力学环境试验基础知识.docx

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力学环境试验基础知识

什么称为力，力的单位？

使物体获得加速度或变形，位移对另一个物体的作用称之为力，牛顿=1公斤米/秒方

什么是应力，应力单位是什么？

物体单位面积上受到的作用力称之为应力，单位N/CM方。

什么称之为力矩？

力和力臂的乘积为力矩单位M=F.R

正弦振动定义

可以用时间的正弦函数和余弦函数表示其位移变化的运动叫做正弦振动，公式X（t）=A

随机振动的定义

随机振动是瞬时值在任何瞬间不能确定的振动

什么是加速度

加速度是速度随时间的变化率

什么是加速度谱密度

即单位频率上的均方加速度值，单位用表示，g是重力加速度，HZ是每秒多少周的带宽。

什么是正弦振动的频率和周期

物体或质点在单位时间（1s）内振动的次数为频率，物体或质点来回往复运动一次所经历的时间T称为振动周期。

什么是共振频率

当外界激振频率与结构试件的固有频率一致时结构发生共振，对应于振动最大的频率为共振频率，反共振是指一个迫振系统，如果激振频率作稍微变化引起响应增加，这点称之为反共振点。

什么是均方根加速度

给定时间间隔T内，加速度变化量X（t）的均方根值

冲击的特性是什么

冲击的特性是冲击作用下产生的加速度幅值大，持续作用时间短，短至几毫秒时间。

简单冲击波形三要素

加速度峰值持续时间波形

什么是电压、电流

电流是有规则的流动称之电流，单位是安培

电压是正极和负极之间的电位差叫做电压，计量单位伏特

欧姆定律的定义

I=U/R通过电路的电流I，等于该部分电路两端的电压U 除以该部分电路的电阻R

什么叫电阻，用什么单位计量？

电路中某两点间在一定电压作用下决定电流强度的物理量，称为电阻。

电阻也可以理解为物体对电流通过时呈现的阻力，计量单位是欧姆，电阻并联：

R=

什么是电容，计量单位？

电容是储存电荷的能力叫做电容器量，简称电容，用C表示。

计量单位：

法拉、微法拉、微微法拉

电容器并联时，总电容等于各个电容之和。

串联是，总电容的倒数等于各个电容倒数之和，而较其他任何一个电容器的电容为小。

直流电和交流电的区别

直流电简称“直流”指方向不随时间变化而变化的电流。

交流电简称“交流”，指大小和方向随时间作周期性变化的电流

振动台的工作原理

振动台由底座，台体，支撑弹簧，动圈，静圈，导磁体等部分组成。

振动台实际上是一个将电能转换成机械能的转换器，其工作原理：

振动台的励磁线圈（通直流电流）和导磁体一起形成恒定磁场，当动圈线圈上通有交变的音频信号时，在线圈周围便形成了交变磁场，此磁场与恒定的磁化磁场相互作用的结果，动圈就能上下往复运动。

振动台的激振力：

F=*

注释：

F=激振力（Kg）D=动圈外径（Cm）N=动圈匝数B=磁通密度（高斯）

I=驱动电流（安培）

振动试验系统方框图

加速度测量系统方框图

功率放大器的工作原理

由控制仪输出信号经功率放大器第一级第二级甚至第三级电压放大到末级功率放大器。

推换输出足够大的电压信号，通过输出变压器到台体的动圈，推动动圈运动。

目前试验室使用的是开关式功率放大器，它一般由前置级、倒相级和末级、强级组成。

压电加速度传感器的基本结构原理

压电晶体加速度传感器由壳体、弹簧、质量块、输出端压电晶体、基座组成

晶体受到震动后产生电荷的压电效应、实现能量转换

主要技术指标、灵敏度、频率范围、线性度、幅频特性、相频特性、振动测量频响平坦段应大于2.5KHz

冲击应大于10KHz以上、振动幅值小可选用高灵敏度传感器。

冲击加速度G值高可选用低灵敏度传感器

振动测量常用传感器有

加速度传感器：

用于测量加速度幅值

位移传感器：

用于测量位移幅值

应变片：

用于测量应变值

什么叫传感器的灵敏度

传感器的反应被测量级的敏感程度叫传感器灵敏度。

例如：

加速度传感器灵敏度表示在单位加速度激振下传感器输出量的大小程为灵敏度。

即：

pc/g

什么叫电荷放大器

输出电压与输入电荷成正比的放大器，也就是从传感器来的电荷信号，经过放大，归一化输出电压信号

试验中断超差的处理

a、欠试验（达不到要求量级）中断，当试验低于允差下限时，应从低于试验条件的点重新达到规定的试验条件，恢复试验，直到结束。

b、正弦扫频中途中断，一般应从中断频率开始，征得客户同意也可以从头开始。

c、试验超差，在振动控制量级升到-12dB时，应判断是否满足试验要求，若高频超差严重应中断试验，并采取相应措施，根据具体情况调整夹具安装方式，传感器安装位置，修正试验参数设置等

d、过试验（超出设定量级）中断，应立即停止试验，查明原因。

振动幅值允差

a、正弦：

规定值的10%

b、随机：

将控制传感器的加速度谱密度保持在2.0dB或-1.0dB之内。

整个试验频率范围内的允差应不超过3.0dB，500Hz以上可以为3.0dB—6.0dB，这些超过允差的累计带宽应限制在整个试验频带范围的5%以内。

c、振动测量：

要保证在试验频率范围内加速度谱密度测量数据，其准确度为振动量级的0.5dB之内，推荐使用800谱线。

d、横向加速度：

在任何频率上，相互正交与试验驱动轴正交的两个轴上的振动加速度不大于试验轴向上的加速度的0.45倍（或加速度谱密度的0.2倍）。

e、加速度：

规定值的10%

f、振动频率、规定值的低于25Hz为0.5Hz

另外还有行业标准规范，航天产品随机允差1000Hz以下1000Hz以上3dB

试验夹具测试

对振动夹具要求：

钢度大、重量轻、传递特性好、一阶共振频率应高于试验频率，试验夹具加工应尽量避免焊接、螺接，试验前对夹具进行测试联调，是否满足试验要求。

试验夹具安装

试件与夹具或试件与台面的连接应能模拟试件的实际安装情况，如不能做到，则应有足够刚度，确保传递特性。

对较小的振动夹具可以采用螺杆、压板的方式固定。

对试件体积较大的，质量分布尽可能对称，以使不平衡载荷减到最小。

试件重心应尽可能对准台面中心，以减少倾覆力矩的影响，夹具与台面尽可能采用螺接方式，夹具与台面连接要牢靠，其接触面不宜过大，若接触面过大，最好将连接孔处加工成凸台形式，或用垫片、垫圈垫起以保证接触良好，减少振动波形失真。

样品应避免其它额外附加的紧固或绑扎，所有连接件，对样品的限制也必须和实际安装限制相似。

控制点的选择要根据试件的边界条件，一般选在试件与夹具的连接面的连接螺栓附近，对一般简单的试验结构件，可采用单点控制，对比较复杂的结构试验件（如整机或部件）应采用多点平均控制

为保证试验时平坦的传递特性，连接螺栓的固有频率fr应高于试验的上限频率fmax

fr=≥fmax

将连接螺栓刚度k=AE/L，连接螺栓截面积A=nπ/4代入上式得

n

n

注：

n螺栓个数

d螺栓直径m

L螺栓有效长度m

Fmax试验上限频率Hz

m夹具与试件的总质量kg

E材料弹性模量pa

根据上式：

可计算螺栓的直径，个数和材料

振动控制设置有关注意事项

振动控制应采用峰值控制、滤波测量

a．正弦试验滤波用外接电荷放大器，一般选择滤波应高于试验频率。

b．随机试验滤波，外接电荷放大器，滤波要高于试验频率的3倍，分析谱线不低于400线，分辨率不大于5Hz

c．冲击响应谱Q=10，频域谱形50%应大于目标谱。

时域波形20ms倍频程选择为，分辨率越小用于分析和综合频率点的间隔就越小。

d．半正弦冲击滤波器比例带宽随驱动信号的频率变化而变化，固定带宽不随驱动信号变化，一般选择带宽20左右，低通滤波，滤波频率大于f=

振动响应检查和共振试验

共振是指振动试验频率等于试件固有频率时振幅达到最大值，产生共振现象。

振动响应检查应在耐久试验前后进行，通常按耐久试验相同条件在一个循环上进行，确定其共振频率和某些响应发生的变化。

若发生变化，应采取相应措施：

对于低频小阻尼系统，可以降低量级和扫描率，但要避免时间过长，以免引起过大疲劳损伤。

在非线性共振情况下，样品随扫描方向改变而有不同频率响应，在频率上升和下降部分确定危险频率，若样品具有平稳的结构，可以在扫频上升部分被确定，确定其中最严重的一个或多个共振频率（不超过4个）。

共振时要始终保持在实际危险频率上。

若怀疑存在非线性环节软化或硬化现象，如一些非金属材料、扫描起始频率应从高频往低频扫描，确定危险频率（通常应比循环下扫共振频率要低）。

如有多个独立样品进行试验时，危险频率不是很清晰或出现颤动可以在危险频率0.8倍、1.2倍的频率范围内扫描，这种方法可用于非线性共振的情况。

在航天产品试验中，对大部件、测点多系统检查，增加一个导通级的试验，在验收、鉴定级的前后以较小的量级进行上扫半循环扫频。

对测量数据进行比较，一般顺序是：

导通—特征级—正弦满量级—特征级—随机满量级—特征级。

产品若要进行定频共振试验，共振响应点频率不论放大倍数、共振传递率大小（排除外界频率干扰）应视为共振频率。

选择其中一个放大倍数较大的一点进行共振试验。

在GJB3947A-2009标准中，在激励源与受试设备或受试设备部件之间有大于或等于6dBz表示有共振存在，定频要随频率的变化维持峰值共振状态，如没有明显共振响应发生，则设备应在33Hz处震动，GJB4.1-83标准中，共振检查在可疑频率上可作适当停留，当最有害的共振点难以判断时，可以在难以判定的共振点中选择两个，各振1小时，若无共振，按规定的频率，位移或加速度振动两小时。

总之，要根据客户及标准、规范要求，正确运用。

一般振动试验常用计算公式

位移、加速度、频率一般关系

V=2（厘米/秒）A=*D（厘米/）

为使用方便，通常加速度幅值用重力加速度的倍数表示，加速度与位移幅值（0~P）之间的关系又可以表示为：

A=D=f=

注释：

A----加速度（g）D----位移mm（0—P）f----频率（Hz）

振动台最大推力估算

=m*a

----试验需要的推力（kg）

m----试件、夹具、台面、动圈组成的运动系统的质量（kg）

a----试验规范给定的最大加速度，单位为（g）

----振动台额定推力（kg）

最大位移限制估算（台体有减振系统）

D=（1-）安全系数

D——限制位移P~P——振动台最大位移P~P试件质量——kg

振动台体质量——kg安全系数——0.9

扫描速度和扫描持续时间的换算

线性扫描

V=V-扫描速度

T-扫描时间

对数扫描

=-对数扫描速度oct/min

T-扫描的总时间min

N倍频程

所以对数扫描速度：

=

总均方根值增加1.4倍，平移参考谱

斜率不变，计算：

0.04x

总均方根值降40%，平移参考谱

斜率不变,计算：

0.04x

说明：

在GJB-16-86标准中，试验量值为1.6倍功能试验量值时，确定耐久试验持续时间，这样往往引起不同解释航空产品中，一般是增加功率普密度，在卫星环境试验要求中，声.随机振动环境的设计余量为4dB，也就是鉴定级试验是验收级试验的1.6倍，所以增加的是总均方根值加速度。

计算起点PSD：

N===2

2=66=10logPSD=PSD=0.01

注释：

n----倍频程----上限频率----下限频率

若求斜率

dB斜率===3dB

计算谱密度

若计算430Hz处PSD

倍频程=2斜率=-6dB

2×6=12

12=

PSD==0.018928

总均方根值上升6dB,求总均方根值及谱密度

g=5.13

20=

+6dB=20.2dB

20=

==1.01

g=101.01=10.23g

或

==101.010117=10.23g

10.236/