振动、冲击环境与试验

第1章 绪 论 ………………………………………………………………………………… 1
1.1 振动、冲击环境与试验的目的……………………………………………………… 1
1.2 振动、冲击环境与试验的内容……………………………………………………… 1
1.3 发展与展望………………………………………………………………………… 4
第2章 振动环境描述………………………………………………………………………… 5
2.1 概 述……………………………………………………………………………… 5
2.2 周期振动…………………………………………………………………………… 6
2.2.1 正弦振动……………………………………………………………………… 6
2.2.2 复杂周期振动………………………………………………………………… 7
2.3 非周期振动………………………………………………………………………… 10
2.3.1 准周期振动…………………………………………………………………… 10
2.3.2 瞬态振动……………………………………………………………………… 11
2.4 随机振动的基本特性……………………………………………………………… 12
2.4.1 平稳的随机振动……………………………………………………………… 13
2.4.2 随机振动基本统计特性描述………………………………………………… 14
2.5 自相关函数和互相关函数………………………………………………………… 17
2.5.1 相关的概念…………………………………………………………………… 17
2.5.2 自相关函数…………………………………………………………………… 18
2.5.3 互相关函数…………………………………………………………………… 20
2.6 自功率谱密度与互功率谱密度…………………………………………………… 22
2.6.1 自功率谱密度的定义与性质………………………………………………… 22
2.6.2 自功率谱密度与自相关函数的关系………………………………………… 23
2.6.3 互功率谱密度………………………………………………………………… 25
2.6.4 相干函数……………………………………………………………………… 27
2.7 自功率谱密度的统计误差及概率分布…………………………………………… 27
2.7.1 自功率谱密度的统计误差…………………………………………………… 27
2.7.2 自功率谱密度的概率分布…………………………………………………… 29
习 题………………………………………………………………………………… 33
第3章 振动系统响应……………………………………………………………………… 34
3.1 振动系统分类及描述……………………………………………………………… 34
3.1.1 振动系统分类……………………………………………………………… 34
3.1.2 振动形式分类………………………………………………………………… 35
3.1.3 研究方法……………………………………………………………………… 36
3.2 单自由度线性系统振动…………………………………………………………… 37
3.2.1 单自由度系统振动方程……………………………………………………… 37
3.2.2 单自由度无阻尼系统的自由振动…………………………………………… 37
3.2.3 单自由度有阻尼系统的自由振动…………………………………………… 39
3.2.4 单自由度系统定常强迫振动………………………………………………… 43
3.2.5 单自由度系统频率响应函数………………………………………………… 45
3.3 集中参数系统的振动……………………………………………………………… 46
3.3.1 二自由度系统微分方程……………………………………………………… 47
3.3.2 实模态分析…………………………………………………………………… 48
3.3.3 固有振型的正交性、展开定理……………………………………………… 50
3.3.4 自由振动分析………………………………………………………………… 51
3.3.5 受迫振动分析………………………………………………………………… 52
习 题………………………………………………………………………………… 53
第4章 振动环境数据采集与分析………………………………………………………… 54
4.1 概 述……………………………………………………………………………… 54
4.2 振动传感器………………………………………………………………………… 55
4.2.1 惯性式传感器接收原理……………………………………………………… 55
4.2.2 压电式加速度传感器………………………………………………………… 59
4.2.3 压阻式加速度传感器………………………………………………………… 60
4.2.4 伺服式加速度传感器………………………………………………………… 62
4.2.5 相对式传感器………………………………………………………………… 63
4.3 传感器的选择和使用……………………………………………………………… 64
4.3.1 传感器的主要性能参数……………………………………………………… 64
4.3.2 传感器的安装………………………………………………………………… 65
4.4 放大器……………………………………………………………………………… 66
4.4.1 电压放大器…………………………………………………………………… 66
4.4.2 电荷放大器…………………………………………………………………… 69
4.5 滤波器……………………………………………………………………………… 70
4.5.1 低通滤波器…………………………………………………………………… 70
4.5.2 高通滤波器…………………………………………………………………… 71
4.5.3 带通滤波器和带阻滤波器…………………………………………………… 71
4.6 离散与量化………………………………………………………………………… 72
4.7 测量规划…………………………………………………………………………… 73
4.8 数据预处理………………………………………………………………………… 75
4.8.1 不合理点辨识及剔除………………………………………………………… 75
4.8.2 虚假趋势辨识及处理………………………………………………………… 76
4.8.3 信号削波辨识及处理………………………………………………………… 78
4.8.4 过大噪声辨识及处理………………………………………………………… 78
4.8.5 信号丢失辨识及处理………………………………………………………… 78
4.9 数据分离和检验…………………………………………………………………… 79
4.9.1 周期性检验与分离…………………………………………………………… 79
4.9.2 平稳性检验…………………………………………………………………… 81
4.9.3 正态性检验…………………………………………………………………… 83
4.10 数字分析基础…………………………………………………………………… 84
4.10.1 采样和频率混叠…………………………………………………………… 84
4.10.2 有限长度的影响…………………………………………………………… 86
4.11 随机振动统计量的数字分析…………………………………………………… 89
4.11.1 均值、方差和均方值分析…………………………………………………… 89
4.11.2 概率密度函数分析………………………………………………………… 89
4.11.3 自相关函数分析…………………………………………………………… 90
4.11.4 离散傅里叶变换…………………………………………………………… 90
4.11.5 自功率谱密度分析………………………………………………………… 91
习 题………………………………………………………………………………… 92
第5章 振动破坏与试验条件……………………………………………………………… 93
5.1 概 述……………………………………………………………………………… 93
5.2 峰值破坏…………………………………………………………………………… 94
5.2.1 穿越分析……………………………………………………………………… 94
5.2.2 窄带响应的峰值概率密度…………………………………………………… 95
5.2.3 峰值破坏模型………………………………………………………………… 98
5.2.4 随机振动与正弦振动的峰值等效关系……………………………………… 99
5.3 疲劳破坏………………………………………………………………………… 100
5.3.1 敏纳线性累积损伤模型…………………………………………………… 100
5.3.2 应力与寿命的关系………………………………………………………… 101
5.3.3 振动疲劳破坏……………………………………………………………… 102
5.3.4 正弦振动与随机振动的疲劳等效关系…………………………………… 102
5.4 功能试验条件编制……………………………………………………………… 104
5.4.1 作图包线法………………………………………………………………… 104
5.4.2 区间估计包线法…………………………………………………………… 105
5.4.3 正态单边容差上限法……………………………………………………… 106
5.5 耐久试验条件…………………………………………………………………… 109
5.5.1 状态包线法………………………………………………………………… 110
5.5.2 状态区域数据归纳法……………………………………………………… 110
5.6 振动环境预估…………………………………………………………………… 111
5.6.1 经验回归公式法…………………………………………………………… 112
5.6.2 相似型号外推法…………………………………………………………… 115
5.6.3 有限元法…………………………………………………………………… 116
5.6.4 统计能量法………………………………………………………………… 116
习 题………………………………………………………………………………… 117
第6章 振动环境试验……………………………………………………………………… 118
6.1 概 述…………………………………………………………………………… 118
6.2 振动环境模拟…………………………………………………………………… 118
6.3 正弦振动试验…………………………………………………………………… 121
6.3.1 定频试验…………………………………………………………………… 121
6.3.2 扫频试验…………………………………………………………………… 122
6.4 随机振动试验…………………………………………………………………… 125
6.4.1 随机振动均方根值计算…………………………………………………… 125
6.4.2 随机振动控制……………………………………………………………… 127
6.5 试验设备………………………………………………………………………… 129
6.5.1 电动振动台………………………………………………………………… 130
6.5.2 功率放大器………………………………………………………………… 133
6.5.3 夹 具……………………………………………………………………… 135
6.6 振动环境试验实施……………………………………………………………… 137
习 题………………………………………………………………………………… 139
第7章 模态试验分析……………………………………………………………………… 141
7.1 概 述…………………………………………………………………………… 141
7.2 模态测试技术…………………………………………………………………… 142
7.2.1 测试系统的组成…………………………………………………………… 142
7.2.2 试件安装方法……………………………………………………………… 144
7.2.3 激励方式…………………………………………………………………… 145
7.2.4 激励点与测试点的选择…………………………………………………… 150
7.2.5 测试精度的保证…………………………………………………………… 153
7.3 模态参数识别技术……………………………………………………………… 154
7.3.1 分量分析法………………………………………………………………… 156
7.3.2 导纳圆辨识法……………………………………………………………… 158
习 题………………………………………………………………………………… 162
第8章 振动环境适应性设计……………………………………………………………… 163
8.1 振动的危害及有关标准………………………………………………………… 163
8.1.1 振动对人员舒适性与健康的危害及相关标准…………………………… 163
8.1.2 振动对仪器设备的危害及相关标准……………………………………… 164
8.1.3 振动对结构的振动强度与振动耐久性的危害及相关标准……………… 165
8.1.4 振动对设备及结构系统的可靠性的危害及相关标准…………………… 165
8.2 振动控制技术的主要类型……………………………………………………… 165
8.2.1 隔振与减振………………………………………………………………… 165
8.2.2 阻尼材料附加减振和阻尼结构…………………………………………… 170
8.2.3 动力吸振…………………………………………………………………… 172
8.2.4 结构动力学设计和主动振动控制技术…………………………………… 176
8.3 航空、军工产品对减振的特殊要求……………………………………………… 178
8.3.1 引 言……………………………………………………………………… 178
8.3.2 航空产品对减振器的特殊要求…………………………………………… 178
8.3.3 航炮的振动分析…………………………………………………………… 179
习 题………………………………………………………………………………… 180
第9章 冲击响应谱与冲击试验…………………………………………………………… 181
9.1 冲击环境………………………………………………………………………… 181
9.1.1 半正弦冲击波形…………………………………………………………… 182
9.1.2 后峰锯齿冲击波形………………………………………………………… 183
9.2 冲击环境测量…………………………………………………………………… 184
9.3 经典冲击波形试验……………………………………………………………… 187
9.4 冲击响应谱……………………………………………………………………… 190
9.4.1 冲击失效机理……………………………………………………………… 190
9.4.2 冲击响应谱………………………………………………………………… 191
9.4.3 冲击响应谱与傅里叶谱的关系…………………………………………… 194
9.4.4 冲击响应谱的数字计算法………………………………………………… 194
9.5 冲击响应谱应用与试验………………………………………………………… 196
9.5.1 冲击波形的等效…………………………………………………………… 196
9.5.2 冲击响应谱匹配…………………………………………………………… 198
习 题………………………………………………………………………………… 199
参考文献……………………………………………………………………………………… 201