全軸隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力特性及激發(fā)效果

1、2006年 6月強(qiáng)度與環(huán)境 Jue.2006第 33卷第 2期 STRUCTURE & ENVIRONMENT ENGINEERING V ol.33, No.2全軸隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力特性及激發(fā)效果 袁宏杰 姜同敏(北京航空航天大學(xué)工程系統(tǒng)工程系 ,北京 100083摘要:針對(duì)新型的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)設(shè)備 全軸臺(tái) , 對(duì)其全軸隨機(jī)振動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性 和激發(fā)效果進(jìn)行研究。 基于實(shí)測全軸臺(tái)的隨機(jī)振動(dòng)信號(hào) , 給出數(shù)字表征 循環(huán)平穩(wěn) 的服從超高斯分布的隨機(jī)振動(dòng) , 但低頻能 量不足, 并給出了全軸隨機(jī)振動(dòng)各軸向振 動(dòng)的相互關(guān)系及應(yīng)力分布。 為研究全軸臺(tái)對(duì)電子產(chǎn)品缺陷的 激發(fā)效果 ,應(yīng)用全軸臺(tái) 和電動(dòng)臺(tái)對(duì)分

2、立元件級(jí)電路板 ,簡單數(shù)字、模擬的電路板 ,成熟產(chǎn)品的電路板 進(jìn)行可 靠性強(qiáng)化試驗(yàn) , 試驗(yàn)結(jié)果表明 :其對(duì)缺陷的激發(fā)效果不如電動(dòng)臺(tái) , 僅當(dāng)產(chǎn)品的模態(tài)頻 率與全軸 臺(tái)振動(dòng)頻率一致時(shí) ,才具有較好的激發(fā)效果。關(guān)鍵詞:可靠性試驗(yàn);可靠性強(qiáng)化試驗(yàn) ;高加速壽命試驗(yàn) ;高加速應(yīng)力篩選中圖分類號(hào) :TP13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 文章編號(hào) :1006-3919(200602-0001-05Characteristics of Omni-Axes Random Vibration Envionment and Its Stimulation EffectYUAN Hong-jie JIANG Tong-mi

3、n(Dept. of System Engineering of Engineering Technology, Beijing University of Aeronautics andAstronautics , Beijing 100083, ChinaAbstract :T he repetitive shock machine is the most advanced equipment of reliability enhancement test at present. Its characteristics of Non-Gaussian and cyclostationary

4、 is validated based the sampled vibration signal. It has more advantages in spectral bandwidth and peak probability distribution, But it can ' t control frequency spectrum and has less energy in low frequency. The vibration test result of different type PCB in Electro-Dynamic shakers and repetit

5、ive shock machine showes the ElectroDynamic shakers can find more defects than it, Only when the repetition rate of repetitive shock machine is at a harmonic of the PCB natural resonance, It will aid in finding defects.Key words:reliability test; reliability enhancement test; HALT ; HASS1 引言隨著電子產(chǎn)品在研

6、制階段的環(huán)境應(yīng)力篩選、可靠性鑒定等試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展日趨 成熟 ,為減收稿日期 :2006-04-14; 修回日期 :2006-05-10作者簡介 : 袁宏杰 (1970-,男,副教授,研究方向 :可靠性與環(huán)境試驗(yàn) ,測控技術(shù); (100083 北京航空航 天大學(xué)工程系統(tǒng)工程系 .姜同敏 (1949-,男,研究方向 :可靠性與環(huán)境試驗(yàn) ; (100083北京航空航天大學(xué)工 程系統(tǒng)工程系 .2 強(qiáng) 度與 環(huán)境 2006年 少試驗(yàn)費(fèi)用, 必須研究新的技術(shù)。 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)就 是在此背景下提出和發(fā)展的 1 。 可靠性強(qiáng)化 試驗(yàn)通過施加環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力 , 激發(fā)故障 ,暴露產(chǎn)品設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié) ,提高產(chǎn)品

7、的可靠性。 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)在美國的 航天、 航空部門獲得了廣泛的應(yīng)用 2。 國內(nèi)的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)處于 跟蹤狀 態(tài),應(yīng)用較少 ,對(duì)其核心技術(shù)的掌握仍然不清晰 ,限制了可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)在我國的 應(yīng)用。目前可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)大多采用了一種新型超高應(yīng)力試驗(yàn)系統(tǒng),即以液氮制冷技術(shù)來實(shí)現(xiàn)超 高降溫的高溫變速率的溫度循環(huán)環(huán)境 ; 以氣錘連續(xù)沖擊多向激勵(lì)技術(shù) 實(shí)現(xiàn)三軸六自由度全軸隨機(jī) 振動(dòng)環(huán)境 (稱為全軸臺(tái) ;以上述兩種環(huán)境應(yīng)力與濕度應(yīng) 力綜合來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化應(yīng)力的綜合環(huán)境 35。 本文以北京航空航天大學(xué)引進(jìn)的全軸臺(tái)為研究對(duì)象 ,以實(shí)測的全軸隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境應(yīng)力為基 礎(chǔ),對(duì)其動(dòng)態(tài)特性給出全面的數(shù)字 表征 ,從其頻譜特

8、性和產(chǎn)品響應(yīng)出發(fā) ,通過理論分析與試驗(yàn) 對(duì)比比較全軸臺(tái)與傳統(tǒng)電 動(dòng)臺(tái)對(duì)電子產(chǎn)品缺陷的激發(fā)效果 ,為可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)剖面的制定提供 理論支持。2 全軸臺(tái)原理與測量方案全軸臺(tái)原理如圖 1所示 ,全軸臺(tái)靠多個(gè)氣錘連續(xù)沖擊彈性支撐的臺(tái)面實(shí)現(xiàn)全軸 振動(dòng) ,沖擊波 形及量值大小靠伺服閥控制。由于氣錘的沖量不足 ,使得產(chǎn)生的振動(dòng)低 頻能量不足。連續(xù)的沖 擊與臺(tái)面的模態(tài)使得產(chǎn)生的頻譜為寬帶隨機(jī)背景下存在強(qiáng) 烈的窄帶隨機(jī)。圖 1 全軸臺(tái)原理采用 Endevco 公司的 7201-50型三軸向傳感器 ,英國 LDS 公司的 8通道 CA4型 電荷放大器 , HP 公司的 HP3567A 動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀對(duì)空載的全軸臺(tái)

9、振動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行測 量。對(duì)測量數(shù)據(jù)應(yīng)用 Matlab 軟件分析振動(dòng)信號(hào)的頻域特性、幅值特性、臺(tái)面均勻 性及各軸向的 相關(guān)性。3 動(dòng)態(tài)特性分析3.1 時(shí)間歷程分析圖 2為全軸臺(tái)控制空載時(shí) ,控制加速度均方根值為 5Grms 時(shí), X , Y , Z 軸的加速 度時(shí)間歷程, 其形狀近似反復(fù)沖擊 ,有多處峰值超過了 3倍的均方根值 (15Grms3.2 平穩(wěn)性和周期性分析對(duì)實(shí)測振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析檢驗(yàn) ,采用輪次檢驗(yàn)法對(duì)全軸臺(tái)實(shí)測振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行平 穩(wěn)性檢驗(yàn) ,第 33卷第 2期袁宏杰等全軸隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力特性及激發(fā)效果 3 在 95%的置信度 下, 平“穩(wěn)”、 “非平穩(wěn)”和“輪次數(shù)在區(qū)間邊界上”三種結(jié)果各占一定比

10、例?？?體來說, 輪次數(shù)都落在平穩(wěn)區(qū)間下限附近。因此認(rèn)為全軸振動(dòng)信號(hào)具有近似平穩(wěn)性。選取全 軸臺(tái) Z 軸的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)平穩(wěn)性分析。分析表明在大于 90%的置信水平下 ,在 02000Hz范圍內(nèi)有多處循環(huán)頻率 ,其中以 38Hz 處的置信度最高 (置信度高于 99%。采用自功率譜密度譜法、概率密度法、檢驗(yàn)方差、自相關(guān)分析法四種方法對(duì)全 軸振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行周期性分析 ,綜合分析結(jié)果 ,認(rèn)為:從嚴(yán)格意義上說 ,信號(hào)是非周期的 , 但信號(hào)具有近似周期性,且周期在 20ms 40ms 之間。(a X 軸及速度時(shí)間歷程 (b Y 軸加速度時(shí)間歷程 (c Z 軸加速度時(shí)間歷程圖 2 全軸臺(tái)加速度時(shí)間歷程3.

11、3 幅值分布分析圖 3 實(shí)線為全軸臺(tái)實(shí)測 Z 軸的概率密度圖 ,虛線對(duì)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的概率密度 , 對(duì) 數(shù)據(jù)應(yīng)用卡 埃平方檢驗(yàn)法對(duì)全軸振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn) ,結(jié)果表明在置信度為 99%下其不服從非正態(tài) 分布。對(duì)于正態(tài)分布的隨機(jī)振動(dòng)信號(hào) ,用一階統(tǒng)計(jì)量 （均值和二階統(tǒng)計(jì)量 （自相關(guān)函數(shù)、 自功 率譜密度就可進(jìn)行完整的統(tǒng)計(jì)描述 ,對(duì)于為非正態(tài)分布的信號(hào) ,須采用高階統(tǒng)計(jì) 信息進(jìn)行描 述。對(duì)全軸振動(dòng)應(yīng)力三個(gè)軸向的振動(dòng)加速度分別計(jì)算三階矩 （ 偏態(tài) 、四 階矩（峰態(tài) ,偏態(tài)分 別為 0.0127、 0.041、 0.02。 考慮到測量誤差 , 其偏態(tài)可認(rèn)為是 零, 其峰態(tài)分別為 3.56、 3.58、

12、 3.01, 表明振動(dòng)信號(hào)為超高斯分布 ,具有高的峰值分 布。3.4 頻域特性分析全軸臺(tái)通過單個(gè)軸向 （通常 Z 軸 的振動(dòng)加速度的均方根值對(duì)多個(gè)氣錘的氣壓進(jìn) 行反饋控制 , 以保證設(shè)定的加速度均方根值 ,但不能控制譜形 ,對(duì)全軸臺(tái)空載時(shí)的振動(dòng) 應(yīng)力測量分析表明 , 全軸臺(tái)在 0400Hz 之間幾乎沒有能量 , 三軸均小于 1%; 全軸臺(tái) 98%以上地能量都集中在 5000Hz 以內(nèi),所測得的能量分布于臺(tái)面位置關(guān)系不大。測量的自功率譜密度如圖 4,其特征為強(qiáng)烈的窄帶隨機(jī)和較弱的寬帶隨機(jī)的迭加 窄帶隨機(jī) 特點(diǎn)明顯 ,產(chǎn)品最終受到的激勵(lì)主要為窄帶隨機(jī) ,當(dāng)產(chǎn)品模態(tài)頻率在全軸臺(tái) 窄帶隨機(jī)頻帶附近 ,

13、 對(duì)缺陷具有加速激發(fā)作用。3.5 各軸的相關(guān)性與臺(tái)面均勻度在控制加速度均方根值不變情況下 ,對(duì)全軸臺(tái)不同位置的加速度可以采用相關(guān) 系數(shù)描述兩 個(gè)向量之間的相關(guān)性 ,相關(guān)系數(shù)為 1 表示向量之間線性相關(guān) ,相關(guān)系數(shù)為 0 表示向量之間不相關(guān)。 表示相關(guān)系數(shù)的定義如下( ( , cov( , (y D x D y x y x cof4 強(qiáng) 度與 環(huán)境 2006年 圖 3 全軸臺(tái)的幅值概率分布 圖 4 全軸臺(tái)振動(dòng)信號(hào)的加 速度自功率譜密度 其中 x 和 y 為向量 , cov(x , y 表示 x 與 y 的協(xié)方差 , D (x 表示 x 的方差 , D (y 表示 y 的方差。經(jīng)計(jì)算,全軸臺(tái) X

14、軸振動(dòng)與 Y 軸振動(dòng)的相關(guān)系數(shù)為 0.0989, X 軸振動(dòng)與 Z 軸振 動(dòng)的相關(guān)系數(shù)為 0.0638, Y 軸振動(dòng)與 Z 軸振動(dòng)的相關(guān)系數(shù)為 0.1118,這說明全軸臺(tái)三 個(gè)軸向振動(dòng)幾乎不相關(guān)。對(duì)臺(tái)面加速度均方根值進(jìn)行測量分析 ,可得到臺(tái)面加速度均方根值與位置關(guān) 系。當(dāng)控制的 均方根值為 10Grms 時(shí),圖 5為 Z 軸加速度均方根值在臺(tái)面的分布。 通過對(duì)全軸臺(tái)臺(tái)面 33個(gè)不同位 置的加速度均方根值進(jìn)行分析 ,得出結(jié)論 :全軸臺(tái)臺(tái) 面的不均勻性通常大于 100%, Z 軸的均 勻性優(yōu)于 X 、 Y 軸。4 全軸臺(tái)與電動(dòng)臺(tái)激發(fā)效果比較4.1 試驗(yàn)方案為對(duì)比全軸臺(tái)與傳統(tǒng)電動(dòng)臺(tái)強(qiáng)化試驗(yàn)的效果 ,

15、由簡單到復(fù)雜 ,由元器件級(jí)到電路 板級(jí)共應(yīng) 用了四種分立元件級(jí)電路板 ,三種簡單的印制板級(jí) ,一種成熟產(chǎn)品的印制板 進(jìn)行試驗(yàn)。包括 :分立元件級(jí) :25V 1000 F、 16V 1000 F、 100V 330 F三種電解電容器以及大 功率電阻器 5W 33? 共四種 ;簡單印制板級(jí)電路 :采用不同封裝 (DIP 和 SOP 與非門構(gòu)成的兩種數(shù)字門電路 ; 由分立元 件和集成電路構(gòu)成的電壓跟隨器和由分立元件構(gòu)成的模擬式放大電路 ;成熟的復(fù)雜印制板級(jí)電路 :VCS振動(dòng)控制系統(tǒng)的多功能設(shè)置電路板。傳統(tǒng)振動(dòng)臺(tái)應(yīng)用典型的篩選譜形 ,如圖 6 所示。起始振動(dòng)均方根加速度為 2Grms ,步進(jìn)步長 為

16、2Grms ,每個(gè)應(yīng)力臺(tái)階持續(xù)時(shí)間為 10 分鐘,如果振動(dòng)量值增加到 20Grms 還沒有發(fā)現(xiàn)工作極限 和破壞極限 ,則保持振動(dòng)量值 20Grms 持續(xù) 1 小時(shí)后停 止試驗(yàn)。圖 5 全軸臺(tái) Z 軸的加速度均勻度 圖 6 電動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)應(yīng)用的隨機(jī)振動(dòng)譜形全軸臺(tái)振動(dòng)應(yīng)力的譜形如圖 4,起始振動(dòng)均方根加速度為 5Grms ,步進(jìn)步長為 5Grms ,每個(gè)Hz自功率譜 密度 g 2/H z第 33卷第 2期 袁宏杰等 全軸隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力特性及激發(fā)效果 5 應(yīng)力臺(tái)階持續(xù)時(shí) 間為 10 分鐘,并進(jìn)行功能、性能檢測 ,如果直到 40Grms 還沒有發(fā)現(xiàn)工作極限和 破壞 極限 ,則保持振動(dòng)量值 40Grms 持續(xù)

17、 1小時(shí)后停止試驗(yàn)。4.2 試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)中所有分立元件都有兩個(gè)引線 ,為了分析需要 ,人為把引線焊接長短不一 致。表 1 給出 了分立元件電動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果 ,表 2 給出了分立元件全軸臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果。在電動(dòng)臺(tái)上分別進(jìn)行了四種類型簡單印制板級(jí)電路板振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果為兩種 門電路無故障 ,兩種模擬放大電路分別均在 12Grms 時(shí)各出現(xiàn)一次故 障。其中集成運(yùn)放組成的電 壓跟隨器有一路輸出端電阻引線振斷 ,分立元件組成的 放大電路板有一路輸出端濾波器電容引 線振斷。簡單印制板級(jí)電路在全軸臺(tái)上水平安裝和垂直安裝方式下分別進(jìn)行振動(dòng)步進(jìn)應(yīng) 力試驗(yàn),均 無故障。對(duì) VCS 振動(dòng)控制系統(tǒng)的多功能設(shè)置電路板

18、 ,采用振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力 試驗(yàn)方法 ,在電動(dòng)臺(tái)對(duì) 受試電路板進(jìn)行試驗(yàn) ,振動(dòng)應(yīng)力增加到 16Grms 時(shí),在振動(dòng)穩(wěn)定 狀態(tài)下對(duì)電路板進(jìn)行功能測試 , 結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩個(gè)端口均輸出 FF 故障。故障原因是印 制線因受應(yīng)力過打斷裂引發(fā)電路斷路。在全軸臺(tái)對(duì)對(duì) VCS 振動(dòng)控制系統(tǒng)的多功能設(shè)置電路板進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)在振動(dòng)應(yīng) 力增加到 30Grms 時(shí), 在振動(dòng)穩(wěn)定狀態(tài)下對(duì)電路板進(jìn)行功能測試 , 結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩個(gè)端口 均輸出 FF 。 停止試驗(yàn) , 然后對(duì)電路板上電進(jìn)行檢測 ,無故障。從 20Grms 重新開始 試驗(yàn),在振動(dòng)量值增加到 30Grms 時(shí)故 障復(fù)現(xiàn),將振動(dòng)量值降至 25Grms ,故障消失 ,可 是無法定位

19、故障。為激發(fā)故障繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn) , 以 5Grms 的步長增加振動(dòng)應(yīng)力繼續(xù)試 驗(yàn),最后增至 50Grms ,保持振動(dòng) 2小時(shí),其間對(duì)電路板進(jìn)行 檢測,故障依舊 ,仍無法實(shí) 現(xiàn)故障定位 ,但可以確定其工作極限為 25Grms 。4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析試驗(yàn)證明 ,即使電動(dòng)臺(tái)的均方根加速度小于全軸臺(tái)的均方根加速度 ,但誘發(fā)產(chǎn)品 缺陷的能 力要高于全軸臺(tái) ,即在相同的振動(dòng)應(yīng)力條件下電動(dòng)臺(tái)更易激發(fā)潛在的缺陷 ; 這是因?yàn)楫a(chǎn)品的固 有頻域一般小于 1000Hz ,而全軸臺(tái)在此范圍內(nèi)的能量有限 ,即使 三軸同時(shí)作用。5 結(jié)語(1 由于全軸臺(tái)的低頻能量較小 , 頻譜不可控 , 且多數(shù)電子產(chǎn)品的共振頻率在 1000

20、赫茲以內(nèi) , 因此其對(duì)缺陷的激發(fā)效果不如電動(dòng)臺(tái) ,僅當(dāng)產(chǎn)品的模態(tài)頻率與全軸臺(tái) 振動(dòng)頻率一致時(shí) ,才具有 較好的激發(fā)效果。由于其產(chǎn)生的位移小 ,對(duì)位移敏感的缺陷 不如電動(dòng)臺(tái)。(2 與電動(dòng)臺(tái)的對(duì)比試驗(yàn)表明 :三軸向同時(shí)振動(dòng)對(duì)產(chǎn)品缺陷的激發(fā)效果不一定優(yōu) 于單軸振 動(dòng),超高斯分布的振動(dòng)對(duì)產(chǎn)品缺陷的激發(fā)效果不一定優(yōu)于高斯分布。對(duì)產(chǎn) 品缺陷的激發(fā)效果主 要取決于頻率特性。(下轉(zhuǎn)第 11 頁 振動(dòng)量級(jí) (Grms24 6 8 1012 脫落 無 9 8 5 2故障模式斷裂 無無無 12 7停止 振動(dòng)量級(jí)(Grms 25Grms 以下 30 3540脫落 無 1 39 故障模式 斷裂 無無 無 12表 1 分

21、立元件電動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果 表 2 分立元件全軸臺(tái)故障第 33 卷第 2 期 王其政等 捆綁液體火箭蹺振 (POGO穩(wěn)定性分析 11 s = i = i n 上作蹺振分析，不涉及管路特征頻率 b的 大小假定。 (5 第 5 節(jié)捆綁火箭蹺振穩(wěn)定 性近似方法 3頻率重合臨界阻尼比 ? cc 法是在第 4 節(jié)的基礎(chǔ) 上，再增加假定管 路特征頻率 b與 結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率 n重 合相等條件 = b = ， 這n 是蹺振分析的 最保守近似方法。 (6 本文算例可說明有關(guān)參數(shù)的重要性。對(duì)捆綁液體火箭，可見 發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù) N 的重要性。 參考文獻(xiàn) 1 Anon. Prevention of coupled structur

22、e- propersion instability(POGOJ.NASA Space Vehicle Design Criteria (Structures,SP- 8055,1970. 2 王其政, 高萬鏞, 顧永春, 張繼桐, 李憲珊. 蹺振(POGO穩(wěn)定性算法與估 計(jì)J. 強(qiáng)度與環(huán)境， 1983(3. 3 王其政, 高萬鏞, 顧永春, 張繼桐, 李憲珊. 蹺振(POGO 穩(wěn)定性可靠性與參數(shù)分析 J. 宇航學(xué)報(bào)， 1986(2. 4 Oppenheim,B.W. and Rubin,S. Advanced pogo stability analysis for liquid rocketsJ. Jounal of Spacecra