全轴随机振动应力特性及激发效果精Word格式文档下载.docx
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中图分类号:
TP13文献标识码:
A文章编号:
1006-3919（200602-0001-05
CharacteristicsofOmni-AxesRandomVibrationEnvionmentandItsStimulationEffect
YUANHong-jieJIANGTong-min
（Dept.ofSystemEngineeringofEngineeringTechnology,BeijingUniversityofAeronauticsand
Astronautics,Beijing100083,China
Abstract:
Therepetitiveshockmachineisthemostadvancedequipmentofreliabilityenhancementtestatpresent.ItscharacteristicsofNon-Gaussianandcyclostationaryisvalidatedbasedthesampledvibrationsignal.Ithasmoreadvantagesinspectralbandwidthandpeakprobabilitydistribution,Butitcan’tcontrolfrequencyspectrumandhaslessenergyinlowfrequency.ThevibrationtestresultofdifferenttypePCBinElectro-DynamicshakersandrepetitiveshockmachineshowestheElectro-Dynamicshakerscanfindmoredefectsthanit,OnlywhentherepetitionrateofrepetitiveshockmachineisataharmonicofthePCBnaturalresonance,Itwillaidinfindingdefects.
Keywords:
reliabilitytest;
reliabilityenhancementtest;
HALT;
HASS
1引言
随着电子产品在研制阶段的环境应力筛选、可靠性鉴定等试验技术的发展日趋成熟,为减
收稿日期:
2006-04-14;
修回日期:
2006-05-10
作者简介:
袁宏杰（1970-,男,副教授,研究方向:
可靠性与环境试验,测控技术;
（100083北京航空航天大学工程系统工程系.
姜同敏（1949-,男,研究方向:
可靠性与环境试验;
（100083北京航空航天大学工程系统工程系.
2强度与环境2006年少试验费用,必须研究新的技术。
可靠性强化试验就是在此背景下提出和发展的[1]。
可靠性强化试验通过施加环境应力和工作应力,激发故障,暴露产品设计的薄弱环节,提高产品的可靠性。
可靠性强化试验在美国的航天、航空部门获得了广泛的应用[2]。
国内的可靠性强化试验技术处于跟踪状态,应用较少,对其核心技术的掌握仍然不清晰,限制了可靠性强化试验技术在我国的应用。
目前可靠性强化试验大多采用了一种新型超高应力试验系统,即以液氮制冷技术来实现超高降温的高温变速率的温度循环环境;
以气锤连续冲击多向激励技术实现三轴六自由度全轴随机振动环境（称为全轴台;
以上述两种环境应力与湿度应力综合来实现强化应力的综合环境[3~5]。
本文以北京航空航天大学引进的全轴台为研究对象,以实测的全轴随机振动环境应力为基础,对其动态特性给出全面的数字表征,从其频谱特性和产品响应出发,通过理论分析与试验对比比较全轴台与传统电动台对电子产品缺陷的激发效果,为可靠性强化试验剖面的制定提供理论支持。
2全轴台原理与测量方案
全轴台原理如图1所示,全轴台靠多个气锤连续冲击弹性支撑的台面实现全轴振动,冲击波形及量值大小靠伺服阀控制。
由于气锤的冲量不足,使得产生的振动低频能量不足。
连续的冲击与台面的模态使得产生的频谱为宽带随机背景下存在强烈的窄带随机。
图1全轴台原理
采用Endevco公司的7201-50型三轴向传感器,英国LDS公司的8通道CA4型电荷放大器,HP公司的HP3567A动态信号分析仪对空载的全轴台振动应力进行测量。
对测量数据应用Matlab软件分析振动信号的频域特性、幅值特性、台面均匀性及各轴向的相关性。
3动态特性分析
3.1时间历程分析
图2为全轴台控制空载时,控制加速度均方根值为5Grms时,X,Y,Z轴的加速度时间历程,其形状近似反复冲击,有多处峰值超过了3倍的均方根值（15Grms。
3.2平稳性和周期性分析
对实测振动数据进行分析检验,采用轮次检验法对全轴台实测振动数据进行平稳性检验,
第33卷第2期袁宏杰等全轴随机振动应力特性及激发效果3在95%的置信度下,“平稳”、“非平稳”和“轮次数在区间边界上”三种结果各占一定比例。
总体来说,轮次数都落在平稳区间下限附近。
因此认为全轴振动信号具有近似平稳性。
选取全轴台Z轴的振动数据进行循环平稳性分析。
分析表明在大于90%的置信水平下,在0~2000Hz范围内有多处循环频率,其中以38Hz处的置信度最高（置信度高于99%。
采用自功率谱密度谱法、概率密度法、检验方差、自相关分析法四种方法对全轴振动信号进行周期性分析,综合分析结果,认为:
从严格意义上说,信号是非周期的,但信号具有近似周期性,且周期在20ms~40ms之间。
（aX轴及速度时间历程（bY轴加速度时间历程（cZ轴加速度时间历程
图2全轴台加速度时间历程
3.3幅值分布分析
图3实线为全轴台实测Z轴的概率密度图,虚线对标准正态分布的概率密度,对数据应用卡埃平方检验法对全轴振动信号进行正态性检验,结果表明在置信度为99%下其不服从非正态分布。
对于正态分布的随机振动信号,用一阶统计量（均值和二阶统计量（自相关函数、自功率谱密度就可进行完整的统计描述,对于为非正态分布的信号,须采用高阶统计信息进行描述。
对全轴振动应力三个轴向的振动加速度分别计算三阶矩（偏态、四阶矩（峰态,偏态分别为0.0127、0.041、0.02。
考虑到测量误差,其偏态可认为是零,其峰态分别为3.56、3.58、3.01,表明振动信号为超高斯分布,具有高的峰值分布。
3.4频域特性分析
全轴台通过单个轴向（通常Z轴的振动加速度的均方根值对多个气锤的气压进行反馈控制,以保证设定的加速度均方根值,但不能控制谱形,对全轴台空载时的振动应力测量分析表明,全轴台在0~400Hz之间几乎没有能量,三轴均小于1%;
全轴台98%以上地能量都集中在5000Hz以内,所测得的能量分布于台面位置关系不大。
测量的自功率谱密度如图4,其特征为强烈的窄带随机和较弱的宽带随机的迭加,窄带随机特点明显,产品最终受到的激励主要为窄带随机,当产品模态频率在全轴台窄带随机频带附近,对缺陷具有加速激发作用。
3.5各轴的相关性与台面均匀度
在控制加速度均方根值不变情况下,对全轴台不同位置的加速度可以采用相关系数描述两个向量之间的相关性,相关系数为1表示向量之间线性相关,相关系数为0表示向量之间不相关。
表示相关系数的定义如下
（1
（（,cov（,（yDxDyxyxcof⋅=
4强度与环境2006年图3全轴台的幅值概率分布图4全轴台振动信号的加速度自功率谱密度其中x和y为向量,cov（x,y表示x与y的协方差,D（x表示x的方差,D（y表示y的方差。
经计算,全轴台X轴振动与Y轴振动的相关系数为0.0989,X轴振动与Z轴振动的相关系数为0.0638,Y轴振动与Z轴振动的相关系数为0.1118,这说明全轴台三个轴向振动几乎不相关。
对台面加速度均方根值进行测量分析,可得到台面加速度均方根值与位置关系。
当控制的均方根值为10Grms时,图5为Z轴加速度均方根值在台面的分布。
通过对全轴台台面33个不同位置的加速度均方根值进行分析,得出结论:
全轴台台面的不均匀性通常大于100%,Z轴的均匀性优于X、Y轴。
4全轴台与电动台激发效果比较
4.1试验方案
为对比全轴台与传统电动台强化试验的效果,由简单到复杂,由元器件级到电路板级共应用了四种分立元件级电路板,三种简单的印制板级,一种成熟产品的印制板进行试验。
包括:
分立元件级:
25V1000µ
F、16V1000µ
F、100V330µ
F三种电解电容器以及大功率电阻器5W33Ω共四种;
简单印制板级电路:
采用不同封装（DIP和SOP与非门构成的两种数字门电路;
由分立元件和集成电路构成的电压跟随器和由分立元件构成的模拟式放大电路;
成熟的复杂印制板级电路:
VCS
振动控制系统的多功能设置电路板。
传统振动台应用典型的筛选谱形,如图6所示。
起始振动均方根加速度为2Grms,步进步长为2Grms,每个应力台阶持续时间为10分钟,如果振动量值增加到20Grms还没有发现工作极限和破坏极限,则保持振动量值20Grms持续1小时后停止试验。
图5全轴台Z轴的加速度均匀度图6电动台试验应用的随机振动谱形
全轴台振动应力的谱形如图4
起始振动均方根加速度为5Grms,步进步长为5Grms,每个
Hz
自功率谱密度g^2/Hz
第33卷第2期袁宏杰等全轴随机振动应力特性及激发效果5应力台阶持续时间为10分钟,并进行功能、性能检测,如果直到40Grms还没有发现工作极限和破坏极限,则保持振动量值40Grms持续1小时后停止试验。
4.2试验结果
试验中所有分立元件都有两个引线,为了分析需要,人为把引线焊接长短不一致。
表1给出了分立元件电动台试验结果,表2给出了分立元件全轴台试验结果。
在电动台上分别进行了四种类型简单印制板级电路板振动步进应力试验,试验结果为两种门电路无故障,两种模拟放大电路分别均在12Grms时各出现一次故障。
其中集成运放组成的电压跟随器有一路输出端电阻引线振断,分立元件组成的放大电路板有一路输出端滤波器电容引线振断。
简单印制板级电路在全轴台上水平安装和垂直安装方式下分别进行振动步进应力试验,均无故障。
对VCS振动控制系统的多功能设置电路板,采用振动步进应力试验方法,在电动台对受试电路板进行试验,振动应力增加到16Grms时,在振动稳定状态下对电路板进行功能测试,结果发现两个端口均输出FF故障。
故障原因是印制线因受应力过打断裂引发电路断路。
在全轴台对对VCS振动控制系统的多功能设置电路板进行试验。
当在振动应力增加到30Grms时,在振动稳定状态下对电路板进行功能测试,结果发现两个端口均输出FF。
停止试验,然后对电路板上电进行检测,无故障。
从20Grms重新开始试验,在振动量值增加到30Grms时故障复现,将振动量值降至25Grms,故障消失,可是无法定位故障。
为激发故障继续进行试验,以5Grms的步长增加振动应力继续试验,最后增至50Grms,保持振动2小时,其间对电路板进行检测,故障依旧,仍无法实现故障定位,但可以确定其工作极限为25Grms。
4.3试验结果分析
试验证明,即使电动台的均方根加速度小于全轴台的均方根加速度,但诱发产品缺陷的能力要高于全轴台,即在相同的振动应力条件下电动台更易激发潜在的缺陷;
这是因为产品的固有频域一般小于1000Hz,而全轴台在此范围内的能量有限,即使三轴同时作用。
5结语
（1由于全轴台的低频能量较小,频谱不可控,且多数电子产品的共振频率在1000赫兹以内,因此其对缺陷的激发效果不如电动台,仅当产品的模态频率与全轴台振动频率一致时,才具有较好的激发效果。
由于其产生的位移小,对位移敏感的缺陷不如电动台。
（2与电动台的对比试验表明:
三轴向同时振动对产品缺陷的激发效果不一定优于单轴振动,超高斯分布的振动对产品缺陷的激发效果不一定优于高斯分布。
对产品缺陷的激发效果主要取决于频率特性。
（下转第11页振动量级（Grms
24681012脱落无9852故障
模式断裂无无无127停止振动量级（Grms25Grms以下303540脱落无139故障
模式断裂无无无12表1分立元件电动台试验结果表2分立元件全轴台故障
第33卷第2期王其政等捆绑液体火箭跷振（POGO稳定性分析11s=iω=iωn上作跷振分析，不涉及管路特征频率ωb的大小假定。
（5第5节捆绑火箭跷振稳定性近似方法3－频率重合临界阻尼比ςcc法是在第4节的基础上，再增加假定管路特征频率ωb与结构模态频率ωn重合相等条件ω=ωb=ωn，这是跷振分析的最保守近似方法。
（6本文算例可说明有关参数的重要性。
对捆绑液体火箭，可见发动机数N的重要性。
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宇航出版社,1999.5.（上接第5页（3由于全轴台振动加速度的均匀性较差，不利于多台产品同时进行可靠性强化试验。
（4对激发试验不存在一个通用的振动试验条件，电子设备的故障可依据故障模式、故障机理进行分类，而试验中应力应根据不同的故障模式来选择，才能得到较高的激发效率。
（5为加速暴露外场的产品失效模式，在实验室试验时，采用与外场环境谱形相同，但量级较大的随机振动是制定可靠性强化试验剖面的较好方法。
（6使用传统的三综合试验设备，进行可靠性强化试验可得到较好的效果。
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