李鵬，劉凱，辛敏成，張海濤，鄒田驥，呂從民

（1.中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心，北京 100094； 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

引言

“十三五”期間，以新一代運(yùn)載火箭、載人航天、探月工程和高分辨率對地觀測系統(tǒng)等為代表的重大專項已進(jìn)入實施的關(guān)鍵時期, 空間基礎(chǔ)設(shè)施、重型運(yùn)載、深空探測等也進(jìn)入深化論證階段[1]。不同航天產(chǎn)品在不同壽命周期階段可能經(jīng)歷不同的振動環(huán)境和平臺，例如航天器隨火箭發(fā)射、飛行、再入過程中要經(jīng)歷嚴(yán)酷的振動環(huán)境，特別是發(fā)動機(jī)工作及自激勵振動（POGO）效應(yīng)、火箭發(fā)動機(jī)點火/關(guān)機(jī)和級間分離造成高強(qiáng)度的振動環(huán)境，輕則導(dǎo)致航天器及其組件結(jié)構(gòu)變形或損壞，重則導(dǎo)致整個發(fā)射任務(wù)失敗[2]。針對航天產(chǎn)品的復(fù)雜性不斷提高，新的力學(xué)問題不斷涌現(xiàn)，研制周期與成本的控制力度不斷加大的問題，合理設(shè)計并有效開展航天產(chǎn)品地面振動試驗，不僅可評價結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度設(shè)計，考核其力學(xué)環(huán)境適應(yīng)能力，驗證規(guī)定環(huán)境條件下的工作性能和可靠性要求，還能獲取敏感部位的振動響應(yīng)數(shù)據(jù)，同時暴露工藝制造質(zhì)量缺陷[3,4]。

航天產(chǎn)品由于小批量、高價值的特點，對振動試驗試驗控制的安全性極為重視，并且要對關(guān)鍵、重要部位進(jìn)行響應(yīng)信號監(jiān)測，特別是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能繁多的大型受試產(chǎn)品，需要關(guān)注的薄弱部位較多，對數(shù)據(jù)采集與信號處理的需求較高。因此，西門子Simcenter Testlab振動控制采集分析系統(tǒng)憑借著良好的安全穩(wěn)定性和高速多通道數(shù)據(jù)采集與試驗、分析、電子報告功能，在航天領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)將振動控制與信號的采集、分析和后處理模塊集成在同一平臺中，包括數(shù)據(jù)采集前端、測試分析軟件，配套傳感器及線纜等輔助裝置，可以實現(xiàn)正弦、隨機(jī)、沖擊、跟蹤與諧波駐留等常用振動控制功能，同時具備時頻域信號記錄與分析、信號特征試驗分析等后處理能力，有效滿足開展大型振動試驗及分析的需求[5]。

盡管Testlab采用了軟件流程化設(shè)置，但是存在保護(hù)環(huán)節(jié)多、細(xì)節(jié)繁雜的特點。一方面，使用手冊僅給出了一般性功能介紹，大量參數(shù)默認(rèn)設(shè)置需要結(jié)合現(xiàn)場實際情況進(jìn)行合理調(diào)整，而試驗人員對軟件復(fù)雜功能細(xì)節(jié)不明確，許多試驗過程中出現(xiàn)的未知情況也難以提前演練。另一方面，西門子售后工程師缺乏一線實操經(jīng)驗，對振動臺系統(tǒng)和試驗需求不熟悉，難以準(zhǔn)確回答軟件特定功能的工作機(jī)制和推薦的參數(shù)設(shè)置范圍。以加速度限控制功能為例，為防止振動試驗過程中產(chǎn)品安裝界面、接插件和敏感器件安裝點等重點部位響應(yīng)過大，通過設(shè)置特定測量通道的振動加速度響應(yīng)限，保護(hù)被測試件。當(dāng)某些頻帶上響應(yīng)值超過預(yù)設(shè)的限制譜時，系統(tǒng)對輸入譜進(jìn)行自動修正，將這些通道的振動響應(yīng)限制在限制譜以內(nèi)。加速度限控制方法實質(zhì)上是對輸入譜進(jìn)行下凹處理，以避免敏感部位出現(xiàn)過試驗的情況[6]。但是使用手冊不可能包含具體的操作細(xì)節(jié)和注意事項，因此軟件設(shè)置錯誤給振動試驗的開展帶來了巨大的安全隱患，不僅存在過試驗、欠試驗的風(fēng)險，而且導(dǎo)致的試驗異常中斷增加了試驗時間和費(fèi)用，嚴(yán)重影響產(chǎn)品研制交付的進(jìn)度。

本文針對某航天產(chǎn)品正弦振動試驗的過載停機(jī)故障，從Simcenter Testlab軟件的角度分析了原因——對振動試驗中為保護(hù)試件的加速度限控制功能的參數(shù)設(shè)置不合理，或限幅通道量程過低導(dǎo)致試驗異常中斷。通過設(shè)計三組實驗，結(jié)合分析數(shù)據(jù)，驗證軟件加速度限控制功能和通道量程設(shè)置工作機(jī)制，為后續(xù)基于Simcenter Testlab振動試驗中限幅通道加速度限控制的使用提供了技術(shù)參考。

1 試驗說明及停機(jī)原因分析

某航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝件開展正弦振動試驗，采用6點平均加速度輸入控制方法，6個三軸向加速度傳感器（A/B/C/D/E/F）作為控點安裝在試件連接的夾具上，控制儀采集控點信號對振動臺進(jìn)行反饋控制，以保證夾具/試件界面處達(dá)到規(guī)定的振動量值。試件上按要求布有41個三軸向加速度傳感器（1#～41#），作為測點采集特定部位的振動加速度響應(yīng)特性。所有傳感器敏感度約為50 mV/g，標(biāo)定量程為50 g，各通道量程均設(shè)置為100 g。試驗條件如表 1所示，報警容差為±3 dB，停機(jī)容差為±6 dB。對部分測點進(jìn)行加速度限（notch）控制設(shè)置，全頻道限幅量級15 g，限幅停機(jī)上限+6 dB，即30 g，當(dāng)任一測點響應(yīng)值超過限幅限15 g時，系統(tǒng)修正輸入譜使響應(yīng)低于規(guī)定的限幅限，當(dāng)響應(yīng)超過30 g時觸發(fā)停機(jī)保護(hù)。

試驗在掃頻至54 Hz時中斷，軟件顯示7#測點過載（overload）導(dǎo)致試驗中斷，此時7#測量通道頻域信號量級為17 g，見圖1，曲線已超過限幅限15 g，觸發(fā)了加速度限控制功能，尚未觸碰30 g停機(jī)線。如圖2所示，7#時域信號量級為38 g，未采集到超過量程100 g的信號。

對控制傳感器及7#測點傳感器進(jìn)行檢查，未發(fā)生傳感器脫落、松動現(xiàn)象，排除了硬件連接問題。對控點和其他測點的時域、頻域曲線進(jìn)行了分析，均未發(fā)現(xiàn)異常?？紤]到安全設(shè)置中控制通道和測點通道設(shè)置為過載忽略（Ignore），而限幅通道設(shè)置為過載停機(jī)（Abort），如圖3所示。因此，過載停機(jī)原因可能為以下2個方面：

1）7#測點信號在時域或頻域上觸碰notch限幅停機(jī)線30 g停機(jī)。

2）7#測點信號超100 g造成通道量程過載停機(jī)，并且由于通道量程過低，未能在時域頻域采集到超量程信號。

2 試驗設(shè)計與分析驗證

針對可能的停機(jī)原因：①限幅通道設(shè)置為過載停機(jī)；②測點通道量程設(shè)置過低的軟件設(shè)置錯誤，繼而觸發(fā)保護(hù)功能，導(dǎo)致試驗誤中斷的過載停機(jī)。設(shè)計了三組實驗，在振動臺空載狀態(tài)下進(jìn)行實驗驗證，如表2所示。

2.1 限幅通道過載停機(jī)驗證實驗

7#、8#傳感器相鄰粘貼在水平滑臺上，分別設(shè)置為控制和限幅通道，單點控制。限幅通道設(shè)置為過載停機(jī)，限幅停機(jī)上限為0 dB，即15 g，具體方法如表2中T1所示。

表1 正弦掃頻振動試驗條件

實驗中，目標(biāo)譜超過限幅通道停機(jī)線，觸發(fā)加速度限控制功能的瞬間保護(hù)停機(jī)，此時試驗中斷顯示“Notch upper abort”與原試驗中顯示“Overload”不一致，由此排除測點時域或頻域曲線觸碰Notch限幅停機(jī)線導(dǎo)致停機(jī)。

圖1 7#測點頻域譜線、限幅參考限及停機(jī)上限

圖2 7#測點時域信號

圖3 控制、限幅、測量通道過載策略設(shè)置

2.2 通道超量程過載停機(jī)頻域驗證實驗

限幅通道設(shè)置為過載停機(jī)，8#通道量程設(shè)置為3.16 g，在17～60 Hz范圍內(nèi)量級為3.4 g，顯然會在頻域觸發(fā)超量程3.16 g停機(jī)，但不超過限幅停機(jī)線+6 dB，即6.4 g，具體方法如表2中T21所示。在17.2 Hz時試驗8#限幅通道過載停機(jī)，報錯信息顯示“Overload”，與原試驗一致，由此可定位原停機(jī)原因為限幅通道量程過載。

將限幅通道設(shè)置為過載忽略，其他試驗條件同T21，具體方法如表2中T22所示。圖4顯示目標(biāo)譜在17～60 Hz范圍時，8#已經(jīng)超量程（實時監(jiān)測狀態(tài)變紅且無示數(shù)），但未停機(jī)中斷，無報錯信息，實驗正常結(jié)束。

表2 過載停機(jī)實驗分析驗證方法

圖 4 7#測點傳感器時域圖

據(jù)此可推斷原試驗停機(jī)原因是該限幅通道設(shè)置為過載停機(jī)，而超量程觸發(fā)保護(hù)功能。但是，T21/T22實驗僅從頻域上驗證了停機(jī)的工作機(jī)制，并未從時域上驗證實際試驗中的停機(jī)現(xiàn)象。因此，設(shè)計了T3從時域上驗證過載停機(jī)的原因。

2.3 通道超量程過載停機(jī)時域驗證實驗

為保證目標(biāo)譜在頻域上不超過8#限幅通道量程3.16 g，更改目標(biāo)譜幅值最高段17～60 Hz量級為2 g，限幅通道設(shè)置為過載停機(jī)，開展試驗T31。在試驗進(jìn)行到17～60 Hz過程中，使用力錘敲擊臺面，在時域上產(chǎn)生較大信號干擾，具體方法見表2中T31。在17.04 Hz時試驗8#限幅通道過載停機(jī)，報錯信息顯示“Overload”，與原試驗一致，由此從時域上驗證實際試驗中的停機(jī)現(xiàn)象。

如圖5所示，7#&8#&9#通道均未采集到臺面敲擊產(chǎn)生的大量級毛刺時域信號，這是由于8#通道量程限制，在敲擊信號出現(xiàn)時過載停機(jī)，導(dǎo)致停機(jī)瞬間各通道都無法采集到時域信號。

將限幅通道設(shè)置為過載忽略，其他試驗條件同T31，開展試驗T32。在試驗進(jìn)行到17～60 Hz過程中，使用力錘敲擊臺面，在時域上產(chǎn)生較大信號干擾，見表2中T32，試驗順利完成，未發(fā)生停機(jī)。

如圖6所示，7#&9#通道（量程100 g）均采集到臺面敲擊產(chǎn)生的毛刺時域信號，而8#通道（量程3.16 g）由于量程受限，未采集到超過3.16 g而低于100 g的較大信號。

圖5 T31中7#&8#&9#通道時域信號

圖6 T32中7#&8#&9#通道時域信號

因此，從時域和頻域解釋了過載停機(jī)現(xiàn)象，原試驗停機(jī)原因為7#限幅通道出現(xiàn)超過量程100 g的時域信號，造成overload停機(jī)，但是由于通道量程限制，未能在時域上采集到超量程信號。通過將限幅通道設(shè)置為過載忽略，可有效避免過載停機(jī)現(xiàn)象。

3 結(jié)論與建議

本文從Simcenter Testlab加速度限控制功能的角度分析了某航天產(chǎn)品正弦振動試驗的過載停機(jī)故障原因，開展了三組驗證實驗，驗證了停機(jī)原因不是觸發(fā)限幅報警限，而是傳感器通道過載，未采集到超量程時域信號的原因是通道量程限制。最后，針對基于加速度限控制的振動試驗給出了以下三點建議：

1）Simcenter Testlab在傳感器通道類型中設(shè)有控制和測量兩類，分別起到輸入譜控制和輸出譜監(jiān)測功能，但在過載停機(jī)的安全保護(hù)設(shè)置時通道類型分別控制、測量和限幅三類，需要分別進(jìn)行過載停機(jī)或忽略設(shè)置，在選擇相應(yīng)通道忽略過載停機(jī)后，即使采集到超過通道量程的信號也不會過載停機(jī)。

2）為防止試驗失控，有效保護(hù)試驗件和振動臺，控制通道一般設(shè)置過載停機(jī)；測量通道采取忽略過載的設(shè)置，以保障試驗正常開展；而限幅通道則需要結(jié)合試驗件敏感監(jiān)測部位的實際情況進(jìn)行合理設(shè)置，若采取過載忽略的設(shè)置，在量程不夠的情況下能保證試驗的順利開展，但是長時間過載對小量程傳感器自身結(jié)構(gòu)、功能性能都會產(chǎn)生不利影響，致使傳感器參數(shù)漂移，另外存在產(chǎn)品極值破壞風(fēng)險，應(yīng)做好隨時中斷試驗的準(zhǔn)備。

3）Simcenter Testlab通過設(shè)置靈敏度與電壓將通道量程與傳感器物理量程進(jìn)行匹配，其中靈敏度由傳感器標(biāo)定結(jié)果輸入，電壓只能分級設(shè)置，常見的三級量程為1 V/3.16 V/10 V，五級量程為0.1 V/0.316 V/1 V/3.16 V/10 V。顯然，通道量程與傳感器物理量程多數(shù)情況下都不一致，系統(tǒng)以各通道量程為準(zhǔn)，比如傳感器標(biāo)定量程為500 g，當(dāng)通道量程為1 000 g時仍能監(jiān)測到500～1 000 g的信號，只是無法保證信號量級精度。注意傳感器量程與靈敏度的權(quán)衡選擇，控點注重精度，為避免試驗控制超差，出現(xiàn)過試驗或欠試驗的風(fēng)險，一般采用較小量程傳感器，而測點傳感器為滿足信號采集需求，一般選用較大量程傳感器。