Глава XXI. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СОСТОЯНИИ ПРИ СЛУЧАЙНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Цель испытаний. Многочисленные исследования реальных вибраций различных подвижных объектов (самолетов, ракет, автомобилей, судов, железнодорожных вагонов и т. п.) показывают, что эти вибрации являются случайными функциями времени [14, 20, 22]. Их статистические характеристики определяются в результате обработки записей реальной вибрации. Целью испытаний является воспроизведение на вибростенде вибрации с заданными статистическими характеристиками в контрольных точках испытуемого изделия. Поскольку в качестве заданных статистических характеристик используются результаты обработки натурных вибраций, испытания случайной вибрацией наиболее точно воспроизводят реальное вибрационное состояние испытуемого изделия.

Схемы нагружения. Испытания широкополосной случайной вибрацией обычно проводят при возбуждении объекта в одной точке и в одном направлении. Контроль вибрации, как правило, ведут в нескольких точках. В последнее время все шире используют многоточечное вибровозбуждение (см. гл. XIV), что позволяет точнее воспроизвести реальное вибрационное состояние. При этом анализируют векторный вибрационный процесс, компонентами которого являются вибрации в отдельных точках и направлениях. Соответствующие испытательные системы являются многомерными.

Принимаемые гипотезы. При организации испытаний случайной вибрацией принимают две гипотезы [14, 20, 22]: 1) о нормальности закона распределения случайных вибраций; 2) о локальной стационарности случайных вибраций. Обоснование первой гипотезы заключается в том, что вибрационное состояние изделия можно рассматривать как суперпозицию различных случайных процессов, порождаемых статистически независимыми источниками. Следует учесть также, что если вибродатчик расположен в таком месте конструкции, где проявляются ее фильтрующие свойства, то закон распределения выходного сигнала этого датчика приближается к нормальному. Существует достаточно большое число экспериментальных работ,

подтверждающих эту гипотезу [14, 22]. Вторая гипотеза предполагает, что статистические характеристики вибрации изменяются достаточно медленно во времени. Это позволяет считать, что некоторые усредненные характеристики, вычисленные в определенном временном интервале, дают адэкватное описание вибрационного состояния на этом отрезке времени. Такое предположение оправдывается для широкого класса объектов испытаний и вибрационных режимов [14]. Оно не выполняется при ударных воздействиях (испытания ударом рассмотрены в гл. XXII).

Спектральные характеристики случайной вибрации. Свойства вибрации как стационарного центрированного нормального процесса полностью определяются в общем (векторном) случае ковариационной матрицей или ее преобразованием фуре - матрицей спектральных плотностей. В частном (скалярном) случае процесс характеризуется корреляционной функцией или спектральной плотностью. Поскольку испытуемые конструкции являются многорезонансиыми динамическими системами с ярко выраженными частотно-избирательными свойствами, спектральные характеристики (собственные и взаимные спектры) наиболее наглядны и имеют определяющее значение для инженера-испытателя. Режим испытаний случайной вибрацией определяется спектральной плотностью виброускорения, контролируемого в одной точке и в одном направлении, или матрицей спектральных плотностей при анализе векторной вибрации.

Вибрационные испытания в широкой полосе охватывают обычно частотный диапазон в одну-две декады. Случайная узкополосная вибрация возбуждается и исследуется в полосе единиц или десятков герц.

Основные требования к виброиспытаниям. При проведении испытаний формулируют требования к следующим параметрам:

1) диапазону частот спектра вибраций в контрольных точках испытуемого изделия, которые определяются условиями нормальной эксплуатации изделия;

2) продолжительности испытаний, которая ограничивается испытательным ресурсом изделия;

3) времени настройки системы на заданный режим;

4) точности воспроизведения и поддержания заданных спектральных характеристик в ходе испытаний.

В табл. 1 приведены примерные численные значения этих параметров для испытаний подвижных объектов [9, 14, 22].

I. Параметры испытаний подвижных объектов

(см. скан)

Из табл. 1 следует, что в ходе испытаний за короткое время необходимо воспроизвести заданные спектральные характеристики вибраций в широком диапазоне частот и с достаточно высокой точностью. Решение этой задачи для одномерных и в особенности для многомерных систем невозможно без применения автоматизированных систем управления виброиспытаниями. Именно поэтому современные испытания случайной вибрацией являются автоматизированным машиноуправляемым экспериментом, методика проведения которого неразрывно связана со структурой информационно-управляющей системы,