正弦振動(dòng)試驗(yàn)的目的是在試驗(yàn)室內(nèi)模擬產(chǎn)品在運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用過(guò)程中所可能經(jīng)受到的正弦振動(dòng)及其影響。正弦振動(dòng)主要是由于飛機(jī)、車(chē)輛、船舶、空中飛行器和地面機(jī)械的旋轉(zhuǎn)、脈動(dòng)、振蕩等諸力所引起的。

正弦振動(dòng)試驗(yàn)屬于“規(guī)定一種機(jī)械運(yùn)動(dòng)” 的力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)方法，而這種機(jī)械運(yùn)動(dòng)是以正弦曲線為基本運(yùn)動(dòng)軌跡的。所以在正弦振動(dòng)試驗(yàn)中，若知道過(guò)去的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，就可以確定未來(lái)任何時(shí)刻運(yùn)動(dòng)的各要素。從正弦振動(dòng)試驗(yàn)的時(shí)間歷程可見(jiàn)，用頻率、幅值兩個(gè)參數(shù)可以完整描述正弦振動(dòng)試驗(yàn)的基本運(yùn)動(dòng)。正弦振動(dòng)試驗(yàn)基本運(yùn)動(dòng)時(shí)間歷程如圖1所示。正弦振動(dòng)試驗(yàn)的能量存在于某一頻率上，而不是幅值對(duì)頻率的連續(xù)譜，如圖2所示。所以正弦振動(dòng)試驗(yàn)的試驗(yàn)條件(嚴(yán)酷等級(jí))由頻率、振幅、試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間三個(gè)參數(shù)共同確定。

圖1（左）正弦振動(dòng)試驗(yàn)基本運(yùn)動(dòng)的時(shí)間歷程

圖2（右）正弦振動(dòng)能量譜圖

隨著試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，隨機(jī)振動(dòng)的應(yīng)用領(lǐng)域已越來(lái)越寬廣，特別在航空產(chǎn)品的振動(dòng)試驗(yàn)方面更是如此，但由于種種原因，正弦振動(dòng)試驗(yàn)在除航空產(chǎn)品的其他領(lǐng)域仍在廣泛地使用，其中包括對(duì)航天產(chǎn)品的試驗(yàn)。另外，正弦振動(dòng)在查找樣品的危險(xiǎn)頻率方面更是必不可少的。

振動(dòng)對(duì)產(chǎn)品影響

實(shí)際上，產(chǎn)品所遇到的振動(dòng)在大多數(shù)情況下是隨機(jī)振動(dòng)，對(duì)這些隨機(jī)振動(dòng)，應(yīng)用隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)更切合實(shí)際。但由于試驗(yàn)技術(shù)是先由正弦后發(fā)展到隨機(jī)等歷史原因，至今還有許多標(biāo)準(zhǔn)一直沿用正弦振動(dòng)試驗(yàn)。重要的是：正弦振動(dòng)還是用來(lái)研究產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)特性，以及確定電子設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性平臺(tái)量值的有效方法之一。所以正弦振動(dòng)試驗(yàn)在力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)中仍是一個(gè)最重要的振動(dòng)試驗(yàn)項(xiàng)目，也是一個(gè)很經(jīng)典的試驗(yàn)方法。

產(chǎn)品在運(yùn)輸和實(shí)際使用中所遇到的振動(dòng)，絕大多數(shù)是隨機(jī)振動(dòng)。例如，宇航員和導(dǎo)彈在發(fā)射和助推階段的振動(dòng)；車(chē)輛在不平坦的道路上行駛時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)；多變的海浪使船舶產(chǎn)生的振動(dòng)等，都屬于隨機(jī)振動(dòng)。因此，用隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)才能更真實(shí)反映產(chǎn)品的抗震性能。

在隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中，由于振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)處于不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，永遠(yuǎn)不會(huì)精確地重復(fù)，對(duì)其進(jìn)行一系列的測(cè)量，各次記錄都不一樣，所以沒(méi)有任何固定的周期。在任何確定的時(shí)刻，其振幅、頻率、相位都不能預(yù)先知道，因此就不可能用簡(jiǎn)單的周期函數(shù)和函數(shù)的組合來(lái)描述。圖3所示為典型的寬帶隨機(jī)振動(dòng)時(shí)間歷程。

圖3 典型的寬帶隨機(jī)振動(dòng)時(shí)間歷程

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)

產(chǎn)品在使用和運(yùn)輸過(guò)程中所經(jīng)受到的沖擊主要是由于車(chē)輛的緊急制動(dòng)和撞擊、飛機(jī)的空投和墜撞（緊急迫降）、炮火的發(fā)射、化學(xué)能和核能的爆炸、導(dǎo)彈和高性能武器的點(diǎn)火分離和再入等所產(chǎn)生的。沖擊是一種很復(fù)雜的物理過(guò)程， 與隨機(jī)振動(dòng)一樣，它具有連續(xù)的頻譜， 但又是一個(gè)瞬變過(guò)程，不具備穩(wěn)態(tài)隨機(jī)的條件。產(chǎn)品受沖擊后，其機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)要發(fā)生突變并將產(chǎn)生瞬態(tài)沖擊響應(yīng)。圖4所示是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)到的沖擊脈沖波形，圖5所示為一現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)到的中等延續(xù)沖擊加速度響應(yīng)時(shí)間歷程。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)到的沖擊脈沖波形

圖5 中等延續(xù)沖擊加速度響應(yīng)時(shí)間歷程

產(chǎn)品對(duì)機(jī)械沖擊環(huán)境的響應(yīng)具有以下特征:高頻振蕩、短持續(xù)時(shí)間、明顯的初始上升時(shí)間和高量級(jí)的正負(fù)峰值。機(jī)械沖擊的峰值響應(yīng)一般可用一個(gè)隨時(shí)間遞減的指數(shù)函數(shù)包絡(luò)。對(duì)于具有復(fù)雜多模態(tài)特性的裝備，其沖擊響應(yīng)包括以下兩種頻率響應(yīng)分量：施加在裝備上的外部激勵(lì)環(huán)境的強(qiáng)迫頻率響應(yīng)分量和在激勵(lì)施加期間或之后裝備的固有頻率響應(yīng)分量。

從物理概念上講，產(chǎn)品受沖擊（瞬態(tài)激勵(lì)）后所產(chǎn)生的沖擊響應(yīng)的大小代表了產(chǎn)品實(shí)際所受到的沖擊強(qiáng)度。若產(chǎn)品的瞬時(shí)響應(yīng)幅值超過(guò)產(chǎn)品本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，則將導(dǎo)致產(chǎn)品破損。可見(jiàn)產(chǎn)品受沖擊所產(chǎn)生的損壞，不同于累積損傷效應(yīng)所造成的破壞，而屬于相對(duì)于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的極限應(yīng)力的峰值破壞。

沖擊試驗(yàn)失效模式

沖擊會(huì)對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能完好性產(chǎn)生有害影響。其程度一般隨沖擊的量級(jí)和持續(xù)時(shí)間的增減而改變。當(dāng)沖擊持續(xù)時(shí)間與產(chǎn)品固有頻率一致或者輸入沖擊環(huán)境波形的主要頻率分量與產(chǎn)品的固有頻率一致時(shí)，會(huì)進(jìn)一步增大對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能完好性的不利影響。這種機(jī)械沖擊一般限制在：頻率范圍不超過(guò)10 000 Hz，持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)于1.0 s。 在大多數(shù)情況下，產(chǎn)品的主要響應(yīng)頻率不超過(guò)2 000 Hz，響應(yīng)的持續(xù)時(shí)間小于0.1 s。

上述這些沖擊有的直接作用在產(chǎn)品（包含減振器）上，有的通過(guò)船體本身結(jié)構(gòu)的傳遞作用在產(chǎn)品上。通常，安裝在甲板、舷側(cè)板和上層建筑上的產(chǎn)品（包含減振器）易受到炮彈、炸彈、導(dǎo)彈等空中爆炸的沖擊，以及火炮發(fā)射的氣浪沖擊。安裝在船體內(nèi)的產(chǎn)品易遭受到水中爆炸的沖擊。這些沖擊往往使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能受到很大的影響，甚至被破壞。

隨著艦裝各種電子電工產(chǎn)品越來(lái)越多， 越來(lái)越復(fù)雜，而且將越來(lái)越依賴它們的作用，因而對(duì)他們的使用可靠性要求越來(lái)越高。為了保證艦船電工產(chǎn)品的可靠使用，為了保證在海上航行時(shí)的生命財(cái)產(chǎn)的安全，特別對(duì)參加戰(zhàn)斗的艦船，為了保證不貽誤戰(zhàn)機(jī)，必須在試驗(yàn)室內(nèi)重現(xiàn)上述沖擊的影響，預(yù)先對(duì)產(chǎn)品（包含減振器）進(jìn)行考核。

圖6 輕量級(jí)強(qiáng)碰撞 （顛振）沖擊機(jī)示意圖；

圖7 中量級(jí)強(qiáng)碰撞 （顛振）沖擊機(jī)示意

水下爆炸、撞擊、近距高脫靶炮火、空中爆炸及戰(zhàn)場(chǎng)所遇爆炸的沖擊是十分復(fù)雜的，呈現(xiàn)瞬態(tài)振動(dòng)的形式，其沖擊持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)比一般沖擊要長(zhǎng)得多，而且也很難用數(shù)學(xué)形式來(lái)描述它（由一種具有數(shù)學(xué)形式的沖擊來(lái)模擬它或模擬它對(duì)產(chǎn)品的影響）。

艦船產(chǎn)品一般都具有重量大、體積大的特點(diǎn)。若用規(guī)定脈沖波形的沖擊機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，一方面模擬不出爆炸所產(chǎn)生的那種大加速度長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間過(guò)程的復(fù)雜沖擊；另一方面，規(guī)定脈沖波形的方法與強(qiáng)碰撞沖擊臺(tái)相比易受負(fù)載（樣品）本身特性的影響。強(qiáng)碰撞沖擊臺(tái)就是針對(duì)受到劇烈的，但又不是毀滅性的爆炸所產(chǎn)生的沖擊影響而設(shè)計(jì)的，如圖6和圖7所示。近年來(lái)，由于國(guó)內(nèi)強(qiáng)碰撞沖擊機(jī)少，無(wú)法定量測(cè)量和給出實(shí)際施加的應(yīng)力曲線，目前用50 g、30 ms的半正弦沖擊來(lái)代替。

碰撞（艦船稱(chēng)顛振）和沖擊一樣，是一個(gè)非常復(fù)雜的物理過(guò)程，并且是隨機(jī)的，能在不同的時(shí)間周期上出現(xiàn)。從力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)分析，它們都屬于同一類(lèi)問(wèn)題，都是由于外界激勵(lì)使系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)發(fā)生突變、非穩(wěn)態(tài)的變化。然而由于它們對(duì)產(chǎn)品所造成的物理失效不完全相同，為了在試驗(yàn)室內(nèi)模擬方便起見(jiàn)，在民用（商用）產(chǎn)品的環(huán)境試驗(yàn)體系中才將其分成沖擊試驗(yàn)和碰撞（顛振）試驗(yàn)。

通常將峰值加速度較大，脈沖持續(xù)時(shí)間較短，很少重復(fù)出現(xiàn)，相對(duì)于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來(lái)說(shuō)屬極限應(yīng)力的定義為沖擊。將峰值加速度不大，脈沖持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，不斷重復(fù)出現(xiàn)，相對(duì)于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來(lái)說(shuō)是重復(fù)應(yīng)力的定義為碰撞（顛振）。可見(jiàn)碰撞（顛振）試驗(yàn)驗(yàn)主要是為了確定產(chǎn)品經(jīng)受重復(fù)碰撞（顛振）后所引起的累積損傷。目前碰撞 （顛振）試驗(yàn)在艦船產(chǎn)品的考核中用得最多。

碰撞（顛振）試驗(yàn)

圖9 殲擊機(jī)上實(shí)測(cè)到的的振動(dòng)時(shí)間歷程曲線

圖10 正弦拍頻振動(dòng)時(shí)間歷程圖

圖11 典型瞬態(tài)振動(dòng)時(shí)間歷程波形

圖11 溫度/濕度/振動(dòng)三綜合試驗(yàn)剖面圖
 

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