[科普中国]-谱带基线

振动谱线是描述物质振动规律的一种曲线，谱带基线就是在振动谱线上处于基准点的一条基准线。

仿真试验直升机平台的正弦加随机振动谱线无法直接做为边界条件施加在有限元模型上，必须转化为仿真软件可用的谱线。传统的正弦加随机谱线转化为窄带加宽带谱线的方法及其转化公式，即分离为纯正弦谱线和纯随机谱线的方法，以及基于振动试验的一种新的转化为窄带加宽带谱线方法，最后以某PCB板组件为例在NX Nastran中进行了对比仿真分析。结果表明，3种转化方法中基于试验的转化方法最为严酷，分离为纯正弦与纯随机方法次之，传统的转化方法响应最小。

近年来，随着直升机技术的迅速发展，越来越多的电子设备被加装到直升机平台，这些设备在直升机平台上工作时的振动问题也越来越受关注，另一方面，由于电子设备研发周期越来越短，需要结构设计师在研发阶段进行详细的强度论证计算，尽可能一次性通过振动试验，这对设计师提出了很高的要求。随着电子设备结构越来越复杂，传统的手工计算和依据经验校核的精度已远远达不到要求，需要借助于有限元分析软件进行结构校核设计。因此，研究直升机载设备振动条件在有限元仿真软件中的处理方法就显得尤为重要。

针对直升机振动谱线的特点，本文介绍了传统的将正弦加随机谱转化为纯随机谱的方法，并提出了2种新的将正弦加随机谱转化为仿真软件可直接应用谱线的方法。最后以某直升机谱线为例，运用NX Nastran软件对某PCB板组件进行响应仿真分析，得到了3种处理方法的位移和应力响应结果，并作了对比分析。1

振动环境特点直升机平台振动特性是在低水平宽带随机振动背景上叠加很强的主导正弦。主导正弦是由旋转器件(主要是旋翼、尾桨和发动机传动轴等)产生的，这些振源的振动频率相对较低，一般为KW(W为旋翼或尾桨的工作转速频率，K为桨叶的片数)及其各阶倍频(一般只取前4阶，忽略高阶分量)。宽带随机背景是由于气动流场噪音等因素引起的。直升机的振动环境大致可以划分为3个影响区：机身前半部主要为主旋翼振动影响区：主减、传动及发动机平台附近主要为动力传动系统影响区；尾梁及垂尾附近主要为尾桨影响区。由于3个区域的振动谱线相似，后面以主旋翼振动影响区为例进行分析。

SOR型振动谱线在有限元软件中的处理当前的主流商用有限元分析软件(如ANSYS,NASTRAN等)动力学分析包含模态分析、谐响应分析、谱分析、随机振动分析和瞬态动力学分析等模块。对于直升机平台SOR型振动谱线，正弦定频振动属于谐响应范畴，宽带随机属于随机振动范畴，但目前尚没有能够处理这种混合振动模式的模块，谱线无法同时施加在有限元模型上。对此，需要采用近似简化的方法，将SOR谱线转化成有限元模型可接受的边界条件。

基于试验的SOR谱转化为ROR谱方法设备最终需要通过振动试验来鉴定是否满足安装平台的抗振要求。振动试验台对SOR谱线的实现，目前国内外通用的试验控制算法如下：先从通过加速度传感器获得的正弦加随机振动试验信号中分离出正弦信号的幅频及随机信号;再分别根据正弦振动试验及随机振动试验控制算法进行均衡控制;均衡后获得的激励信号根据线性叠加原理重叠输出，通过功率放大器驱动振动台工作，如此往复，进行闭环控制。

正弦定频信号理论上具有零带宽，在振动控制器中正弦实际宽度总是与数据分析的频率分辨带宽相同，而幅值随着分析带宽的变窄而增大。设定振动控制器的分析带宽后，在PSD谱图上，正弦信号表现为宽度等于分析带宽的窄带信号。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所