振动试验中常见问题的分析
振动试验是力学环境试验的一种，它是在试验室模拟产品在运输、使用和工作过程中可能承受外来的振动或自身产生的振动时，产品不被破坏而保持原有性能。
由于振动试验涉及专业面宽，内容很广，技术人员在进行产品设计、制定试验规范以及进行振动试验操作时，经常会被振动试验条件的制定、夹具的设计等问题所困扰，下面就这几个问题进行分析并提出解决方案。
1振动试验条件的制定
1．1试验条件确定的原则
国军标给出了振动试验的各种严酷等级，在制定试验规范时可参考和选择。确定振动条件的基本原则是根据实测数据，也就是说，从产品的实际使用状态测得的数据来确定振试验的条件。应尽可能用测量数据来确 定振动条件。由于受传感器数量、测点的可及性等原因所限，测量可能无法涵盖所有极端工况。另外，试验还 受到实施条件的限制，如用单轴振动替代多轴振动，用试验夹具模拟支撑平台等。当采用实测数据来确定试验 条件时，应增加裕度来代表这些因素。但是，很多产品在研制过程中就要进行振动试验，无法采用实测数据的方法。可以采用预示振动环境的方法来确定振动试验条 件 。
( 1) 使用与试验产品结构相似、使用环境相近的产品的试验条件。
( 2) 对振源进行分析，对产品的结构进行力学响应计算，根据经验制定出振动试验条件。
1．2试验参数的确定
1．2．1激振力
振动试验所需的激振力是由振动台总的加载质量和最大试验加速度的乘积决定的，满足 F= ma。
F为激振力(单位：N)，m为振动台总的加载质量(单位：)，a为最大试验加速度 (单位：m／s )，振动台总的加载质量 m=m1+m2 +m3 +m4，如图1所示，其中：
M1 为振动台运动部件的质量
M2 为附加台面或水平滑台的质量
M3 为试验夹具的质量
M4 为试件的质量
则F=ma=(m1 +m2 +m3 +m4)a
实施试验时，振动台的额定推力 Fn必须大于试验所需的激振力 F。试验所需的激振力可以根据以上的公式进行估算。根据笔者的经验，为了更好地满足试验要求而不损坏振动试验台，一般选取F≤0．8 Fn。
例如：振动台的额定推力为40k N，振动台运动部件57 kg，附加台面33 kg，试件2 5k g，夹具1 5k g，试验最大加速度为3 0 0m／s ，则试验所需垂直激振力为：
F=(57+33+25+1 5) ×200=26kN
由计算结果得知，振动台是可以满足试验要求的，但如果要做水平方向的话，还应考虑水平滑台的重量。
在实际试验中，会出现两种问题，一是所需推力远远小于振动台的额定推力，这种试验可以做，但不经济。对于大推力的振动台，使用时应考虑其经济效益，不应该用大推力的振动台做很小的试件。二是估算的试验所需推力超过了额定推力的 8 0％，但超的不多，这种情况 可以做试验，因为所需推力为估算值，不是精确计算。
最好的方法是试振，先用试验量级的一半进行试验，观察输出电流和电压，记下最大输出电流和电压，然后按线性放大一倍看是否超过额定的电流和电压，如果不超过，则试验可以进行。
1．2．2位移、频率、速度和加速度之间的关系在正弦振动试验中，频率、位移、速度和加速度之 间存在以下关系：
其中：a为加速度 (单位：m／s )，v为速度 (单位：m／s)，d为位移(单位：mm)，f为频率 (单位：Hz)。
1．2．3频率范围
频率范围一般在2 00 0Hz以内，因为学界普遍认为200 0Hz是机械传递振动的最高频率，最低频率一般选择结构最低共振频率的一半，或环境中明显振动的最低频率。
应该注意，正弦振动和随机振动没有简单等价关系。正弦振动和随机振动的表示方法是两种截然不同的数学理论，其在装备上的作用效果与装备的动态特性相关，给不出简单的等效关系，大家经常用正弦振动峰值来等价随机振动的均方根值，但是二者除了具有相同的单位外，存在本质的不同，它们不能进行等价。
经过研究，正弦振动和随机振动在振动强度中按疲劳损伤原理存在某种等效，即：
其中：A 为等效正弦振幅，r为正态化系数，w是频率为的谱密度值，f为频率，Q为放大系数。
这个公式一般用于正弦扫描代替随机振动，但使用 条件是在共振峰附近，只适用于疲劳强度的等效。
2夹具的设计
通常，振动台面上有许多安装螺孔，试件也有安装固定孔。这两者的孔一般是不一致的。为了将试件牢固的固定于振动台面上就必须使用夹具。初看起来夹具仅是连接或转接件，似乎很简单，但实际上夹具是个相当复杂的问题，因为振动夹具不仅要将试件和振动台面连接在一起，而且还能将振动力不失真地传递给试件。而振动力的传递与频率有关，低频一般比较简单，高频就难了。因为夹具也有共振频率，在夹具共振时，振动力的传递肯定失真。
如果夹具选择不好，除了会使试件受到失真的振动考核外，还可能使振动控制变得困难，有些地方超差很严重，甚至使试验难以进行 。
2．1控制夹具材料固有频率的因素是比刚度(E／p)，E为杨氏模量，p为材料密度。比刚度大意味着质量轻而刚度大，对推力影响小。
2．2由于夹具的谐振频率 f n取决于各个部件的谐振频率，形状复杂的夹具的共振峰有增高的趋势，所以夹具的设计应尽量简单。
2．3根据振动传递的数据表明，试件的一阶谐振频和夹具的一阶谐振频率的比值应限制在 0．5 ～1．4之间，如果超出此范围时应增加阻尼或采取相应的自动增益控制和功率储备。
在大型复杂夹具上的大型试件经常在试验频率范围内出现夹具的共振现象。即使振动台和夹具系统设计的很好，类似的问题在小试件中也可能发生。这是因为夹具的最低共振频率一般都大于 2 0 00Hz，这些共振会在试件的特定频率和特定位置上导致过试验或欠试验。当夹具和试件耦合共振时，结果可能是灾难性的。