动激励谱谱形的异同，根据分析结果选择典型位置(即控制传感器位置,20G)测得的振动的测量激励谱，见图2，并对该谱形2000Hz以下的谱形使用曲线包络法进行处理，处理后的谱形即为试验基础谱(总均方根值为10G)，见图3；
步骤三：对步骤二)获得的试验基础谱使用迭代均衡法进行优化设计
a)敏感频段能量强化设计
首先，参考该产品使用振动环境，加强400Hz以下低频段能量(40Hz～110Hz)，加强的量值以相同振动量级(总均方根加速度量为10G)下不低于使用环境振动谱同频段的功率谱密度值(0.25g2/Hz)为原则；其次，该产品一阶模态频率为1600Hz，对1600±25Hz频带内能量进行加强设计，形成一个窄带叠加的能量峰，加强的量值以优化谱总能量不超过试验基础谱的120％(即12G)为原则；最后，对使用环境振动谱的能量集中频段(400Hz～1200Hz)进行能量加强，加强的量值以总均方根加速度下(总均方根加速度量为10G)不低于使用环境振动谱同频段的功率谱密度值(0.06g2/Hz)为原则，见图4；
b)形成初始优化振动谱形
在敏感频段能量强化设计后，以优化振动谱的总能量不超过试验基础谱总能量的120％(总均方根加速度量值12G)为上限，对三个方面的加强量值进行分配均衡调整，形成电磁振动台高加速试验的初始优化振动谱形，以避免电磁振动台初始试验应力强度过大对产品造成不可控的破坏，影响试验结果；
c)实测样件振动响应谱分析，确定优化设计振动谱形
在振动台上安装样件及测量传感器，按初始优化振动谱形对其施加振动，实测并分析样件的振动响应谱，以样件振动总响应不超过基础谱总能量的130％(总均方根加速度量值12G)为原则，根据各频段响应情况再次对初始优化振动谱形参数进行均衡修正，最终获得兼具两类振动台特性优势的电磁振动台高加速试验振动谱形，见图4。

Claims (10)

1.一种高加速振动谱形设计方法，其特征在于：该方法通过在全轴振动台上的多个位置进行多量级的Z轴激励谱实测，然后在其中选择一个代表激励谱，使用曲线包络法获得用于电磁振动台的试验基础谱，在控制总振动能量强度不超过选定量级120％的前提下，针对产品关键阶次模态频率与使用环境关键频率带，使用迭代均衡法逐次加强并均衡能量分配，形成激励能量与产品匹配的振动谱形。
2.根据权利要求1所述的高加速振动谱形设计方法，其特征在于：所述Z轴激励谱实测的获得，在所述全轴振动台面粘贴传感器，对Z轴激励谱进行多位置、多量级的实测，获得全轴振动台的多个激励谱谱形。
3.根据权利要求2所述的高加速振动谱形设计方法，其特征在于：实测时满足以下条件：
a)不同台面位置的测量：将台面分为中心区、控制传感器区及边缘区；
b)不同振动量级的测量：施加常用振动量级5G、10G、20G、30G、40G、50G；
c)不同产品安装位置的测量：将产品分别安装在中心区和边缘区位置进行激励谱型实测。
4.根据权利要求1所述的高加速振动谱形设计方法，其特征在于：选择代表激励谱时，在多个实测激励谱中，评估各状态下振动激励谱谱形的异同，选择典型的实测激励谱，并对其2000Hz以下的频段谱形使用曲线包络法进行处理，得到的所述试验基础谱。
5.根据权利要求4所述的高加速振动谱形设计方法，其特征在于：选择全轴振动台上控制传感器位置附近的实测激励谱作为所述试验基础谱。
6.根据权利要求4或5所述的高加速振动谱形设计方法，其特征在于：对所述试验基础谱使用迭代均衡法进行优化，对敏感频段能量进行强化，形成初始优化振动谱形，对样件进行振动实测，若响应超过所述试验基础谱总能量的130％，则再次优化，根据响应谱降低相应频带的能量。
7.根据权利要求6所述的高加速振动谱形设计方法，其特征在于：所述的敏感频段包括400Hz以下低频段、产品阶次模态频率±25Hz频带和环境振动谱的能量集中频段，三种能量加强根据需要同时施加或单独施加。
8.根据权利要求7所述的高加速振动谱形设计方法，其特征在于：对于400Hz以下低频段，加强的量值以相同振动量级下不低于使用环境振动谱同频段的功率谱密度值为原则。
9.根据权利要求7所述的高加速振动谱形设计方法，其特征在于：对于产品阶次模态频率±25Hz频带，加强的量值以不超过基础谱的20％为原则。
10.根据权利要求7所述的高加速振动谱形设计方法，其特征在于：对于使用环境振动谱，加强的量值以相同振动量级下不低于使用环境振动谱同频段的功率谱密度值为原则。
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