兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (2): 240138-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0138
冯蕴雯1,2, 杨容霁1,2, 薛小锋1,2,*(), 刘佳奇1,2, 高涛3
收稿日期:
2024-02-29
上线日期:
2025-02-28
通讯作者:
基金资助:
FENG Yunwen1,2, YANG Rongji1,2, XUE Xiaofeng1,2,*(), LIU Jiaqi1,2, GAO Tao3
Received:
2024-02-29
Online:
2025-02-28
摘要:
机电产品高加速剖面制定方法存在剖面关键要素与激励失效机制关联性不明确、故障激发效率低、试验成本高等问题。为打通累积损伤与振动试验剖面关键要素之间的关联机制,提出基于反馈近似损伤的振动加速激励设计方法,通过动态控制损伤增量,实现对振动试验剖面的精细化设计。结合振动损伤机制分析与功率谱密度频域解析技术,量化振动激励与累积损伤之间的映射关系,建立振动激励-损伤对应模型(Vibration Excitation-Damage Corresponding Model,CM-VED),以某型引信振动高加速步进试验为例验证所提方法的有效性。研究结果表明:获得的振动高加速试验剖面较标准固步法破坏极限激发精度提高60%,在保证高激发精度的基础上时间较均分法缩短33.33%;所提CM-VED可为建立激励-损伤对应关系提供理论依据;所提基于反馈近似损伤的振动加速激励设计方法可在保证激发精度的前提下降低试验成本,为机电产品振动高加速试验剖面设计提供技术支撑。
中图分类号:
冯蕴雯, 杨容霁, 薛小锋, 刘佳奇, 高涛. 基于反馈近似损伤的振动加速激励设计方法[J]. 兵工学报, 2025, 46(2): 240138-.
FENG Yunwen, YANG Rongji, XUE Xiaofeng, LIU Jiaqi, GAO Tao. A Design Method of Vibration Accelerated Excitation Based on Feedback Approximate Damage[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(2): 240138-.
符号 | 名称 | 含义 |
---|---|---|
| 或门 | 输入端只要有一个事件出现时即有输出 |
| 基本事件 | 导致顶事件发生的最基本的或不能再向下分析的原因,是底事件的一种 |
| 结果事件 | 由其他事件或事件组合导致的事件,分为顶事件和中间事件 |
表1 故障树逻辑门、事件符号
Table 1 Fault tree logic gates and event symbols
符号 | 名称 | 含义 |
---|---|---|
| 或门 | 输入端只要有一个事件出现时即有输出 |
| 基本事件 | 导致顶事件发生的最基本的或不能再向下分析的原因,是底事件的一种 |
| 结果事件 | 由其他事件或事件组合导致的事件,分为顶事件和中间事件 |
振动载荷/ Grms | 元器件最大等效应力值/MPa | 各级载荷下的 损伤 | ||
---|---|---|---|---|
1σ | 2σ | 3σ | ||
5 | 20.3 | 40.6 | 60.9 | 1.059×10-4 |
8 | 32.6 | 65.2 | 97.8 | 1.799×10-3 |
11 | 44.8 | 89.6 | 134.4 | 0.0120 |
14 | 56.9 | 113.8 | 170.7 | 0.0503 |
17 | 69.2 | 138.4 | 207.6 | 0.1620 |
20 | 81.5 | 163.0 | 244.5 | 0.4310 |
21 | 85.5 | 171.0 | 256.5 | 0.5740 |
22 | 89.6 | 179.2 | 268.8 | 0.7600 |
表2 大电容应力、累积损伤分析结果
Table 2 Analyed results of large capacitance stress and cumulative damage
振动载荷/ Grms | 元器件最大等效应力值/MPa | 各级载荷下的 损伤 | ||
---|---|---|---|---|
1σ | 2σ | 3σ | ||
5 | 20.3 | 40.6 | 60.9 | 1.059×10-4 |
8 | 32.6 | 65.2 | 97.8 | 1.799×10-3 |
11 | 44.8 | 89.6 | 134.4 | 0.0120 |
14 | 56.9 | 113.8 | 170.7 | 0.0503 |
17 | 69.2 | 138.4 | 207.6 | 0.1620 |
20 | 81.5 | 163.0 | 244.5 | 0.4310 |
21 | 85.5 | 171.0 | 256.5 | 0.5740 |
22 | 89.6 | 179.2 | 268.8 | 0.7600 |
标号 | 元器件名称 | 标号 | 元器件名称 |
---|---|---|---|
A | 场控晶闸管(MOS Controlled Thyristor,MCT) | G | 电压比较器b |
B | 金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET) | H | 二极管 |
C | 电压比较器a | I | 贴片电阻 |
D | A/D转换器 | J | 变压器 |
E | 信号调理器 | K | 陶瓷电阻 |
F | 升压芯片、降压芯片 | L | 三极管 |
表3 内部结构模块元器件
Table 3 Corresponding table of internal structure module component names
标号 | 元器件名称 | 标号 | 元器件名称 |
---|---|---|---|
A | 场控晶闸管(MOS Controlled Thyristor,MCT) | G | 电压比较器b |
B | 金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET) | H | 二极管 |
C | 电压比较器a | I | 贴片电阻 |
D | A/D转换器 | J | 变压器 |
E | 信号调理器 | K | 陶瓷电阻 |
F | 升压芯片、降压芯片 | L | 三极管 |
故障 模式 | 局部 影响 | 最终 影响 | 故障原因 | 串联元器件类型 |
---|---|---|---|---|
电压 变换 异常 | 高压点 火电路 不能正 常点火 | 引信 瞎火 | 高压变化 单元异常 | 变压器、二极管、贴片电阻、升压芯片 |
反馈控制 单元异常 | MCT、比较电路芯片a、A/D转换器、信号调理器 | |||
发火 储能 不足 | 雷管 无法 起爆 | 引信 瞎火 | 储能电路 单元异常 | 贴片电阻、二极管、三极管 |
起爆触发 单元异常 | 陶瓷电阻、MOSFET、比较电路芯片b |
表4 某型引信故障模式分析表
Table 4 Analysis table for fault modes of a certain fuze
故障 模式 | 局部 影响 | 最终 影响 | 故障原因 | 串联元器件类型 |
---|---|---|---|---|
电压 变换 异常 | 高压点 火电路 不能正 常点火 | 引信 瞎火 | 高压变化 单元异常 | 变压器、二极管、贴片电阻、升压芯片 |
反馈控制 单元异常 | MCT、比较电路芯片a、A/D转换器、信号调理器 | |||
发火 储能 不足 | 雷管 无法 起爆 | 引信 瞎火 | 储能电路 单元异常 | 贴片电阻、二极管、三极管 |
起爆触发 单元异常 | 陶瓷电阻、MOSFET、比较电路芯片b |
振动载荷/ Grms | 元器件最大等效应力值/MPa | 各级载荷 下的损伤 | 合计损 伤值 | ||
---|---|---|---|---|---|
1σ | 2σ | 3σ | |||
5 | 17.136 | 34.272 | 51.408 | 3.840×10-5 | 0.768 |
10 | 34.295 | 68.590 | 102.885 | 0.00240 | |
15 | 51.439 | 102.878 | 154.317 | 0.0275 | |
20 | 68.590 | 137.180 | 205.770 | 0.154 | |
25 | 85.744 | 171.488 | 257.232 | 0.584 | |
30 | 102.890 | 205.780 | 308.670 | 1.738 | 2.510 |
表5 大陶瓷电阻管脚最大等效应力、损伤值(x轴)
Table 5 Maximum equivalent stress and damage value of large ceramic resistor pin (x-axis)
振动载荷/ Grms | 元器件最大等效应力值/MPa | 各级载荷 下的损伤 | 合计损 伤值 | ||
---|---|---|---|---|---|
1σ | 2σ | 3σ | |||
5 | 17.136 | 34.272 | 51.408 | 3.840×10-5 | 0.768 |
10 | 34.295 | 68.590 | 102.885 | 0.00240 | |
15 | 51.439 | 102.878 | 154.317 | 0.0275 | |
20 | 68.590 | 137.180 | 205.770 | 0.154 | |
25 | 85.744 | 171.488 | 257.232 | 0.584 | |
30 | 102.890 | 205.780 | 308.670 | 1.738 | 2.510 |
步进顺序 | 振动载荷/Grms | 各级载荷下的损伤 | 合计损伤值 |
---|---|---|---|
1 | 5.00 | 3.865×10-5 | 0.839 |
2 | 10.00 | 0.00240 | |
3 | 15.00 | 0.0276 | |
4 | 17.35 | 0.0659 | |
5 | 19.35 | 0.1270 | |
6 | 21.35 | 0.2280 | |
7 | 23.35 | 0.3890 | |
8 | 25.35 | 0.6360 | 1.468 |
表6 反馈近似损伤法剖面步长划分
Table 6 Profile step division of feedback approximate damage method
步进顺序 | 振动载荷/Grms | 各级载荷下的损伤 | 合计损伤值 |
---|---|---|---|
1 | 5.00 | 3.865×10-5 | 0.839 |
2 | 10.00 | 0.00240 | |
3 | 15.00 | 0.0276 | |
4 | 17.35 | 0.0659 | |
5 | 19.35 | 0.1270 | |
6 | 21.35 | 0.2280 | |
7 | 23.35 | 0.3890 | |
8 | 25.35 | 0.6360 | 1.468 |
步进顺序 | 试验振动载荷/Grms | 步长/Grms | 测试结果 |
---|---|---|---|
1 | 5 | 5 | 正常 |
2 | 10 | 5 | 正常 |
3 | 15 | 5 | 正常 |
4 | 17.35 | 2.35 | 正常 |
5 | 19.35 | 2 | 正常 |
6 | 21.35 | 2 | 正常 |
7 | 23.35 | 2 | 正常 |
8 | 25.35 | 2 | 异常 |
9 | 23.35 | -2 | 异常 |
表7 试验振动载荷与测试结果
Table 7 Test vibration load and test results
步进顺序 | 试验振动载荷/Grms | 步长/Grms | 测试结果 |
---|---|---|---|
1 | 5 | 5 | 正常 |
2 | 10 | 5 | 正常 |
3 | 15 | 5 | 正常 |
4 | 17.35 | 2.35 | 正常 |
5 | 19.35 | 2 | 正常 |
6 | 21.35 | 2 | 正常 |
7 | 23.35 | 2 | 正常 |
8 | 25.35 | 2 | 异常 |
9 | 23.35 | -2 | 异常 |
步进顺序 | 振动载荷/Grms | 各级载荷下的损伤 | 合计损伤值 |
---|---|---|---|
1 | 5 | 3.840×10-5 | 0.768 |
2 | 10 | 0.00240 | |
3 | 15 | 0.0275 | |
4 | 20 | 0.1540 | |
5 | 25 | 0.5840 | |
6 | 30 | 1.7380 | 2.510 |
表8 标准固步法剖面步长划分
Table 8 Divided profile step size of standard fixed step method
步进顺序 | 振动载荷/Grms | 各级载荷下的损伤 | 合计损伤值 |
---|---|---|---|
1 | 5 | 3.840×10-5 | 0.768 |
2 | 10 | 0.00240 | |
3 | 15 | 0.0275 | |
4 | 20 | 0.1540 | |
5 | 25 | 0.5840 | |
6 | 30 | 1.7380 | 2.510 |
步进顺序 | 试验振动载荷/Grms | 步长/Grms | 测试结果 |
---|---|---|---|
1 | 5 | 5 | 正常 |
2 | 10 | 5 | 正常 |
3 | 15 | 5 | 正常 |
4 | 20 | 5 | 正常 |
5 | 25 | 5 | 正常 |
6 | 30 | 5 | 异常 |
7 | 25 | -5 | 异常 |
表9 标准固步法试验振动载荷与测试结果
Table 9 Test vibration load and test results of standard fixed step method
步进顺序 | 试验振动载荷/Grms | 步长/Grms | 测试结果 |
---|---|---|---|
1 | 5 | 5 | 正常 |
2 | 10 | 5 | 正常 |
3 | 15 | 5 | 正常 |
4 | 20 | 5 | 正常 |
5 | 25 | 5 | 正常 |
6 | 30 | 5 | 异常 |
7 | 25 | -5 | 异常 |
步进顺序 | 振动载荷/Grms | 各级载荷下的损伤 | 合计损伤值 | |
---|---|---|---|---|
1 | 2 | 1.613×10-7 | 0.578 | |
2 | 4 | 1.018×10-5 | ||
3 | 6 | 0.000110 | ||
4 | 8 | 0.000640 | ||
5 | 10 | 0.00243 | ||
6 | 12 | 0.00725 | ||
7 | 14 | 0.0182 | ||
8 | 16 | 0.0405 | ||
9 | 18 | 0.0820 | ||
10 | 20 | 0.154 | ||
11 | 22 | 0.272 | ||
12 | 24 | 0.458 | 1.036 |
表10 均分法剖面步长划分
Table 10 Divided profile step size of the averaging method
步进顺序 | 振动载荷/Grms | 各级载荷下的损伤 | 合计损伤值 | |
---|---|---|---|---|
1 | 2 | 1.613×10-7 | 0.578 | |
2 | 4 | 1.018×10-5 | ||
3 | 6 | 0.000110 | ||
4 | 8 | 0.000640 | ||
5 | 10 | 0.00243 | ||
6 | 12 | 0.00725 | ||
7 | 14 | 0.0182 | ||
8 | 16 | 0.0405 | ||
9 | 18 | 0.0820 | ||
10 | 20 | 0.154 | ||
11 | 22 | 0.272 | ||
12 | 24 | 0.458 | 1.036 |
步进顺序 | 试验振动载荷/Grms | 步长/Grms | 测试结果 |
---|---|---|---|
1 | 2 | 2 | 正常 |
2 | 4 | 2 | 正常 |
3 | 6 | 2 | 正常 |
4 | 8 | 2 | 正常 |
5 | 10 | 2 | 正常 |
6 | 12 | 2 | 正常 |
7 | 14 | 2 | 正常 |
8 | 16 | 2 | 正常 |
9 | 18 | 2 | 正常 |
10 | 20 | 2 | 正常 |
11 | 22 | 2 | 正常 |
12 | 24 | 2 | 异常 |
13 | 22 | -2 | 异常 |
表11 均分法试验振动载荷与测试结果
Table 11 Vibration load and test results of the equal distribution method test
步进顺序 | 试验振动载荷/Grms | 步长/Grms | 测试结果 |
---|---|---|---|
1 | 2 | 2 | 正常 |
2 | 4 | 2 | 正常 |
3 | 6 | 2 | 正常 |
4 | 8 | 2 | 正常 |
5 | 10 | 2 | 正常 |
6 | 12 | 2 | 正常 |
7 | 14 | 2 | 正常 |
8 | 16 | 2 | 正常 |
9 | 18 | 2 | 正常 |
10 | 20 | 2 | 正常 |
11 | 22 | 2 | 正常 |
12 | 24 | 2 | 异常 |
13 | 22 | -2 | 异常 |
序号 | 方法 | 步长/Grms | 破坏极限区间/Grms | 激发精度对比 | 总时间/min | 总时间对比 | 故障部位 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 反馈近似损伤法 | 5;2.35;2 | [23.35,25.35] | 80 | 大陶瓷电阻 | ||
2 | 标准固步法 | 5 | [25,30] | 1对比2:60% | 60 | 1对比2:-33% | 大陶瓷电阻 |
3 | 均分法 | 2 | [22,24] | 1对比3:0 | 120 | 1对比3:33% | 大陶瓷电阻 |
表12 步长划分方法对比
Table 12 Comparison of step size division methods
序号 | 方法 | 步长/Grms | 破坏极限区间/Grms | 激发精度对比 | 总时间/min | 总时间对比 | 故障部位 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 反馈近似损伤法 | 5;2.35;2 | [23.35,25.35] | 80 | 大陶瓷电阻 | ||
2 | 标准固步法 | 5 | [25,30] | 1对比2:60% | 60 | 1对比2:-33% | 大陶瓷电阻 |
3 | 均分法 | 2 | [22,24] | 1对比3:0 | 120 | 1对比3:33% | 大陶瓷电阻 |
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