正弦振动试验能力验证设计要点
时间：2023-02-16 21:40:02 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
胡凯，王钊桐，翦文斌，张旺威，张仕彬
（威凯检测技术有限公司，广州 510663）
正弦振动是振动试验的基础性试验，行业应用广泛，且经常被运用于找出试验对象的结构缺陷，给开发设计者提供参考性的结构改进；
而随机振动试验专业性强且主要运用于考核试验对象在实际使用、运输过程中的寿命耐久。对于正弦振动试验，实验室往往根据标准GB/T 2423.10在进行振动试验时，通常先寻求共振，然后在共振频率按照规定的时间进行耐久试验。由此可以看出，参与正弦振动能力验证活动的重要性，它可以帮助实验室发现存在的问题，并且可以帮助实验室的维持试验能力水平。因此文章基于正弦振动试验方法，提供全面性的试验条件和可靠性高的能力验证样品，通过定量数据直观、客观地评价参与者的能力水平，并对试验过程优化改进，提高实验室试验能力。
结合标准GB/T 2423.10，并借助经典共振原理，即一个相对简单的物理系统所受激励频率与其固有频率无限接近时，该物理系统以最大振幅进行运动。可以设计一个相对简单的验证样品，在保证验证样品的共振点的均匀性和稳定性前提下，提供一个较为简单的正弦振动试验条件，让不同参加的实验室通过相同的正弦振动试验条件，从而找出相同样品的共振频率点，以共振频率点的偏离程度来评价参与实验室的振动试验能力。
对于能力验证样品的设计，是能力验证提供者的重要设计环节也是设计难点之一。因为要确保验证样品的稳定性和均匀性，以使每个参加实验室都能够在具有可比性的样品下进行最终的结果比对。所以，振动能力验证需要考虑以下3个要素。
2.1 样品的共振频率需要得以明确
共振频率fn也称之为固有频率[3]，它的大小与样品的刚度和质量有关，在结构设计上可以通过改变质量而改变样品的固有频率fn。因此，样品的共振频率确定同时，其重量不适宜太重，且应当选择刚性足够大的材料进行样品的设计与制作。
2.2 样品应具有敏感的频率特性、稳定的结构特性和便利的可操作性
具体要求为在某个或某几个频率点上，样品应具有很大的响应输出；
当试验频率稍微偏离上述频率点时，样品的响应要迅速减少。样品结构应简单稳定，在实验室间循环往复传递时运输环境对其结构影响小。为确保振动量值100 %传递到样品，应尽可能减少样品与拓展台面或夹具之间转接，考虑直接与振动台通过足够数量螺栓进行刚性固定[2]。样品表面有能紧固安装传感器的位置，对粘贴的监测传感器位置和质量偏差敏感度较低。
综上所述，正弦振动能力验证样品的设计结构如图1所示。
图1 镁铝合金材质的振动能力验证样品示意图
2.3 样品的均匀性评定和稳定性评定[1]
根据正弦振动能力验证试验条件：振动方向：上下方向（Z轴向），试验频率范围：（10～150）Hz，加速度幅值：0.2 g，扫频速率：1 Oct/min，进行一次共振搜索，当出现最大幅值比时确定并记录共振频率。以上述条件同样作为验证的基础条件进行分析。
2.3.1 样品的均匀性评定结果
制作32个能力验证样品并将所有样品分别进行上述正弦振动能力验证试验条件，每个重复测试2次。所有测得的共振频率（如表1所示）最后利用单因子方差分析法[4]对能力验证物品共振频率的均匀性进行分析。
表1 能力验证样品（32个）的共振频率结果
对上述32个能力验证样品的共振频率进行评定，得出以下结果（如表2所示）：
表2中，SS1代表样品间的平方和，SS2代表样品内的平方和，f1代表样品间的自由度，f2代表样品内的自由度，MS1代表样品间的均方，MS2代表样品内的均方，F代表样品间和样品内的统计量。每个符号代表的公式分别如下：
式中：
ni—第i个样品的第n次，i≤32、n≤2；
m—样品的总数。
式中：
Xij—第i个样品第j次的共振频率；
ni—第i个样品的第n次，i≤32、n≤2；
m—样品的总数。
式中：
f1—样品间的自由度；
f2—样品内的自由度；
m—样品的总数；
N—总测试次数。
式中：
f1—样品间的自由度；
f2—样品内的自由度；
SS1—样品间的均方；
SS2—样品内的均方。
式中：
MS1—样品间的均方；
MS2—样品内的均方。
结合表2的数据可以直观得出，F统计量值=1.19＜自由度为（31，32）及给定显著性α=0.05的临界值Fα=0.05（31，32），以此表明样品内和样品间无显著差异，样品是均匀的。
表2 能力验证样品（32个）的共振频率分析结果
2.3.2 样品的稳定性评定结果
在32个能力验证样品内随机抽取10 %的样品，每个样品按照试验条件先后重复测试6次。所有测得的共振频率（如表3所示）最后利用t检验[5]法对能力验证物品共振频率的稳定性进行评定。
表3 能力验证样品（3个）的共振频率结果
对上述随机3个能力验证样品的共振频率进行评定，得出以下结果（如表4所示）：
表4中，X代表样品的均值，S代表样品的标准差，而Ti代表样品T统计值。Ti的计算公式如下：
式中：
X1—前6次试验的共振频率的平均值；
X2—后6次试验的共振频率的平均值；
S1—前6次试验的共振频率的标准偏差；
S2—后6次试验的共振频率的标准偏差；
n1—前6次的试验总次数；
n2—后6次的试验总次数。
结合表4的数据可以直观得出，样品编号1～样品编号3的T统计值分别为0.93、0.90、0.75，均小于自由度为n1+n2-2的临界值Tα=0.05（10），以此表明每个样品的共振频率都是稳定的。
表4 能力验证样品（随机选取3个）的共振频率分析结果
由此可见，正弦振动试验能力验证的样品在设计阶段利用单因子方差分析法和T值检验法对样品的共振频率进行分析，不仅可以确认其均匀性和稳定性，还可以帮助我们找出缺陷能力验证样品。
正弦振动试验能力验证计划依据《CNAS-GL002能力验证结果的统计处理和能力评价指南》进行，对样品的共振频率需要稳健统计和处理，则以中位值作为指定值，标准化IQR作为能力评定标准差，对各实验室的试验结果进行统计分析，得出实验室的Z[1]比分数。能力评价如下：≤2为满意结果；
2＜＜3为有问题结果；
＞3为不满意结果。
本文根据标准GB/T 2423.10中正弦振动试验基本方法，结合振动试验设备和样品流转实际过程中的局限性。进而对正弦振动能力验证设计的设计原理、样品的均匀性和稳定性进行简单的论证。可见，对于正弦振动能力验证，样品的稳定性和均匀性尤其重要，它将直接影响参与者的最终结果。
最后，根据正弦振动能力验证实施过程中的问题，对于参与者也提供以下建议。第一，样品的刚性固定是进行能力验证的最基本条件，只有刚性固定可以确保样品能够良好地响应规定的振动试验参数，从而达到预定的试验效果。安装时要避免出现“悬臂梁”现象，即样品的某一端固定而另一端处于悬空状态。第二，在样品安装过程中，每增加一个过渡环夹具，都会带来振动响应损失或其他不确定性。因此，样品应直接固定在振动台本体上（或选用尽量简单的夹具与振动台动圈进行刚性连接），尽量避免多级“串联”的多自由度安装固定方式。
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