基于力學(xué)環(huán)境實(shí)測(cè)的某型導(dǎo)彈振動(dòng)試驗(yàn)條件制定

翟喚春,趙 鑫,孔小林,李 博

(中國(guó)華陰兵器試驗(yàn)中心,陜西華陰 714200)

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基于力學(xué)環(huán)境實(shí)測(cè)的某型導(dǎo)彈振動(dòng)試驗(yàn)條件制定

翟喚春,趙 鑫,孔小林,李 博

(中國(guó)華陰兵器試驗(yàn)中心,陜西華陰 714200)

為了提高導(dǎo)彈實(shí)驗(yàn)室可靠性鑒定試驗(yàn)的可信性,首要的是準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)導(dǎo)彈發(fā)射飛行環(huán)境條件。文中在對(duì)某型導(dǎo)彈發(fā)射飛行力學(xué)環(huán)境實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上,對(duì)獲得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了必要的分析處理,給出了振動(dòng)實(shí)測(cè)譜和規(guī)范譜的歸納方法。在此基礎(chǔ)上,形成了用于實(shí)驗(yàn)室可靠性鑒定試驗(yàn)的振動(dòng)試驗(yàn)條件。實(shí)踐表明該方法滿足工程應(yīng)用需要,操作步驟取舍得當(dāng),易于實(shí)現(xiàn)。

導(dǎo)彈;實(shí)測(cè);振動(dòng)試驗(yàn)

0 引言

導(dǎo)彈發(fā)射沖擊和自由飛振動(dòng)等動(dòng)力學(xué)環(huán)境是導(dǎo)彈研制和試驗(yàn)過(guò)程中必須予以關(guān)注的關(guān)鍵因素。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)能否科學(xué)的進(jìn)行可靠性鑒定試驗(yàn),首要的是準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)導(dǎo)彈發(fā)射飛行環(huán)境條件,難點(diǎn)至少包括兩個(gè):一是導(dǎo)彈發(fā)射飛行過(guò)程力學(xué)環(huán)境實(shí)測(cè),二是科學(xué)的制定振動(dòng)沖擊試驗(yàn)條件。

為了盡可能讓試驗(yàn)條件反映導(dǎo)彈發(fā)射飛行實(shí)際情況,開(kāi)展環(huán)境實(shí)測(cè)是最好的選擇[1]。但與地面產(chǎn)品環(huán)境實(shí)測(cè)不同的是,導(dǎo)彈發(fā)射飛行環(huán)境測(cè)試技術(shù)難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。

至于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的歸納,文獻(xiàn)[2-3]對(duì)隨機(jī)振動(dòng)實(shí)測(cè)譜和規(guī)范譜的歸納過(guò)程進(jìn)行了描述,可以把屬于同一總體的各次測(cè)量歸納為一個(gè)實(shí)測(cè)譜和規(guī)范譜。但導(dǎo)彈飛行過(guò)程以及實(shí)際測(cè)試都表明導(dǎo)彈飛行經(jīng)歷了不止一種狀態(tài),不同狀態(tài)的隨機(jī)振動(dòng)樣本差別明顯,不屬于同一總體。對(duì)于不同狀態(tài)、不同測(cè)量區(qū)域這種不同總體的隨機(jī)振動(dòng)實(shí)測(cè)譜歸納問(wèn)題,有關(guān)文獻(xiàn)提出了狀態(tài)區(qū)域數(shù)據(jù)歸納的基本思路[4-5]。

文中采用以下方法步驟進(jìn)行處理:

1)對(duì)同一狀態(tài)、同一發(fā)導(dǎo)彈的不同振動(dòng)數(shù)據(jù)段取最大值包線,用以代表該發(fā)導(dǎo)彈該狀態(tài);

2)對(duì)同一狀態(tài)、不同發(fā)導(dǎo)彈的最大值包線求容差上限,即該狀態(tài)的實(shí)測(cè)譜;

3)對(duì)不同狀態(tài)容差上限勾勒包絡(luò)折線,即振動(dòng)規(guī)范譜;

4)將規(guī)范譜修訂為試驗(yàn)條件。

實(shí)踐表明該方法滿足工程應(yīng)用需要,操作步驟取舍得當(dāng),易于實(shí)現(xiàn)。

1 導(dǎo)彈發(fā)射飛行過(guò)程力學(xué)環(huán)境實(shí)測(cè)

根據(jù)導(dǎo)彈的實(shí)際情況、測(cè)試系統(tǒng)成本及以往的測(cè)試經(jīng)驗(yàn),計(jì)劃在彈體戰(zhàn)斗部安裝一只三軸向振動(dòng)傳感器。測(cè)試方法參考文獻(xiàn)[6]。測(cè)試系統(tǒng)之間性能指標(biāo)為:

傳感器指標(biāo):靈敏度為3 pC/g,軸向X、Y、Z,最大測(cè)量值為2 500 g,頻率范圍0.3～10 kHz,絕緣電阻大于20 MΩ(配套絕緣安裝座),最大抗沖擊加速度為5 000 g;振動(dòng)測(cè)試量程:X、Y、Z方向各±100 g;采樣頻率:10 kHz;動(dòng)態(tài)范圍:選用16 bit AD變換器,理論96 dB,實(shí)際60～80 dB;濾波器:具有抗混疊濾波器,濾波的截止頻率自動(dòng)設(shè)置為采樣頻率的一半;數(shù)據(jù)記錄時(shí)間:大于等于100 s;供電方式:彈上供電;環(huán)境適應(yīng)性:信號(hào)記錄裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮從發(fā)射到回收所承受的溫度、振動(dòng)、沖擊、電磁等環(huán)境,工作溫度-40～+50 ℃,落地沖擊20 000 g,導(dǎo)彈發(fā)射飛行過(guò)程應(yīng)確保記錄可靠,落地應(yīng)確保數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片安全回收。

共對(duì)3發(fā)中制導(dǎo)導(dǎo)彈進(jìn)行了發(fā)射飛行過(guò)程力學(xué)環(huán)境實(shí)測(cè),飛行過(guò)程一致,數(shù)據(jù)一致性好、無(wú)明顯異常。

文中僅對(duì)3發(fā)導(dǎo)彈的Z向(徑向)振動(dòng)進(jìn)行研究,其他軸向方法相同。圖1為3次測(cè)試的Z向振動(dòng)數(shù)據(jù)。以第1發(fā)導(dǎo)彈數(shù)據(jù)說(shuō)明發(fā)射飛行過(guò)程:發(fā)射時(shí)安全鎖打開(kāi)和發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火形成了兩個(gè)強(qiáng)烈沖擊,十幾秒后慣性導(dǎo)航介入,轉(zhuǎn)入中制導(dǎo)階段,再過(guò)一段時(shí)間后導(dǎo)彈進(jìn)入無(wú)控飛行狀態(tài),最后導(dǎo)彈落地,形成第三個(gè)強(qiáng)烈沖擊。

圖1 3發(fā)導(dǎo)彈Z向(徑向)發(fā)射飛行過(guò)程時(shí)域加速度

2 振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理

絕大多數(shù)振動(dòng)試驗(yàn)都是對(duì)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的復(fù)現(xiàn)。隨機(jī)振動(dòng)的數(shù)據(jù)處理、分析、計(jì)算,通常也都是在隨機(jī)過(guò)程滿足平穩(wěn)性要求的前提下對(duì)同一總體的多個(gè)振動(dòng)樣本進(jìn)行的。若對(duì)單個(gè)振動(dòng)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,則還得要求該振動(dòng)樣本是各態(tài)歷經(jīng)的,即可以用時(shí)間上的統(tǒng)計(jì)量代替集合上的統(tǒng)計(jì)量。直觀整個(gè)導(dǎo)彈發(fā)射飛行過(guò)程,明顯不是一個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理的主要作用就是要獲得能夠代表飛行過(guò)程的局部平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)信號(hào),為進(jìn)一步計(jì)算做好準(zhǔn)備。選取典型數(shù)據(jù)段的要求:一是能通過(guò)平穩(wěn)性檢驗(yàn),如果只有1發(fā)導(dǎo)彈的數(shù)據(jù)時(shí)還必須通過(guò)各態(tài)歷經(jīng)檢驗(yàn);二是在所處的狀態(tài)段內(nèi)夠典型,最明顯的是幅值夠大,確保據(jù)此得到的功率譜密度包絡(luò)能夠包絡(luò)該狀態(tài)段的其他數(shù)據(jù)段。

預(yù)處理的步驟如下:

第一步,剔除首尾的強(qiáng)沖擊。

第二步,劃分典型狀態(tài)。本測(cè)試項(xiàng)目中將每發(fā)導(dǎo)彈的飛行過(guò)程劃分為前、中、后3個(gè)典型狀態(tài)。

第三步,初步判斷能量分布。在整個(gè)振動(dòng)數(shù)據(jù)中目測(cè)選取量值最大且看似平穩(wěn)的一段數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜密度的計(jì)算,大致判斷能量在頻域上的分布情況,為確定濾波的上限截止頻率提供依據(jù)。

第四步,進(jìn)行數(shù)字濾波。進(jìn)行數(shù)字濾波主要是因?yàn)?一是實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)臺(tái)模擬的振動(dòng)頻率上限通常為2 000 Hz。二是進(jìn)行振動(dòng)實(shí)測(cè)時(shí),雖然采樣頻率為模擬的低通濾波器設(shè)定上限頻率的2倍,滿足采樣定理,但由于模擬濾波器在設(shè)定上限頻率處并不是一個(gè)理想的截止形態(tài),這就導(dǎo)致高于二分之一采樣頻率的信號(hào)被采集進(jìn)來(lái),頻率混疊不可避免,因此通常要選擇采樣頻率為低通濾波器設(shè)定上限頻率的3～5倍。三是此次測(cè)試項(xiàng)目實(shí)際的振動(dòng)能量在2 000 Hz以上很小。在本測(cè)試項(xiàng)目中,采樣頻率為10 kHz,選數(shù)字濾波上限頻率為2 kHz合適。

第五步,在各狀態(tài)段選取典型數(shù)據(jù)段,進(jìn)行必要處理和平穩(wěn)性檢驗(yàn)。

選取某典型數(shù)據(jù)段進(jìn)行剔除野值和消除趨勢(shì)項(xiàng)處理。

平穩(wěn)性檢驗(yàn)可以采用倒排列檢驗(yàn)方法或輪次檢驗(yàn)方法,文中采用輪次檢驗(yàn)方法[4],具體過(guò)程是:

1)把該振動(dòng)樣本分為N個(gè)等時(shí)間長(zhǎng)度的子樣。

2)對(duì)每個(gè)子樣的加速度計(jì)算均方值RMS,把這些子樣的加速度均方值列為新的時(shí)間序列。

3)算出序列中相對(duì)于中值的輪次數(shù)。如果這個(gè)輪次數(shù)落在輪次表中查到的區(qū)間內(nèi),則認(rèn)為滿足平穩(wěn)性假設(shè)。

例如第1發(fā)導(dǎo)彈Z向18.33 s到19.55 s振動(dòng)數(shù)據(jù),將這一段振動(dòng)數(shù)據(jù)均分為20段,分別計(jì)算各段的加速度均方值RMS并按順序排列。圖2中RMS最大為2.912 079 g,最小值為1.798 446 g,中值為2.355 262 5 g,輪次數(shù)為9。從輪次表中查得,在α=0.05的顯著水平下，輪次數(shù)應(yīng)最少為6,最多為15,該段數(shù)據(jù)輪次為9滿足要求,平穩(wěn)性檢驗(yàn)通過(guò)。

圖2 第1發(fā)導(dǎo)彈Z向18.33 s到19.558 s振動(dòng)數(shù)據(jù) 和20段RMS時(shí)序排列

相同的辦法,選取3發(fā)導(dǎo)彈前、中、后典型狀態(tài)上多個(gè)典型數(shù)據(jù)段,分別不少于3段。

對(duì)于初步選取的典型數(shù)據(jù)段,如果因?yàn)槠渲邪递^大的尖峰值而使得平穩(wěn)性檢驗(yàn)無(wú)法通過(guò)的,應(yīng)當(dāng)在典型數(shù)據(jù)段中不包括該尖峰,而將該尖峰信號(hào)當(dāng)作沖擊信號(hào)處理,與其他振動(dòng)過(guò)程中的尖峰、發(fā)射沖擊一起進(jìn)行沖擊實(shí)測(cè)譜的處理。

周期性檢驗(yàn)和正態(tài)性檢驗(yàn)可以通過(guò)觀察隨機(jī)振動(dòng)的概率密度完成。有明顯周期性信號(hào)時(shí)概率密度圖會(huì)呈現(xiàn)馬鞍形。另外,通常情況振動(dòng)只要是平穩(wěn)的,加速度都滿足正態(tài)分布。本測(cè)試項(xiàng)目通過(guò)對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)段加速度概率密度進(jìn)行目測(cè),完成周期性檢驗(yàn)和正態(tài)性檢驗(yàn)。

3 振動(dòng)實(shí)測(cè)譜與規(guī)范譜的歸納

3.1 振動(dòng)實(shí)測(cè)譜

此次測(cè)試項(xiàng)目對(duì)3發(fā)導(dǎo)彈的振動(dòng)測(cè)量處于同一個(gè)區(qū)域、同一個(gè)位置,且3發(fā)導(dǎo)彈的飛行狀態(tài)變化過(guò)程基本一致。對(duì)于同一個(gè)軸向來(lái)說(shuō),3次測(cè)得的隨機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)若來(lái)源于同一飛行狀態(tài)且是平穩(wěn)的,則相應(yīng)狀態(tài)下的隨機(jī)振動(dòng)PSD在每條譜線上應(yīng)該服從 χ2分布,其開(kāi)方服從正態(tài)分布,屬于一個(gè)總體,由導(dǎo)彈飛行的物理過(guò)程來(lái)保證,成為進(jìn)行容差上限估計(jì)的前提條件[2]。

如前所述,將飛行振動(dòng)數(shù)據(jù)看作前、中、后3個(gè)狀態(tài)。圖3(a)中的綠色曲線是第1發(fā)導(dǎo)彈中間飛行狀態(tài)各個(gè)數(shù)據(jù)段所對(duì)應(yīng)的功率譜密度,這些數(shù)據(jù)段是經(jīng)過(guò)平穩(wěn)性檢驗(yàn)的。黃色曲線為深色曲線的最大值包絡(luò)線。同樣,如圖3(b)、圖3(c),可以獲得第2發(fā)和第3發(fā)中間狀態(tài)的功率譜密度最大值包絡(luò)線。

圖3 3發(fā)導(dǎo)彈Z向中間狀態(tài)(強(qiáng)烈振動(dòng)部分)的振動(dòng)PSD最大值包絡(luò)線

(1)

(2)

(3)

計(jì)算置信度為(1-α)、分位點(diǎn)為β的PSD容差上限系數(shù)F:

(4)

最后計(jì)算出該飛行狀態(tài)的PSD容差上限:

(5)

本測(cè)試項(xiàng)目選擇90%置信度,95%分位點(diǎn),則導(dǎo)彈Z向3個(gè)狀態(tài)相應(yīng)的PSD容差上限,即實(shí)測(cè)譜,如圖4綠色曲線所示。黃色曲線為3發(fā)導(dǎo)彈的功率譜密度最大值包絡(luò)線。

圖4 3發(fā)導(dǎo)彈Z向不同飛行狀態(tài)的振動(dòng)PSD容差上限

3.2 振動(dòng)規(guī)范譜

GJB/Z 126—99振動(dòng)、沖擊環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)歸納方法對(duì)隨機(jī)振動(dòng)規(guī)范譜的歸納方法采用針對(duì)頻段的容差上限法,比較繁瑣,且折線段數(shù)可能較多。工程上較多時(shí)候可以采用包線法。如圖5把前中后3個(gè)狀態(tài)的實(shí)測(cè)譜(圖中綠線)放在一起,根據(jù)實(shí)測(cè)譜的總趨勢(shì),兼顧試驗(yàn)設(shè)備能力和使用的方便性,在圖紙上直接勾勒出折線,見(jiàn)圖中黑線,這就是能直接指導(dǎo)試驗(yàn)的振動(dòng)規(guī)范譜。

圖5 導(dǎo)彈Z向振動(dòng)PSD規(guī)范譜

4 振動(dòng)試驗(yàn)條件

4.1 振動(dòng)試驗(yàn)量值

考慮到實(shí)際振動(dòng)同時(shí)發(fā)生在3個(gè)軸向上,而實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)臺(tái)通常只能進(jìn)行單軸向振動(dòng),因此GJB150.16A—2009軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 振動(dòng)試驗(yàn)規(guī)定:需要在3個(gè)相互獨(dú)立的正交軸向上進(jìn)行振動(dòng)的試驗(yàn),當(dāng)振動(dòng)施加在某一軸向時(shí)采用下式[1]:

(6)

式中:Ri(i=1,2,3)為要求的試驗(yàn)量級(jí),Ai為響應(yīng)量級(jí),下標(biāo)數(shù)字代表軸向。

前述過(guò)程計(jì)算出了導(dǎo)彈Z向的振動(dòng)規(guī)范譜,可以依據(jù)上述過(guò)程算得導(dǎo)彈X、Y向振動(dòng)規(guī)范譜。規(guī)范譜即要求的試驗(yàn)量級(jí)。

實(shí)際試驗(yàn)時(shí),以進(jìn)行Z向(與式(6)中R3、A3對(duì)應(yīng))振動(dòng)試驗(yàn)為例,由于單軸向振動(dòng)試驗(yàn)中往往在另兩個(gè)軸向上也有振動(dòng),因此A1、A2不為零。實(shí)際試驗(yàn)時(shí)應(yīng)當(dāng)按照Z(yǔ)向振動(dòng)規(guī)范譜的形狀,由小量級(jí)做起,監(jiān)視A1、A2、A3,如果式(6)中等號(hào)右邊的計(jì)算值偏大,則逐步加大振動(dòng)響應(yīng)量級(jí),直至滿足要求。如果右邊偏小,則減小振動(dòng)響應(yīng)量級(jí),直至滿足要求。

4.2 振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間

當(dāng)進(jìn)行功能試驗(yàn)時(shí),振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間可以選為導(dǎo)彈單次飛行時(shí)間,也可以選定為完成測(cè)試所需要的時(shí)間,以長(zhǎng)者為準(zhǔn)。

當(dāng)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)時(shí),首要的是算出導(dǎo)彈一個(gè)完整發(fā)射飛行過(guò)程所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間,這個(gè)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間不是整個(gè)耐久試驗(yàn)的振動(dòng)試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間,但它是計(jì)算耐久試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間的基礎(chǔ),也是把壽命信息統(tǒng)計(jì)折算為成敗信息的基礎(chǔ)。由于振動(dòng)規(guī)范譜是所有狀態(tài)經(jīng)過(guò)綜合后的包絡(luò),勢(shì)必出現(xiàn)對(duì)于有些狀態(tài)振動(dòng)在量級(jí)上是被加大了的,如果試驗(yàn)時(shí)間上還是依據(jù)該狀態(tài)的實(shí)際飛行時(shí)間,則試驗(yàn)結(jié)果是把實(shí)際振動(dòng)量級(jí)夸大了。因此應(yīng)當(dāng)將實(shí)際振動(dòng)量級(jí)小于規(guī)范譜的狀態(tài)對(duì)應(yīng)的飛行時(shí)間做一折算,作為該狀態(tài)在規(guī)范譜下的試驗(yàn)時(shí)間,把所有狀態(tài)的試驗(yàn)時(shí)間相加即為一個(gè)飛行過(guò)程的振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間,以此為基礎(chǔ)依據(jù)統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案可以設(shè)計(jì)出耐久試驗(yàn)總的試驗(yàn)時(shí)間。

畫(huà)出3個(gè)狀態(tài)各自PSD實(shí)測(cè)譜的包絡(luò)折線,如圖5中紅折線所示。要求包絡(luò)折線與規(guī)范譜分段平行,宜大不宜小,基本反映各自狀態(tài)PSD的趨勢(shì),之后算得與規(guī)范譜的比值,按下式計(jì)算一個(gè)飛行過(guò)程的振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間:

(7)

式中:T為一個(gè)飛行過(guò)程的振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間;An為各個(gè)飛行狀態(tài)PSD包絡(luò)折線;A為PSD規(guī)范譜;Tn為各個(gè)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間;K為振動(dòng)疲勞曲線的斜率。導(dǎo)彈使用的K值通常為6.5～13.2。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)精心設(shè)計(jì)導(dǎo)彈力學(xué)環(huán)境實(shí)測(cè)方案,確保獲得了高質(zhì)量的測(cè)試數(shù)據(jù)。在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析處理,建立了科學(xué)的、實(shí)用的制定振動(dòng)試驗(yàn)條件的方法,為在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開(kāi)展導(dǎo)彈可靠性試驗(yàn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

[1] 施榮明, 朱廣榮, 吳颯, 等. 軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第16部分: 振動(dòng)試驗(yàn): GJB150A—2009 [S]北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2009: 5, 14.

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收稿日期:2015-09-25

作者簡(jiǎn)介:王海涌(1969-),男,河北唐山人,講師,博士,研究方向:天體敏感器,天文導(dǎo)航及組合導(dǎo)航。

Compilation of Vibration Test Conditions Based on Mechanical Measure for a Missile

ZHAI Huanchun,ZHAO Xin,KONG Xiaolin,LI Bo

(Huayin Ordnance Test Center, Shaanxi Huayin 714200, China)

To improve credibility of reliability qualification test, environmental conditions of launching and flight process for a missile must be reproduced accurately. Based on actually measured data obtained from launching and flight process of a missile, the analysis on data was made, and the inductive method was given for the actually measured spectrum and normative spectrum of vibration. The vibration test condition forms which can be used in reliability qualification test. The practice has proved that the method meets requirements of engineering application and the operational procedure is chosen rightly and can be easily realized.

missile; actual measure; vibration test

2016-02-29

翟喚春(1973-),男,陜西華陰人,高級(jí)工程師,碩士,研究方向:環(huán)境模擬。

O329

A