全轴随机振动应力特性及激发效果

1、2006年 6月强度与环境 Jue.2006第 33卷第 2期 STRUCTURE & ENVIRONMENT ENGINEERING V ol.33, No.2全轴随机振动应力特性及激发效果 袁宏杰 姜同敏(北京航空航天大学工程系统工程系 ,北京 100083摘要:针对新型的可靠性强化试验设备 全轴台 , 对其全轴随机振动的动态特性 和激发效果进行研究。 基于实测全轴台的随机振动信号 , 给出数字表征 循环平稳 的服从超高斯分布的随机振动 , 但低频能 量不足, 并给出了全轴随机振动各轴向振 动的相互关系及应力分布。 为研究全轴台对电子产品缺陷的 激发效果 ,应用全轴台 和电动台对分

2、立元件级电路板 ,简单数字、模拟的电路板 ,成熟产品的电路板 进行可 靠性强化试验 , 试验结果表明 :其对缺陷的激发效果不如电动台 , 仅当产品的模态频 率与全轴 台振动频率一致时 ,才具有较好的激发效果。关键词:可靠性试验;可靠性强化试验 ;高加速寿命试验 ;高加速应力筛选中图分类号 :TP13 文献标识码 :A 文章编号 :1006-3919(200602-0001-05Characteristics of Omni-Axes Random Vibration Envionment and Its Stimulation EffectYUAN Hong-jie JIANG Tong-mi

3、n(Dept. of System Engineering of Engineering Technology, Beijing University of Aeronautics andAstronautics , Beijing 100083, ChinaAbstract :T he repetitive shock machine is the most advanced equipment of reliability enhancement test at present. Its characteristics of Non-Gaussian and cyclostationary

4、 is validated based the sampled vibration signal. It has more advantages in spectral bandwidth and peak probability distribution, But it can ' t control frequency spectrum and has less energy in low frequency. The vibration test result of different type PCB in Electro-Dynamic shakers and repetit

5、ive shock machine showes the ElectroDynamic shakers can find more defects than it, Only when the repetition rate of repetitive shock machine is at a harmonic of the PCB natural resonance, It will aid in finding defects.Key words:reliability test; reliability enhancement test; HALT ; HASS1 引言随着电子产品在研

6、制阶段的环境应力筛选、可靠性鉴定等试验技术的发展日趋 成熟 ,为减收稿日期 :2006-04-14; 修回日期 :2006-05-10作者简介 : 袁宏杰 (1970-,男,副教授,研究方向 :可靠性与环境试验 ,测控技术; (100083 北京航空航 天大学工程系统工程系 .姜同敏 (1949-,男,研究方向 :可靠性与环境试验 ; (100083北京航空航天大学工 程系统工程系 .2 强 度与 环境 2006年 少试验费用, 必须研究新的技术。 可靠性强化试验就 是在此背景下提出和发展的 1 。 可靠性强化 试验通过施加环境应力和工作应力 , 激发故障 ,暴露产品设计的薄弱环节 ,提高产品

7、的可靠性。 可靠性强化试验在美国的 航天、 航空部门获得了广泛的应用 2。 国内的可靠性强化试验技术处于 跟踪状 态,应用较少 ,对其核心技术的掌握仍然不清晰 ,限制了可靠性强化试验技术在我国的 应用。目前可靠性强化试验大多采用了一种新型超高应力试验系统,即以液氮制冷技术来实现超 高降温的高温变速率的温度循环环境 ; 以气锤连续冲击多向激励技术 实现三轴六自由度全轴随机 振动环境 (称为全轴台 ;以上述两种环境应力与湿度应 力综合来实现强化应力的综合环境 35。 本文以北京航空航天大学引进的全轴台为研究对象 ,以实测的全轴随机振动环境应力为基 础,对其动态特性给出全面的数字 表征 ,从其频谱特

8、性和产品响应出发 ,通过理论分析与试验 对比比较全轴台与传统电 动台对电子产品缺陷的激发效果 ,为可靠性强化试验剖面的制定提供 理论支持。2 全轴台原理与测量方案全轴台原理如图 1所示 ,全轴台靠多个气锤连续冲击弹性支撑的台面实现全轴 振动 ,冲击波 形及量值大小靠伺服阀控制。由于气锤的冲量不足 ,使得产生的振动低 频能量不足。连续的冲 击与台面的模态使得产生的频谱为宽带随机背景下存在强 烈的窄带随机。图 1 全轴台原理采用 Endevco 公司的 7201-50型三轴向传感器 ,英国 LDS 公司的 8通道 CA4型 电荷放大器 , HP 公司的 HP3567A 动态信号分析仪对空载的全轴台

9、振动应力进行测 量。对测量数据应用 Matlab 软件分析振动信号的频域特性、幅值特性、台面均匀 性及各轴向的 相关性。3 动态特性分析3.1 时间历程分析图 2为全轴台控制空载时 ,控制加速度均方根值为 5Grms 时, X , Y , Z 轴的加速 度时间历程, 其形状近似反复冲击 ,有多处峰值超过了 3倍的均方根值 (15Grms3.2 平稳性和周期性分析对实测振动数据进行分析检验 ,采用轮次检验法对全轴台实测振动数据进行平 稳性检验 ,第 33卷第 2期袁宏杰等全轴随机振动应力特性及激发效果 3 在 95%的置信度 下, 平“稳”、 “非平稳”和“轮次数在区间边界上”三种结果各占一定比

10、例。总 体来说, 轮次数都落在平稳区间下限附近。因此认为全轴振动信号具有近似平稳性。选取全 轴台 Z 轴的振动数据进行循环平稳性分析。分析表明在大于 90%的置信水平下 ,在 02000Hz范围内有多处循环频率 ,其中以 38Hz 处的置信度最高 (置信度高于 99%。采用自功率谱密度谱法、概率密度法、检验方差、自相关分析法四种方法对全 轴振动信号进行周期性分析 ,综合分析结果 ,认为:从严格意义上说 ,信号是非周期的 , 但信号具有近似周期性,且周期在 20ms 40ms 之间。(a X 轴及速度时间历程 (b Y 轴加速度时间历程 (c Z 轴加速度时间历程图 2 全轴台加速度时间历程3.

11、3 幅值分布分析图 3 实线为全轴台实测 Z 轴的概率密度图 ,虚线对标准正态分布的概率密度 , 对 数据应用卡 埃平方检验法对全轴振动信号进行正态性检验 ,结果表明在置信度为 99%下其不服从非正态 分布。对于正态分布的随机振动信号 ,用一阶统计量 （均值和二阶统计量 （自相关函数、 自功 率谱密度就可进行完整的统计描述 ,对于为非正态分布的信号 ,须采用高阶统计 信息进行描 述。对全轴振动应力三个轴向的振动加速度分别计算三阶矩 （ 偏态 、四 阶矩（峰态 ,偏态分 别为 0.0127、 0.041、 0.02。 考虑到测量误差 , 其偏态可认为是 零, 其峰态分别为 3.56、 3.58、

12、 3.01, 表明振动信号为超高斯分布 ,具有高的峰值分 布。3.4 频域特性分析全轴台通过单个轴向 （通常 Z 轴 的振动加速度的均方根值对多个气锤的气压进 行反馈控制 , 以保证设定的加速度均方根值 ,但不能控制谱形 ,对全轴台空载时的振动 应力测量分析表明 , 全轴台在 0400Hz 之间几乎没有能量 , 三轴均小于 1%; 全轴台 98%以上地能量都集中在 5000Hz 以内,所测得的能量分布于台面位置关系不大。测量的自功率谱密度如图 4,其特征为强烈的窄带随机和较弱的宽带随机的迭加 窄带随机 特点明显 ,产品最终受到的激励主要为窄带随机 ,当产品模态频率在全轴台 窄带随机频带附近 ,

13、 对缺陷具有加速激发作用。3.5 各轴的相关性与台面均匀度在控制加速度均方根值不变情况下 ,对全轴台不同位置的加速度可以采用相关 系数描述两 个向量之间的相关性 ,相关系数为 1 表示向量之间线性相关 ,相关系数为 0 表示向量之间不相关。 表示相关系数的定义如下( ( , cov( , (y D x D y x y x cof4 强 度与 环境 2006年 图 3 全轴台的幅值概率分布 图 4 全轴台振动信号的加 速度自功率谱密度 其中 x 和 y 为向量 , cov(x , y 表示 x 与 y 的协方差 , D (x 表示 x 的方差 , D (y 表示 y 的方差。经计算,全轴台 X

14、轴振动与 Y 轴振动的相关系数为 0.0989, X 轴振动与 Z 轴振 动的相关系数为 0.0638, Y 轴振动与 Z 轴振动的相关系数为 0.1118,这说明全轴台三 个轴向振动几乎不相关。对台面加速度均方根值进行测量分析 ,可得到台面加速度均方根值与位置关 系。当控制的 均方根值为 10Grms 时,图 5为 Z 轴加速度均方根值在台面的分布。 通过对全轴台台面 33个不同位 置的加速度均方根值进行分析 ,得出结论 :全轴台台 面的不均匀性通常大于 100%, Z 轴的均 匀性优于 X 、 Y 轴。4 全轴台与电动台激发效果比较4.1 试验方案为对比全轴台与传统电动台强化试验的效果 ,

15、由简单到复杂 ,由元器件级到电路 板级共应 用了四种分立元件级电路板 ,三种简单的印制板级 ,一种成熟产品的印制板 进行试验。包括 :分立元件级 :25V 1000 F、 16V 1000 F、 100V 330 F三种电解电容器以及大 功率电阻器 5W 33? 共四种 ;简单印制板级电路 :采用不同封装 (DIP 和 SOP 与非门构成的两种数字门电路 ; 由分立元 件和集成电路构成的电压跟随器和由分立元件构成的模拟式放大电路 ;成熟的复杂印制板级电路 :VCS振动控制系统的多功能设置电路板。传统振动台应用典型的筛选谱形 ,如图 6 所示。起始振动均方根加速度为 2Grms ,步进步长 为

16、2Grms ,每个应力台阶持续时间为 10 分钟,如果振动量值增加到 20Grms 还没有发现工作极限 和破坏极限 ,则保持振动量值 20Grms 持续 1 小时后停 止试验。图 5 全轴台 Z 轴的加速度均匀度 图 6 电动台试验应用的随机振动谱形全轴台振动应力的谱形如图 4,起始振动均方根加速度为 5Grms ,步进步长为 5Grms ,每个Hz自功率谱 密度 g 2/H z第 33卷第 2期 袁宏杰等 全轴随机振动应力特性及激发效果 5 应力台阶持续时 间为 10 分钟,并进行功能、性能检测 ,如果直到 40Grms 还没有发现工作极限和 破坏 极限 ,则保持振动量值 40Grms 持续

17、 1小时后停止试验。4.2 试验结果试验中所有分立元件都有两个引线 ,为了分析需要 ,人为把引线焊接长短不一 致。表 1 给出 了分立元件电动台试验结果 ,表 2 给出了分立元件全轴台试验结果。在电动台上分别进行了四种类型简单印制板级电路板振动步进应力试验,试验结果为两种 门电路无故障 ,两种模拟放大电路分别均在 12Grms 时各出现一次故 障。其中集成运放组成的电 压跟随器有一路输出端电阻引线振断 ,分立元件组成的 放大电路板有一路输出端滤波器电容引 线振断。简单印制板级电路在全轴台上水平安装和垂直安装方式下分别进行振动步进应 力试验,均 无故障。对 VCS 振动控制系统的多功能设置电路板

18、 ,采用振动步进应力 试验方法 ,在电动台对 受试电路板进行试验 ,振动应力增加到 16Grms 时,在振动稳定 状态下对电路板进行功能测试 , 结果发现两个端口均输出 FF 故障。故障原因是印 制线因受应力过打断裂引发电路断路。在全轴台对对 VCS 振动控制系统的多功能设置电路板进行试验。当在振动应 力增加到 30Grms 时, 在振动稳定状态下对电路板进行功能测试 , 结果发现两个端口 均输出 FF 。 停止试验 , 然后对电路板上电进行检测 ,无故障。从 20Grms 重新开始 试验,在振动量值增加到 30Grms 时故 障复现,将振动量值降至 25Grms ,故障消失 ,可 是无法定位

19、故障。为激发故障继续进行试验 , 以 5Grms 的步长增加振动应力继续试 验,最后增至 50Grms ,保持振动 2小时,其间对电路板进行 检测,故障依旧 ,仍无法实 现故障定位 ,但可以确定其工作极限为 25Grms 。4.3 试验结果分析试验证明 ,即使电动台的均方根加速度小于全轴台的均方根加速度 ,但诱发产品 缺陷的能 力要高于全轴台 ,即在相同的振动应力条件下电动台更易激发潜在的缺陷 ; 这是因为产品的固 有频域一般小于 1000Hz ,而全轴台在此范围内的能量有限 ,即使 三轴同时作用。5 结语(1 由于全轴台的低频能量较小 , 频谱不可控 , 且多数电子产品的共振频率在 1000

20、赫兹以内 , 因此其对缺陷的激发效果不如电动台 ,仅当产品的模态频率与全轴台 振动频率一致时 ,才具有 较好的激发效果。由于其产生的位移小 ,对位移敏感的缺陷 不如电动台。(2 与电动台的对比试验表明 :三轴向同时振动对产品缺陷的激发效果不一定优 于单轴振 动,超高斯分布的振动对产品缺陷的激发效果不一定优于高斯分布。对产 品缺陷的激发效果主 要取决于频率特性。(下转第 11 页 振动量级 (Grms24 6 8 1012 脱落 无 9 8 5 2故障模式断裂 无无无 12 7停止 振动量级(Grms 25Grms 以下 30 3540脱落 无 1 39 故障模式 断裂 无无 无 12表 1 分

21、立元件电动台试验结果 表 2 分立元件全轴台故障第 33 卷第 2 期 王其政等 捆绑液体火箭跷振 (POGO稳定性分析 11 s = i = i n 上作跷振分析，不涉及管路特征频率 b的 大小假定。 (5 第 5 节捆绑火箭跷振稳定 性近似方法 3频率重合临界阻尼比 ? cc 法是在第 4 节的基础 上，再增加假定管 路特征频率 b与 结构模态频率 n重 合相等条件 = b = ， 这n 是跷振分析的 最保守近似方法。 (6 本文算例可说明有关参数的重要性。对捆绑液体火箭，可见 发动机数 N 的重要性。 参考文献 1 Anon. Prevention of coupled structur

22、e- propersion instability(POGOJ.NASA Space Vehicle Design Criteria (Structures,SP- 8055,1970. 2 王其政, 高万镛, 顾永春, 张继桐, 李宪珊. 跷振(POGO稳定性算法与估 计J. 强度与环境， 1983(3. 3 王其政, 高万镛, 顾永春, 张继桐, 李宪珊. 跷振(POGO 稳定性可靠性与参数分析 J. 宇航学报， 1986(2. 4 Oppenheim,B.W. and Rubin,S. Advanced pogo stability analysis for liquid rocketsJ. Jounal of Spacecra