（机械工程专业论文）频谱可控的超高斯随机振动环境模拟技术及其应用研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文激励环境进行振动强化试验的一般流程和指导原则，为可靠性强化试验的实施提供了科学的理论指导。5 重点选择装配有p q f p ( p l a s t i cq u a df l a tp a c k a g i n g ，塑料四方扁平封装) 和e b g a ( e n h a n c e db a l lg r i d a r r a y ，增强性球栅阵列) 两类典型器件的印制电路板组件作为研究对象进行了振动强化对比试验，验证了本文提出的基于频谱可控超高斯随机振动激励环境的强化试验方法相对传统试验方法的效率优势，为本文研究的技术和方法在装备研制及生产阶段中的实际应用奠定了基础。综上所述，本文在国家部委重点预研项目的资助下，结合当前武器装备研制和生产阶段对加速可靠性试验技术及试验设备的实际需求，以振动疲劳损伤累积理论和随机振动理论为依据，紧紧围绕“频谱可控的超高斯随机振动环境模拟技术及其在可靠性强化试验中的应用”这一主题展开研究，依次重点回答了三个问题：振动强化试验需要什么样的激励环境? 怎样模拟这种激励环境? 模拟了这种激励环境之后又如何进行振动强化试验? 这些问题的回答对振动强化试验技术和振动环境模拟技术的发展具有重要的理论指导意义和工程应用价值，从而促进装备可靠性及环境工程的进。步发展。关键词：可靠性强化试验随机振动振动控制环境模拟功率谱密度幅值概率密度累积疲劳损伤超高新峭度偏斜度第h 页国防科学技术大学研究生院学位论文a b s t r a c ta sav e r yi m p o r t a n tp a r to fe q u i p m e n tr e l i a b i l i t ya n de n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ，e n v i r o n m e n t a ls t r e s st e s t i n gm u s tb ec o n s i d e r e dt h r o u g h o u tt h ew h o l ed e s i g na n dp r o d u c t i o np r o c e s s e so ft h ee q u i p m e n t e s tc a l lf i n dt h ed e s i g nf l a w sa n dp r o v i d eu s e f u li n f o r m a t i o nf o ri m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t ya n de n v i r o n m e n t a la d a p t a b i l i t yo ft h ep r o d u c t sd u r i n gt h ed e v e l o p m e n tp h a s e ，a sw e l la sc a nv a l i d a t et h el e v e lo ft h er e l i a b i l i t ya n de n v i r o n m e n t a la d a p t a b i l i t yo ft h ee q u i p m e n td u r i n gf i n a l i z i n gt h ed e s i g na n dt h em a n u f a c t u r ep h a s e t h ee f f e c t i v e n e s so fe n v i r o n m e n t a ls t r e s st e s t i n g ( e s p e c i a l l ya c c e l e r a t e ds t r e s st e s t i n g ) m a i n l yd e p e n d so nt h ec a p a b i l i t yo fe n v i r o n m e n t a ls i m u l a t i o nf a c i l i t i e s n o n eb u ti st h et e s ts p e c t r u ma b u n d a n ta n dc o n t r o l l a b l e ，i ti sp o s s i b l et os i m u l a t et h es t r e s s e se n v i r o n m e n tn e e d e df o re x p o s i n gw e a k n e s so ft h ep r o d u c t b a s e do ns u m m a r i z i n gt h ep r e s e n ts t a t u so ft h ev i b r a t i o nt e s ta n dv i b r a t i o ne n v i r o n m e n ts i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi nt h ew o r l d ，t h et o p i co fs i m u l a t i o no fs u p e r - g a u s s i a nr a n d o mv i b r a t i o ne n v i r o n m e n tw i t hc o n t r o l l a b l ef r e q u e n c ys p e c t r u ma n di t sa p p l i c a t i o n si nr e l i a b i l i t ye n h a n c e m e n tt e s t i n gi sp u tf o r w a r d t h em a i nc o n t e n ta n dc o n c l u s i o n so f t h ed i s s e r t a t i o nr r ea sf o l l o w i n g ：1 t h ef a t i g u ef a i l u r ee n h a n c e m e n tm e c h a n i s mo ft h ec h a r a c t e r i s t i c s ( e g b a n d w i d t h ，k u r t o s i sa n ds k e w n e s s ) o ft h ee x c i t a t i o na n dt h ed y n a m i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ( e g n a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dd a m p i n gr a t i o ) o f t h es p e c i m e ni t s e l fi ss t u d i e d t h e nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe x c i t i n gs i g n a l ss h o u l dh a v ef o rv i b r a t i o ne n h a n c e m e n tt e s ta r es u m m a r i z e d ，n a m e l ys u p e r - g a u s s i a na n dc o n t r o l l a b l ef r e q u e n c ys p e c t r u m t h u st h em a i nr e s e a r c ht o p i co ft h i st h e s i si se s t a b l i s h e d 2 a f t e ra n a l y z i n gt h et r a d i t i o n a lm e t h o d so fg e n e r a t i n ge x c i t i n gs i g n a l si nv i b r a t i o nc o n t r o ls y s t e mo fe l e c t r o d y n a m i c ( e l e c t r o h y d r a u l i c ) s h a k e r , an e wm e t h o do fa d j u s t i n gt h es k e w n e s sa n dk u r t o s i so fe x c i t i n gs i g n a l sb ys e c o n dp h a s em o d u l a t i o ni sp r o p o s e d b a s e do nt h i sm e t h o d ，an e wa l g o r i t h mf o rg e n e r a t i n gs u p e r - g a u s s i a na n dq u a s i r a n d o mv i b r a t i o ne x c i t i n gs i g n a l sw i t hs p e c i f i e dp s d ，s k e w n e s sa n dk u r t o s i si sp r o p o s e d s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sv a l i d a t et h ea l g o r i t h m 3 t h ee f f e c t so ft i m ed o m a i nr a n d o m i z a t i o no nt h ek u r t o s i sa n ds k e w n e s so f第1 i i 页国防科学技术大学研究生院学位论文q u a s i r a n d o md r i v es i g n a l si nr a n d o mv i b r a t i o nc o n t r o lf i r es t u d i e d t h er e s u l t so ft h e o r e t i c a ld e r i v a t i o nf o rh a l f - s i n ew i n d o wa n dh a n n i n gw i n d o wf u n c t i o n ss h o wt h a tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ek u r t o s i s ( o rs k e w n e s s ) v a l u e so fi n p u ta n do u t p u ti sl i n e a r , t h e nt h ek u r t o s i sa n ds k e w n e s se q u a l i z a t i o np r o c e s s e si nt h ec l o s e dl o o po fv i b r a t i o nc o n t r o la r ep r o p o s e d t h i se n a b l e st h et r a d i t i o n a lv i b r a t i o nc o n t r o ls y s t e mt oh a v et h ec a p a b i l i t yo fs i m u l a t i n gs y m m e t r i c a l ( o ra s y m m e t r i c a l ) s u p e r - g a u s s i a na n dt r u e r a n d o mv i b r a t i o ne n v i r o n m e n tw i t hc o n t r o l l a b l ef r e q u e n c ys p e e m t m ，t h u sp r o v i d e sat e s tp l a t f o r mf o rp e r f o r m i n gv i b r a t i o ne n h a n c e m e n tt e s ti nl a t e r 4 ，t h er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et e s ts p e c i m e ns u b j e c t e dt ot h ev i b r a t i o ne x c i t a t i o nw i t hs u p e r - g a u s s i a np r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o na n da na l t e r a b l ep o w e rs p e c t r a ld e n s i t ya r es t u d i e dt h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a l l ys i m u l a t i o n b a s e do nt h e s ec o n c l u s i o n s ，t h eg e n e r a lp r i n c i p l ea n dg u i d e l i n e so fi m p l e m e n t i n gv i b r m i o ne n h a n c e m e n tt e s tu s i n gt h es u p e r - g a u s s i a nr a n d o mv i b r a t i o ne n v i r o n m e n t 、i t hc o n t r o l l a b l ef r e q u e n c ys p e c t r u ma r es u m m a r i z e d 5 t w ot y p i c a lp a c k a g i n g si nt h em o d u l e - l e v e le l e c t r o n i cp r o d u c tv i ze b g a ( e n h a n c e db a l lg r i da r r a y ) a n dp q f p ( p l a s t i cq u a df l a tp a c k a g i n g ) a r es e l e c t e da st e s to b j e c t st oc a r r yo u tv i b r a t i o ne n h a n c e m e n tc o n t r a s te x p e r i m e n t s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o d so ft h i sp a p e rh a v es u p e r i o re f f i c i e n c yc o m p a r e dw i t ht m d i t i o n a lm e t h o d s ，w h i c hl a yt h ef o u n d a t i o n sf o ri t sp r a c t i c a la p p l i c a t i o n si ne n g i n e e r i n g i ns u i i n n f l r i z e w i t l lt h ea i do f t h er e l a t e dk e yp r o j e c to fa r m a m e n ta n dc o m b i n e dw i mt h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t sf o ra c c e l e r a t e dr e l i a b i l i t yt e s ta n de q u i p m e n t ，t h i sd i s s e r t a t i o nc e n t e r so nt h e s i m u l a t i o no fs u p e r - g a u s s i a nr a n d o mv i b r a t i o ne n v i r o n m e n tw i t hc o n t r o l l a b l ef r e q u e n c ys p e c t r u ma n di t sa p p l i c a t i o n si nr e l i a b i l i t ye n h a n c e m e mt e s t i n g t h i sd i s s e r t a t i o ni sa b o u tt or e s o l v et h r e eq u e s t i o n so n eb yo n e ：1 ) w h a tc h a r a c t e r i s t i c st h ee x c i t i n ge n v i r o n m e n ts h o u l dh a v ef o rv i b r a t i o ne n h a n c e m e n tt e s t ? 2 1h o wt os i m u l a t et h i sk i n do fe x c i t i n ge n v i r o n m e n t ? 3 ) h o wt ou s et h es i m u l a t e dr a n d o mv i b r a t i o ne n v i r o n m e n tt op e r f o r mv i b r a t i o ne n h a n c e m e n tt e s t ? t h ea n s w e r st ot h e s eq u e s t i o n sa r eo fi m p o r t a n tt h e o r e t i c a lv a l u ea n de n g i n e e r i n gi n s t r u c t i o ns i g n i f i c a n c ef o rt h ed e v e l o p m e n to ft h er e tm e t h o da n de q u i p m e n t s ，c o n s e q u e n t l ya d v a n c et h ei m p r o v e m e n to ft h er e l i a b i l i t ya n de n v i r o n m e n t a la d a p t a b i l i t yo f t h ea r m a m e n t s 第1 v 页国防科学技术大学研究生院学位论文k e y w o r d s ：r e l i a b i l i t ye n h a n c e m e n tt e s t ，r a n d o mv i b r a t i o n ，v i b r a t i o nc o n t r o l ，e n v i r o n m e n ts i m u l a t i o n ，p o w e rs p e c t r u md e n s i t y , a m p l i t u d ep r o b a b i l i t yd e n s i t y ,a c c u m u l a t e df a t i g u ed a m a g e ，s u p e r - g a u s s i a n ，k u r t o s i s ，s k e w n e s s第v 页国防科学技术大学研究生院学位论文图图图图1234图1 5图1 6图1 7图1 8图1 9图l ，l o图1 1 1图1 1 2图1 1 3图1 1 4图1 1 5图2 1图2 2图2 3图2 4图2 5图2 6图2 7图2 8图2 9图2 1 0图2 1 1插图和附表索弓各种环境因素所引起的失效比例图3具有相同p s d 的高斯和超高斯随机振动激励一6s n 曲线示意图7正斜率零穿越次数示意图9带宽修正因子a 与频谱带宽参数s 间的关系示意图1 0非高斯修正因子五与应力响应峭度值墨间的关系示意图11振动环境模拟系统构成框图1 2电动式振动台结构原理图1 2气动式振动台及其激振器部分1 4不同类型振动试验设备的激励频谱比较1 5数字式振动控制系统1 6自功率谱法随机振动控制原理框图1 7传递函数法随机振动控制原理框图1 8连续卷积法随机振动控制原理框图1 9论文总体研究思路示意图2 1自功率谱法随机振动激励信号生成算法流程图2 5频谱可控的对称分布超高斯伪随机激励信号生成算法流程图3 9频谱可控的非对称分布超高斯伪随机激励信号生成算法流程图4 2所要模拟的激励信号功率谱( 宽带平直谱) 4 3模拟的宽带高斯伪随机激励信号( k = 0 。s = 0 ) 4 3模拟的对称分布宽带超高斯伪随机激励信号( k = 7 9 ，s = 0 ) 4 3所要模拟的激励信号功率谱( 窄带平直谱) 4 4模拟的窄带高斯伪随机激励信号( k = 0 ，s = 0 ) 4 4模拟的对称分布窄带超高斯伪随机激励信号( k = 8 0 ，s = 0 ) ，4 5所要模拟的激励信号功率谱( 宽带梯形谱) 。4 5模拟的宽带高斯伪随机激励信号( k = 0 ，s = 0 ) 4 6第v i i 页国防科学技术大学研究生院学位论文图2 ，1 2图2 1 3图2 1 4图3 1图3 2图3 3图3 4图3 5图3 6图3 7图3 8图3 9图3 1 0图3 1 1图3 1 2图3 1 3图3 1 4图3 1 5图3 1 6图4 1图4 2图4 3图4 4图4 5图4 6图4 7图4 8图4 9图4 1 0图4 ，1 1模拟的非对称分布宽带超高斯伪随机激励信号( k = 7 9 ，s = - 0 5 8 ) 4 6模拟的非对称分布宽带超高斯伪随机激励信号( k = 2 4 ，s = 0 3 9 ) 一4 6小型振动台控制系统4 7时域随机化处理过程示意图( ，= 2 ) 4 9时域随机化对信号峭度值的影响一5 4时域随机化对信号偏斜度值的影响5 6频谱可控的对称分布高斯真随机振动控制流程图5 8频谱可控的对称分布超高斯真随机振动控制流程图5 9频谱可控的非对称分布超高斯真随机振动控制流程图一6 l模拟的宽带高斯真随机激励信号( 半正弦窗，= 2 ) 6 3模拟的对称分布宽带超高斯真随机激励信号1 ( 半正弦窗，= 4 ) 6 3超高斯激励信号l 的自相关函数6 4超高斯激励信号l 的轮次检验图6 4模拟的窄带高斯真随机激励信号( 汉宁窗，= 2 ) 6 5模拟的对称分布窄带超高斯真随机激励信号2 ( 汉宁窗，= 4 ) 6 5超高斯激励信号2 的自相关函数一6 6超高斯激励信号2 的轮次检验图6 6模拟的非对称分布宽带超高斯真随机激励信号3 ( 半正弦窗，z = 4 ) 6 7模拟的非对称分布宽带超高斯真随机激励信号4 ( 汉宁窗，f = 4 ) ，6 7振动激励和响应的频域表示一7 0振动激融和响应的时域表示一7 0振动台基础激励作用下的单自由度系统模型7 3基于m a t l a b s i m u l i n k 的系统仿真框图7 5超高斯激励信号1 7 6系统响应信号1 7 6超高斯激励信号2 7 7系统响应信号2 7 7超高斯激励信号3 7 7系统响应信号3 7 8超高斯激励信号4 7 8第v i i i 页国防科学技术大学研究生院学位论文图4 1 2图4 1 3图4 1 4图4 1 5图4 1 6图4 1 7图4 1 8图4 1 9图5 1图5 2图5 3图5 4图5 5图5 6图5 7图5 8图5 9图5 1 0图5 1 l系统响应信号4 一7 8超高斯激励信号5 7 9系统响应信号5 7 9超高斯激励信号6 一7 9系统响应信号6 8 0超高斯激励信号7 一8 0系统响应信号7 一8 0响应分析验证试验示意图8l试验对象8 4d c 1 0 0 0 1 3 型电动振动试验系统8 5u h s l 2 0 0 型可靠性强化试验系统8 5扩展台面设计示意图8 6试验夹具设计示意图8 6安装于e d 机上的p q f p 试件8 7安装于r s 机上的p q f p 试件8 7断裂后的p q f p 器件与电路板的局部放大图8 7对比试验中r s 机的固有振动激励频谱一8 9r s 机激励和试件响应时域信号8 9焊点断裂后的e b g a 器件与印制电路板9 1表1 1电动振动台与气动振动台的性能比较15表3 1时域随机化对峭度值的影响( 半正弦窗) 6 4表3 2 时域随机化对峭度值的影响f 汉宁窗) 6 4表3 _ 3时域随机化对偏斜度值的影响f 半正弦窗) 6 8表3 4 时域随机化对偏斜度值的影响( 汉宁窗) 6 8表4 1激励带宽对响应特性的影响( 数值仿真) 8 1表4 , 2 激励带宽对响应特性的影响( 试验结果) 8 1表5 1 对比试验1 的结果8 8表5 2 对比试验2 的结果8 9第1 x 页独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文题目：麴道亘控塑塑直盘瞳扭拯邈巫埴搓型挂盎丛基应用婴窒学位论文作者签名：i ! 墨i 氢日期：2 ，哆年d 月2 日学位论文版权使用授权书本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借闯；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密学位论文在解密后适用本授权书。)学位论文题目：麴登互撞鲍越迤堑堕扭筮盘叠煎搓塑燕苤丞基廑周盈壅学位论文作者签名：煎途作者指导教师签名衅日期：2 p 眄年p 月，2 日日期：圹年，一月，幻国防科学技术人学研究生院学位论文第一章绪论1 1 研究背景和问题提出本论文的研究工作来源于“十五”国家部委重点预研项目“可靠性强化试硷技术”，并紧密结合了当前武器装备研制和生产阶段对加速可靠性试验技术及试验设昏的迫切需求。武器装备的可靠性是影响其作战能力的主要因素之一，已成为左右现代战争胜负i q 一个极为重要的因素。随着各类高新技术的应用，现代武器装备的复杂性成倍增加，吏用环境越来越严酷，对质量和可靠性的要求也越来越高，给武器装备研制和生产阶瑟的可靠性保障带来越来越大的困难。目前，武器装备的可靠性主要通过环境应力筛叁和可靠性增长试验这两种传统的可靠性工程试验进行保障和控制【l 】。环境应力筛选是一种激发试验，但它是在设计无缺陷的前提下针对生产过程缺陷进行的，不能剔除设十缺陷；传统的可靠性增长试验则选用模拟现场实际的综合环境条件进行，试验时间主往较长，费用昂贵。实践也表明：装备既使通过了这些传统的可靠性试验，残留的替在缺陷仍然较多，导致在外场使用时可靠性差，容易发生故障，从而影响其战斗性澎的实时发挥，并增加全寿命周期的维护费用。针对上述传统可靠性试验技术和方法的不足，2 0 世纪9 0 年代一种新的可靠性试验支术可靠性强化试验( r e l i a b i l i t ye n h a n c e m e n tt e s t i n g ，简称r e t ) 开始在国外兴墨，并在航空航天、军用及民用产品领域获得了成功的应用【2 4 1 。可靠性强化试验突破，传统模拟试验的思路，将加速应力环境引入到试验中，通过施加强化应力快速有效电激发出产品设计和工艺方面的潜在缺陷，使其以故障的形式表现出来，而后进行缺自定位和故障机理分析，并提出相应的改进措施，从而确保产品在研制和生产阶段就导到早期的高可靠性。实践证明，基于强化试验的可靠性增长可以使产品获得更快的丌靠性增长速度、更高的可靠性水平、更低的维护成本、更强的环境适应性，能更好也满足当前武器装备的高可靠性需求。可靠性强化试验技术的显著效果除了来自其先进的试验理念外，还依托于高效率向试验设备。目前国内外在可靠性强化试验中主要采用一种新型的超高应力试验系统，艟够分别施加振动、温度、湿度或同时施加“三综合”的应力环境。该系统提供的强七振动环境是通过多个气锤反复打击台面来实现的，国外习惯称之为反复冲击机( r e p e t i t i v es h o c k m a c h i n e ，简称r s 机) ，国内则习惯称为波振台或全轴振动斜”。r sf i 的关键技术之一就在于这种气动式振动台可产生一种幅值概率密度分布为超高斯的t 带伪随机振动激励，国防科技大学的蒋培博士在前期对r s 机随机振动环境特性的研t 中就发现和证实其具有丰富的远大于2 0 的超高斯峰值概率分布( 最大可达1 0 0 ，6标准差) ，并且证明了同等均值和量级的随机应力对疲劳损伤的强化程度存在如下关第1 页国防科学技术大学研究生院学位论文系：超高斯 高斯 亚高斯1 6 ”。根据现代振动疲劳损伤理论，累积疲劳损伤主要由大于2 0 的应力峰所造成【8 。”，因此r s 机提供的超高斯随机振动环境对产品的疲劳缺陷表现出很高的激发效力。此外，实际中不少武器装备尤其是各种机载、车载或舰载装备外场服役的振动环境，往往不能简单近似成高斯分布，而是呈现出较明显的超高斯分布特征，即有超过3。的幅值分布【2 “”】。美军标m i l s t d + 8 1 0 和1 9 9 9 年颁布的英国国防部标准国防装备环境手册第五部分“诱发机械环境”中也指出：大量的统计分析数据表明相当一部分军用装备的振动服役环境都是超高斯分布的，并且同时具有各种不同的功率谱密度分布u “。如果要对这些装备的振动环境适应性进行考核，传统的试验标准和试验设备就不再适用，需要模拟出具有指定频谱的超高斯随机振动环境。目前的r s 机虽然可以产生全轴超高斯随机振动，但也存在一些局限性，如振动激励谱型是固定的，不能根据试验要求对谱型进行设簧和调整，4 0 0 h z 以下的低频段振动激励能量也不够充分协j 。r s 机的这些局限性却正是目前常规振动试验中应用最广泛的电动振动台( e l e c t r o d y n a m i cs h a k e r ，简称e d 机) 的优势所在。e d 机具有很好的频谱控制能力，但其振动控制系统目前只能提供幅值分布为高斯( 正态) 分布的随机振动激励信号，其9 9 7 的幅值分布在3o 之内。如果能够在e d 机上也能产生类似r s 机上具有超高斯分布的随机振动环境，同时保留其原有的频谱可控特点，则能在提高e d 机对产品缺陷激发效力的同时克服r s 机的上述局限性，从而达到综合二者优点而克服各自不足的目的。当环境应力试验系统的构成确定后，环境应力试验，特别是加速应力试验的效能主要取决于环境模拟设备的性能。环境模拟设备能提供的试验谱越丰富，可控性越好，那么试验时便可根据特定的试验需要模拟出各种所需的应力环境，为高效选伤或激发缺陷创造必要的条件。因此，本文研究频谱可控的超高斯随机振动环境模拟技术，不仅具有重要的理论意义，而且具有重要的工程应用价值。1 2国内外相关问题研究现状和发展趋势统计数据表明：环境应力是造成武器装备功能失效的主要原因之一，如各种高低温环境下的仪器失效，各种机载或车载装备在振动环境中的功能破坏等【1 8 j 。美国国防部1 9 9 6 年的一份技术报告中指出：在各种环境因素造成的装备故障中，振动、温度和湿度三项环境因素引起的失效或故障达到8 0 以上，如图1 1 所示。振动对于许多武器装备和民用产品来说是最常见的服役环境之一，尤其是各种运输环境( 如车载、舰载、机载等) ，是造成装备失效的主要原因。另外据统计，在航天飞行器系统( 导弹、卫星、运载器和宇宙飞船等) 的发射、飞行和空间再入等过程中，由振动而引起的故障约占总故障数的3 0 。第2 页国防科学技术大学研究生院学位论文f a i l u r er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne n v i r o n m e n t a if a c t o r sa n df a i l u r ea th u g h e sa i r c r a f t蛰u ：e s p e c 鳓鳓yr 渺心i 9 弱削1 1 各种环境因素所引起的失效比例图鉴于振动环境在装备叮靠性及环境工程中的重要性，本文针对振动环境应力展开相关研究，主要分为两部分：振动环境模拟技术研究和振动试验技术研究。它们之间是一种相辅相成、相叶：促进的关系：振动试验技术的发展会对振动环境模拟技术提出新的需求，促使振动试验设备和振动模拟控制技术更加完善；而振动环境模拟技术的进步又往往是一种新的试验技术诞牛与发展的前提和基础。下面首先对振动试验技术的研究现状和发展趋势进行综述。1 2 1 振动试验技术的研究现状与发展趋势j 振动有关的试验广义上都可称之为振动试验。本文所述的振动试验是指在室内利用激振设备使试什经受预先规定的振动，并达到预期目的的过程”，2 0 1 。随着武器装备对耐振动环境应力的要求不断提高，促使振动试验技术不断向前发展。从试验理念i ：讲，至今振动试验技术已发展形成模拟试验和激发试验两大类方法。1 、模拟试验( s i m u l a t i o nt e s t i n g )从2 0 世纪5 0 年代初，美国就丌始对军工产品采用单环境应力模拟的研制试验和鉴定试验，以检验产品的设计质 量和可靠性。振动模拟试验选用试件未来可能承受的振动环境去激励试什，检验其对环境的适应性，这类试验的最大特点就是振动试验条件越接近真实环境越好。k 期以来振动模拟试验已成为保障产品可靠性的主要试验手段之一，美军先后颁布了相应的环境模拟试验军标m i l s t d 一8 1 0 ，可靠性试验军标m i l s t d 7 8 1 和空间飞行器试验军标m i l s t d 一1 5 4 0 以及它们的修订版。但模拟试验的不足之处是对设计和r 艺缺陷末作专门处理，剀此潜在的固有缺陷仍可能不少，随时都可能在外场使用时出现故障。产品可靠性的增长往往靠自然反馈缓慢地实现，由于此时木已成舟，留给第3 页国防科学技术大学研究生院学位论文设计修改的时间与空间都极其有限，因而往往会使得产品的市场竞争力大大降低。2 、激发试验( s t i m u l a t i o nt e s t i n g )激发试验与模拟试验的思路相反，它是用人为施加环境应力的方法，快速激出并清除产品的潜在缺陷来达到提高可靠性的目的，因此试验时不仅不求获得通过，反求激出的潜在缺陷越多越好，这一思路虽早为人所知，但发展却比模拟试验慢得多。由于试验的目的是激发、清除缺陷，故所加应力不必模拟真实环境，只要激发缺陷的效率越高越好。国外最初的激发试验是2 0 世纪5 0 6 0 年代的老化( 老炼) 试验，7 0 年代后发展为环境应力筛选1 2 “。根据大量研究和工程实践经验，至今公认随机振动是激发试验中最基本最有效的两种应力之一( 另一种是温度循环) 。振动筛选试验的目的是对生产线上的元件、组件、整机进行振动筛选，找出工艺生产中的薄弱环节，剔除劣质产品从而提高整批产品的可靠性。由于环境应力筛选方法是在设计无缺陷的前提下针对生产过程中的缺陷进行的，而清除设计缺陷又缺乏专门的方法，虽然通过鉴定试验能在一定程度上检测和清除设计缺陷，但效率较低，所以提出一种专门用于清除设计缺陷的方法就显得十分必要。因此，可靠性强化试验应运而生。可靠性强化试验属于激发试验的范畴。1 9 8 8 年g r e g gk h o b b s 博士首先提出了高加速寿命试验( h i g h l ya c c e l e r a t e dl i f et e s t i n g ，h a l t ) 和高加速应力筛选( h i g h l ya c c e l e r a t e ds t r e s ss c r e e n i n g ：h a s s ) 这两种新的试验方法瞄】，波音公司在应用该技术时将其统称为可靠性强化试验( r e l i a b i l i t ye n h a n c e m e n tt e s t i n g ，p e t ) 【2 3 1 ，有的学者也统称为加速应力试验( a c c e l e r a t e ds t r e s st e s t i n g ，a s t ) ，以便与传统的加速寿命试验( a c c e l e r a t e dl i f et e s t i n g ，a l t ) 相区分。h a l t 主要应用于研制阶段，目的是快速暴露设计缺陷，以便及时改进设计，提高产品固有可靠性；h a s s 则主要应用于生产阶段，目的是快速暴露产品在生产过程中引入的各种制造缺陷，剔除存在早期缺陷的产品。目前可靠性强化试验技术在国外正处于蓬勃发展的阶段，特别是在美国得到了广泛的应用 2 4 “l 。据美国q u a l m a r k 公司1 9 9 5 年5 月至1 9 9 6 年3 月问的统计，该公司先后为来自1 9 个不同工业部门的3 3 个公司的4 7 种产品( 涉及电子产品和机电产品) 提供了可靠性强化试验服务，均获得显著的成效。许多著名企业成立了专门的可靠性强化试验研究机构，如波音公司、h p 公司等，美国环境科学协会( i e s ) 和i e e e c p m t协会自上世纪9 0 年代初每年都召开以p e t 为主题的技术年会【1 5 】。国内对于可靠性强化试验技术和方法的理论与应用研究目前尚处于起步和跟踪阶段，相关的研究单位主要有北京航空航天大学、国防科技大学、信息产业部电子5 所和航空工业公司6 1 5 所等。在工程应用方面，可靠性强化试验已经得到了重视，在某些高技术企业( 如华为公司、中茂电子有限公司等) 的产品研制和生产中已得到初步的应用。与激发试验的原理相同，可靠性强化试验并不强调试验环境的真实性，而是在保持失效机理不变的前提下强调试验环境的激发效率。就振动强化试验而言，除了施加全轴随机激励外，还可以通过以下两种途径来提高激发效率：第4 页国防科学技术大学研究生院学位论文( 1 ) 提高振动激励的功率谱量级可靠性强化试验创始人g r e g gk h o b b s 博士指出，随机振动环境激发的产品主要失效是疲劳失效2 御。所谓疲劳是指，金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化。据统计，在各种机械结构破坏中，疲劳破坏约占5 0 3 09 0 1 3 2 1 。电子产品在振动环境下，常见的失效模式是管脚断裂和焊点脱落，弓i 起这两种失效模式的主要因素就是疲劳损伤 3 3 , 3 4 。对当今日益复杂的电子或机电产品，要发现潜在故障并非易事，特别是一些“潜伏”极深的或间歇性故障，必须采用强化应力强迫其暴露，实践证明可靠性强化试验技术在这方面效果显著。众所周知，疲劳损伤与机械应力具有如下关系【1 7 3 5 l ：d n o - 6( 1 1 )式中d ：疲劳损伤积累；h ：应力循环次数；o - ：由振动引起的机械应力( 单位面积的作用力) ；b ：疲劳试验确定的材料系数，变化范围为6 - 2 5 。( 1 1 ) 式说明了两个问题：提高试验应力量级可大幅度提高试验效率如果试验应力增大口倍，试件达到一定程度损伤的应力循环次数则减少口6 倍；从而试验效率可以大大提高；有缺陷部位的失效速率要远远大于无缺陷部位的失效速率假设对某种材料制成的机械构件达到失效的疲劳累积为臻；没有缺陷的部位应力为；有缺陷的部位应力为盯l ，显然盯l o - o 。为便于说明问题，不妨设吼= p , r o( 口 1 ) 。那么，由( 1 1 ) 式可得：有缺陷的部位达到失效状态所需的应力循环次数为n x = ，0 。；盯i无缺陷的部位达到失效状态所需的应力循环次数为= 哆磊= 哆玺= ，l | 。g r e g gk h o b b s 博士根据1 9 7 3 年s t e i n b e r g “电子设备振动分析”一文试片拉伸疲劳试验给出的应力与失效循环次数关系图证明了公式( 1 1 ) 的存在，并证明失效循环次数与应力呈指数函数关系，应力相差一倍，失效循环次数相差1 0 0 0 倍( 相当于寿命相差1 0 0 0 倍) 。这种由机械应力引起的疲劳损伤累积是不可逆的，通常不能消除，在实际应用时振动引起的失效就属于这一类型。由于有缺陷部件引起的应力集中系数常常可以达到2 或3 ，因而使其疲劳寿命降低好几个数量级，这样产品有缺陷部件与无缺陷部件在相同的强化应力下疲劳寿命相差甚大，使得缺陷迅速暴露的同时对无缺陷部第5 页国防科学技术大学研究生院学位论文件损伤甚小，这一理想的效应正是激发试验所需要的f 2 】。( 2 ) 改变振动激励的幅值分布特性具有相同加速度功率谱密度( p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y ，p s d ) 的随机激励可以具有不同的幅值概率密度分布，例如图1 2 ( c ) 所示高斯分布随机振动激励和图1 2 ( d ) 所示超高斯分布随机振动激励的功率谱密度都如图1 2 ( a 】所示，但它们的幅值分布特征却有显著的区别，如图1 2 ( b 1 所示。由于高斯随机过程二阶以上的高阶统计量恒为零，所以仅用功率谱密度函数或自相关函数就能完整表征，而对非高斯随机过程的完整描述就不能仅”功率谱密度，还需要借助二阶以上的高阶统计量。( a ) 功率谱密度伯) 幅值概率密度分布( c ) 高斯分布激励信号( d ) 超高斯分布激励信号幽1 2 具有相同p s d 的高斯和超高斯随机振动激励振动疲劳损伤累积理论指出：除功率谱密度分布外，应力响应的幅值分布特性对疲劳损伤累积快慢也有很大的影响 2 ，1 0 , 3 6 , ” 。进一步根据线性系统的随机振动理论可知：在振动强化试验中除了提高振动激励的功率谱密度量级，改变振动激励的幅值分布特性也将产生疲劳强化效应，从而进一步提高试验激发效率，其理论基础如下：以往