一种基于振动疲劳理论分析惯性测量系统失效模式的方法

摘要

本发明公开了一种基于振动疲劳理论分析惯性测量系统失效模式的方法：首先利用惯性器件工作时内部存在的振动源，通过对其振动频谱的检测，获得振动能量传递的全频谱信息，结合内部各组成的结构模态，可以观测惯性器件内部各组成的工作微观状态，准确诊断惯性器件各组成的故障发生点。本发明表征直观，操作简单，检测精度高，有效实现惯性器件整机级故障预估和定位。本发明适用于任何含有振动激励的系统失效模式的评估。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于振动疲劳理论分析惯性测量系统失效模式的方法， 尤其涉及一种通过结构振动响应谱分析，直观评估系统内部组成和工作性能 的微观状态的方法，可用于惯性器件的工作精度失效模式分析和故障诊断。 本发明适用于任何含有振动激励的系统工作失效评估，属于惯性器件技术领 域。

背景技术

惯性器件属于复杂的机电系统，对其失效模式的判定，现有型号多采用 每个结构组成进行独立的FMEA、FMCA分析，主要从与工作性能相关的因素、 与功能失效的因素入手然后串联汇总的方式，优点是简洁、快速。缺点是： 没有考虑各结构组成在系统内部形成的结构模态参数耦合带来的工作性能 失效模式。针对陀螺仪、加速度计工作性能失效模式的判定，没有考虑与结 构模态相关的振动耦合因素，即对[θ]、[ε]、[a]、[G]、[A]等的累积影响， 由于是小量级振动疲劳累积，通常被归为结构组成的生产、装配、贮存等应 力所致。惯性器件整件通常的工作性能测试，并不含振动测试，经常是等到 关键部件如具有高速旋转轴系的陀螺仪、抖动机构、加速度计质量块等的功 能失去时，才发现其工作状态微观性能已经出现问题，由于没有测量手段， 无法实现失效模式的全预估。

其实无论是惯导系统，还是惯性仪表，只要其上存在振动激励，就属于 振动系统。有振动，有结构，就会有响应。以往对振动的影响，尤其是对内 部存在振动源的系统，只考虑产生振动的结构本身，如对陀螺仪电机振动进 行工作频率振动控制，对外部振动源通过减振器隔离，减少系统输入。其实 直接与工作性能相关的还包括系统内部耦合精度以及结构边界应力变化也 会通过振动能量这一载体进行传递。现在急需一种方法解决复杂机电系统长 期存在的由于结构组成振动耦合关系带来的失效模式不易评价的难题，实现 惯性测量系统失效模式的全覆盖。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供了一种基于振动疲 劳理论分析惯性测量系统失效模式的方法，通过检测信息丰富的振动频谱信 号，并进行相关振动性能和应力、耦合关系的分析，直接形成对惯性器件这 类复杂系统工作性能微观状态的直观评估。

本发明的技术解决方案：

一种基于振动疲劳理论分析惯性测量系统失效模式的方法包括步骤如 下：

(1)对惯性器件的结构组成的模态参数f进行实测标定，得到结构模 态[f_i]，组成结构模态参数库；

(2)选取步骤(1)中结构模态参数库中的特征模态对各结构 组成单独进行静态位置测试得到各结构组成的输出以及得到特征模态的谱特性H，并根据输出建立选取的特征模态所属的惯性器件结构组 成的物理模型以及获取物理模型的边界应力S-N曲线L；其中f_i、分别为 模态频率和该频率的振动幅值；

(3)利用振动测试仪对各结构组成的惯性器件整体进行不同方位和不 同环境的频谱测试，得到惯性器件整体工作状态下各结构组成特征模态的多 组谱特性H′，并将多组H′与步骤(2)中的H进行比较，若两者之差在设定 范围内，则进入步骤(4)，否则判断不满足条件的结构是工作异常引起谱 特性异常还是与其他结构组成发生频率耦合引起结构异常，并更换故障结构 进行重新测试直到正常进入步骤(4)；

(4)对结构组成的惯性器件整体工作状态下进行不同方位和不同环境 的静态位置测试，得到惯性器件整体工作状态下各结构组成的输出以及实时 利用振动测试仪对惯性器件整体工作状态下各结构组成特征模态的谱特性 H″进行测试，并将H″与步骤(3)中相应方位和环境下的H′进行比较，若两 者之差在设定范围内，则进入步骤(5)，否则重新检查各组成连接，判断 各结构组成是否正常工作，如不正常则及时更换故障结构，然后进行重新测 试直到正常进入步骤(5)；

(5)将步骤(4)中得到的输出代入步骤(2)中的物理模型，获得惯 性器件整体测试下结构组成修正后的边界应力S-N曲线L1；

(6)获取不同时刻的步骤(5)所述的边界应力S-N曲线L1的曲线簇；

(7)根据步骤(6)中的边界应力曲线对结构组成进行微观失效判定； 所属微观失效判定具体方法如下：根据用户需求设定惯性器件整体工作状态 下各结构组成输出的有效范围，判断应力曲线在惯性器件整体工作状态下各 结构组成输出的有效范围下的有效性。

所述惯性器件的各结构组成包括陀螺仪、加速度计、抖动机构、力矩 执行机构，其中抖动机构、力矩执行机构以及用于惯性器件测试的测试设备 对惯性器件振动传递的影响，均反映在惯性器件核心部件陀螺仪和加速度计 的输出上，故物理模型只需列出核心部件陀螺仪和加速度计的物理模型即 可。

所述陀螺仪的物理模型为：

$\left(\begin{array}{c}\left[G\right]=\left[K\right]\left\{\right[D]+[E\left]\right[\omega \left]\right\}=\left[K\right]\left\{\right[D_0]+{\left[D\right]}_{\mathrm{ij}}[a]+[E\left]\right[\omega \left]\right\}\\ =\left[K\right]\{\underset{i=0}{\overset{n}{\Sigma }}{\left[D_0\right]}_{f_i}+{\left({\left[D\right]}_{\mathrm{ij}}\right)}_{f_i}\left(\underset{i=0}{\overset{n}{\Sigma }}{\left[a\right]}_{f_i}\right)+[E\left]\right[\omega \left]\right\}\\ =\left[K\right]\left\{\underset{i=0}{\overset{n}{\Sigma }}\right[k_{f_i}\left]\right[{\theta }_{f_i}]+{\left({\left[k\right]}_{\mathrm{ij}}{\left[ϵ\right]}_{\mathrm{ij}}\right)}_{f_i}\left(\right[a_0]+\underset{i=0}{\overset{n}{\Sigma }}{\left[F_{f_i}\right]}_{f_i})+[E\left]\right[\omega \left]\right\}\end{array}\right)$

其中：[G]为陀螺仪的输出；[K]为陀螺仪标度系数；[D]为陀螺仪静态误 差；[E]为安装误差；[ω]为输入角姿态；[D₀]为陀螺仪与重力加速度g无关的 零位误差；[D]_ij为陀螺仪与加速度a有关的误差项，由于高次项可以忽略不 计，此处主要指与a一次方有关的一次项；为实际加速度；

所述加速度计的物理模型为：

$\left[A\right]=\left[K_0\right]+\left[K_a\right]\left[E\right]\left[a_1\right]=\left[K_0\right]+\left[K_a\right]\left[E\right]\left(\right[a_0]+\underset{i=0}{\overset{n}{\Sigma }}{\left[F_{f_i}\right]}_{f_i})$

其中：[A]为加速度计的输出；[K₀]为加速度计的零偏；[K_a]为加速度计 标度系数(包括非线性误差)；[E]为安装误差；[a₁]为敏感加速度；[a₀]为惯 性加速度；为频率f_i时振动耦合加速度幅值。

所述边界应力S-N曲线的确定方式如下：S为模型中的参数[a]、[K₀]，N为时间t。

所述步骤(3)中的振动测试仪采用接触式和非接触式振动测试仪；所 述非接触式振动测试仪采用电涡流测振仪和激光测振仪；所述接触式振动仪 采用固连式的振动传感器。

所述惯性器件包括捷联惯性测量系统、平台惯性测量系统、惯性仪表。

所述特征模态为结构组成的特征频率；所述的特征频率包含陀螺仪电 机的工作频率、电机轴支撑结构的运转频率、陀螺飞轮的工作频率、飞轮支 撑的工作频率、陀螺轴系的工作频率、加速度计质量块支撑的工作频率、抖 动机构的抖动频率、执行机构的摆动频率。

所述的结构模态参数库包括各阶结构模态(比如一阶结构模态、二阶 结构模态等多阶结构模态)、各结构组成惯性器件系统后的各阶模态。

所述步骤(3)和(4)的不同方位包括惯性器件坐标系与地理坐标系 重合状态、不重合状态；其中对于测量H′和H″的测量的具体实现方 法步骤为：

(a)通过测试惯性器件各结构组成的振动传递路径，确定传递路径上 对振动敏感的应力失效敏感区，若存在多点应力失效敏感区，则选取坐标系 XYZ轴都敏感的区域为应力失效敏感区，或选取多点同时作为应力失效敏感 区；

(b)将振动测试仪的传感器放置于步骤(a)中确定的应力失效敏感 区进而进行H′和H″的测量。

本发明相对于现有技术的有益效果：

(1)相对于现有技术是直接测量惯性器件各构成的输出误差项，只适 用于惯性器件阶段性的过程控制，而本发明通过结构模态得到物理模型，进 而得到关键结构应力曲线，利用应力曲线可以进行影响惯性器件工作性能的 全程控制，进行工作寿命预估，工程应用性更强，能够实现实时监测，随时 根据监测过程，保证实现地安全和准确。

(2)惯性器件现有技术中微观故障难以在系统级检测、各组成间耦合 失效模式难以评估的难题，本发明操作简单，直观性强，增加惯性器件振动 谱特性(如振动加速度、幅值谱、功率谱等)的检测，性能检测精度高(目 前能达到nm级，原来达到μm级)，容易评估，能够快速准确的实现失效模 式全覆盖。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的工作原理和工作过程做进一步解释。

本发明实现的原理是：利用振动测试仪，组成频响函数曲线故障诊断识 别系统，标定惯性器件内结构组成的模态参数，利用惯性器件各组成的物理 模型，绘制特征模态与边界应力修正S-N曲线，建立谱特性及惯性器件工 作性能失效模式库，完成惯性器件微观失效模式判定。

如图1所示，一种基于振动疲劳理论分析惯性测量系统失效模式的方 法，步骤如下：

(1)对惯性器件的结构组成的模态参数f进行实测标定，得到结构模 态[f_i]，组成结构模态参数库；

惯性器件包括捷联惯性测量系统、平台惯性测量系统、惯性仪表。惯 性器件的各结构组成包括陀螺仪、加速度计、抖动机构、力矩执行机构。

特征模态为结构组成的特征频率；所述的特征频率包含陀螺仪电机的 工作频率、电机轴支撑结构的运转频率、陀螺飞轮的工作频率、飞轮支撑的 工作频率、陀螺轴系的工作频率、加速度计质量块支撑的工作频率、抖动机 构的抖动频率、执行机构的摆动频率。

结构模态参数库包括各阶结构模态(比如一阶结构模态、二阶结构模 态等多阶结构模态)、各结构组成惯性器件系统后的各阶模态。

(2)选取步骤(1)中结构模态参数库中的特征模态对各结构 组成单独进行静态位置测试得到各结构组成的输出以及得到特征模态的谱特性H，并根据输出建立选取的特征模态所属的惯性器件结构组 成的物理模型以及获取物理模型的边界应力S-N曲线L；其中f_i、分别为 模态频率和该频率的振动幅值；

陀螺仪的物理模型为：

其中：[G]为陀螺仪的输出；[K]为标度系数；[D]为陀螺仪静态误差；[E] 为安装误差；[ω]为输入角姿态；[D₀]为陀螺仪与重力加速度g无关的零位误 差；[D]_ij为陀螺仪与加速度a有关的误差项，由于高次项可以忽略不计，此 处主要指与a一次方有关的一次项；[a]为实际加速度；

加速度计的物理模型为：

其中：[A]为加速度计的输出；[K₀]为加速度计的零偏；[K_a]为标度系数 (包括非线性误差)；[E]为安装误差；[a₁]为敏感加速度；[a₀]为惯性加速度； 为频率f_i时振动耦合加速度幅值。

抖动机构、力矩执行机构的物理模型可以不予具体考虑，抖动机构、 力矩执行机构以及用于惯性器件测试的测试设备对惯性器件振动传递的影 响，均反映在惯性器件核心部件陀螺仪和加速度计的输出上，故物理模型只 需列出核心部件陀螺仪和加速度计的物理模型即可。

边界应力S-N曲线的确定方式如下：S为模型中的参数、[a]，N为时间t。(此时获取的是分离的结构组成的应力曲线，并没 有其它结构组成的影响)。

(3)利用振动测试仪对各结构组成的惯性器件整体进行不同方位和不 同环境的频谱测试，得到惯性器件整体工作状态下各结构组成特征模态的多 组谱特性H′，并将多组H′与步骤(2)中的H进行比较，若两者之差在设定 范围内，则进入步骤(4)，否则判断不满足条件的结构是自身工作异常引 起谱特性异常，还是与其他结构组成发生频率耦合引起结构异常，并更换故 障结构进行重新测试直到正常进入步骤(4)；

振动测试仪采用接触式和非接触式振动测试仪；所述非接触式振动测试 仪采用电涡流测振仪和激光测振仪；所述接触式振动仪采用固连式的振动传 感器。

(4)对结构组成的惯性器件整体工作状态下进行不同方位和不同环境 的静态位置测试，得到惯性器件整体工作状态下各结构组成的输出以及实时 利用振动测试仪对惯性器件整体工作状态下各结构组成特征模态的谱特性 H″进行测试，并将H″与步骤(3)中相应方位和环境下的H′进行比较，若两 者之差在设定范围内，则进入步骤(5)，否则重新检查各组成连接，进行 重新测试直到正常进入步骤(5)；

(5)将步骤(4)中得到的输出代入步骤(2)中的物理模型，获得惯 性器件整体测试下结构组成修正后的边界应力S-N曲线L1；

(6)获取不同时刻的步骤(5)所述的边界应力S-N曲线L1的曲线簇；

(7)根据步骤(6)中的边界应力曲线对结构组成进行微观失效判定； 所属微观失效判定具体方法如下：根据用户需求设定惯性器件整体工作状态 下各结构组成输出的有效范围，判断应力曲线在惯性器件整体工作状态下各 结构组成输出的有效范围下的有效性(例如陀螺仪漂移稳定性要求为标准差 小于0.2°/h，那么判断此时应力曲线(如[θ]和[ε])是不是满足正常工作的 需求)。

其中，对于步骤(3)和(4)中测量H′和H″的测量的具体实现方法步 骤为：

(a)通过测试惯性器件各结构组成的振动传递路径，确定传递路径上 对振动敏感的应力失效敏感区，若存在多点应力失效敏感区，则选取坐标系 XYZ轴都敏感的区域为应力失效敏感区，或选取多点同时作为应力失效敏感 区；

(b)将振动测试仪的传感器放置于步骤(a)中确定的应力失效敏感 区进而进行H′和H″的测量。

为验证发明方法的实用性和正确性，利用本发明对某型挠性惯性测量 系统进行测试，步骤如下：

某型挠性惯性测量系统主要由二只挠性陀螺仪(即第一陀螺仪Gx和第 二陀螺仪Gy)和三只加速度计(即第一加速度计Ax、第二加速度计Ay、 第三加速度计Az)组成；测试步骤如下

(1)选择某型挠性惯性测量系统进行组装谱特性测试，先对陀螺仪、 加速度计、结构本体、测试转台进行了结构模态测试，得到如表1所示的结 构模态参数库；

表1挠性陀螺仪、加速度计结构模态参数库

(2)从结构模态参数库中选取可能影响某型挠性惯性测量系统输出精 度的特征模态(例如陀螺仪166.67Hz和170Hz的振动、2000～2200Hz的振 动、3300～3600Hz的振动等，加速度计4000～4300Hz频率等)，并进行测试 得到加速度计和陀螺仪在这些频率的H；

(3)利用振动测试仪对整体工作状态下的该挠性惯性测量系统整体进 行频谱测试，测量得到第二加速度计的4108.98Hz处的振动为108.98g²/Hz 以及第二加速度计输出变化10～20脉冲/60秒(根据系统指标加速度计输出 变化应小于2脉冲/60秒)，测量加速度计得到的108.98g²/Hz和10～20脉 冲/60秒为加速计的频率特性H′，与步骤(2)中加速计的H(4000～4300Hz 处的振动为0.0004g²/Hz)比较后，发现其工作异常，同时测量得到陀螺仪 在2152Hz处振动偏大，为1.222g²/Hz(陀螺仪的H′)，与步骤(2)中陀螺 仪的H(2000～2300Hz处的振动为0.02g²/Hz)相比，也工作异常；可以判 断加速计或者陀螺仪出现问题，或者是两者工作正常，相互频率耦合出现问 题(例如第一陀螺仪导致第二加速度计Ay在4000～4300Hz频率处(陀螺仪 的倍频)振动耦合，影响加速度计输出不符合要求)，解决的办法：办法(1) 第二加速度计Ay更换成抗振动干扰强的加速度计，更换的Ay加速度计在 4108.98Hz处振动35.767g²/Hz，加速度计输出变化2脉冲/60秒(加速度计 输出变化应小于2脉冲/60秒)；但在4108.98Hz处振动35.767g²/Hz，还是 偏大，容易引起后续对精度的影响；办法(2)第二加速度计Ay不换，更 换第一陀螺仪Gx，更换后该陀螺仪在2152Hz处振动为0.002g²/Hz，此时第 二加速度计Ay，在4108.98Hz处振动为0.001g²/Hz，加速度计输出变化1 脉冲/60秒(加速度计输出变化应小于2脉冲/60秒)。最终选择办法(2) 即更换第一陀螺仪Gx，该挠性惯性测量系统进行后续的测试工作。

(4)该挠性惯性测量系统正常工作后，实施利用振动测试仪对惯性器 件整体工作状态下各结构组成特征模态的谱特性H″进行测试，并进行判断， 同时绘制S-N曲线L1的曲线簇进行长期微观失效检测和判定。

本发明未公开部分为本发明公知技术。