本发明涉及环境与可靠性试验领域，特别涉及一种多轴振动与过载力复合环境试验系统。
背景技术：
长期以来，多轴振动与过载力复合环境都是单项逐个进行验证的，虽然也能在一定程度上考核产品的使用可靠性，但是无法模拟多轴振动与过载力之间的耦合效应，有些故障模式难以激发，存在很大隐患。目前最前沿的技术是在单轴振动试验的基础上施加过载力，但是尚未开展多轴振动与过载力复合环境试验技术的研究。
另外，在现有技术中，施加过载力时，常用的加载绳索是钢丝绳，但对于多轴振动与过载力复合系统来说不合适，因为动态下，刚性加载会造成配重的上下移动，进而转换为过载力的大幅度波动，很难满足试验容差要求。而且，在静力试验中，常用液压作动筒进行力的加载，但这种加载方式需要配置庞大且复杂的液压系统以及附属设施，占地面积极大，且成本较高，缺少灵活性。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多轴振动与过载力复合环境试验系统，其可以对试验件进行多轴振动与过载力复合环境试验。
根据本发明的一个方面，本发明所提供的多轴振动与过载力复合环境试验系统包括多轴振动试验设备以及过载力加载设备，其中，所述多轴振动试验设备包括垂直振动台、水平振动台和水平台面，所述垂直振动台和水平振动台分别在所述水平台面的垂直方向和水平方向上对所述水平台面进行振动激励，所述试验件固定在所述水平台面上；所述过载力加载设备包括过载力测量装置、力传感器、配重，所述试验件和所述力传感器连接，所述力传感器和所述配重连接，所述配重在所述水平台面的垂直方向上通过所述力传感器将过载力加载到所述试验件上，所述力传感器将所述过载力转换成电信号反馈给所述过载力测量装置。
根据本发明的一个方面，所述试验件和所述力传感器通过刚性绳连接，所述力传感器和所述配重通过弹性绳连接。
根据本发明的一个方面，所述弹性绳在静止状态下的伸长量l满足表达式(1)：
其中，fc是所述过载力加载设备的固有频率的临界值。
根据本发明的一个方面，所述伸长量l还满足表达式(2)：
其中，δxmax为所述弹性绳在振动台的工作状态下的伸长量相对于静止状态下的伸长量的最大变化量，r为规定的所述过载力的最大波动容差。
根据本发明的一个方面，所述垂直振动台为四个，所述水平台面的两个水平方向分别设有两个所述水平振动台，所述垂直振动台和所述水平振动台由一个mimo控制仪进行控制。
根据本发明的一个方面，所述刚性绳是钢丝绳。
本发明在多轴振动的基础上施加过载力，建立了试验系统，并解决了多轴振动与过载力复合环境试验的关键技术，成功实现了多轴振动与过载复合环境的试验模拟验证。
附图说明
图1图示了根据本发明的一个具体实施例的多轴振动与过载力复合环境试验系统的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1图示了根据本发明的一个具体实施例的多轴振动与过载力复合环境试验系统10的示意图。该系统10由两部分组成：多轴振动试验设备和过载力加载设备。
如图1所示的多轴振动与过载力复合环境试验系统10中的多轴振动试验设备例如可由八个振动台组成，垂直方向设置四个振动台20，两个水平方向各两个振动台30，该八个振动台共同激励一个水平台面40，试验件50固定在水平台面40上，可实现三轴六自由度的振动。三轴六自由度的振动台由一个mimo控制仪进行控制，可使各自由度上的振动满足事先设定的试验条件要求。
如图1所示的多轴振动与过载力复合环境试验系统10中的过载力加载设备例如由过载力测量装置60、力传感器61、支架62、配重63、滑轮系统64以及加载绳索65组成，对于复杂的试验件还需要设计专门的加载工装。加载绳索65例如采用弹性绳，将配重63的重力经过滑轮系统64加载到试验件50相应的方向上。力传感器61将过载力转换成电信号，反馈给过载力测量装置60。
试验件50和力传感器61之间例如用钢丝绳等刚性绳66连接，这样可以保证试验件50到力传感器61之间的传递是刚性的，可以避免力传感器61的测量值与试验件50实际承受的过载力存在较大差异。力传感器61和配重63之间用弹性绳连接，这样可以避免刚性连接造成的过载力波动误差过大的问题。
由于多轴振动会造成试验件的随机性位移，因此需要解决两个问题：配重的随动性和过载力加载容差：
首先描述配重的随动性的问题，配重的随动性是指，在多轴振动试验过程中，加载配重随着振动位移而上下移动的特性。为了解决随动性，要求弹性绳与配重组成的过载力加载设备的固有频率远小于振动试验的下限频率：
ωn＜＜ω0
式中：
一般来说，可根据振动试验的下限频率，选择一个适当的临界值fc，且满足fc＜＜f0，比如振动试验的下限频率为f0＝20hz，可选择临界值为fc＝5hz。为了保证配重不发生随动，要求系统的固有频率不大于fc，则有：
于是：
k≤m(2πfc)2
一般弹性绳没有刚度指标，这时可用静止状态下的伸长量l来表示刚度：
带入上式整理后可得：
也就是说，不管配重的质量是多少，只要保证静止状态下弹性绳的伸长量满足表达式(1)，即可满足固有频率的要求，保证配重不发生随动。
下面描述过载力加载容差的问题，多轴振动是一种动态环境，动态下施加过载力与静态下完全不同，由于随机性振动位移的存在，会产生过载力的较大波动，这个波动误差必须加以限制，使其在规定的最大容差限内。这个问题可以通过选择刚度适当的弹性绳加以解决。
一般弹性绳没有刚度指标，弹性绳的刚度可用弹性绳在静止状态下的伸长量来衡量。假设配重的质量为m(即过载力f)，静止状态下(振动台不振动)弹性绳的伸长量l，弹性绳的刚度为k，则有：
f＝mg＝kl
过载力的最大波动量为：
δfmax＝±kδxmax
式中：δxmax为弹性绳在振动台处于工作状态下的伸长量相对于静止状态下的最大变化量(负号表示伸长量减少量，正号表示伸长量增加量)，可换算成振动台可能产生的最大位移。如果容差要求为r，则有：
式中：r0为实际工作中的容差，r为规定的最大容差。于是有下面的表达式(2)：
同样，不管配重的质量是多少，只要保证静止状态下的弹性绳的伸长量l满足表达式(2)，即可满足容差要求。
综上，如果弹性绳在静止状态下的伸长量l同时满足表达式(1)和(2)，就可以保证配重不发生随动，且满足容差要求。
本发明相对于现有技术，方法简单，便于操作。相对于液压作动筒加载方式，占地空间小，成本低，可通过简单的工装、支架等的设计实现过载力的加载。加载精度可通过适当选择弹性绳的刚度满足试验要求。
此外，在多轴振动的基础上施加过载力，实现了对试验件的多轴振动和过载力复合环境的试验。利用弹性加载解决了动态下加载容差过大的问题，而试验件和传感器之间的刚性连接，保证了测量值与实际承受值的一致性。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上具体实施例的讨论仅为示例性的，旨在说明本发明的技术方案的发明构思和原理，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的构思下，根据实际的需要，本领域的普通技术人员可以对以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间进行组合，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。