振动离心复合试验系统发展概述

（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川 绵阳 621900）

环境试验与评价

振动离心复合试验系统发展概述

何阳，蒋春梅，张建全

（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川 绵阳 621900）

以电动振动台和压电激振器与离心机复合发展为主线，系统总结了以离心机为主体的振动离心复合环境试验系统发展历程以及国内外发展现状，重点介绍了电动振动台与离心机复合的关键技术及难点。最后介绍了振动离心复合环境试验系统发展趋势及展望。

复合环境试验；加速度-振动；高频振动；离心机；电动振动台

随着人们对自然环境认识的不断深入以及技术的不断进步，真实环境模拟经历了从多个单因素环境试验简单叠加到复合环境试验模拟的转变。在许多情况下，2个及2个以上的环境因素复合作用比单一环境因素叠加组合作用更为严苛[1—3]，这是因为人们对多环境因素之间的复杂非线性耦合关系并不能给出定量描述[4]。因此，发展多因素复合环境试验系统已成为人们的共识和期望[5—6]。

航天器工作最严酷的环境出现在发射阶段和返回再入阶段，这两个阶段最典型的环境条件是高加速度、振动、温度、气压、噪声复合环境[7]，这5个因素是造成航天器结构及其零部件失效的重要因素[8]。在多因素复合环境试验设备中，高加速度与振动复合是两个最基本的因素，其余因素可以在此基础上复合，因此文中讨论高加速度与振动两个因素复合的情况。航天器典型的飞行过程中一般有冲击、随机振动、正弦扫描等工况，其振动特点是响应所包络的频区很宽[9]，约 20～2000 Hz[10]，有的需求甚至要求更高。航天器一旦出故障会造成惨重的损失，因此设计定型前，航天器需要进行振动离心复合试验，且试验条件要覆盖可能遇到的振动加速度复合环境强度。这就迫切需要一种加速度-振动复合环境试验系统，要求具有宽的振动频率范围、较高的过载加速度，且能够实现正弦波、脉冲波与随机波的复现。

复合环境试验系统以离心机为平台，高速旋转产生离心惯性力模拟器件过载加速度，并在其上复合其他环境因素。离心机按其功能或用途，通常可分为土工离心机、例行试验离心机、载人离心机以及用于检测标定的精密离心机等。与此同时，用在离心机上的激振器主要有电液式、电动式和压电式三种。其中电液式激振器由于具有载荷-体积比大的优点而广泛应用于土工离心机上进行地震模拟[11—13]，是目前离心机上的主流激振器。由于液压系统流体介质的特性，电液式激振器能达到的最高响应频率约为 400 Hz[14]，这样限制了电液式激振器在大频宽振动环境模拟中的应用。目前离心机上电动式与压电式激振器均属于高频激振器，最高激振频率达2000 Hz。早期研制的离心机上电动式激振器和压电式激振器由于技术原因激振频率在500 Hz以下，如美国埃德瓦茨空军基地的6.71 m臂长离心机上的电动振动台，其频宽为20 ～ 300 Hz[15]；1991年日本Chuo大学研制的首个用于土工离心机上的电动振动台，其频宽为 50～400 Hz[16]；以及1982年美国人Arulanandan首次在离心机上应用的压电激振器，其频宽为100～500 Hz[17—18]。为了梳理电动振动台与压电激振器两种高频激振器与离心机复合的发展历程，文中将两种激振器的早期研制情况也纳入分析。

1 国外研究现状

美国是世界上最早进行加速度-振动复合环境试验系统研制的国家。早在1970年，美国Sandia国家实验室在一台7.6 m半径臂长的离心机上安装了两台电动振动台进行加速度-振动复合环境模拟[19]，但是当时电动振动台采用水冷而导致在高离心场下供水困难，而且系统过于庞大使得拆装困难[20]。由于早期的系统惯量很大，系统达到试验所需的线加速度需要较长的时间，导致试验成本居高不下，Sandia国家实验室针对此问题进行一系列改进，将电动振动台改用风冷，同时考虑到测试的对象质量轻，因此在较小的离心机平台上复合电动振动台[21]。该小型离心机臂长半径为1.83 m，最大离心加速达150g。电动振动台有两个工位：顺臂振动和垂臂振动，但是文献[21]只提到垂臂振动的实验数据，并未开展顺臂振动试验，而且垂臂振动结果不尽如人意。电动振动台频宽为0～3000 Hz，最大负载质量（含夹具）为4.536 kg，在空气静压轴承的支撑下，能在50g的离心环境下工作。1989年，Sandia国家实验室克服了电动振动-离心复合设备上的一系列难题，推出了一台较为完善的设备——VIBRAFUGE[22—23]，如图1所示。VIBRAFUGE将电动振动台安装在一台8.82 m半径臂长的离心机上[24]，其设计目标是在 50g的离心加速度环境下复合频宽为 10～2000 Hz、加速度为 20g的振动，可测试试件质量不大于13.6 kg。据文献[24]称，由于当时电动振动台垂臂振动会导致支承系统复杂，并会造成系统响应滞后，因此采用顺臂振动方式。垂臂方向振动通过一个换向器MVDF将顺臂振动转换而来，如图2所示。能够实现在40g的加速度环境中对2.25 kg的试件复合均方根值为 3g的振动。由于实验的需要，Sandia实验室在后续的实验以及改进过程中，也尝试将电动振动台垂臂安装，但是离心加速度不能超过50g[25]。

图1 Sandia国家实验室的VIBRAFUGEFig.1 VIBAFUGE in Sandia National Laboratories

图2 换向器MDVFFig.2 Multiple direction vibration fixture

Sandia国家实验室发现在复合非径向振动时，在高于50g的线加速度环境中，由于电动振动台负载能力的限制，以及高线加速度下电动振动台内部元件（如电枢线圈等）应力过大，导致冷却系统失效而无法继续实验[25]。为了在100g线加速度环境中复合均方根值为30g的振动，Sandia国家实验室在8.82 m半径臂长的离心机复合了压电激振器，如图3所示，压电激振器可在2000g的高线加速度环境下工作。2005—2006年间报道了Sandia实验室做了一系列的试件发射与再入阶段测试实验，并取得成功，证明压电激振器已经超越了先前安装的电动振动台，唯一不足的是压电激振器的行程很小，最大振幅（峰峰值）为100 μm。根据目前的资料，基于压电振动-离心复合实验设备，Sandia实验室能够在100g的线加速度环境中对22.5 kg的试件复合15g，频率范围为20～2000 Hz的振动[26]。Sandia国家实验室的加速度-高频振动复合环境试验系统是目前所知功能最完备的系统之一。

图3 压电振动-离心复合试验设备Fig.3 Piezo-electric Vibrafuge

1988年，美国原 Wyle实验室也研制了与Sandia国家实验室类似的离心-电动振动复合环境试验设备[27]。早期的试验设备由于受离心场的影响，电动振动台的推力远低于额定值。1989年，Wyle实验室改进了不足，研制出第二代设备[4]。目前Wyle实验室在振动和离心的基础上，复合了高度（控制气压）和温度环境因素，开发了综合环境试验设备（Combined Environment Test System，CETS），用于精密机械/电子部件级测试。其电动振动台也采用风冷，可实现垂臂振动或顺臂振动。目前Wyle实验室公开的典型CETS系统参数为：激振器有效载荷为25 kg，正弦峰值加速度20g，频率范围为 10～2000 Hz，最大振幅（峰峰值）为25 mm，能够复现正弦波和随机波，离心机最大线加速度为50g[28]。

1986年左右，原法国原子能委员会（C.E.A，现更名为法国原子能与可再生能源委员会）试验中心在其 10 m 半径臂长的离心机上安装了一台电动振动台，用于土工实验地震模拟。该离心机最大线加速度为100g[29]，激振器最大输出力为1000 N，振幅（峰峰值）为25 mm，但是其激振频率范围只10～200 Hz[30]。此外，据参考文献[31—33]称，C.E.A还有一台13 m半径臂长的电动式振动-离心机，其最大加速度为50g，振动台能够提供13 kN的推力，试验频率范0.1～2000 Hz，还可复合温度环境为卫星分系统及其组件提供复合环境试验。

在未解决电液激振器在离心场中工作的难题之前，电动振动台是离心机上最常见的激振器。随着电液振动-离心复合环境试验设备技术的成熟及其突出的优点，以及土工离心机的快速发展，电液激振器取代电动振动台成为目前离心机上最常用的激振器。电动振动台和压电激振器多用于涉及宽频振动的航天器发射与再入复合环境模拟。其中电动振动-离心复合试验设备发展已经较为成熟，出现系列化的商用产品[34]。压电振动-离心复合试验设备目前应用很少，但其具有质量轻、可模块化组装、安装方式灵活以及能够承受高线加速度环境等优点，表现出巨大的发展潜力。由于离心机为主体的加速度-高频振动复合环境试验系统涉及军事领域的应用，以及出于商业保密的需要，相关资料较少。

2 国内研究现状

国内在加速度-高频振动复合环境试验系统研制方面较为落后。我国从20世纪80年代开始进行复合环境模拟试验系统追踪和研制，但当时是以离心机或振动台为主体，复合温度、湿度、高度、噪声等环境因素，并没有进行加速度与振动复合[15]。在20世纪80年代中期，中国工程物理研究院总体工程研究所在国内首次进行在离心机上复合电动振动台的尝试，但是由于激振器动圈在离心场下发生偏离，无法振动，最后导致线圈烧毁[31]。由于技术难度过大，以及当时没有适合在离心场下工作的电动振动台，因此研究转入对国外的设备跟踪以及理论研究，其中最有代表的是中国工程物理研究院总体工程研究所的王保乾，他主要跟踪美国Sandia实验室的两代加速度-高频振动复合环境试验系统，并结合自己的经验为以后国内同类设备的研制提供了很多有用的建议[35]。20世纪90年代西安交通大学与中国工程物理研究院联合对加速度-电动振动复合环境试验设备进行理论研究，由于当时离心机上复合电动振动台的难度较大，于是在20g的离心场环境下复合一台50 N的电液激振器做实验[4]。此后国内研制的加速度-振动复合环境试验设备多为以离心机为主体复合电液式激振器。

直到2002年，浙江大学研制成功国内第一台电动振动-离心-热环境综合环境试验台样机，如图4所示。其用于理论研究，能够实现的最大线加速度为10g，最大振动加速度为1g，最大负载为1 kg，频率范围为10～500 Hz。浙江大学也提醒各研究者们，如果要设计一台大型三维电动振动-离心复合环境试验装备，其总体布局结构将与其设计的样机发生重大改变[36—37]。

图4 浙江大学综合环境试验台样机Fig.4 Diagram of thermal-vibration combined environment under high-linear-acceleration in Zhejiang University

2005年，中国科学院力学研究所为了模拟吸力式桶形基础在受到等效动冰载作用下的响应情况，介绍了一种动力加载设备，即在清华大学50gt载荷容量的离心机上复合一台电动振动台。设备线加速度为80g，振动频宽为1～120 Hz，负载质量为14 kg，激振器输出力为100 N[38]。

2014年，随着北京强度环境研究所400gt综合离心环境试验系统的投入使用（如图5所示），标志着我国具有工程实用的加速度-高频振动复合环境试验系统。该离心机转臂半径为7.5 m，最大线加速度为 100g[39]。采用电动振动台，最大推力为20 kN（后续可升级至50 kN），振动频率为10～2000 Hz，采用风冷技术，激振器顺臂振动。该设备由于试件质量较小，并没有采取隔振减振措施。

图5 北京强度环境研究所的复合环境试验系统Fig.5 Combined environment test system in Beijing Institute of Structure and Environment Engineering

此外，文献[40]提到哈尔滨工业大学正在研制基于精密离心机平台的复合离心机，可用于惯性仪表发射与再入阶段加速度-振动复合环境的模拟。目前，国内尚未有在离心机上采用压电激振器的报道。

综上所述，国内外典型加速度—高频振动复合环境试验系统见表1。

表1 国内外典型加速度-高频振动复合环境试验系统Table 1 Representative combined acceleration and high- frequency vibration environment simulator domestic and overseas

3 关键技术及难点

为保障电动振动台或压电激振器工作在高线加速度环境中正常工作，对激振器和离心机均提出了更高的要求。

3.1 高效的冷却系统研制

冷却系统制约激振器在更高线加速度环境下使用，甚至造成激振器损坏，在 Sandia国家实验室的研制历程中，可以充分说明这一点。Sandia实验室在压电激振器与离心机的复合试验中，对激振器的温度实时监测，控制激振器持续工作的时间，以避免激振器损毁[23]。目前报道的离心-电动振动复合设备上的电动振动台均采用强制风冷技术，但随着电动振动台的出力和功率增加，发热量也越来越大，需要高效的冷却系统，目前最有发展潜力的是水冷技术。早期 Sandia实验室研制的第一台离心-电动振动复合设备上存在离心场下供水困难的问题，但是随着离心-电液激振器复合设备的发展，在离心场下提供液体的问题已经解决。目前仍存在困难的是离心场下电动振动台的线圈密封以及绝缘可靠性问题。

3.2 变负载平衡对中技术与导向支承技术

对于顺臂振动的电动振动台，在高线加速度环境下，动圈受离心力作用偏向极限位置而无法振动，因此需要在不同加速度环境和负载质量下使动圈回到平衡位置。Sandia实验室在电动振动-离心复合试验设备中采用气囊（Air bag）平衡对中技术，即根据位移传感器的反馈信号控制气动伺服阀对气囊充放氮气，从而调节气囊中的压力大小，以实时平衡动圈离心力。中国工程物理研究院总体工程研究所王宝乾根据气囊平衡对中技术并结合工作实际，提出了一种“伺服气压弹簧补偿法”，通过调节气缸活塞杆两侧的压力，可以实现双向平衡[35]。浙江大学的复合环境模拟试验台样机也采用类似的原理[41—42]，如图6所示，并证实气囊具有较大的静承载能力和较小的动刚度。目前，电动振动台已将变负载平衡对中系统集成至激振器中。大负载电动振动台采用油气弹簧和蓄能器组合进行负载平衡对中，通过充放液压油实现对气压的控制，具有精度高、速度快的优点。北京强度环境研究所研制的离心机上的电动振动台均采用类似的“油气弹簧”原理平衡负载。

图6 气囊式位移反馈动圈纠偏系统Fig.6 Smart armature correction system with gas cell displacement feedback

Sandia国家实验室对离心机上的压电激振器采用“变负载对中技术”（The variable load centering technique），如图3和图7所示。其核心是用配重质量与试件质量近似相等，配重和试件同处于相同的离心场下，能够在不同加速度环境下始终保持对中。其中尼龙绳具有一定的减振隔振效果，这种变负载对中技术在试验中取得成功[23]。这种技术的缺点是对于不同质量的试件需要制作不同的配重，此外这种技术只适用与小质量负载，对于大质量负载，对尼龙绳的强度和负载对中柱的刚度要求很高。

对于垂臂振动的电动振动台，在高线加速度环境下，动圈受离心力作用偏向定圈，导致动圈与定圈之间摩擦力过大，这样大幅降低了激振器的输出力，甚至无法振动导致线圈烧毁。美国 Sandia国家实验室采用空气静压支承（Air bearing）解决这一难题[21]。此外，顺臂振动的电动振动台也需导向支承以克服负载和动圈引起的倾覆力矩。目前商用的大推力电动振动台多采用液体静压轴承。

图7 Sandia国家实验室变负载对中技术Fig.7 The variable load centering technique

3.3 离心机转臂平衡系统及隔振系统

对于电动振动-离心复合环境试验系统，电动振动台具有体积、质量大且出力小的缺点，因而对离心机也提出了更高的要求。要求离心机具有更高的载荷容量、更高的结构刚度以承受大的振动载荷。要求电动振动-离心复合试验设备上应用高效的转臂平衡系统，能够快速调整配重，具有高精度的不平衡探测器和适用于连续工作的重型轴承系统。

振动容易激发离心机臂的固有频率，并且会将激振力传递给转臂支承和传动系统，因此复合大推力振动台的离心机必须具备隔振系统。离心机的隔振系统是研制的难点。目前常用隔振方式有以下几种[43—45]。

1）橡胶隔振。这是一直以来最常用的隔振方式，具有承载小、刚度和阻尼大的特点，可在压缩和剪切两种状态使用，但是其具有易老化、易蠕变的缺点。王保乾提出一种剪切减震器系统，如图8所示，其核心是利用橡胶隔振，使得振动台-剪切减震器系统的固有频率为5 Hz左右。并设计压力补偿缸平衡振动台的离心力，避免橡胶隔振垫被压紧，这种隔振方式对顺臂或垂臂振动均有效[35]。董龙雷等人提出了一种圆柱型橡胶减震器，以实现离心机与激振器的三个方向减振，在剪切橡胶方向实现主减振[46]。目前橡胶隔振有许多成熟的系列化的产品。

图8 激振器与离心机臂之间的隔振方式Fig.8 Vibration isolation between actuator and centrifuge arm

2）柔性带（柔性板）隔振。将振动台通过柔性带或柔性板悬吊在离心机上。柔性板可以用弹簧钢板制成，为了取得更好的隔振效果，可安装阻尼器增加系统阻尼。

3）钢丝绳隔振[47]。钢丝绳属于非线性隔振器，中国工程物理研究院周桐在振动加速环境下分析其特性，发现过载量级和振动量级均会改变隔振系统的共振频率[48]，但目前尚未有用于离心机上的报道。

4）空气弹簧隔振。空气弹簧具有承载力大刚度低的优点。目前，该隔振方式广泛用于电动振动台与地基之间的隔振，中国工程物理研究院总体工程研究所正在研究将此隔振方式应用到多个型号的离心机上。离心机上复合大推力电动振动台要求将整个离心机臂作为反振质量以达到激振器额定输出推力值，因此空气弹簧很适合用于加速度-高频振动复合环境试验系统的隔振。

5）弹簧阻尼隔振。通常由金属弹簧和阻尼器组成，也可由弹簧经阻尼处理单独构成，多用于车辆减振，具有承载大、变形量大的特点。其水平刚度小，易晃动，不适用于精密隔振。浙江大学在其自研的电动振动-离心-热环境综合环境试验台样机采用这类隔振系统[2]。

上述隔振方式均为被动隔振。被动隔振对高频段振动抑制效果良好，但对于低频段和超低频段隔振效果不理想，因此可将主动隔振与被动隔振结合使用[49—50]。可将压电或超磁致伸缩主动隔振与被动隔振方式结合起来解决离心机上宽频隔振问题。离心-振动复合会引入科式加速度，引起系统多方向耦合振动，因此需对宽频振动在离心机上的传递过程及耦合途径进行深入分析，然后确定合理的隔振系统布局以尽量实现振动解耦。

4 发展趋势及展望

目前，复合环境模拟系统正从某两个因素复合朝更多因素复合发展，在加速度和振动基础上，陆续复合温度、湿度、真空、噪声、气动甚至辐射等因素。在加速度与振动两个因素复合的基本系统中，仍有许多改进空间，总结如下。

1）提升测试负载容量。将测试能力从现在的一百多千克提升到一吨以上，实现从部件级测试到系统级测试。同时将过载加速度提高到100g以上。

2）增加频宽范围[26]。将现有频率范围分别向更高频段和更低频段延伸，以更真实地模拟试件实际环境中的振动。

3）将加速度、振动与试件自旋运动复合[26]。加入多轴自旋运动以真实模拟某些航天器在再入段的真实状态。

4）实现与过载加速度方向的任意夹角振动。可在离心机上设计滚转框，以实现振动方向的变化，可模拟航天器在机动变轨中的载荷情况。

5）离心场快加速快减速。文献[26]中提到由于大型离心机的惯量很大，两个受载工况切换中，加速度下降不够迅速，与火箭实际受载不符。尽管人们关心的是加速度上升阶段，但是这也是一个潜在的改进点。

6）压电激振器的串联、并联驱动研究。压电激振器存在的最大缺点就是振幅过小，因此可将多个压电激振器串联增大输出位移，通过多个压电激振器并联可增大输出力。

7）离心机上复合二维振动。在航天器发射和再入过程中，除了发动机引起振动外，还有风阻和噪声引起的振动，这些情况仅用一维振动描述是不全面的，因此需引入二维振动。目前在土工离心机上已经实现复合二维振动模拟地震，考率到电动振动台与电液激振器的差异，目前在加速度—高频振动复合环境试验系统采用二维电动振动台难度很大，因此比较可行的方式是在电动振动-离心复合设备上再复合压电激振器。

8）激振器、试验箱模块化设计并统一与离心机的接口。离心机作为特种设备需求量小，并且服役寿命长。在未来的复合环境试验系统中要突出离心机为主体的地位，在设计中考虑离心机的改进潜力。将离心机臂作为反振质量并在离心机臂与主轴之间安装隔振系统，将激振器、试验箱等作为离心机的附属设备，这样可以将两种或多种环境因素自由组合。

5 结语

随着航空航天技术的不断发展，航天器的使用寿命和可靠性受到越来越多的关注。为了降低发射成本，要求航天器在保证安全可靠的前提下尽可能减少质量，因此航天器在设计定型前，需要进行振动离心复合试验。近来我军提出面对“实战化”作战要求，这就要求环境试验系统尽可能真实反映实际环境，因此振动离心复合环境试验系统是未来发展的趋势，未来在国内外有较大的需求。

[1] SCHUTT Jeff. Vibration Testing of Electronic Asse-mblies [J]. Packaging and Production, 1996, 36(13): 20—26.

[2] 方兵, 沈润杰, 何闻, 等. 航天器元件多参数综合可靠性环境试验研究综述[J]. 中国机械工程, 2009, 20(22): 2766—2772. FANG Bing, SHEN Run-jie, HE Wen, et al. Research Summary of the Multiparameter Combined Environmental Test of Spacecraft Component Reliability[J]. China Mechanical Engineering, 2009, 20(22): 2766—2772.

[3] O'SHEA P. Environmental Test Helps You Juggle Design Demands[J]. Evaluation Engineering, 1997, 36(5): 38—40.

[4] 吴建国, 李海波, 张琪, 等. 综合离心环境试验技术研究进展[J]. 强度与环境, 2014, 41(1): 1—9. WU Jian-guo, LI Hai-bo, ZHANG Qi, et al. Advances in Synthesis Centrifugal Environment Test[J]. Structure & Environment Engineering, 2014, 41(1): 1—9.

[5] MIL-STD-810g, Environmental Engineering Consideration and Laboratory Tes[S].

[6] GJB 150A—2009, 军用装备实验室环境试验方法[S]. GJB 150A—2009, Laboratory Environmental Test Methods for Military Material[S].

[7] 黄本诚. 我国航天器环境工程的发展进程[J] . 航天器环境工程, 2005, 22(1): 5—8. HUANG Ben-cheng. Evolution of Spacecraft Environment Engineering in China[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2005, 22(1): 5—8.

[8] 彭骞. 湿热环境与电子产品可靠性[J] . 电子产品可､靠性与环境试验, 2003(5): 57—60. PENG Qian. Humid and Hot Environment and Electronic Product Reliability[J]. Electronic Product Reliability and Environmental Testing, 2003(5): 57—60.

[9] 梁德利, 于开平, 韩敬永. 高速飞行器振动噪声环境预示技术[J]. 噪声与振动控制, 2013, 33(5):58—63. LIANG De-li, YU Kai-ping, HAN Jing-yong. Advance in Noise and Vibration Environment Prediction of High Speed Spacecrafts[J]. Noise and Vibration Control, 2013, 33(5): 58—63.

[10] 蔡成钟. 再入飞行器系统综合环境可靠性试验[J]. 强度与环境, 1998, 25(2):44—48. CAI Cheng-zhong. Combined Environmental Reliability Test of Reentry Vehicle System[J]. Structure & Environment Engineering, 1998, 25(2): 44—48.

[11] ABOIM C, SCOTT R F, LEE J R, et al. Centrifuge Earth Dam Studies: Earthquake Tests and Analysis[M]. Los Angeles : Dames & Moore, 1986.

[12] KETCHAM S A, KO H Y, STURE S. An Electrohydraulic Earthquake Simulator for Centrifuge Testing[C]// Proceedings of the International Conference on Geotechnical Centrifuge Modeling. Paris: Taylor &Francis, 1988.

[13] 王永志. 大型动力离心机设计理论与关键技术研究[D].哈尔滨: 中国地震局工程力学研究所, 2013. WANG Yong-zhi. Study on the Design Theory and Key Technology for Large Dynamic Centrifuge[D]. Harbin: Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration, 2013.

[14] 贾普照. 稳态加速度模拟试验设备: 离心机设计(4)[J].航天器环境工程, 2009, 26(4): 386—400. JIA Pu-zhao. The Steady Acceleration Simulation Device:The Design for Centrifuge (4)[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2009, 26(4): 386—400.

[15] 王保乾. 对以离心机为主体的复合环境试验设备的探讨[J]. 环境技术, 1991(4): 15—20. WANG Bao-qian. Discuss on Centrifuge-based Combined Environment Testing Devices[J]. Environmental Technology, 1991(4): 15—20.

[16] FUJII N. Development of an Electromagnetic Centrifuge Earthquake Simulator[C]// Proceedings of the International Conference Centrifuge 1991. Boulder Colorado: Taylor & Francis, 1991.

[17] ARULANANDAN K, CANCLINI J, ANANDARAJAH A. Simulation of Earthquake Motions in the Centrifuge[J]. Journal of Geotechnical Engineering, Div ASCE, 1982, 108: 730—742.

[18] CAMPBELL D J, CHENEY J A, KUTTER B L. Boundary Effects in Dynamic Centrifuge Model Tests[C]// Proceedings of the International Conference Centrifuge 1991, Boulder Colorado: Taylor & Francis, 1991.

[19] STERK M W. The Sandia Laboratories 25-Foot Centrifuge-Vibration Facility[R]. Albuquerque NM, USA: Sandia National Labs, 1970.

[20] ROGERS J D, CERICOLA F, DOGGETT J W, et al. VIBRAFUGE-Combined Vibration and Centrifuge Testing[R]. Albuquerque NM, USA: Sandia National Labs, 1989.

[21] ROBERT L S. Interim Report on Acceleration-Vibration Combined Environment Activities[R]. Albuquerque NM, USA: Sandia National Labs, 1980.

[22] DOGGETT J, CERICOLA F. VIBRAFUGE: A Combined Environment Testing Facility—Vibration Testing on a Centrifuge [R]. Albuquerque NM, USA: Sandia National Labs, 1989.

[23] ROGERS J D. Testing in Combined Dynamic Environments[R]. Albuquerque NM, USA: Sandia National Labs, 1993.

[24] ADAMS P H, AULT R L, FULTON D L. The Sandia National Laboratries 8.8-Metre(29-Foot) and 10.7-Metre (35-Foot) Centrifuge Facilities[R]. Albuquerque NM, USA: Sandia National Labs, 1980.

[25] ROMERO E F, VAN GOETHEM D, JEPSEN R. Control and Analysis of a Multiple Drive Shaker in an Acceleration Environment[C]. 24th Conference and Exposition on Structural Dynamics. Missouri, USA: Curran Associates, 2006.

[26] VAN GOETHEM D, JEPSEN R, ROMERO E. Vibrafuge: Re-entry and Launch Test Simulation in a Combined Linear Acceleration and Vibration Environment[J]. AIAA Aerospace Sciences Meeting & Exhibit, 2013, 79(3): 505—533.

[27] ANON. Centrifuge Mounted One-Axis Electro-dynamic Shake System[R]. Huntsville AL, USA: Wyle Laboratories, 1988.

[28] 贾普照. 稳态加速度模拟试验设备: 离心机设计(7)[J].航天器环境工程, 2010, 27(1): 121—134. JIA Pu-zhao. The Steady Acceleration Simulation Device: The Design for Centrifuge (7)[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2010, 27(1): 121—134.

[29] ZELIKSON A, LEGUAY P, PASCAL C. Centrifugal Model Comparison of Pile and Raft Foundations Subjected to Earthquakes[C]// Proceedings of the International Conference on Soil Dynamics and Earthquake Engineering. Rotterdam: AA Balkema, 1982: 283—289.

[30] BOURDIN B. Horizontal Vibrations of Piles in a Centrifuge[J]. Mechanical Structures Supports, 1987, 21(17): 141—143.

[31] 张海军. 髙线加速度下热与振动复合环境试验装置控制系统的研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2004. ZHANG Hai-jun. Study on Control System of Heat and Vibration Combined Environment Tester Under High-Linear- Acceleration[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2004.

[32] 沈润杰, 何闻. 离心机动力学特性分析及设计技术[J].工程设计学报, 2006(3): 150—153. SHEN Run-jie, HE Wen. Analysis on Dynamic Characteristics and Design of Centrifuge[D]. Journal of Engineering Design, 2006(3): 150—153.

[33] LABRTO R. Applicability of centrifuge to test space payloads[C]// International Symposium on Environmental Testing for Space Programmes. Netherlands,1990: 350—361.

[34] Actidyn Systems. V67 Technical Description[EB/OL]. [2015-12-20]. http://www.actidyn.com/wp-content/uploads/ 2010/06/v67.pdf.

[35] 王保乾. 实现线加速度-振动复合环境模拟中的问题[J].环境技术, 1996, 14(3): 7—12. WANG Bao-qian. Some Problems Included in Achieving Simulation Test of Acceleration-Vibration Combined Environment [J]. Environmental Technology, 1996, 14(3): 7—12.

[36] 向馗. 高线性加速度与振动复合环境控制系统的研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2002. XIANG Kui. Research on the Control System of High Linear Acceleration and Vibration Combination Environment[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2002.

[37] 徐冠华. 动力学综合环境试验若干理论及技术问题的研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2014. XU Guan-hua. Research on Some Theoretical and Technical Problems for Dynamic Combined Environmental Testing[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2014.

[38] WANG S Y, ZHANG J H, LU X B, et al. A Dynamic Loading Device for Suction Foundations in Centrifuge Modeling[J]. Journal of Experimental Mechanics, 2006, 21(4): 439—446.

[39] 欧峰, 陈颖, 陈洪, 等. 基于离心机平台的复合环境试验系统综述[J]. 装备环境工程, 2015, 12(5): 28—33. OU Feng, CHEN Ying, CHEN Hong, et al. Review of Compound Environment Test System Based on Centrifuge [J]. Equipment Environmental Engineering, 2015, 12(5):28—33.

[40] 高金兴. 复合台精密离心机控制系统研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2014. GAO Jin-xing. Research on the Control System of the Precision Centrifuge in the Composite Platform Body[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2014

[41] 沈润杰, 何闻, 梅德庆, 等. 离心力场下电动振动台及动圈纠偏系统动特性的研究[J]. 浙江大学学报(工学版), 2002, 36(1): 92—96. SHEN Run-jie, HE Wen, MEI De-qing, et al. Study of Armature Correction System of Electrical Vibration Table with High-Linear-Acceleration[J]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science), 2002, 36(1): 92—96.

[42] 沈润杰, 何闻, 陈子辰. 高线加速度下电动振动台机电耦合特性的研究[J]. 振动工程学报, 2001(4): 61—64. SHEN Run-jie, HE Wen, CHEN Zi-chen. Study on Electromechanical Coupling Characteristics of Electric Vibration Table in High-Translational-Acceleration[J]. Journal of Vibration Engineering, 2001(4): 61—64.

[43] 贺云波, 简林柯, 林延圻, 等. 复合离心机振动台系统的研究现状[J]. 中国机械工程, 1999, 10(5): 576—579. HE Yun-bo, JIAN Lin-ke, LIN Ting-qi, et al. State-ofthe-Art of Systems Combining Centrifuge with Table Vibrator[J]. China Mechanical Engineering, 1999, 10(5): 576—579.

[44] 房海宁. 多自由度磁悬浮隔振系统隔振器布置方案研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2013. FANG Hai-ning. Vibration Isolator Arrangement Scheme Research of Multi-degree-of Freedom Magnetic Suspension Vibration Isolation System[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2013.

[45] 林涛. 离心力-振动复合环境数值模拟[D]. 成都: 四川大学, 2003. LIN Tao. Numerical Simulation of Centrifugal Force-Vi- bration Compound Environment[D]. Chengdu: Sichuan University, 2003.

[46] 董龙雷, 闫桂荣, 余建军, 等. 离心机振动台复合环境实验系统的隔振研究[J]. 应用力学学报, 2002, 19(1): 23—26. DONG Long-lei, YAN Gui-rong, YU Jian- jun, et al. Vibration Isolation of the Combined Environments Test System With Centrifuge and Vibration Table[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics, 2002, 19(1): 23—26.

[47] JOSEPH B D. Vibration Isolation of Acceleration Sensitive Devices[C]// 5th Joint Conference of the 65th IEEE International Frequency Control Symposium/25th European Frequency and Time Forum. San Fransisco, USA: CA, 2011.

[48] 周桐. 振动-加速度综合环境下钢丝绳隔振系统响应规律研究[R]. 中国国防科学技术报告, GF-A01611 83G, 2011. ZHOU Tong. Response Study of Wire-rope Isolator in Synthesis Environment of Vibration and Acceleration[R]. GF Report, GF-A0161183G, 2011.

[49] 黄文虎, 王心清, 张景绘, 等. 航天柔性结构振动控制的若干新进展[J]. 力学进展, 1997, 27(1): 5—18. HUANG Wen-hu, WANG Xin-qing, ZHANG Jing-hui, et al. Some Advances in the Vibration Control of Aerospace Flexible Structures[J]. Advances in Mechanics, 1997, 27 (1): 5—18.

[50] PAUL B. Vibration isolation[R]. Huntington Beach, CA, USA: McDonnell Douglas Space System Company, 1990.

A Survey of Combined Acceleration and Vibration Environment Simulator

HE Yang, JIANG Chun-mei, ZHANG Jian-quan
(Institute of System Engineering, CAEP, Mianyang 621900, China)

Focusing on the combined development of electrodynamic vibration shaker, piezoelectric actuator and centrifuge, the evolution and current development of combined acceleration and vibration environment simulator based on centrifuge home and abroad were summarized systematically in this paper. The key technology and difficulties in combining electrodynamic vibration shakers and centrifuge were emphatically introduced. Finally, the development trend and prospect of combined acceleration and vibration environment simulator were proposed.

combined environment testing; acceleration and vibration; high-frequency vibration; centrifuge; electrodynamic vibration shakers

JIANG Chun-mei(1976—), Femal, from Guangan, Sichuan, Master, Senior engineer, Research focus: centrifuge design.

10.7643/ issn.1672-9242.2016.06.017

TJ86；V416

A

1672-9242(2016)06-0095-09

2016-06-12；

2016-07-15

Received：2016-06-12；Revised：2016-07-15

中国工程物理研究院总体工程研究所创新与发展基金（15cxj36）

Fund：Supported by the "Innovation and Evolution Fund of Institute of System Engineering, CAEP (15cxj36)"

何阳（1990—），男，四川射洪人，硕士，主要从事离心机结构设计与研究。

Biography：HE Yang(1990—), Male, from Shehong, Sichuan, Master, Research focus: centrifuge design.

蒋春梅（1976—），女，四川广安人，硕士，高级工程师，主要从事离心机结构设计与研究。