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解决方案

振动台的负荷计算

发布日期: 2024-03-28
        在产品的振动测试过程中,产品和工装夹具安装于振动台台面上,根据给定的测试条件进行相应的振动测试,像常见的正弦扫频测试,随机测试,冲击测试等。振动测试条件中,最常见的参数有加速度、位移、频率范围等,而这些参数都需要和振动台的相应参数进行比对,以判断在振动台上能否进行相应的振动测试。
        VENZO 800系列振动控制软件中,配备了振动台负荷计算功能,可以根据振动台参数、振动测试条件自动计算振动台负荷的百分比,帮助用户快速直观地判断振动台能否满足相应的测试条件
 
PART 1  振动台负荷的计算
 
        振动台负荷的计算涉及到两个方面:振动台参数、测试谱图。想要得到准确的振动台负荷,这两个方面的参数需要根据实际测试环境进行正确地填写。
        以正弦测试条件为例,打开正弦测试模块。
 
◆ 振动台参数:
        √ 振动台额定指标:软件配置了振动台数据库,用户可选择相应厂家的振动台型号,即可一键输入振动台额定指标;选择自定义,可手动输入振动台指标。
        √ 质量:包含运动部件(振动台的动圈)的质量、台面及夹具(垂直台的拓展台面、水平台的滑台台面、工装夹具等)的质量、试件质量(测试产品质量)、其他质量(牛头等质量),这些质量的总和为总负载质量。用公式一般可这样表示:
        垂直台:M总负载=M动圈+M垂直拓展台面+M工装夹具+M测试产品
        水平台:M总负载=M动圈+M水平滑台台面+M工装夹具+M测试产品+M牛头
        振动台指标和质量输入完成,根据公式F推力=M总负载*a,可计算出可测最大加速度峰值a。
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◆ 测试谱图:
        根据测试条件,填写频率范围和位移、加速度量级。
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        当振动台参数和测试谱图设置完成后,“限制”界面会显示测试所需的加速度、速度、位移、力等参数,以及振动台能做的加速度、速度、位移、力等参数,并将两者进行相除运算,进而得到相应的振动台负荷百分比。如加速度的振动台负荷==峰值加速度/振动台限制加速度。
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        这里需要注意的一点,测试谱图的频率范围应该在振动台可测试的频率范围之内。
 
PART 2  振动台负荷计算示例
 
示例1:
        在某产品的正弦振动测试中,振动台型号已知,使用垂直台进行测试。垂直台拓展台面质量为105kg,产品质量为15kg,工装夹具等质量5kg。
        根据QCT413-2018的试验要求,产品应能经受X/Y/Z三个方向的扫频振动测试。根据产品的安装部位,其扫频振动测试的严酷度等级如下表所示。
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        该测试产品安装在发动机上,准备对其进行Z向的振动测试。
        振动台参数设置如下:选择振动台型号,填写质量参数。
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        谱图设置如下:
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        振动台负荷如下:
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        加速度、速度、位移、推力等负荷最大为54.05%,同时测试谱图频率范围也在振动台频率范围之内,所以振动台可以完成该正弦振动测试。
 
示例2:
        在某产品的随机振动测试中,振动台指标已知,使用水平滑台进行测试。水平滑台台面质量为125kg,牛头质量为20kg,产品质量为18kg,工装夹具等质量7kg。
        现准备对产品进行等级1的随机振动测试。
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        振动台参数设置如下:输入振动台额定指标和质量参数。
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        随机谱图设置如下:
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        振动台负荷如下:
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        可以看出,加速度、速度、推力的振动台负荷均较小,位移的振动台负荷为35.45%(峰值按3倍有效值计算)。按照随机信号峰值可达有效值5-6倍的特点,随机测试的过程中,振动台位移负荷可能达到35.45%*2=70.9%,同时测试谱图频率范围在振动台频率范围之内,所以振动台可以完成该随机振动测试。
 
PART 3  常用的参数计算公式
 
        有些时候,可能控制软件不在身边,那么如何判断测试条件能否在振动台上运行呢?有这样一些公式,可以用于快速计算加速度、速度、位移等参数。
        正弦测试中,加速度、速度、位移、频率四个参数中,只要知道其中的两个,就可快速地计算出其它两个参数。
 
常见的三个公式:
A=(2πf²D
V=2πfD
A=2πfV
        * 其中,D为位移峰值(m)
        V为速度峰值(m/s)
        A为加速度峰值(m/s²
        f为频率(Hz)
 
        如某产品需在10Hz进行5g的正弦测试,振动台限制为加速度20g,速度1.8m/s,位移峰峰值35mm,频率范围内5-4500Hz。现在想知道该测试能否在振动台上运行,只需知道速度和位移是否满足即可。
        根据上面公式 A=2πfV,可知V=A/2πf=5*9.8/2/3.1416/10≈0.78m/s
        根据上面公式 A=(2πf²D,可知D=A/2πf²=A/4π²/f²=5*9.8/4/9.8696/1000.0124m=12.4mm
        那么根据计算结果,10Hz 5g的速度峰值约为0.78m/s,位移峰峰值约为24.8mm(12.4mm乘以2),均满足振动台的限制指标,所以正弦测试可以在该振动台上运行。
        随机测试中,测试谱图的加速度有效值也可通过公式快速计算。
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        如图是典型的随机测试谱图,它分为3个部分,上升段、平直段、下降段,三个部分的面积分别为A1,A2,A3。那么谱图有效值Grms就是三个面积和的开方,即:
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        上升段的面积A1计算公式:
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        * 其中,m1为上升段的斜率。
        平直段的面积A2计算公式:
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        下降段的面积A3计算公式:
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        * 其中,m2为下降段的斜率。
        当下降段的斜率为-3时,按以下公式计算A3
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        如某随机测试条件为20-80Hz 斜率为6dB/oct,80-500Hz的加速度谱密度为0.04g2/Hz,我们想知道该测试的加速度有效值,就可以使用上面的公式进行计算:
        上升段:
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        代入数值:A1=0.04*80/3*(1-0.25³=0.9844
        平直段:
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        代入数值:A2=(500-80)*0.04=16.8
        所以
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        ◆ 随机测试中,低频大位移测试谱图的位移也有一个简单的估算公式。
Xp-p=1067* (W/f^3)^0.5
        式中:Xp-p—位移峰峰值(mmp-p),
        f—为下限频率(Hz),
        w—为下限频率(f)处的PSD值(g2/Hz)。
        如某随机测试条件为2Hz 0.01g2/Hz,80-500Hz 0.04g2/Hz,现想估算一下该测试的位移峰峰值。
        根据上面公式,代入频率和量级,可得到Xp-p=1067*(0.01/8)^0.5≈37.7mm
        * 注:该峰峰值是有效值3倍的峰峰值。
        以上是估算公式,如果想得到精确的位移峰峰值,可通过控制软件进行计算。
        ◆ 随机测试中,有时需要计算两个不同量级频率点之间的斜率N(dB/oct),我们可通过以下公式快速计算得到:
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        式中:n为oct倍频程
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        WHundefined — 频率fH处的加速度功率谱密度值(g²/Hz),
        WL图片24.png— 频率fL处的加速度功率谱密度值(g²/Hz)。