细长型飞行器双台随机振动试验技术的工程应用

毛 凯，李 杰, 冯生泉

（天津航天瑞莱科技有限公司苏州分公司，苏州 215129）

细长体飞行器双振动台随机振动试验可有效解决传统振动试验中悬臂过长、振动应力集中的问题，能有效缓解试验过程中的欠试验和过试验问题，提高模拟试验的置信度[1-2]，尤其是解决了单台振动激励解决不了的不同部位激励不同的情况，是力学环境试验技术的重大进步和未来发展趋势[3]。本文介绍了一细长体飞行器双台随机振动试验的实际应用，并介绍了该试验的振动试验方案、夹具设计、控制选择和试验结果。

1 双振动台随机振动试验原理

双振动台随机振动试验系统各部件组成如图1所示，有电荷式加速度传感器、电荷放大器、多输入多输出振动控制系统、功率放大器和振动台组成一套闭环控制和反馈系统。随机振动试验过程中，闭环控制和反馈系统通过不断比较加速度传感器反馈回来的电压信号和多输入多输出振动控制系统根据试验条件生成的电压信号，调节功率放大器的输出，使控制传感器的振动响应和设置的随机振动试验参考谱一致。

对双台随机振动试验，采用多输入多输出控制来施加多点激励随机振动载荷，其载荷条件为：

式中：Sii为控制测点i的自功率谱密度，Sij为控制点i、j间的互功率谱密度。对双振动台随机振动试验，当n=2时，激振力和控制点的个数相同，控制方式为方阵控制方式；当n＞2时，激振力个数小于控制点个数，控制方式为长方阵控制方式。

图1 双振动台随机振动试验系统

2 双振动台随机振动试验方案设计

2.1 试验件信息和试验条件

某型号飞行器为长10 m，重1 400 kg，直径550 mm的细长体结构，通过2个支撑法兰与振动台连接。

2个支撑法兰分别位于距飞行器头部2 450 mm处和距飞行器头部9 550 mm处；（两支撑法兰间距为9 550-2 450=7 100 mm）。两个支撑法兰需受到的振动量级相同，均为11.7 g，试验条件见表1。

2.2 双振动台随机振动试验设计

根据试验件的重量和试验条件，选择合适的、满足试验要求的振动台，该试验选取2台推力为35 T的振动台。

夹具设计时，需注意两个振动台的匹配问题。通过两个夹具的高度差设计来使试验件保持水平，以避免试验件在支撑法兰处受到不应有的附加载荷。较小的高度差可以通过调节振动台隔振气囊来使试验件保持水平。

双振动台振动试验中，两个振动台施加各自的随机载荷，因而存在相位不相同、时域信号不同步的问题。一个振动台动圈向上运动的时候，另一个振动台动圈可能向下振动，这将使振动台和试验件承受一定程度的偏载，因此，试验前应对两个激励点的位移差和偏转角度进行计算分析。

对于表1所列的振动试验条件，通过振动控制仪计算出两个激励点的位移均方值D为0.726 mm，随机振动的3σ最大位移差为：两个振动台的中心距离是7 100 mm，因此两点3σ最大位移差引起的偏转角度为：

表1 振动试验条件

由此可见，上述实验条件引起的振动台间的位移差和偏转角度都很小，考虑对振动台和试验件的载荷影响小，可以采用夹具和台面刚性连接[3-4]；但经实验表明，夹具和振动台刚性连接时，两激励点的控制传感器之间的响应干扰较大，难以满足试验容差要求。因此，试验中在夹具和振动台之间增加了机械解耦装置——液压球头，试验设计如图2所示。

2.3 试验过程和结果

按照以上试验设计，在天津航天瑞莱科技有限公司苏州分公司进行了某型号飞行器的双台随机振动试验，试验状态如图3所示（因试验件保密要求，下图为与试验件等重量、安装位置等尺寸的模拟件的试验状态照片）。

试验过程中，选取了两种控制方式，第一种是两激励点分别选取支撑法兰上、下端面两点平均控制，以10 %量级进行预振；第二种是两激励点分别选取试验件安装端面上、中、下三点平均控制方式，以25 %量级进行预振，试验曲线如图4所示。从两种控制方式的控制曲线来看，第一种控制方式的控制效果较好，但是在该控制方式下，试验件上两处关键部件在有些频率上响应峰值放大倍数较大，具体见表2，可能会使试验件上该部件的结构发生损坏，故采取第二种控制方式。

第二种控制方式试验时，前端振动台1激励点的控制曲线在一些频率严重超差，经对比试验曲线，决定对原有试验条件进行一些剪裁，对振动台2的三个控制点进行+6 dB的限幅控制，取得了较好的效果，试验曲线如图5所示。

3 结论

1）本次试验实现了双台随机振动试验在某型号飞行器上的工程应用，完成了该飞行器的试验考核任务，满足试验要求。

2）目前对于双振动台随机试验的试验允差并无明确规定，通常还是按照GJB 150.16A-2009规定的容差要求执行，可以通过对试验条件进行剪裁或施加限制控制来满足试验要求。

图2 双台随机振动试验设计图

图3 双台随机振动试验安装状态图

表2 试验件上部件的响应峰值

图4 双台随机振动试验预试验控制谱曲线

图5 双台随机振动控制谱曲线

[1] 张正平，王宇宏，朱曦全. 动力学综合环境试验技术现状和发展[J]. 装备环境工程，2006, 3(4): 7-11.

[2] 樊石超，冯咬齐. 多维动力学环境模拟试验技术研究[J]. 航天器环境工程，2006, 23(1): 23-28.

[3] 高富贵，王 刚，赵保平. 细长体复杂结构双振动台振动试验方法标准编制若干问题研究[J]. 航天器环境工程，2006, 26(S1): 116-117.

[4] 陈 颖，田光明，钟继根. 典型细长体结构的两点激励振动试验设计[J]. 航天器环境工程，2013, 30(1): 68-72.