[发明专利]实现单轴与三轴随机振动应力等效的试验谱剪裁方法

说明书

本发明公开了一种实现单轴与三轴随机振动应力响应等效的试验谱剪裁方法，主要解决现有试验谱确定技术处理过程复杂的问题；其实施步骤是：1、提取单轴依次加载单轴振动加速度试验谱时振动系统上被关注点n的范氏等效应力最大值σ_max以及三轴同时加载时被关注点n的范氏等效应力值σ_xyz；计算两者比值a＝σ_max/σ_xyz；2、保持单轴振动加速度试验谱横坐标不变，将对应的纵坐标缩小a²倍，得到剪裁后的振动加速度试验谱。本发明能实现三轴振动时被关注点n的范氏等效应力值与单轴依次振动时范氏等效应力最大值一致，是一种确定三轴振动试验谱的简便方法，可用于建立三轴振动试验标准。

技术领域

本发明属于机械振动技术领域，特别涉及一种试验谱剪裁方法，可用于三轴振动试验。

背景技术

单轴随机振动试验条件一般来自试验标准和规范，但对于三轴随机振动试验条件的制定，目前并没有权威性的标准及规范可供参考。随着三轴振动试验台的引入，在三轴振动试验台上对振动系统如何加载合适的三轴振动试验谱是一个亟待解决的问题。

直接将传统的单轴振动试验标准作为三轴振动试验标准，可能会导致那些按照传统单轴振动试验标准设计的产品在实际三轴振动试验中会发生损伤的问题。三轴振动试验技术复杂，其试验成本大约是单轴振动试验的3至6倍，而且三轴振动试验方案设计效率低，通过摸底试验来探索三轴振动试验条件既存在试验风险又有较大的盲目性。

刘沫等在其发表的论文“卫星产品多轴随机振动试验条件制定方法初探”(刘沫,冯咬齐,何玲.卫星产品多轴随机振动试验条件制定方法初探[J].航天器环境工程,2013,30(02):155-159.)中提出了一种根据工程经验来评估试验谱量级的大概范围，进而给出多轴试验条件的方法。该方法存在的不足是：不同的振动系统之间由于存在很大的差异，因而依据工程经验评估给出试验条件具有较大的盲目性。

刘凯在其发表的论文“基于实测数据的空空导弹自由飞振动条件制定方法研究”(刘凯.基于实测数据的空空导弹自由飞振动条件制定方法研究[J].装备环境工程,2014,11(5):114-118.)中提出了一种基于空空导弹实测数据，其结合地面试验和动力学仿真分析共同修订出试验谱的方法。该方法存在的不足是：国内空空导弹试验实测数据样本很少，特别是导弹自由飞实测数据更少，而且获取数据的成本很大，数据处理分析过程复杂。

发明内容

本发明的目的在于提出一种实现振动系统单轴与三轴随机振动应力响应等效的加速度试验谱剪裁方法，以解决上述现有技术中存在的问题。

本发明的目的是这样实现的：

一、技术原理

根据线弹性和小应变假设前提下的有限元理论和随机振动理论，参考论文“Allegri G,Zhang X.On the inverse power laws for accelerated random fatiguetesting.International Journal of Fatigue[J].2008,30(6):967-977”中给出了每个有限元单元的应力响应功率谱与加速度激励功率谱之间的如下关系式：

其中，ω表示任意频率，上标(e)表示有限元中的任意单元；表示(e)的应力响应功率谱密度矩阵；D^(e)(x,y,z)表示(e)的包含结构材料和形函数的矩阵；U(ω)表示结构谐响应矩阵；Q表示用特定加速度分量代表(e)的运动的矩阵；表示(e)的加速度激励功率谱密度矩阵。

结合式<1>，保持加速度试验谱横坐标不变，假设对应纵坐标缩小ξ倍，即则应力响应功率谱改变为如下形式：

其中，σ表示应力，其响应的均方根值频域表达式为：