关于正弦振动试验技术分析

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关于正弦振动试验技术分析
叶小春　刘太锋 中国电子科技集团公司第三十八研究所
摘要：本文简要地介绍了正弦振动参数、正弦试验方法等，并对试验方法和试验效果提出了自己的见解。

关键词：正弦振动试验；参数；试验方法
中图分类号：O324；TB535 文献识别码：A 文章编号：1001-828X(2019)028-0383-02
一、引言
电子产品在运输和使用过程中，要经受多种复杂自然环境和诱发环境的考验，其中振动是一个十分重要的环境因素，也是产品失效的主要应力之一。

正弦振动主要是由飞机、车辆、船舶、空中飞行器等各种运动体的运动和机械设备的旋转等产生的。

为验证产品对环境的适应性。

实验室模拟试验是一个重要的手段，而振动试验系统是一个非常复杂的系统。

试验方法、实验参数，以及具体的操作过程都对试验结果又重要的影响。

二、产品在正弦振动环境下的主要失效形式
１．结构损坏：包括由振动产生的交变应力超过了试验件结构所能承受的弹性和塑性应力极限而造成的破坏，如：变形、弯曲、裂纹等长时间交变应力的作用引起的累积疲劳损伤，而产生的破坏。

２．性能失效：性能失效可分为两种情况：一种是功能丧失，另一种是性能变差，这种情况一般不属于永久性故障。

一般发生在振动量级大或谐振产生的情况下，一旦振动停止或者量值减小，功能即可恢复。

３．工艺性破坏：这种破坏主要是由于产品制造工艺的不合理或者是操作者为严格按工艺流程操作产生的，一般有连接件松动、焊接件脱落等现象。

三、正弦振动应力特征量
采用实验室模拟试验来达到振动试验的目的和效果，需要对在一定振动条件下的应力特征值进行模拟。

正弦振动的运动方程为：x=Asin(ωt+ʘ) (1)式中：x表示某一时刻的位移值，A表示：位幅值，ω角频率，ʘ表示初相位
对(1)式求导，可得速度和加速度方程：
速度：xʹ=ωAsin(ωt+π/2)加速度：xʺ=ω2Asin(ωt+π)由上式可见，用频率、幅值和相位三个参数就可以完全描述正弦运动的基本规律。

四、振动谱型分析及其试验参数
在试验室模拟试验中，正弦振动试验一般分为定频和扫频两种。

１．定频振动
定频振动试验一般是在预定环境的危险频率上，施加预定的加速度或振幅，并在该频率上作一定的时间的停留，以检测和评价试品对该振动环境的适应能力。

所以在定频振动试验中，只需设定频率、幅值(或加速度、速度)和时间即可。

定频振动试验一般分为单点定频和多点定频(在预定评率范围内选取若干个频率点)等。

定频振动方式比较陈旧，比较单一。

振动效果对危险频率估计的准确性有很大的依赖性，所以目前已很少被采用。

２．扫频振动
振动谱型是振动实测数据的简化包络线，交越频率就是指振动试验曲线上改变振动方式的转折点所对应的频率。

扫频振动谱线一般由两端或更多段组成，也可一段(无交越点)组成。

两段或者两段以上谱型的转折点就是交越点。

对于只有一个交越点的试验谱型，由于频率较低，加速度较小，振动振幅就成为主要的激励因素。

交越点以上一般是定加速度，在交越点以上随着频率的逐步增加，位移则越来越小，加速度成为主要的激励因素。

在交越点上，来自该点两端的激励因素具有同样的激励效果。

扫频方式：
正弦扫频试验中，一般采取线性扫频和对数扫频两种方式。

线性扫频是在整个频率范围内每个频率点上停留相同的时间，一般用于频率范围比较窄的情况，如国内舰载设备多采用这种扫频方式(舰载设备固有频率低)。

这种扫频方式的缺点是低频段每个频率点上振动次数过多，而高频段每个频率点上振动的次数又太少，而指数扫频正好弥补了这一缺点。

指数扫频是指频率随时间按指数规律变化。

其优点是在各个频率点上的振动次数近似相同，这与疲劳损伤理论非常相似，指数扫频速率及扫频时间：
指数扫频时，频率随时间按以下指数规律变化：
fʺ/fʹ=e kt (4)上式中：fʺ上限频率；fʹ下限频率；k取决于扫频速率的系数；t时间。

由(4)式可得：
k=1/tInfʺ/fʹ (5)在正弦振动试验中，扫频速率一般以oct/min(倍频程/分钟)作为单位，如去1oct/min，即fʺ=2fʺ时，则t=1min，k=In2=0.693.由(5)式可得：
t=1/kInfʺ/fʹ (6)将fʺ，fʹ及k值代入(6)即可得到从fʺ→fʹ或fʹ→fʺ一次扫频时间五、正弦振动在电磁振动台上的实施
近年来，随着科学技术的发展，振动台的试验能力得到大大提高；软件技术的突飞猛进，给振动控制技术提供更加有效，精确的方法，试验参数的设置已经变得十分简单。

下面就试验中须注意的问题做简单介绍。

１．扫频速率的选择
在振动试验中，扫频速率对试验结果有着重要的影响。

如扫频过快，则在每个频率点上停留的时间过短，不利于故障和谐振的激发，因为危险频率上的故障和振动系统的固有频率谐振的激发，都需要一个能量积累过程。

如果试验中未对扫频速率作明显的规定，则取1oct/min为宜。

２．试件的安装
在振动试验试件安装时，应尽量保证试件(包括夹具)的重心与振动台的运动轴线重合，这样使载荷在振动台面对称分布，减小了振动过程中的偏振力矩，保证了振动台和试验的安全。

如果振动台振动台承载面长期承受较大偏振力矩，则会产生承载部分的破坏乃至倾覆。

如需使用夹具，可先对试验夹具进行预振；应选用传递特性好的夹具，既要防止扩振现象，也要避免隔振现象。

３．控制方法和控制点的选择
单点控制：适用于振动台面较小，试件也较小并且台面均匀度较好的场合。

通过在振动系统上(包括动圈、夹具、扩展台面、试件等)安置一个加速度传感器实现闭环控制。

控制点的选择应以保证试件得到规定量值的激励和良好的控制谱形为准。

多点平均控制：通过在振动系统上安装两个或两个以上的加速度传感器，振动控制系统取所有控制点响应的平均值进行控制，达到多点平均控制的效果。

这种控制方法通常用于构件较大、台面
现代经济信息
大、台面均匀度差、单点控制难以实现的场合。

由于台面的增大，试件的增大、试件结构不均匀性和振动台面本身存在的不均匀度以及夹具的影响，造成试件各个部位对振动的响应有着较大的差别。

在这种情况下，单点控制很难满足试验要求，而多点平均控制则可以通过各控制点响应峰谷交错加以平均来弥补因某些频段过试验或欠试验现象，从而达到较高的控制精度。

在选择控制点时，要避免各点靠得太近或者有着相近的振动响应，否则达不到平均控制的效果。

多点最大值控制：通过在振动系统上安装两个或两个以上的加速度传感器，振动控制系统取所有控制点中响应最大者进行控制，达到多点最大值控制效果。

在控制点选择时和多点平均控制一样，要避免各点靠得太近或者有着相近的振动响应。

由于对最大值进行控制，则可能造成局部欠试验现象。

多点最大值控制方法适用于和多点平均控制的场合以及振动台推力不足的场合。

多点最小值控制：方法和多点最大值控制方法一样，但在控制点中取响应最小者进行控制。

缺点是易造成局部过试验现象。

４．试验中的谐振分析
在扫频试验过程中，当激励频率达到和振动系统固有频率一致时，即产生谐振现象。

当谐振发生时，交变应力幅值上升成为产品失效的主要原因。

有的试验者错误的认为，一旦产生谐振则可认为试件不合格。

振动系统是一个复杂的系统，系统的固有频率是由整个系统(包括动圈、扩展台面、夹具和试件)共同决定的。

而谐振的产生又与台面的均匀度、试件安装方式、控制方法和控制点有很大的关系。

所以，当谐振发生时，首先可以通过改善安装方式和控制方法加以改进，如果仍然的不到改善则可以改进夹具和试验结构件以及连接状态入手。

纵然试验过程中产生了谐振，只能说明安装、夹具或试验件存在不合理的地方，尚需改进，并不代表试件不合格，除有专门的技术文件规定外(如有的技术文件规定在某些频率范围内不能有谐振的存在)，因此只要能经受住了试验考验的试件都可认为通过了该项试验。

六、结语
振动试验是环境试验中比较复杂的实验项目。

近年来随着振动设备的发展，大大提高了试验能力和试验精度。

但振动系统的复杂性决定了振动试验技术的复杂性，试验中的参数设置、控制方法、安装方法和评价方法对试验结果有着极其重要的影响。

在试验过程中，应根据具体的试验条件和试件结构采取合理的试验方法以提高试验的准确度和有效性。

本文作为在实践工作中的一点经验和见解，望广大同行给予指正已达到共同提高的目的。

５．构建网络化的管理考核体系
网络化实践管理考核体系的构建是研究生培养过程管理中的重要手段。

注重管理考核体系的开放、监管职能的个性化，能有利保障实践能力培养的制度化、体系化开展下去，也将是校企间、专业间、课程间资源整合平台的重要保障。

６．加强效果评价和考核评价体系
将实践环节培养应该达到的知识点和技能目标进行细致划分，设计合理的考核评价表，结合实践日志、实践报告等方式，量化实践环节的过程，对实践效果评分，做到定期监管；实践环节结束，通过考核评价体系，实测出研究生在实践环节中提升的能力。

７．推动全日制工程硕士实习实践基地条件建设
学校应为研究生建设良好的实践创新平台，做好校内实践基地的建设工作，并且应大力筹建校外实践实训基地，校、企、研究院所之间建立起“产学研一体化”的一条龙综合性实习实践基地，校、企共同建立专业基地等。

(如图1)
四、已取得的成效
结合专业特点，以黑龙江大学控制工程专业学位硕士点为例，首先进行了学制改革的初期申报工作，学位点正着手制定新的培养目标，以针对不同专业的学科方向及学科特点、结合企事业单位的实际需求为基本原则，梳理整合出控制工程硕士研究生的主要知识体系脉络，重新设置专业学位培养方案，在专业硕士实践能力培养的改革上取得了一定进展。

在提高专业硕士培养质量的初衷下，不断摸索尝试，从数学基础课教学改革入手，强调数学理论的应用研究。

在全日制教学活动中，加强数学基础课程《数值分析》的实践能力培养，坚持基础数学理论与工程实际相结合，从实际问题出发，注重问题应用背景，引入大量与工程背景相结合的实例，引导学生们将数学方法与实践相结合，利用所掌握知识解决实际问题，如，指导学生们完成了代数插值问题的多种方法C语言编程实践，学生们普遍反映，通过编程实践，更深入理解了插值算法的内在含义。

专业学位研究生实践能力培养的道路还需要逐渐摸索，通过学校与学科的共同努力，力争构建科学合理的培养体系，为培养实践创新性人才提供有力支撑，为研究生教育跨越式发展做最大贡献！
参考文献：
[1]杨传颖,刘志鸿,任庆道尔吉,全欣娜,杨华.新形式下非全日制工程硕士研究生培养的思考[J].高教学刊,2019(14):164-166.
[2]王春欢,李军政.新形势下全日制工程硕士培养模式探索[J].教育教学论坛,2013(24):213-214.
[3]张磊,李婷,柳有权.新形势下我国专业学位硕士研究生教育问题思考[J].教育教学论坛,2019(24):207-209.
[4]杨莉,孙美平,刘慧慧,罗会明.我国高校专业硕士研究生双导师制的发展与启示[J].中国继续医学教育,2019,11(15):9-11.
作者简介：高　媛(1978-)，女，黑龙江哈尔滨人，博士研究生，副教授，主要从事控制科学与工程研究。

基金项目：黑龙江大学学位与研究生教育教学改革研究项目
(JGXM-YJS-2018008)。

图1　专业学位研究生实践能力全方位培养模式
上接（第３８２页）　。