多轴向振动试验类型及试验实施技术探讨

孙建勇，徐 明，魏 媛，刘攀峰

（中国航空综合技术研究所，北京 100028）

引言

多轴向振动试验技术作为最先进的动力学试验手段之一，其概念几乎是随着振动试验的产生就被提出。早在1965年，Helmuth就开发了Chadwick-Helmuth多振动台模拟控制系统，并将其应用于正弦试验。二十世纪七十年代末期美国桑地亚国家实验室开始对多振动台随机振动控制理论和算法进行研究，以Samllwood博士为首的研究组在该领域进行深入研究，并发表数篇论文，全面阐述了多振动台数字随机振动控制的理论和技术框架。但是，当时开发的控制软件和试验设备存在诸多问题，多轴向振动试验并没有得到正式应用。直到上世纪九十年代，随着数字计算机技术的高速发展，国外才开发出可以商用的多输入多输出（MIMO）振动试验控制系统和相应的硬件设备，多轴向振动试验才逐渐开始零星应用。2006年1月，北约发布了其军标STANAG 4370 AECTP 400的第三版[1]，提出了方法421“多激励器振动和冲击试验”，这是国际上首次将多轴向振动试验纳入主流军用标准，同年9月英国国防部发布了DEF0035第四版[2]，在其第三部分环境试验方法M2中也明确了多点激励试验；2008年10月31日，美国军方颁布了MIL-STD-810G[3]，也将多点激励试验纳入了试验方法527，由于MIL-STD-810标准是当前国际上最具影响力的环境试验方法标准，因此，该标准的颁布，表明了多轴向振动试验技术开始进入了应用阶段。

我国对多轴向振动试验技术的研究与应用起步较晚，从二十世纪九十年代开始，国内相关科研单位如北京航空航天大学、南京航空航天大学、国防科技大学、航空301所、航天702所等多家单位对该技术展开研究并取得一定的成果[4]-[8]，对多输入多输出（MIMO）试验理论和技术框架有了一定的认识，并在飞机外挂、无人机等设备上开展了一些简单应用。我国主要的振动设备开发商如东菱、苏试、航天希尔，也成功开发出了三轴向振动台，可用于多轴向振动试验的实施。目前，在国内开展多轴向振动试验的软硬件条件已逐渐具备。但是，即使具有有效的软件和硬件系统，要成功实施多轴向振动试验，仍然存在很大的技术难度，对于一个复杂的多轴向振动试验，如何安排激励点布局，如何选择控制点数量和位置，如何构建控制点的参考谱矩阵等，都是制约该试验在国内应用的关键。

1 多轴向振动试验类型

基于不同的分类方式，存在不同的多轴向振动试验类型，例如，根据需要模拟的试验轴向数目的多少，可分为两轴向振动试验、三轴向振动试验和三轴六自由度振动试验等类型，按照激励方式的不同，可分为多振动台通过扩展台面激励产品的多轴向单点激励试验和多振动台直接激励产品的多轴向多点激励试验。由于第二种分类方式对试验的设计和实施影响更为直接，因此，下面对其分别进行介绍。

1.1 多轴向单点激励试验

多轴向单点激励试验指的是多个振动台组装成一个大型的试验系统，如三轴向振动台、三轴六自由度振动台等，通过统一的振动台面给产品施加多轴向单点激励，由于采取单点激励试验方式，显然该类试验特别适用于模拟刚性平台的多轴向振动，其受试产品相对较小，特别适用于常规小型设备的多轴向环境模拟，如机载设备、车载设备等。图1为某车灯的三轴向试验，图2为国外某航空产品的三轴六自由度振动试验。

从试验实施上讲，该类试验常采用输入控制方式，需要同时控制输入给产品的多轴向振动环境应力，其中图2所示三轴六自由度振动试验是该类试验最为复杂的类型。该类试验实施的主要难点在于控制点数量、位置、方向的选取，特别是对于六自由度振动试验，由于角振动的存在，如何将试验参考谱矩阵转换为控制点处的参考谱矩阵，也是试验的一个难点。

1.2 多轴向多点激励试验

图3所示为一个典型的多台多点激励两轴向试验，四个振动台按照事先规定的方向通过简单的激励杆直接作用在试件不同部位上，试件上不同部位的响应由各个振动台共同产生。图4为汽车的六自由度振动试验，该试验同样采用多点激励方式，四个轮毂均经受到三轴向激励。

由图3和图4可知，多轴向多点激励试验将各个激励器直接与受试产品不同激励点相连，能够更真实地模拟产品在外场使用过程中受到的激励情况，特别适用于导弹、车辆等大型产品多轴向振动环境的模拟。以车辆为例，车辆在行驶过程中路面诱发的振动通过四个轮毂传递给车体，因此，对四个轮毂进行三轴向激励从理论上讲能够完全真实地反映实际情况，而对于导弹类产品，其最主要的振源为气动力，该激励分布在导弹外表面，存在无限个激励点，采用有限个激励点对导弹进行激励只是与实际激励方式近似的一种方式。

从试验实施上讲，该类试验常采用响应控制方式，其主要难度在于试验激励布局和控制方案的确定，特别是对于导弹这类产品，由于不能完全模拟实际激励情况，在试验过程中激励方式的选取将至关重要。

图1 汽车车灯的三轴向试验

图2 某航空产品的六自由度振动试验

图3 双轴向直接激励试验

图4 汽车的三轴六自由度振动试验

2 多轴向振动试验应力施加方法

由于多轴向振动试验的控制目标由目前单轴向试验的单目标变为多个目标，需要同时控制多个运动自由度，其试验难度将大为增加，试验前必须对试验实施方案进行精心设计。

总体说来，实施多轴向振动试验必须开展下面工作：

1）分析产品安装平台环境特点，确定激励方式

多轴向振动试验的终极目标是真实模拟产品外场经历的振动环境，因此，应根据产品外场经历振动环境的情况，选择合适的振动应力施加方法。一般说来，如果产品受到的激励点较少，各个激励点分布较为集中，距离较近，或者安装平台刚性较好，产品受到的激励可近似为刚体的多轴向振动，则可选择多轴向单点激励试验方式；反之，如果产品尺寸大，受到的激励点多，分布范围大，产品安装平台振动不能简化为刚体振动，则需要选择多轴向多点激励试验。具体激励方式根据需模拟的轴向或自由度，结合平台振动特点综合权衡确定。

2）分析产品实际使用安装情况，确定试验系统安装布局

对于多轴向单点激励振动试验，产品安装应模拟实际使用状态安装在多轴向振动台面上，如图1～2所示。

对于多轴向多点激励振动试验，试验的安装布局分两种情况。如果产品经受的振动激励是一种机械传递的振动环境，试验的安装布局和实际安装连接一致即可，振动激励通过实际安装连接位置激励产品，典型安装示例如图4所示；如果产品经受的激励是一种气动激励或者声学激励，激励点分布在整个外表面上，则试验激励布局必须进行精心设计，应通过模态试验等分析手段确定激励点数量、位置和方向，激励点必须选择在刚硬结构上，典型安装布局如图3所示。此外，应该注意多轴向多点激励试验一般需要使用机械解耦装置，机械解耦装置的频率范围将决定着试验能否满足要求，当前常使用静压球铰作为机械解耦装置，性能优越的静压球铰其频率范围将能达到2000Hz。

3）夹具设计与测试

试验夹具设计与测试可参照目前的单轴向振动试验方法进行，但应注意夹具应尽可能和实际安装装置保持一致，由试验安装连接引起的阻抗应尽可能和实际阻抗保持一致，夹具测试应进行三轴向测量。

4）模态测试

试验前应对受试产品/试验夹具进行模态测试，尽可能全面获取受试产品/试验夹具结构动特性信息，包括前几阶模态的频率、阻尼和固有振型；还要获取结构主要反共振点信息。这些信息对试验设计和试验结果评定均有重要的意义。例如，对于导弹的多轴向振动试验，可基于模态测试信息来选择激励点和控制点的位置、数量和方向，配合完成试验方案的设计。

在试验结束后，也应对受试产品/试验夹具进行模态测试，并对试验前后模态测试结果进行比较，以确认试验后产品的结构是否出现显著变化。

5）产品安装和系统连接

在所有准备工作完成后，开始进行产品安装，产品安装包括实际使用过程中使用的电气线路等辅助连接，产品安装连接应牢靠，确保激励能量能充分传递到受试产品上。

产品安装完后，在事先选定的位置安装控制与监测用加速度计，加速度计的安装应保持刚性连接，其安装方向应与事先规定的轴向保持一致。考虑到相位控制是一个重要控制目标，加速度安装方向保持为每个试验轴向的正向，所有加速度计的布置和方向必须与参考信号相匹配，应提供校直程序以确保所有的测量都精确地沿着每个激励轴向进行。

对于大型产品的试验，应安装有安全保护装置，防止产品发生异常掉落，影响试验人员和设备的安全。

对于大质量产品的试验，应配有弹性悬挂或者弹性支持机构，弹性悬挂引起的刚体频率一般应比最低试验频率低，且低于受试产品一阶频率的一半。GJB 150A飞机外挂挂飞振动试验规定：“外挂、悬挂设备及结构支撑架的组合刚体模态频率应在5Hz～20Hz之间，且低于外挂最低弯曲频率的一半”。

6）预试验与响应分析，确定最终试验控制方案

在较低量值下进行预试验，分析预先确定的控制点与监测点的响应，对于大型多轴向多点激励试验，可能需要使用模拟试验件，并对选定点的响应进行仿真分析，并反复进行预试验，最终确定控制点位置、数量和方向；对于需要控制转动运动的振动试验，其不同控制位置的直线加速度运动要求各不相同，在确定控制点位置、数量和方向后，需要将预先规定的参考谱矩阵进行转换，得到给定控制点对应参考谱矩阵。

7）按规定的条件进行正式试验

在确定了最终的试验控制方案后，按规定的条件进行试验，记录各个控制点和监测点的试验数据。对于大型多轴向试验，试验应力施加应特别小心谨慎，最好使用手动方式进行试验。应在低量值下启动试验，启动量级一般在-20～-12dB之间，待在启动量级下试验控制满足预定要求以后，再以1～3dB的速率提高试验量级，直到试验达到规定的试验量值为止，应注意在每一试验量级上试验控制均应满足预定要求。

8）试验结果分析

试验后，分析试验偏差，确认试验应力的施加满足要求。应注意，由于多轴向试验控制的复杂性，目前标准规定的多轴向试验方法（如MIL-STD-810G方法527）尚没有严格规定试验容差，试验容差包括各个控制参数单独的试验容差和总体试验容差，试验容差应根据实际情况确定。

3 应用案例：飞机外挂的两轴向四点激励试验

3.1 概述

飞机外挂为一个细长体结构，挂装在飞机外部，其激励源分为气动力和机体振动两大部分。机体振动通过挂架进行激励，挂架类似于低通滤波器结构，机体上的高频振动不能有效传递给外挂结构；而气动力直接作用在外挂表面上，成为了外挂最主要的振源。有关资料表明，外挂振动响应沿轴向分布，一般呈现为前端小后端大的特征，典型振动响应具有图5[9]的分布特征。

对于这种结构，需要采取多轴向多点激励试验。考虑到外挂这类细长体结构，纵向振动远小于垂向和侧向振动，根据GJB 150.16A《军用装备实验室环境试验方法振动试验》[10]，当外挂长细比大于4时，纵向振动效应可以忽略，因此，本次试验选用两轴向四点激励试验来模拟外挂的振动响应特征，具体激励方式和安装布局如图3所示，4个激励器通过4个激振杆对外挂两个轴向的分别进行振动激励。

3.2 试验方案设计

在确定了激励方式和安装布局后，下面按3.1给出的方法进一步进行试验方案设计。

首先对外挂进行模态测试，垂向弯曲模态结果见表1，侧向有类似的结果。

根据模态测试结果选择备选激励点位置和控制点位置，选取原则如下：激励点和控制点应选择在各阶模态振动显著、并且刚性较大的位置，应避免选择在各阶模态节线上。按上述原则，结合激励器安装布局要求选取备选激励点位置和控制点位置，并进行低量值反复预试验，根据预试验结果确定最终的激励点和控制点位置。按上面提供的方法设计试验方案，最终得到4个控制点位置和激励点位置，如图6和表2所示。

按图6所示激励布局和控制点方案进行试验，外挂使用弹性悬挂，由悬挂引起的频率约为5Hz。

3.3 试验条件

使用表2定义，试验条件规定如下：

图5 振动量级沿外挂轴向分布要求

表1 外挂垂向前3阶弯曲模态

图6 飞机外挂多轴向振动环境模拟实物模型

1）自功率谱密度

各个控制点的自功率谱谱形见图7，4个拐点频率分别为80Hz、150Hz、300Hz和500Hz，上升谱斜率取+3dB/Oct。试验振动量值确定为：尾部两个轴向振动均方根值为0.5grms；而头部两个轴向振动均方根值确定为0.3grms。

2）相干系数

同一轴向两个控制点具有较大的相干系数，假定为0.99，不同轴向可假定为不相干，因此将相干系数要求确定如下。

3）相位谱

相位谱反映各个控制点之间的相位关系，将控制点4和其他三个控制点之间的相位差定义为接近反相，其它三个控制点之间定义为同相，即相位差为0。

表2 各个控制点位置与方向定义

图7 喷气式飞机外挂振动响应

3.4 试验数据

试验验证结果如下：

1）自谱控制结果

2）相干和相位控制结果

图8 自功率谱密度控制曲线

图9 相位谱和相干谱控制曲线

由图8～图9试验曲线结果可以看出，试验结果基本能够满足预先设定的参考谱要求，自谱控制结果优于相位控制和相干控制，个别频点或者频段存在超差现象，其原因在于导弹模型在试验频率范围内存在共振与反共振。

4 结论

多轴向振动试验能够真实模拟产品寿命期经历的振动环境，代表了振动试验的发展方向，试验实施的复杂性和技术难度是制约该试验在我国应用的主要因素之一。本文对多轴向振动试验实施技术进行了探讨，提出了试验实施时需考虑的主要事项，并使用案例介绍了典型多轴向振动试验。结果表明，只要按照实际振动环境特点和试验要求对试验进行精心设计，多轴向振动试验是能够成功实施的。

[1] NATO STANAG 4370,Environmental Testing, Allied Environmental Conditions and Test Procedure, AECTP 400,Mechanical Environmental Tests[S].

[2] DEF 0035, Environmental Handbook for Defence Materiel, Part 3, Environmental Test Methods [S].

[3] MIL-STD-810G, Environmental Engineering Considerations and Laboratory Tests [S].

[4] 吴家驹.振动试验中的多台并激技术[J].强度与环境,1992,(1).

[5] 夏益霖.多轴振动环境试验的技术、设备和应用[J].导弹与航天运载技术,1996,(6).

[6] 陈循,温熙森.多轴随机激励振动控制技术研究[J].国防科技大学学报, 2000,(1).

[7] 王光芦,祝耀昌,刘达德,等.多轴向多激励振动技术[J].环境技术, 2000, (5).

[8] 贺旭东.多输入多输出振动试验控制系统的理论、算法及实现[D].南京:南京航空航天大学, 2006.

[9] DEFSTAN 00-35,Environmental Handbook for Defence Materiel, Part 5, Induced Mechanical Environments[D].

[10] GJB 150A-2009,军用装备实验室环境试验方法[S].