某型号仪器舱组合体联合动强度试验方法_张群.pdf

某型号仪器舱组合体联合动强度试验方法某型号仪器舱组合体联合动强度试验方法张群，马丽然，代振梦，沈兴，卫国（北京强度环境研究所，北京100076）摘要：针对某型号导弹仪器舱组合体结构和设备的联合动强度考核需求，开展组合体的动强度试验方法研究：设计专门的气瓶过载弹性加载装置，实现了气瓶过载力的等效模拟；通过整舱振动试验边界模拟和传递特性分析，验证了噪声激励振动传递与机械振动传递的差异性，提出采用大刚度模拟边界代替级间段真实边界与仪器舱组合进行联合动强度试验的方法；针对 3 个重点结构部段提出各自的试验条件，并通过预试验和归一化输入响应的比较分析确定了舱段不同部位结构和设备的联合考核方法。该试验方法可以有效模拟由发动机脉动和气动噪声引起的声振环境，避免产品过试验，达到对舱段结构及设备的动强度考核和设备支架动特性及放大倍数评估的目的。关键词：仪器舱组合体；动强度试验；声振环境；边界模拟；传递特性中图分类号：V416.2文献标志码：A文章编号：1673-1379(2023)01-0037-06DOI:10.12126/see.2022095Method for combined dynamic strength test ofan integral instrument cabin assemblyZHANGQun,MALiran,DAIZhenmeng,SHENXing,WEIGuo(BeijingInstituteofStructureandEnvironmentEngineering,Beijing100076,China)Abstract:Inviewofthedemandsofthecombineddynamicstrengthassessmentofamissileinstrumentcabin assemblys structures and equipment,an integral cabin assemblys dynamic strength test method wasstudied.A special elastic loading device for overload of the gas cylinder was designed and the equivalentsimulationofcylinderoverloadwasrealized.Throughthewholecabinvibrationtestboundarysimulationandtransfer characteristics analysis,the difference between noise excitation vibration transfer and mechanicalvibrationtransferwasverified.Largestiffnesssimulationboundary,insteadoftherealboundaryofinter-stage,wasusedtocombinewiththeinstrumentcabinforcombineddynamicstrengthtest.Thetestconditionsofthethreekeystructuralpartswereproposed,andthecombinedassessmentmethodsofthestructureandequipmentindifferentpartsofthecabinweredeterminedbycomparingthepreliminarytestandthenormalizedinputresponse.Thistestmethodcouldeffectivelysimulatetheacousticvibrationenvironmentcausedbyenginepulsationandaerodynamicnoisetoavoidproductovertest.Thepurposesofevaluatingthedynamicstrengthofthecabinstructure and equipment and the dynamic characteristics and magnification of the equipment support wereachieved.Keywords:integral instrument cabin assembly;dynamic strength test;acoustic vibration environment;boundarysimulation;transfercharacteristics收稿日期：2022-09-05；修回日期：2023-01-30引用格式：张群,马丽然,代振梦,等.某型号仪器舱组合体联合动强度试验方法J.航天器环境工程,2023,40(1):37-42ZHANG Q,MA L R,DAI Z M,et al.Method for combined dynamic strength test of an integral instrument cabin assemblyJ.Spacecraft Environment Engineering,2023,40(1):37-42第40卷第1期航天器环境工程Vol.40,No.12023年2月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING37http:/E-mail:Tel:(010)68116407,68116408,68116544 0 引言引言航天器在发射飞行过程中所经历的声振环境是导致航天器故障甚至任务失败的主要原因之一。美国 NASA 的统计报告显示，30%60%的航天器故障与振动环境1相关。导弹发生故障或失效的原因也大多与飞行中的气动噪声和发动机脉动推力有关2。为提高导弹的振动环境适应性和可靠性，需在其研制阶段通过一系列的振动试验对其进行充分的验证考核3。振动试验按试验目的可分为环境适应性试验、动强度试验、动特性试验和耐久性试验等4。其中，动强度试验一般针对弹箭的结构件，考核试件的动强度，检验在给定试验条件下试件是否发生疲劳破坏，以及评估结构振动响应放大情况，因此动强度试验对弹箭的结构设计具有重要意义5-6。动强度试验中，弹箭结构考核通常以整机或舱段的形式进行，试验时间较长，振动条件为真实环境的典型工作量值。目前，利用振动台有效开展导弹大型舱段动强度试验仍存在诸多问题7-13：1）针对导弹飞行声振环境的试验条件一般由系统级噪声试验制定，而噪声激励的振动传递与振动台的机械振动传递特性存在差异，故需考虑振动台试验的合理性和有效性；2）边界模拟失真以及机械传递衰减导致的严重欠试验/过试验影响振动试验结果的有效性；3）大型舱段结构一般由数个分系统和数十个组件组成，结构复杂，模态密度大，频响峰谷密，可能存在较大低频位移和高量级响应，导致界面输入波形失真，带来严重的反共振风险，对振动设备的性能指标提出更高要求。针对上述问题，本文基于某型号仪器舱不同部段飞行振动环境的联合动强度试验任务需求，开展某仪器舱组合体联合动强度试验研究：通过边界模拟设计和传递特性分析，研究真实边界和模拟边界的差异，确定舱段动强度试验边界设计的原则和有效模拟方法；通过归一化的预试验特性分析对比，确定不同部段的联合动强度试验考核方法，并用之验证评估仪器舱和级间段的联合动强度。1 动强度试验方法动强度试验方法1.1试验系统及原理仪器舱组合体联合动强度试验系统组成如图 1 所示。组合体高量级随机振动通过大推力电磁振动台激励实现。仪器舱与上下边界组装形成组合体后通过转接工装固定于振动台上；振动控制仪生成的驱动信号通过功率放大器逐级放大后驱动振动台工作；同时，控制点的响应信号反馈回控制仪，将响应信号与设定好的参考谱进行比较和修正，得到新的驱动谱；如此反复，使控制谱达到试验控制精度要求。仪器舱上边界振动控制仪电荷放大器/ICP适调仪试验夹具功率放大器加速度传感器数据采集设备电磁振动台级间段边界图1舱段试验系统组成及原理Fig.1Configurationofthesystemforcabinassemblystest舱段组合体动强度试验中的振动控制采用多点平均控制策略；控制点选取为相应部段的连接界面处，并结合仿真分析、额定载荷和历史数据等对关键测点进行加速度响应控制。1.2试验对象某型号大型舱段组合体直径2m、质量约1000kg，其主体由仪器舱和级间段构成（如图 2 所示），组合体上边界带有发动机后裙模拟件。仪器舱和级间段通过 12 个不均匀分布的低冲击分离螺栓连接。仪器舱的柱段、锥段及柱段中部的环板上安装有各类单机仪器设备，分别通过支腿与环板直接连接或通过仪器支架安装在仪器舱壁上。采用仪器舱组合体以及上下边界作为试验对象是为了尽量模拟实际安装边界，保证振动传递和振动环境模拟的真实性和有效性。38航天器环境工程第40卷IVII29#23#20#17#15#9#6#4#18#14#11#16#10#8#7#5#3#2#1#12#13#30#24#21#19#22#34#32#25#27#33#28#31#发动机后裙设备设备设备设备S7界面S6界面S5界面S4界面S3界面S2界面S1界面环板仪器舱柱段级间段IIIIV(II)Ixzy设备仪器舱锥段S6（锥段下端）S8（环板）S7（锥段上端）S5（柱段上端）S4（柱段中部）S3（柱段下端）S1（级间段下端）)S2（级间段上端）I(III)图2仪器舱组合体结构组成及振动测点布置Fig.2Structural composition and vibration measurementpoint arrangement of the integral instrument cabinassembly1.3试验条件加载要求对仪器舱组合体分别进行 x、y、z 三方向的随机振动试验，以模拟飞行过程的声振环境，验证不同结构和设备处的结构动强度。随机振动试验条件由系统级噪声试验实测数据包络制定，其中针对安装设备的重点结构部段，即仪器舱柱段、锥段和环板分别制定单独的动强度随机振动试验条件。根据要求，试验件的技术状态应尽量模拟实际飞行状态，包括连接边界的状态和受力状态，因此，对于仪器舱中的大集中质量关键设备气瓶，需综合考虑过载力的影响，即在气瓶随机振动激励的同时施加过载力，以模拟飞行过载。任务剖面中一级飞行最大轴向过载加速度为 3.08g，横向过载加速度较小且施加困难可暂不模拟，气瓶总重 7.2kg，故应施加轴向（x 向）力为 220N。为获取结构响应和动特性，在图 2 所示的舱段组合体结构的 8 个关键界面位置以及仪器设备处均布置有振动测点；关键界面分别为级间段下端面和上端面，柱段下部、中部和上部，锥段下部和上部，以及环板。2 气瓶过载装置设计及加载气瓶过载装置设计及加载气瓶通过舱段侧壁支架安装于舱段内，为满足关键设备振动+过载环境综合模拟的试验要求，需要设计气瓶过载力加载装置。该装置应尽量避免引入附加质量和刚度。针对产品实际状态，设计由铜皮包带、弹力绳、U 型卡环和吊耳组成的过载弹性加载装置（如图 3所示）。铜皮包带沿气瓶环向包覆气瓶；为防止侧滑和松脱，将包带用专用胶水黏结于气瓶本体上；包带末端两侧的吊环分别与 2 根弹力绳的一端连接，并通过 U 型卡环固定；弹力绳另一端与固定在气瓶轴向下方环板上的吊耳连接。试验前对弹力绳的弹性系数进行标定（结果如图 4 所示），并通过标定的弹性系数确定弹力绳的拉伸长度。铜皮包带气瓶Fa弹力绳吊耳环板铜皮包带弹力绳吊耳环板U型卡环U型卡环图3过载施加装置Fig.3Overloadapplyingdevice90807060504001020304050607080k=74.5 N/mmF/Nx/mm图4过载弹力绳弹性系数标定曲线Fig.4Elastic coefficient calibration cur