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多轴振动环境试验技术
夏益霖
多轴振动环境试验的作用
大量的工程实践业已证明，振动环境试验是鉴定产品硬件在真实使用环境下的可靠性的有效方法。传统的振动环境试验采用单轴振动试验方法，即振动环境试验是以一次一个轴的方式依次进行，试验设备采用传统的单轴电动式或电液式振动台(用于垂直方向振动)或单轴振动台加水平滑台(用于水平方向振动)，规定的振动环境试验条件通过目前流行的单通道振动控制仪实现。对于实际使用环境中存在的多轴振动问题，在传统的振动环境试验条件制定过程中假定各方向的振动作用效果彼此独立，按三个正交方向分别给出试验条件。即使对于单轴振动，当试验件尺寸增大时，单一的响应控制点无法描述一维运动的不均匀性，为此，引入多点平均控制方式以实现单点控制要求，作为一个工程近似的折衷方法，需要通过提高试验量级以补偿试验条件的不准确性。
尽管单轴振动环境试验方法作为一种通用试验方法的适用性已经为工程实践所证实，并以此为基础制定了许多振动环境试验的标准和规范，但使用单轴运动来模拟产品实际使用过程中的多轴振动环境的真实性问题仍受到疑问。即使产品实际使用过程中的振动环境可以近似为单轴振动，对于大尺寸结构的系统级试验，多点平均控制的单轴振动试验方式与试验件的真实使用环境之间的差异也越来越大，试验过程将造成试验件的一部分过试验而另一部分欠试验，且过试验和欠试验的程度难以定量估计，从而影像了受试产品对使用过程中振动环境的适应性和可靠性的定量评定。因此，如何在实验室中合理而准确地模拟产品的真实振动环境是振动环境试验所追求的主要目标之一。
80年代以来，人们对在实验室中再现产品在实际使用过程中的真实振动环境问题予以很大的关注，并开展了广泛的试验研究工作。鉴于产品在使用过程中的振动环境大多是多轴的，为了适应多轴振动环境模拟的要求，业已研制出能够实现同步或不同步多轴振动运动的多轴振动试验装置和响应的多轴振动控制系统。已经完成的为数不多的多轴振动环境试验的结果表明，多轴振动环境试验与传统的单轴振动环境试验相比，在产品故障模式复现和模拟精度方面产生了显著的差异，一些已按规范通过单轴振动环境试验的产品在多轴振动环境试验中暴露出新的故障，而这些故障模式在实际使用过程中也曾出现，从而表明多轴振动环境试验可以更逼真地模拟使用环境。进一步的研究表明，采用多轴振动环境试验技术可以使复杂结构试验件在试验过程中的过试验和欠试验程度趋于合理。尽管目前尚存在一些有待解决的技术问题，但作为振动环境试验技术的新发展，多轴振动环境试验技术的应用将使得通过环境试验评定产品的环境试验适应性和使用可靠性有更充分的依据。
2. 多轴振动环境试验的类型
一种典型的多轴振动试验是车辆的道路模拟试验，车辆行驶过程中的道路激励和响应是典型的多轴振动模式。这类试验的主要目的是在实验室中复现实测的低频响应时间历程，以研究车辆的特性或考核车辆设计。道路模拟试验的激励设备通常由多个伺服电液作动器构成，试验采用开环补偿控制方式，其中，电液作动器的配置方式取决于试验所模拟的振源分布。由于车辆在行驶过程中的振动激励主要从车轮输入，因此，电液作动器的激振点也选择在车轮或轮轴上，而振动控制点一般为轮轴的振动响应。对于最简单的汽车道路模拟试验，在每组轮胎下面垂直安装一个电液作动器，以模拟由于路面不平度引起的汽车振动。对于铁路车辆，除了模拟车轮的垂直振动以外，还需要在每组轮轴上水平安装一个电液作动器以模拟车轮的侧向运动。复杂的车辆道路模拟试验则进一步考虑了车轮的三个方向的平移运动和制动，其典型产品为用于四轮汽车的16通道道路模拟器。这类车辆道路模拟试验主要用于整车的振动环境试验。
上述用于车辆道路模拟的多轴振动试验实际上是一种多点激励方式，即同时使用多个振动台激励一个试验件，试验采用多点响应控制方法。在多点激励振动环境试验技术的发展过程中，一个重要目的是解决大型试验件振动环境试验时单个振动台推力不够的问题。在早期发展阶段，为了控制试验件的运动控制界面产生一维运动，采用一个大的刚性支架连接并控制各振动台同步运动，有时甚至采用机械导向装置产生一维运动，试验条件和控制方式仍沿用单轴振动环境试验技术。但实际上，由于支架刚度有限和试验件的反作用效应，试验控制界面一维运动的均匀性是无法保证的，因此，不得不采取多点平均控制方式作为折衷方法。鉴于大支架的重量无端消耗了振动台的有效推力，且多点平均控制方式即不反映试验件的真实环境，也无助于改善试验过程中的过试验和欠试验程度，从而促使人们研究多个振动台激励下的多点响应控制方法。在使用多个垂直方向运动的振动台激励试验件时，采用多点响应控制方法可以使各振动台产生同步或不同步的振动激励，前者可以提高单轴振动环境试验的控制精度，而后者可使试验件产生与实际环境更为相似的空间振动。多点响应控制可以降低对支架的刚度要求，从而减小支架重量，提高振动台的有效推力和效率。多点振动响应控制技术的另一个成功应用是细长结构的振动环境试验，传统的单点激振方式导致受试结构局部应力集中，产生严重的过试验，而多点激振使得能量分布更为均匀，与实际使用状态更为相近。
多点响应控制技术所采用的试验控制条件的规定与人们所习惯的空间运动的振动环境试验条件的规定方式有一定的差异，这在一定程度上影响了其在产品研制生产中的使用。为了与传统的单轴振动环境试验相一致，发展了基于多轴振动台的多轴振动环境试验技术。根据振动环境试验的原理，对于仅有一个连接界面的产品，当外界激励仅通过连接界面输入时，若规定了连接界面各自由度的运动，则产品的受力状态唯一确定。因此，若将该产品安装在振动台的台面上，并控制其连接界面的振动响应与使用环境完全一致，则其受力状态与实际使用过程完全一致，从而在实验室中完全模拟了其使用环境。在许多情况下，其连接界面可近似处理为刚性界面，因此，可以用6个独立的运动自由度规定其振动环境试验条件，或者在转动分量可以忽略的情况下，用3个正交的平移运动自由度规定其振动环境试验条件。这表明，采用多轴振动台进行环境试验可以更逼真地模拟产品的实际振动环境。目前，多轴振动台已应用于地震模拟、部件或设备的运输模拟、航天产品的设备级和系统级振动环境试验等领域。
一个完整的多轴振动台具有六自由度运动能力，可以在控制系统的作用下产生任意规定的六自由度空间运动，因此，可以对安装在试验台面上的试验件进行各种规定的六自由度基础运动激励以实现多轴振动环境模拟。当然，在实际使用过程中，也可以根据具体情况使用两轴或三轴振动台进行环境模拟。从振动控制角度看，多轴振动试验是多点响应控制振动试验的特例。但由于多轴振动试验采用一个试验台面进行激励，试验件的安全性更易保证，且试验条件的规定方式更易为人们接受。
3. 多轴振动激励装置
多轴振动激励装置主要有两大类：一类是多点激励装置，如车辆道路模拟器，这类装置一般为专用激振设备，主要是针对某种或某类产品的振动环境试验专门设计的;另一类是多轴振动台，其具有与传统的单轴振动台相似的通用性。
迄今为止已研制成功的多轴振动激励装置均是由多个单轴振动台(或作动器)组装而成的，这样做的一个显著优点是可以充分利用单轴振动台的成熟技术，从而降低系统造价。根据所用单轴振动台的类型不同，多轴振动激励装置可以划分为电液式和电动式两类，前者主要用于低频振动试验，频率范围大多在100Hz以下，后者则用于中高频振动环境试验，频率范围一般为5～2000Hz。
电液式多轴振动台的实现比电动式容易，造价相对较低，且具有低频性能好，振动位移大，承载能力强的特点，在低频振动试验中应用较为广泛。其结构形式有两轴平移、三轴平移和三轴六自由度等几种类型。其中，对于大型电液式三轴振动台，为了提高抗倾覆力矩能力，经常设计成六自由度形式，而由控制系统将三个转动自由度约束为零。电动式多轴振动台的种类较少，目前只有三轴平移和三轴六自由度两种类型，主要用于军工产品的振动环境试验。
多轴振动台的关键技术是试验台面与单轴振动台之间的连接接头，接头既要保证传力方向具有足够高的刚度，同时不能对非传力方向的运动自由度产生限位约束，并且应使滑动摩擦力尽可能小，以免对控制和响应品质产生不利影响。接头还必须具有足够的使用寿命，因此，对材料和加工精度有很高的要求。目前，在多轴振动台中使用的连接接头主要有两类结构形式：一类是自润滑滑动结构，另一类是静压油膜支承滑动结构。后者的频响范围远高于前者，可以用于电动式多轴振动台。
4. 多轴振动控制系统
对于振动环境试验，需要在振动台面或试验件上实现规定的运动，由于振动台和试验件的动力学特性的影响，这一规定的运动需要通过在实测响应的基础上修正驱动信号而产生。单轴振动试验的控制系统通过系统频响函数来修正驱动信号以实现规定的运动，这一修正过程通常利用计算机开环或闭环实时完成。
对于多轴振动环境试验，每个控制自由度的运动之间存在交叉耦合，即单个控制点的运动是各轴激励产生的响应的叠加。即使对于三个单轴振动台组成的三轴振动系统，采用了各振动方向相互几乎独立的机械解耦装置，交叉耦合效应仍不能忽略，这主要是由于试验件动力反馈效应作用的结果，当控制点选择在试验件上时，交叉耦合更为明显。因此，对于多轴振动环境试验，交叉耦合效应使得单轴振动控制方法无法得到满意的结果，必须采用更为复杂的多轴振动控制方法以补偿交叉耦合，实现解耦控制。另外，对于多轴振动环境试验，各控制自由度之间的相位关系是必须控制的，而单轴振动环境试验通常无须考虑相位关系。
多轴振动控制算法是在单轴振动控制技术的基础上发展起来的，采用系统的频响函数矩阵进行交叉耦合补偿和驱动信号修正，其计算复杂性和运算量大大增加，需要功能更强、计算速度更快的计算机实现控制运算。近年来，由于计算机技术的高速发展，已出现了实用的商品化多轴振动控制系统。目前，国际上功能较为完善的多轴振动控制系统已具有多轴随机振动(自谱和互谱)、多轴正弦扫描振动、多轴瞬态振动(瞬态时间历程波形或冲击响应谱)、多轴时间历程复现以及多轴随机加正弦、多轴随机加随机等各种振动控制功能。其控制精度可以达到目前商品化的单轴振动控制系统的水平，能够满足多轴振动环境试验的要求。
多轴振动研究是一个发展方向。 厉害 非常感谢楼主，相信资料很有价值！ 非常感谢 刘斌的主页----探讨动力学环境试验与分析的网站在网上找不到了, 太可惜了.
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