振動環境試驗控制允差的剪裁應用

朱學旺

（中國工程物理研究院總體工程研究所，綿陽 621900）

振動環境試驗控制允差的剪裁應用

朱學旺

（中國工程物理研究院總體工程研究所，綿陽 621900）

從工程應用的角度，本文分析討論了GJB 150.16A對振動環境試驗控制允差的要求。結果表明，GJB150.16A對控制允差的要求是靈活的，但是未規定RMS允差，容易造成過試驗或欠試驗，且對加速度譜密度的控制允差要求的表述存在著一定的模糊。文中給出了解決建議。

振動環境試驗；控制；控制允差；剪裁

概述

無論是直接應用相關標準中推薦的預估數據，還是以特定裝備的測量數據為基礎，在設計振動環境試驗條件時，一般都要考慮適度的附加裕度——允差。適度的允差或是為了包含哪些在制定振動環境試驗條件時不能涵蓋的環境因素，如最嚴重的工況、與其它環境因素（溫度、加速度）的疊加以及三軸向振動同時作用的耦合效應等，或是因為測量數據不能涵蓋全部工況，如測點數量、測點可及性限制，還要考慮試驗實施過程的等效模擬，如用單軸代替多軸，用夾具模擬平臺等因素[1]。

實驗室試驗時，按照振動環境試驗條件允差實施試驗控制——控制允差。不同的控制允差實現代表了對試驗件的不同嚴酷程度的考核。文獻2簡單分析了不同的控制允差對疲勞損傷程度的影響。結果表明，相同的控制允差范圍（比如±3dB），當波動模型不同時，疲勞損傷程度可以相差很大[2]。嚴格按照疲勞損傷程度來設計振動試驗控制允差不容易實現。現實的做法是，無論是引用預估數據作為試驗條件還是統計分析測量數據獲得試驗條件，一般都是直接按照標準中推薦的允差剪裁指南，確定具體的試驗控制允差。

GJB 150.16A-2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法第16部分 振動試驗》（以下簡稱標準），是振動環境試驗研究中應用最為廣泛的國內標準之一。本文應用其提供的剪裁指南，討論分析振動環境試驗控制允差的剪裁應用。

1 標準中關于控制允差剪裁的提法

標準中關于允差剪裁的主要內容包括：制定的

a)控制允差制定的原則：既可以單獨規定控制允差，也可以直接應用標準推薦的控制允差，還可以根據能夠實現的最小允差在試驗前經由研制單位和用戶確認；

b)給出了推薦的控制允差的具體指標：最嚴格的要求（+2.0dB，—1.0dB），退一步的要求±3dB，最低要求500Hz以下±3dB、500Hz以上（3dB，—6dB）且超差帶寬限制在試驗總帶寬的5%之內；

c)強調加速度總均方根值用于試驗監測（如均方根值在檢查加速度控制譜的設定中的錯誤時是非常有用的），而不用于試驗的控制；

d)對加速度功率譜密度測量的精度要求給出了規定，如準確度要求為振動量級的±0.5dB以內，分析帶寬應不大于2.5Hz(25Hz以下）或不大于5Hz(25Hz以上），快速傅立葉變換的譜線數要求以及統計自由度要求等等。

2 控制允差的剪裁應用

不難看出，標準對振動試驗控制允差的要求體現了剪裁思想。簡單地理解，我們既可以根據具體的試驗目的和實測數據，經過分析評價獲得“另行規定”的控制允差，也可以按照標準之6.2.3.2～6.2.3.5的內容確定控制允差，甚至當我們無力實現標準所要求的允差時，還可以根據我們的能力來放寬允差要求。前面提到，自定義控制允差絕非易事，而放寬允差則是沒有辦法而采取的妥協。就算按照標準要求，確定某一具體振動項目的控制允差也會出現分歧。

1）標準中沒有對均方根值允差給出明確的要求，只是定性地要求“根據試驗變量和試驗設備來規定均方根監測值的允差”。簡單的算例便可以說明，即使滿足標準提出的最嚴格的控制允差要求（2.0dB或－1.0dB之內）的試驗結果，也會出現我們不愿意看到的過試驗或欠試驗。設功率譜密度為平直譜隨機振動試驗。當控制結果在全頻段均為2.0dB時，則實際實現的總均方根值為要求值的1.259倍，實際實現的加速度的峰值也是設計要求的1.259倍，這是明顯的過試驗；當控制結果在全頻段均為－1.0dB時，則實際加載的總均方根值為要求值的0.891倍，峰值亦降低為設計值的0.891，這是明顯的欠試驗。不難驗證，對其它形狀功率譜曲線規定的隨機振動試驗也有類似結果。美軍標MIL-STD-810F METHOD 514.5VIBRATION 中對均方根值的允差的規定也存在著同樣的缺陷[3]。2008年頒布執行的美軍MIL-STD-810G METHOD 514.6 VIBRATION中，對均方根值的允差給出了明確的規定:振動試驗的總均方根值的偏差不超過參考值的10%[4]。

2）標準中優先推薦的控制允差（2.0dB或－1.0dB之內）太過嚴格，以至于標準中都認為難以實現而給出了折中處理方案，“在任何情況下，整個試驗頻率范圍內的允差應不超過±3dB；500Hz以上可以為3dB，－6dB。這些超過允差的累積帶寬應限制在整個試驗頻帶范圍的5%以內”。遺憾的是，劃線部分又帶來了理解的歧義和執行上的困難。5%的帶寬到底是指超過優先推薦的控制允差（2.0dB或－1.0dB之內）還是指超過±3dB允差的那部分帶寬，并不明確。

這一部分的表述與美軍標MIL-STD-810F METHOD 514.5 VIBRATION中相應內容是完全相同的[3]。也就是說，美軍標810F對振動試驗控制功率譜密度的控制允差同樣存在模糊之處。回顧GJB 150.16，與之相關的描述是“控制點的測量功率譜密度與規定的功率譜密度相差不得超過±3dB”。在500～2000Hz范圍內，允許容差（即允差）為－6dB，但累計帶寬不得大于試驗頻率范圍的5%，其描述明確易懂，為避免混淆還給出了圖示說明。

MIL-STD-810G METHOD 514.6 VIBRATION中，對相關表述進行了修改。首先宏觀要求要盡可能實現控制允差的最小化，然后給出了對控制允差的一般要求±3dB ，最后給出了當出現超差時的放行處理辦法：500Hz以下 ±3 dB ，500 Hz以上±6 dB ，且帶寬最多不超過試驗頻率范圍的5%[4]。

由此可見，MIL-STD-810G METHOD 514.6 VIBRATION對振動試驗控制允差的要求完全不同于810F。簡單地說，它不僅比810F（GJB 150.16A）要寬松，甚至比GJB 150.16還要寬松，5%帶寬的超±3dB控制譜密度可以達到±6 dB，而不是GJB 150.16要求的－6dB。

3 結論與討論

上述分析可以得出結論：

1)對RMS給出允差要求是必要的，以目前標準中推薦的預估數據作為試驗條件時，RMS值的允差按照不超過要求值的10%執行是現實的；

2)除非另外規定，加速度譜密度的控制允差一般不要執行“2.0dB或－1.0dB之內”的要求，當按照標準規定的允差要求進行試驗設計時，直接應用±3dB允差，高頻可以放寬至－6dB(有時甚至可以放寬至±6dB)，允許放寬的累計帶寬為試驗帶寬的5%。

值得注意的是，在上述分析中，并沒有涉及加速度譜密度測量的精度問題。實際中，因為加速度譜密度為間接測量量，其測量結果是加速度測量結果經過適當方法獲得的估計值，而一個隨機統計量的估計的精度受多種因素的影響。也許正是因為這些復雜性，在MILSTD-810G METHOD 514.6 VIBRATION討論允差之前明確說明沒有考慮加速度譜密度的測量不確定度。另外如何正確理解和應用標準中對振動測量提出的“其準確度為振動量級的±0.5dB之內”的要求，也是值得研究討論的。

[1] GJB 150.16A-2009，軍用裝備實驗室環境試驗方法 第16部分 振動試驗[S].

[2]朱學旺.基于疲勞損傷分析的振動試驗控制誤差評價[J].航天器環境工程，2007，24(3)：182-186.

[3] MIL-STD-810F，Environmental engineering considerations and laboratory tests, METHOD 514.5VIBRATION[S].

[4] MIL-STD-810G，Environmental engineering considerations and laboratory tests ,METHOD 514.6 VIBRATION[S].

Clipping Application of the Control Tolerance of Vibration Environment Test

ZHU Xue-wang
（Institute of Systems Engineering ,CAEP, Mianyang 621900）

This paper analyzes and discusses the requirements of GJB 150.16A for the control tolerance of vibration environment test from the perspective of engineering application. The result shows that the requirements on the control tolerance in GJB 150.16A is flexible. However, due to no stipulation on RMS tolerance, it will easily result in over-test or under-test; and the description on the control tolerance of the PSD (Power Spectral Density) of an acceleration signal is fuzzy to some extent. The suggestion is presented in the paper for clipping the control tolerance.

vibration environment test；test control；control tolerance；clipping

O346.5

A

1004-7204（2014）01-0060-03

朱學旺（1963- ），男，湖北鄂州人，研究員，研究方向為復雜結構動力學及振動環境試驗。