（机械工程专业论文）气动式振动台振动激励能谱优化研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博十学位论文 摘要 可靠性强化试验技术日益受到国内外可靠性工程领域的普遍关注，该技术的 应用与推广离不开相关试验平台的支撑，目前气动式振动台是该技术的主要支撑 平台之一。与常规电动振动台相比，气动式振动台的主要优点在于能够产生一种 超高斯幅值分布的宽带随机振动激励，但是其振动激励的能谱特性存在缺陷，限 制了该类设备在振动强化试验中的应用。因此，为了提升气动式振动台的振动试 验能力，开展该类设备振动激励能谱优化研究己成为目前可靠性工程领域亟待解 决的课题之一。 针对气动式振动台振动激励的中低频能量较低的缺陷，本文从分析影响该类 设备振动激励的主要因素出发，结合工程实际提出了其振动激励的优化目标。在 此基础上，通过运用线性系统理论描述和分析该类设备振动激励的能谱优化问题， 进一步明确了振动激励能谱优化的关键要素：气锤产生原始激励信号的机理、气 锤动力优化设计、台板振动信号的响应机理、台板动力优化设计。主要研究内容 与结论如下： 1 针对气锤产生原始激励信号的问题，分析了气锤的工作原理，建立了气锤 的力学模型，根据碰撞动力学理论推导了气锤产生的碰撞信号的解析表达式，通 过理论分析、工程实验和数值仿真，提出了一种生成原始激励信号的方法，揭示 了气锤产生原始激励信号的机理，为气锤动力优化设计研究奠定了理论基础。 2 基于气锤产生原始激励信号的机理分析，从评价两种常见气锤的中低频性 能出发，分析了气锤产生的原始激励信号与碰撞信号的中低频能量之间关系，分 别采用数值计算和解析计算，揭示了气锤产生的原始激励信号的中低频能量随气 锤设计参数变化规律，据此提出了气锤动力优化设计指导原则。 3 针对台板振动信号的响应问题，建立了台板的振动力学模型，结合实际气 锤产生的原始激励信号，针对传统力学分析方法在计算台板动力学响应时暴露出 来的不足，提出了一种基于传递函数和叠加法的台板动力学响应分析新方法，揭 示了台板振动信号的响应机理，为台板动力优化设计研究提供了理论支撑。仿真 与实验研究表明：本文的台板动力学响应分析新方法与传统力学分析方法相比具 有更高精度和更高效率。 4 基于台板振动信号的响应机理分析，根据线性系统理论建立了气动式振动 台的动力学模型，从分析台板固有频率和阻尼对动力学模型的中低频传递特性影 响出发，确立了以夹层台板为主的台板动力优化设计思路，提出了夹层台板动力 优化设计方法并设计了夹层台板，进一步采用有限元仿真研究了台板及外部几何 约束的动力优化设计，据此提出了台板及外部几何约束动力优化设计指导原则。 第i 页 国防科学技术大学研究生院博七学位论文 5 依托自研和引进的振动试验平台，通过对比由不同气锤和台板组成的振动 台振动激励的能谱特性和幅值分布特性，验证了本文提出的气锤和台板动力优化 设计指导原则的有效性，并以某模块级电子产品为对象进行了振动强化对比试验， 进一步验证了气锤和台板经动力优化设计的自研振动台的效率优势。 总之，本文紧紧围绕“气动式振动台振动激励能谱优化这一目标，以“气 锤产生原始激励信号的机理 、“台板振动信号的响应机理以及“气锤和台板动 力优化设计”为主要内容开展了一系列研究，研究方法与结论对促进气动式振动 台的总体动力优化设计，进而提升该类设备的振动试验能力具有理论指导意义与 工程应用价值。 主题词：气动式振动台；能谱特性；中低频能量；动力学模型；动力优化设 计；指导原则 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fr 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 ( r e t ) h a sr e c e i v e dm o r ea n d m o r ea t t e n t i o ni nt h ef i e l do fr e l i a b i l i t ye n g i n e e r i n gr e c e n t l y , b u tt h ea p p l i c a t i o n sa n d p o p u l a r i z a t i o n so fr e t a r es u b j e c tt os o m en e wt e s t i n ge q u i p m e n t s r e p e t i t i v es h o c k ( r s ) m a c h i n ei so n eo ft h em a i nv i b r a t i o nt e s t i n ge q u i p m e n t sf o rr e t i nt h e s ed a y s c o m p a r i n gw i t he l e c t r o d y n a m i cs h a k e r , r sm a c h i n ec a np r o d u c es u p e r - g a u s s i a na n d b r o a d b a n dr a n d o mv i b r a t i o ne x c i t a t i o n s ，w h i c hi so n eo fi t sm a i nm e r i t s h o w e v e r , t h e e n e r g ys p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i co fv i b r a t i o ne x c i t a t i o n sh a ss o m ed e m e r i t s ，w h i c hl i m i t s t h ea p p l i c a t i o n so fr sm a c h i n e t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho ne n e r g ys p e c t r u mo p t i m i z a t i o no f v i b r a t i o ne x c i t a t i o n sp r o d u c e db yr sm a c h i n eh a sb e c o m ea nu r g e n tp r o b l e mi nt h e f i e l do f r e l i a b i l i t ye n g i n e e r i n g a i m i n ga t t h em a i nd e m e r i tt h a tm i d d l ea n dl o wf r e q u e n c ye n e r g yo fv i b r a t i o n e x c i t a t i o n sp r o d u c e db yr sm a c h i n ei sl o w e r , f i r s t l y , t h ei n f l u e n c ef a c t o r so fv i b r a t i o n e x c i t a t i o n sa r ea n a l y z e da n dt h eo p t i m i z a t i o nt a r g e t sa r ep r e s e n t e da c c o r d i n gt ot h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o n so fr sm a c h i n e s e c o n d l y , t h ep r o b l e mo fe n e r g ys p e c t r u m o p t i m i z a t i o no f v i b r a t i o ne x c i t a t i o n si sd e s c r i b e da n da n a l y z e di nd e t a i lb a s e do nl i n e a r s y s t e mt h e o r y f i n a l l y , t h ek e yf a c t o r so ft h ep r o b l e ma r es u m m a r i z e d ，n a m e l yt h e m e c h a n i s mo fp n e u m a t i cv i b r a t o rp r o d u c i n go r i g i n a le x c i t a t i o ns i g n a l s ，t h ed y n a m i c o p t i m i z a t i o nd e s i g nf o rp n e u m a t i cv i b r a t o r , t h er e s p o n s em e c h a n i s mo fp l a t e nv i b r a t i o n s i g n a l s ，t h ed y n a m i co p t i m i z a t i o nd e s i g nf o rp l a t e n n em a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n s o ft h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 a i m i n ga tt h ep r o b l e mo fp n e u m a t i cv i b r a t o rp r o d u c i n go r i g i n a l e x c i t a t i o n s i g n a l s ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fp n e u m a t i cv i b r a t o ri sa n a l y z e da n dt h em e c h a n i c a l m o d e li sc o n s t r u c t e d a c c o r d i n gt oi m p a c td y n a m i c st h e o r y , i m p a c ts i g n a l sp r o d u c e db y p n e u m a t i cv i b r a t o ra r es t u d i e da n dt h e i ra n a l y t ：i c a lf o r m u l a sa r ed e d u c e dd e t a i l e d l y c o m b i n i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de n g i n e e r i n ge x p e r i m e n tw i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， t h eg e n e r a t i n gm e t h o do fo r i g i n a le x c i t a t i o ns i g n a l sp r o d u c e db yp n e u m a t i cv i b r a t o ri s p r o p o s e d 1 1 l em e c h a n i s mo fp n e u m a t i cv i b r a t o rp r o d u c i n go r i g i n a le x c i t a t i o ns i g n a l si s d i s c l o s e d ，w h i c hw i l ll a yt h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h ed y n a m i co p t i m i z a t i o nd e s i g n f o rp n e u m m i ev i b r a t o r 2 a f t e ra n a l y z i n gt h em e c h a n i s mo fp n e u m a t i cv i b r a t o rp r o d u c i n go r i g i n a l e x c i t a t i o ns i g n a l s ，m i d d l ea n dl o wf r e q u e n c yp e r f o r m a n c eo ft w oc o m m o nk i n d so f p n e u m a t i cv i b r a t o r sa r ee v a l u a t e d t h er e l a t i o n sb e t w e e nm i d d l ea n dl o wf r e q u e n c y 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 e n e r g yo fo r i g i n a le x c i t a t i o ns i g n a l sa n di m p a c ts i g n a l sp r o d u c e db yp n e u m a t i cv i b r a t o r a r ed i s c u s s e d t h ev a r i a t i o nr e g u l a r i t i e so fm i d d l ea n dl o wf r e q u e n c ye n e r g yo fo r i g i n a l e x c i t a t i o ns i g n a l sw i t ht h ep a r a m e t e r so f p n e u m a t i cv i b r a t o ra r ed i s c l o s e db ym e a n so f n u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n da n a l y t i c a l c a l c u l a t i o n ，r e s p e c t i v e l y h e r e b y , t h eg u i d a n c e p r i n c i p l e so f t h ed y n a m i co p t i m i z a t i o nd e s i g nf o rp n e u m a t i cv i b r a t o ra r ep u tf o r w a r d 3 a i m i n ga tt h er e s p o n s ep r o b l e mo f p l a t e nv i b r a t i o ns i g n a l sa n dt h es h o r t c o m i n g s o ft h et r a d i t i o n a lm e t h o d ，t h em e c h a n i c a lm o d e lo fp l a t e ni sc o n s t r u c t e d b a s e do n t r a n s f e rf u n c t i o na n ds u p e r p o s i t i o nm e t h o d ，an e wm e t h o dt oc a l c u l a t et h ed y n a m i c r e s p o n s e so fp l a t e ni sp r e s e n t e d ，n l er e s p o n s em e c h a n i s mo fp l a t e nv i b r a t i o ns i g n a l si s d i s c l o s e d ，w h i c hw i l lp r o v i d et h et h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rt h ed y n a m i co p t i m i z a t i o n d e s i g nf o rp l a t e n r e s e a r c h e so ns i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ts h o wt h a tt h en e wm e t h o d h a sh i g h e ra c c u r a c ya n de f f i c i e n c yt h a nt h et r a d i t i o n a lm e t h o d 4 a f t e ra n a l y z i n gt h er e s p o n s em e c h a n i s mo fp l a t e nv i b r a t i o ns i g n a l s ，t h ed y n a m i c m o d e lo fr sm a c h i n ei sc o n s t r u c t e da c c o r d i n gt ol i n e a rs y s t e mt h e o r y 1 1 l ei n f l u e n c eo f n a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dd a m p i n go fp l a t e no nm i d d l ea n dl o wf r e q u e n c yt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i co ft h ed y n a m i cm o d e li sa n a l y z e dd e e p l y t h ed y n a r n i eo p t i m i z a t i o n d e s i g nm e t h o df o rs a n d w i c hp l a t e ni sp r o p o s e da n dan e ws a n d w i c hp l a t e ni sd e s i g n e d b yr e c a l l so ff i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ，t h ed y n a m i co p t i m i z a t i o nd e s i g np r o b l e m sf o r p l a t e na n de x t e r n a lg e o m e t r yc o n s t r a i n ta r ed i s c u s s e df u r t h e r h e r e b y , t h eg u i d a n c e p r i n c i p l e so fd y n a m i co p t i m i z a t i o nd e s i g nf o rp l a t e na n de x t e r n a lg e o m e t r yc o n s t r a i n t a r ep u tf o r w a r d 5 r e l y i n go nt h es e l fd e v e l o p e dv i b r a t i o ne q u i p m e n ta n dt h ei n t r o d u c e dv i b r a t i o n e q u i p m e n t ，t h ep r e s e n t e dg u i d a n c ep r i n c i p l e sa r et e s t i f i e db ym e a n so fc o m p a r i n gw i t h e n e r g ys p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i ca n ds u p e r - g a u s s i a nc h a r a c t e r i s t i co fv i b r a t i o ne x c i t a t i o n s p r o d u c e db yt h ee q u i p m e n t sc o n s i s t i n go fd i f f e r e n tp n e u m a t i cv i b r a t o r sa n dp l a t e n s ， r e s p e c t i v e l y f i n a l l y , t h et y p i c a lm o d u l e l e v e le l e c t r o n i cp r o d u c t sa r es e l e c t e dt oc a r r y o u tv i b r a t i o ne n h a n c e m e n tc o m p a r i s o ne 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 t t h es e l fd e v e l o p e dv i b r a t i o ne q u i p m e n tw h o s ep n e u m a t i cv i b r a t o ra n dp l a t e nh a v eb e e n o p t i m a l l yd e s i g n e dh a ss u p e r i o re f f i c i e n c y i ns u m m a r y , a f t e rd i s c l o s i n gt h em e c h a n i s mo fp n e u m a t i cv i b r a t o rp r o d u c i n g o r i g i n a le x c i t a t i o ns i g n a l sa n dt h er e s p o n s em e c h a n i s mo fp l a t e nv i b r a t i o ns i g n a l s ，t h i s d i s s e r t a t i o n i n v e s t i g a t e s t h ee n e r g ys p e c t r u mo p t i m i z a t i o np r o b l e m so fv i b r a t i o n e x c i t a t i o n sp r o d u c e db yr sm a c h i n e , w h i c hc o n s i s to ft h ed y n a m i co p t i m i z a t i o nd e s i g n f o rp n e u m a t i cv i b r a t o ra n dp l a t e n 1 1 l em e t h o d sa n dc o n c l u s i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r e 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 v e r yi m p o r t a n tf o ri m p r o v i n ga n dd e v e l o p i n gr sm a c h i n e k e yw o r d s ：r e p e t i t i v es h o c km a c h i n e ，e n e r g ys p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i c ， m i d d l ea n dl o wf r e q u e n c ye n e m y ，d y n a m i cm o d e l ，d y n a m i co p t i m i z a t i o nd e s i g n ， g u i d a n c ep r i n c i p l e 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表2 1 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表3 5 表3 6 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表4 5 表4 6 表4 7 表4 8 表4 9 表4 1 0 表4 1 l 表4 1 2 表4 1 3 表4 1 4 表4 1 5 表4 1 6 表5 1 表5 2 表5 3 表5 4 表目录 三种研究途径的优缺点对比表1 9 气锤的结构参数和材料参数3 0 两种气锤的结构参数和材料参数3 6 两种气锤产生的确定性原始激励信号的中低频能量对照表3 7 两种气锤产生的随机性原始激励信号的中低频能量对照表3 8 两种常见工程塑料的主要材料参数5 1 气锤产生的原始激励信号的中低频能量与归零化峭度对比表5 3 实心台板的物理参数6 2 各个弹簧的支撑位置坐标及刚度6 2 各个气锤的安装位置坐标6 2 理论计算的实心台板前2 0 阶固有频率6 3 各个气锤产生的原始激励信号的周期6 3 仿真计算的实心台板前2 0 阶固有频率6 6 实测的实心台板前2 0 阶固有频率6 8 夹层台板的物理参数7 8 等效台板的物理参数7 9 理论计算的夹层台板前2 0 阶固有频率7 9 仿真计算的夹层台板前2 0 阶固有频率8 0 优化设计的夹层台板9 l 仿真计算的优化夹层台板前2 0 阶固有频率。9 2 仿真计算的加筋夹层台板前2 0 阶固有频率一9 2 不同台板加速度响应的中低频能量对比表9 4 各组弹簧的支撑位置9 6 自研气锤和引进台板组装与引进振动台振动激励的特性对比表1 0 1 引进气锤和自研台板组装与引进振动台振动激励的特性对比表1 0 2 自研振动台与引进振动台振动激励的特性对比表1 0 3 试验结果对比表1 0 8 第页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图1 7 图1 8 图1 9 图1 1 0 图1 1 1 图1 1 2 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 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 图目录 r s 机和e d 机产生的振动激励对比图2 气动式振动台示意图。4 等轴式活塞气锤4 阶梯式活塞气锤。5 浮动式活塞气锤一5 a s x 气锤5 x t r e m e 气锤5 q u a l m a r k 公司研发的台板6 蜂巢状台板6 两类特殊的台板6 不同类型振动试验设备振动激励能谱对比图一8 本文的研究思路1 2 意大利a c s 公司的u h s l 2 0 0 型气动式振动台实物图1 4 气动式振动台的工作原理图1 5 气动式振动台振动激励的主要影响因素框图1 6 提高振动激励的中低频能量两种基本方式1 8 气动式振动台的动力学模型2 1 气动式振动台振动激励能谱优化的关键要素框图2 3 气锤的内部结构及安装方式图2 4 气锤的工作原理图一2 5 气锤的简化模型2 6 活塞的受力分析2 6 极坐标系中的非金属垫块2 8 理论分析计算信号与实测信号的对照图3 0 气锤产生的确定性原始激励信号3 1 气锤产生的随机性原始激励信号3 2 仿真加速度信号与实测加速度信号的时域对照图3 3 仿真加速度信号与实测加速度信号的频域对照图3 3 气锤产生的原始激励信号频数直方图3 4 两种气锤的实物图3 6 两种气锤产生的确定性原始激励信号的中低频能量对比图3 7 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图3 2 1 图3 2 2 图3 2 3 图3 2 4 图3 2 5 图3 2 6 图3 2 7 图3 2 8 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 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 两种气锤产生的随机性原始激励信号的中低频能量对比图3 8 气锤产生的碰撞信号和原始激励信号功率谱示意图4 l 原始激励信号的中低频能量非金属垫块弹性模量曲线4 3 原始激励信号的中低频能量非金属垫块厚度曲线4 3 原始激励信号的中低频能量非金属垫块直径曲线4 4 原始激励信号的中低频能量非金属垫块泊松比曲线4 5 原始激励信号的中低频能量气缸弹性模量曲线4 5 原始激励信号的中低频能量气缸材料波速曲线4 6 原始激励信号的中低频能量气缸直径曲线4 7 原始激励信号的中低频能量活塞质量曲线4 7 原始激励信号的中低频能量一非金属垫块弹性模量曲线对比图4 9 原始激励信号的中低频能量随垫块弹性模量、直径、厚度的变化图5 0 两种常见工程塑料加工成的非金属垫块5 l 气锤产生的原始激励信号功率谱对比图5 2 气锤产生的原始激励信号频数直方对比图5 2 实心台板的力学模型5 5 传统力学分析方法的流程图5 9 本文台板动力学响应分析方法的流程图6 l 实心台板6 2 气动式振动台的平面坐标简图6 2 实心台板前6 阶正则振型。6 3 确定性载荷作用下实心台板的响应6 4 随机性载荷作用下实心台板的响应6 4 实心台板的有限元模型6 5 实心台板理论计算频率与仿真计算频率的对比图6 6 实心台板理论计算振型与仿真计算振型的对比图6 6 不同分析方法的计算结果对比图6 7 实心台板固有振动的实测图6 8 实心台板理论计算频率与实测频率的对比图6 8 实心台板理论计算振型与实测振型的对比图6 9 实心台板位移响应的实测图6 9 实心台板位移响应信号的功率谱对比图6 9 夹层台板和等效台板示意图7 0 第页 国防科学技术大学研究生院博：卜学位论文 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 1 图4 2 2 图4 2 3 图4 2 4 图4 2 5 图4 2 6 图4 2 7 图4 2 8 图4 2 9 图4 3 0 图4 3 1 图4 3 2 图4 3 3 图4 3 4 图4 3 5 图4 3 6 图4 3 7 图4 3 8 图4 3 9 图4 4 0 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 1 夹层台板前6 阶振型7 9 确定性载荷作用下夹层台板的响应8 0 随机性载荷作用下夹层台板的响应8 0 夹层台板的有限元模型8 0 夹层台板理论计算频率与仿真计算频率的对比图81 夹层台板理论计算振型与仿真计算振型的对比图8 1 夹层台板正中间位置处位移响应对比图8 2 实心台板气动式振动台等效系统频率响应的b o d e 图8 5 夹层台板气动式振动台等效系统频率响应的b o d e 图8 5 气动式振动台动力学等效模型的示意图8 6 气动式振动台等效系统的中低频传递率固有频率曲线8 8 气动式振动台等效系统的中低频传递率阻尼比曲线8 8 不同台板的有限元模型9 1 优化夹层台板的前6 阶振型9 2 加筋夹层台板的前6 阶振型9 3 不同台板的加速度响应9 3 不同台板加速度响应的功率谱9 3 台板加速度响应的中低频能量弹簧刚度曲线9 5 不同弹簧支撑位置示意图9 5 三角形单元分割示意图9 6 新的加筋夹层台板有限元模型9 6 台板加速度响应的中低频能量弹簧支撑位置曲线9 7 试验现场图一10 0 自研气锤和引进台板组装与引进振动台振动激励的功率谱对比图1 0 0 自研气锤和引进台板组装与引进振动台振动激励的频数直方对比图1 0 1 引进气锤和自研台板组装与引进振动台振动激励的功率谱对比图1 0 1 引进气锤和自研台板组装与引进振动台振动激励的频数直方对比图1 0 2 自研振动台与引进振动台振动激励的功率谱对比图1 0 3 自研振动台与引进振动台振动激励的频数直方对比图1 0 3 试验对象1 0 4 振动试验夹具。1 0 4 振动试验剖面示意图1 0 5 安装于引进振动台台板上的试验对象一一一1 0 6 第v i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图5 1 2 断裂后的各类元器件与电路板局部放大图( 引进) 1 0 6 图5 1 3 安装于自研振动台台板上的试验对象1 0 7 图5 1 4 断裂后的各类元器件与电路板局部放大图( 自研) 1 0 7 第页 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：氢边盎拯动鱼拯边邀邈缝遭选丝珏窒 学位论文作者签名：薹羞日期：山，夕年多月如日 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 许论文被查阅和借阅；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。) 学位论文作者签名：至垄 作者指导教师签名： 日期：妒罗年；月多，日 日期：c 7 年；月岁日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论 1 1课题研究背景与意义 现代装备研制呈现出高可靠性、低开发成本和短研制周期的特点，对传统的 可靠性试验技术提出了新的挑战，有力地促进了新兴可靠性试验技术的发展以及 相关新型试验设备的研究与开发。 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 ：r e t ) 技术作为一项全新的 可靠性试验技术，能够有效地解决现代装备研制要求与传统可靠性试验技术手段 能力不足之间的矛盾，因而日益受到可靠性工程领域的普遍关注。可靠性强化试 验技术应用与推广离不开相关试验设备的支撑，目前国内外在振动强化试验和振 动、温度、湿度“三综合 强化试验中主要采用气动式振动台( r e p e t i t i v es h o e k m a c h i n e ：r s 机) ，该类专用试验设备最早于2 0 世纪9 0 年代由美国研发成功【l 】。图 1 1 是a c s 公司u h s l 2 0 0 型气动式振动台和i m v 公司v s 5 0 0 0 1 5 0 型电动振动台 ( e l e c t r o d y n a m i cs h a k e r ：e d 机) 产生的振动激励对比刚2 1 ，与常规电动振动台相 比，气动式振动台能够产生一种超高斯幅值分布的宽带随机振动激励( 图1 1 ( a ) ) ， 其振动激励的最高频率可达1 0 0 0 0 h z ，有效频带约为2 0 - 6 0 0 0 h z ( 图1 1 ( c ) ) 。文 献 2 】在表征气动式振动台振动激励时指出，超高斯幅值分布和宽频带是该类设备 振动激励的两个主要特性。基于此，文献 2 进一步揭示了气动式振动台振动激励 的疲劳强化机理，研究表明：同等均值和量级的随机应力对试件疲劳损伤的强化 程度存在超高斯 高斯 亚高斯关系；同等均值和量级以及相同幅值分布的随机 应力，频带越宽，疲劳强化作用越显著。因此，气动式振动台产生的振动激励对 试件的疲劳缺陷表现出较高的激发效力。 然而目前气动式振动台在结构上还存在一定的固有缺陷，导致其振动激励的 能谱分布在2 0 0 0 h z 以下出现低谷，即中低频能量较低，很难有效激发大多数对中 低频敏感的试件缺陷，进而限制了其在振动强化试验中的应用【2 3 棚。文献【4 ，5 】针 对气动式振动台振动激励的能谱特性缺陷及带来的不利影响进行了较为详细的试 验案例研究，例如：在对某类组装有塑料四方扁平封装器件( p l a s t i cq u a df l a t p a c k a g i n g ：p q f p ) 的模块级电子产品进行振动强化试验时，气动式振动台几乎不 能有效激发p q f p 管脚和焊点的疲劳缺陷。进一步分析原因可知，该类试件主要失 效模态对应的固有频率均较低，大约在5 0 0 h z 以下，而在该频段气动式振动台的 振动激励缺少足够的激励能量，因而导致对该类试件的缺陷激发能力不足。 为了提升气动式振动台的振动试验能力，本文在“十五国家部委重点预 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 研项目“可靠性强化试验技术”和“十一五 国家部委预研项目“可靠性强化 试验中振动控制关键技术研究 的资助下，开展气动式振动台振动激励能谱优化 研究，在解析该类设备振动激励产生机理的基础上，进一步研究其振动激励的能 谱优化方法，旨在为研制更高效的振动强化试验设备提供理论与工程指导。 ； 。ll!l ! 加速度9 ( a ) r s 机振动激励的幅值概率密度 ( c ) r s 机振动激励的幅值概率密度 加速度口 ( b ) e d 机振动激励的幅值概率密度 频率h z ( d ) e d 机振动激励的幅值概率密度 图1 1r s 机和e d 机产生的振动激励对比图阱 1 2国内外相关问题研究现状与综述 1 2 1 可靠性强化试验技术研究与应用现状 针对传统模拟试验保障产品可靠性的效率问题，1 9 6 7 年美国罗姆航展中心提 出了加速寿命试验方法( a c c e l e r a t e dl i f et e s t i n g ：a l t ) ，19 8 8 年美国g k h o b b s 提出了高加速寿命试验(