朱宜生，王超，陳中青（1.中國船舶重工集團(tuán)第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 2250012.中國船舶工業(yè)電工電設(shè)備環(huán)境與可靠性試驗(yàn)檢測中心，江蘇 揚(yáng)州 225001）

艦船設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)方法的探討

朱宜生1，2，王超1，2，陳中青1，2
（1.中國船舶重工集團(tuán)第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225001
2.中國船舶工業(yè)電工電設(shè)備環(huán)境與可靠性試驗(yàn)檢測中心，江蘇 揚(yáng)州 225001）

目的 探討艦船設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)中的幾個(gè)問題并提出解決方法。方法 分析GJB 150.16A，GJB 4.7—83和MIL-STD-167-1A等振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，找出其中存在的缺點(diǎn)。闡述實(shí)驗(yàn)室模擬與實(shí)際環(huán)境的差異，提出改進(jìn)建議。結(jié)果 GJB 150.16A中沒有明確說明隨機(jī)部分和正弦部分是單獨(dú)試驗(yàn)還是疊加試驗(yàn)，GJB 4.7—83和MIL-STD-167-1A中沒有給出隨機(jī)振動(dòng)的條件，只有正弦振動(dòng)部分。結(jié)論對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)中存在的缺點(diǎn)，在每個(gè)軸向，首先進(jìn)行一半的功能試驗(yàn)，再進(jìn)行隨機(jī)疊加正弦/隨機(jī)振動(dòng)，最后進(jìn)行另一半功能試驗(yàn)。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室模擬與實(shí)際環(huán)境存在差異的問題，通過采用力譜控制、采用模擬艦船結(jié)構(gòu)的夾具、規(guī)定安裝方式、對(duì)環(huán)境條件進(jìn)行反復(fù)迭代等方法改進(jìn)。

艦船設(shè)備；振動(dòng)試驗(yàn)；暴露量級(jí)

根據(jù)GJB 150.16A—2009的規(guī)定，艦船振動(dòng)暴露量級(jí)需要考慮船的振動(dòng)是自然環(huán)境（海浪、風(fēng)）激勵(lì)、強(qiáng)迫激勵(lì)（螺旋槳軸轉(zhuǎn)速、往復(fù)機(jī)械和其他裝備的運(yùn)行等）、艦船結(jié)構(gòu)、裝備安裝結(jié)構(gòu)和裝備響應(yīng)的復(fù)雜函數(shù)，應(yīng)根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)確定其振動(dòng)暴露條件[1]。

由于實(shí)際應(yīng)用中缺少振動(dòng)環(huán)境實(shí)測數(shù)據(jù)，因此GJB 150.16A給出的試驗(yàn)條件如下。

1）隨機(jī)部分：平直譜，頻率范圍為1～100 Hz，加速度譜密度為0.001 g/Hz，每軸向持續(xù)2 h。

2）正弦部分：每個(gè)軸向在規(guī)定頻率范圍內(nèi)掃頻10次后在危險(xiǎn)頻率上耐振2 h。

標(biāo)準(zhǔn)沒有給出艦船振動(dòng)試驗(yàn)的詳細(xì)程序，對(duì)于振動(dòng)試驗(yàn)中的所遇到的一些細(xì)節(jié)問題沒有充分說明，僅零星提出了一些需要考慮的問題，文中就艦船振動(dòng)試驗(yàn)中可能會(huì)碰到的一些問題提出并展開探討。

1　隨機(jī)、正弦振動(dòng)試驗(yàn)方法的使用

根據(jù)GJB 150.16A，振動(dòng)試驗(yàn)條件按如下確定：“隨機(jī)部分量級(jí)見圖C.15，三個(gè)正交軸的每個(gè)軸向試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為2 h；正弦部分的功能試驗(yàn)量級(jí)可按表C.9，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間應(yīng)在選定的試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)，以每分鐘1個(gè)倍頻程的速率進(jìn)行10次掃頻循環(huán)；對(duì)耐振試驗(yàn)，應(yīng)在危險(xiǎn)頻率，若沒有危險(xiǎn)頻率則在上限頻率上，每個(gè)軸向試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間至少2 h[1]”。

GJB 150.16A中沒有明確說明隨機(jī)部分和正弦部分是單獨(dú)試驗(yàn)還是疊加試驗(yàn)，根據(jù)原文含義，大部分試驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)和裝備研制生產(chǎn)單位選擇單獨(dú)完成隨機(jī)部分和正弦部分的試驗(yàn)。這種方法可以接受，但是也存在幾個(gè)缺點(diǎn)：

1）加長試驗(yàn)時(shí)間，每個(gè)軸向多2 h，三個(gè)方向6 h，艦船電子裝備系統(tǒng)組成常多達(dá)十多臺(tái)設(shè)備分機(jī)，一個(gè)振動(dòng)試驗(yàn)僅隨機(jī)部分就多需要近100 h。目前，各單位裝備研制生產(chǎn)任務(wù)量都很大，交付節(jié)點(diǎn)緊，給任務(wù)安排帶來較大的壓力。

2）隨機(jī)振動(dòng)部分是模擬海浪、風(fēng)等自然環(huán)境激勵(lì)的，正弦振動(dòng)部分是模擬螺旋槳軸轉(zhuǎn)速、往復(fù)機(jī)械和其他裝備的運(yùn)行等強(qiáng)迫激勵(lì)的。從實(shí)際平臺(tái)適用角度出發(fā)，這兩種激勵(lì)往往是同時(shí)存在的，單獨(dú)進(jìn)行隨機(jī)、正弦振動(dòng)，并不能完全模擬實(shí)際情況。

GJB 4.7-83和MIL-STD-167-1A中沒有給出隨機(jī)振動(dòng)的條件，只有正弦振動(dòng)部分。因此不存在正弦振動(dòng)與隨機(jī)振動(dòng)進(jìn)行疊加試驗(yàn)的問題。針對(duì)GJB 150.16A中存在的正弦振動(dòng)與隨機(jī)振動(dòng)的問題建議采用如下方法解決。

1）對(duì)于每個(gè)軸向，首先進(jìn)行一半的功能試驗(yàn)，采用正弦掃頻，在選定試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)以每分鐘1個(gè)倍頻程的速率進(jìn)行5次掃頻循環(huán)。

2）進(jìn)行隨機(jī)疊加正弦/隨機(jī)振動(dòng)：標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的圖C.15圖譜作為背景隨機(jī)振動(dòng)，在隨機(jī)圖譜上于掃頻確定的危險(xiǎn)頻率處疊加規(guī)定量值的正弦分量，當(dāng)危險(xiǎn)頻率在一個(gè)頻帶內(nèi)變化時(shí)也可疊加窄帶隨機(jī)[2]。

3）最后再進(jìn)行另一半功能試驗(yàn)。目前的振動(dòng)控制系統(tǒng)大多具備隨機(jī)疊加正弦/隨機(jī)功能，即便缺少此功能，只要花費(fèi)很少的費(fèi)用就能升級(jí)，采用上述方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：減少試驗(yàn)時(shí)間；更能模擬實(shí)際情況；如果有多個(gè)危險(xiǎn)頻率，可同時(shí)疊加在隨機(jī)背景振動(dòng)圖譜上。

2　艦船結(jié)構(gòu)、裝備安裝結(jié)構(gòu)響應(yīng)的模擬

在試驗(yàn)室進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，一般將裝備固定在近似剛性的夾具上后進(jìn)行試驗(yàn)，從而將振動(dòng)臺(tái)的激勵(lì)均勻地傳遞給裝備。實(shí)際中，裝備安裝時(shí)并不完全是剛性安裝在平臺(tái)上，平臺(tái)即艦船結(jié)構(gòu)、裝備安裝結(jié)構(gòu)等的差異會(huì)影響裝備各階振動(dòng)模態(tài)的共振頻率和阻尼，導(dǎo)致裝備安裝共振頻率與試驗(yàn)室剛性安裝所測得的共振頻率不完全一樣。

試驗(yàn)室振動(dòng)試驗(yàn)所使用的振動(dòng)臺(tái)及臺(tái)面和艦船平臺(tái)相比，質(zhì)量相差很大，所以裝備和振動(dòng)臺(tái)之間的動(dòng)力耦合與裝備和平臺(tái)相比，肯定存在明顯的差異，這就會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)室模擬的振動(dòng)試驗(yàn)并不能完全代表實(shí)際情況。解決方法考慮如下幾個(gè)方面。

1）采用力譜控制：在振動(dòng)臺(tái)/夾具和裝備中間安裝動(dòng)態(tài)力傳感器，振動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)由力傳感器的反饋來控制，以再現(xiàn)外場實(shí)測的界面力[3]，從而能保證在試驗(yàn)室振動(dòng)臺(tái)與裝備的界面上輸入正確的平臺(tái)實(shí)際動(dòng)態(tài)力，避免裝備過試驗(yàn)或欠試驗(yàn)。

2）采用模擬艦船結(jié)構(gòu)的夾具：可參考GJB150.18—1986中艦船中量級(jí)沖擊試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)夾具，按照規(guī)定的尺寸、材料和制造工藝設(shè)計(jì)制作墊軌和支撐槽鋼，來模擬艦船上船體網(wǎng)格支撐結(jié)構(gòu)[4]。裝備安裝在這些標(biāo)準(zhǔn)夾具上，振動(dòng)臺(tái)輸出相應(yīng)規(guī)定的激勵(lì)。

3）規(guī)定安裝方式，在試驗(yàn)大綱中應(yīng)明確裝備試驗(yàn)時(shí)應(yīng)采用的安裝結(jié)構(gòu)、安裝方式及相應(yīng)安裝參數(shù)，包括安裝頻率及緊固螺釘安裝力矩要求等。

4）對(duì)環(huán)境條件進(jìn)行反復(fù)迭代，將試驗(yàn)條件逐步接近真實(shí)環(huán)境條件[5]。

3　耐振試驗(yàn)頻點(diǎn)及試驗(yàn)時(shí)間的選擇

GJB 150.16A—2009與GJB 4.7—83中均規(guī)定耐振試驗(yàn)在確定的危險(xiǎn)頻率上進(jìn)行，如果沒有危險(xiǎn)頻率，應(yīng)在上限頻率上進(jìn)行。結(jié)構(gòu)件危險(xiǎn)頻率在共振狀態(tài)下局部會(huì)產(chǎn)生大位移，引起局部彎折變形，進(jìn)而產(chǎn)生疲勞損壞，這樣能迅速評(píng)估裝備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和缺陷[6]。沒有危險(xiǎn)頻率則在上限頻率進(jìn)行耐振的原因更多的是考慮一定的試驗(yàn)裕量，因?yàn)樵谏舷揞l率處的振動(dòng)次數(shù)最多，累積結(jié)構(gòu)疲勞更大，降低裝備壽命和功能振動(dòng)適應(yīng)性驗(yàn)證的風(fēng)險(xiǎn)。

在上限頻率進(jìn)行耐振也有不合理之處，也不完全符合艦船平臺(tái)的實(shí)際情況，屬于一種平臺(tái)環(huán)境的粗糙模擬。MIL-STD-167-1A不僅規(guī)定了在危險(xiǎn)頻率上進(jìn)行共振試驗(yàn)，同時(shí)也規(guī)定了對(duì)影響設(shè)備功能和結(jié)構(gòu)完整性的非極值頻率進(jìn)行耐振試驗(yàn)，因此美軍標(biāo)MIL-STD-167-1A的規(guī)定更符合實(shí)際情況。

針對(duì)GJB 150.16A和GJB4.7中耐振試驗(yàn)的問題，建議耐振頻率的選擇參考直升機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件，當(dāng)有危險(xiǎn)頻率時(shí)在危險(xiǎn)頻率進(jìn)行耐振試驗(yàn)；當(dāng)沒有危險(xiǎn)頻率時(shí)，根據(jù)裝備在艦船上位置的不同，在螺旋槳或往復(fù)機(jī)械的基頻（多個(gè)）及其諧波上進(jìn)行耐振試驗(yàn)，應(yīng)對(duì)每一規(guī)定頻率和軸線的組合進(jìn)行合理次數(shù)的應(yīng)力循環(huán)[7]。

由于螺旋槳、往復(fù)機(jī)械、旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)或艦船結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)環(huán)境具有準(zhǔn)周期激勵(lì)特征，進(jìn)一步改進(jìn)是采用窄帶隨機(jī)進(jìn)行耐振試驗(yàn)，窄帶帶寬應(yīng)涵蓋代表上述環(huán)境激勵(lì)變動(dòng)或裝備共振頻率變化的頻帶，也可在頻率范圍內(nèi)循環(huán)掃描[8]。

4　利用專用傾斜夾具模擬船體傾斜狀態(tài)下振動(dòng)

飛行器在機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生過載，同時(shí)有溫度、振動(dòng)、沖擊等共同作用的復(fù)合環(huán)境，需要考慮離心復(fù)合試驗(yàn)[9]。對(duì)于艦船裝備，艦船在實(shí)際航行過程中受到海浪及風(fēng)的影響，會(huì)發(fā)生傾斜，在傾斜的狀態(tài)下，裝備各階振動(dòng)模態(tài)的頻率和阻尼會(huì)受到影響。如對(duì)于設(shè)計(jì)有隔振器的裝備，隔振器在船體傾斜時(shí)因裝備重力原因?qū)е缕滟|(zhì)心與彈性中心存在偏心，振動(dòng)就會(huì)出現(xiàn)耦合，對(duì)裝備的隔振作用也會(huì)發(fā)生變化[10]。因此可能需要考慮傾斜復(fù)合試驗(yàn)。

在試驗(yàn)室試驗(yàn)時(shí)，隨機(jī)部分的振動(dòng)只是模擬海浪及風(fēng)等的環(huán)境激勵(lì)，試驗(yàn)時(shí)裝備處于垂直安裝狀態(tài)，并不能模擬實(shí)際傾斜的情況。裝備在傾斜搖擺條件下的適應(yīng)性可通過傾斜搖擺試驗(yàn)來驗(yàn)證，關(guān)于傾斜狀態(tài)下的振動(dòng)模擬，可考慮采用專用傾斜夾具，試驗(yàn)時(shí)從耐振試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間中截取一部分作為傾斜狀態(tài)下的振動(dòng)持續(xù)時(shí)間。夾具的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)剛度、自身的共振與反共振對(duì)振動(dòng)臺(tái)的影響[11]、傾斜角度等，傾斜角度可參考GJB 150.23A[12]，給出一個(gè)傾斜夾具供參考，如圖1所示。

圖1　傾斜試驗(yàn)夾具Fig.1傾斜試驗(yàn)夾具

5　結(jié)語

以上主要是結(jié)合實(shí)際工作對(duì)GJB 150.16A，GJB 4.7—83和MIL-STD-167-1A等振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)提出的幾點(diǎn)思考，并試著提出相應(yīng)的解決方法。因缺少相應(yīng)的艦船平臺(tái)實(shí)測數(shù)據(jù)支撐未開展進(jìn)一步研究，歡迎各位同行對(duì)相關(guān)問題進(jìn)一步探討、研究。

最后，從完善艦船振動(dòng)試驗(yàn)角度出發(fā)提出如下建議。

1）相關(guān)總體單位在艦船平臺(tái)上對(duì)振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行實(shí)測，實(shí)測數(shù)據(jù)共享，從而指導(dǎo)艦船裝備振動(dòng)暴露條件的確定。

2）在各艦型及其代表位置上開展數(shù)據(jù)實(shí)測，取得數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析后形成不同艦型及位置的振動(dòng)試驗(yàn)通用條件。

3）根據(jù)艦船裝備的特點(diǎn)，適時(shí)推廣力譜振動(dòng)控制及實(shí)際采樣時(shí)域信號(hào)控制。

4）加強(qiáng)數(shù)據(jù)成果的應(yīng)用和推廣，推動(dòng)數(shù)據(jù)資源向工程應(yīng)用轉(zhuǎn)化[13]。

5）試驗(yàn)部門加強(qiáng)對(duì)試驗(yàn)人員培訓(xùn)及實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量管理[14]，從試驗(yàn)條件控制、試驗(yàn)順序、夾具、安裝及記錄上進(jìn)一步規(guī)范，利于追溯。

[1]GJB 150.16A—2009，軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第16部分：振動(dòng)試驗(yàn)[S].

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[4]GJB 150.18—1986，軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法第18部分：沖擊試驗(yàn)[S].

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[8]GB/T 2423.58—2008，電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)第2部分：試驗(yàn)方法試驗(yàn)Fi：振動(dòng)（混合模式）[S].

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Discussion on Vibration Test Methods for Shipborne Equipment

ZHU Yi-sheng1，2，WANG Chao1，2，CHEN Zhong-qing1，2
（1.The 723 Institute of CSIC，Yangzhou 225001，China；2.China Shipbuilding Industry Environment and Reliability Test Centre for Electric and Electronic Equipment，Yangzhou 225001，China）

Objective To discuss some problems in the vibration test of ship equipment and put forward the corresponding solutions.Methods The vibration test standards GJB 150.16A,GJB 4.7—83 and MIL-STD-167-1A were analyzed,finding out the shortcomings.The difference between the laboratory simulation and the real environment was expounded,and the improvement suggestions were put forward.Results It was not clearly described that the random part and the since part was a separate test or overlay test in GJB 150.16A,while GJB 4.7—83 and MIL-STD-167-1A only gave the since vibration part,not giving the condition of random vibration.Conclusion For the shortcomings of the standards,first half times of the function test for each axes were carried out,and then random superposition of since/random vibration test was carried out,and finally the residual function test was carried out.Forthe difference between the laboratory simulation and the real environment,the improvement was achieved through using force spectrum control,test fixture for simulating ship′s structure,prescribing the provisions of the installation and repeated iterative of environmental conditions and other methods.

shipborne equipment；vibration test；exposure order

2015-09-03；Revised：2015-09-27

CHEN Zhong-qing（1986—），Male，from Heze，Shandong，Engineer，Research focus：reliability and environmental test，vibration and impact test，modal test.

10.7643/issn.1672-9242.2016.01.021

TJ83

A

1672－9242（2016）01－0112-04

2015-09-03；

2015-09-27

朱宜生（1972—），男，江蘇揚(yáng)州人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境與可靠性試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)等。

Biography：ZHU Yi-sheng（1972—），Male，from Yangzhou，Jiangsu，Senior engineer，Research focus：reliability and environmental test，EMC test.

陳中青（1986—），男，山東菏澤人，工程師，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境與可靠性試驗(yàn)、振動(dòng)沖擊試驗(yàn)、模態(tài)試驗(yàn)等。