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標(biāo)準(zhǔn)脈沖沖擊試驗(yàn)和沖擊響應(yīng)頻譜實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)分析
來源: 時(shí)間:2022-12-27 09:55:29 瀏覽:7992次

一個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到的瞬態(tài)載荷就是沖擊。對(duì)于汽車產(chǎn)品來講,沖擊實(shí)驗(yàn)是發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)缺陷必不可少的手段之一。機(jī)械沖擊實(shí)驗(yàn)是模擬產(chǎn)品在生命周期內(nèi)可能經(jīng)歷的運(yùn)輸沖擊、外力沖擊、碰撞沖擊甚至爆炸沖擊,保證產(chǎn)品在沖擊后能正常工作。

按照沖擊發(fā)生的頻次,沖擊實(shí)驗(yàn)可以分為非重復(fù)性沖擊和重復(fù)性沖擊,分別對(duì)應(yīng)GB/T 2423.5(實(shí)驗(yàn)Ea:沖擊)和GB/T 2423.6(實(shí)驗(yàn)Eb:碰撞)。非重復(fù)性沖擊的實(shí)驗(yàn)脈沖主要有3種:半正弦脈沖、后峰鋸齒脈沖、梯形脈沖;重復(fù)性沖擊的實(shí)驗(yàn)脈沖主要是正弦脈沖。這兩類脈沖的區(qū)別不難理解:非重復(fù)性沖擊主要模擬車門關(guān)閉、車輛碰撞等情景下的沖擊,此類情景下波形為非對(duì)稱波形;重復(fù)性沖擊主要模擬車輛經(jīng)過坑洼路面時(shí)的顛簸,此類情景下波形為對(duì)稱波形。

按照時(shí)域波形,可以將沖擊分為脈沖型、階躍型、復(fù)雜振蕩型。持續(xù)時(shí)間比系統(tǒng)固有半周期短的沖擊稱為脈沖型沖擊,系統(tǒng)能量突變的沖擊(如受突變加力作用后引起的階躍運(yùn)動(dòng))稱為階躍型沖擊。這兩者皆屬于典型沖擊,一般產(chǎn)生在沖擊源處。復(fù)雜振蕩型沖擊則是由系統(tǒng)傳遞后產(chǎn)生的沖擊響應(yīng)運(yùn)動(dòng)。實(shí)際上遇到的沖擊多數(shù)為復(fù)雜振蕩型沖擊。從頻域特征看,它們的頻率含量相當(dāng)豐富,理論上包含了0~+∞的頻率范圍。

下圖為汽車實(shí)際碰撞時(shí)的時(shí)域脈沖波形,可以看到波形具有沖擊時(shí)間短(一般小于20ms)、沖擊加速度高、頻譜豐富的特點(diǎn)。為了在實(shí)驗(yàn)室中模擬現(xiàn)實(shí)中的沖擊,工程界做了大量的研究與驗(yàn)證。目前業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)可的沖擊實(shí)驗(yàn)有兩大類,一類是標(biāo)準(zhǔn)脈沖沖擊實(shí)驗(yàn),一類是沖擊響應(yīng)頻譜(SRS)實(shí)驗(yàn)。

汽車實(shí)際碰撞的時(shí)域波形
汽車實(shí)際碰撞的時(shí)域波形
汽車實(shí)際碰撞的頻域波形
汽車實(shí)際碰撞的頻域波形

一、標(biāo)準(zhǔn)脈沖沖擊試驗(yàn)

目前國內(nèi)外很多法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 2423、GJB 150、MIL-STD-810E)對(duì)沖擊實(shí)驗(yàn)做了規(guī)范,常用的的脈沖波形有3種:半正弦脈沖、后鋸齒峰脈沖、梯形脈沖。波形如下:

后峰鋸齒脈沖
后峰鋸齒脈沖與半正弦脈沖接近,但是后峰鋸齒波在各頻率上的功率含量更均勻,易于激起各頻率的響應(yīng)(在MIL-STD-810C中,半正弦沖擊、后峰鋸齒沖擊可以互換,但是兩者的峰值加速度需要對(duì)應(yīng)公式3/4*Ap(半正弦)=Ap(后峰鋸齒)進(jìn)行換算)
半正弦脈沖
半正弦脈沖,即正弦脈沖的半個(gè)周期,適用于模擬線性系統(tǒng)的碰撞或減速引起的沖擊(如彈性結(jié)構(gòu)的撞擊)
梯形脈沖能
梯形脈沖能在較寬的頻譜上比正弦脈沖產(chǎn)生更高的響應(yīng),可以模擬空間探測(cè)器或衛(wèi)星爆炸螺栓所引起的沖擊

不同波形的適應(yīng)范圍如下:

GB/T 2423.5
摘自GB/T 2423.5

衡量沖擊實(shí)驗(yàn)嚴(yán)酷度的指標(biāo)有3個(gè):峰值加速度、脈沖持續(xù)時(shí)間、脈沖波形。試驗(yàn)時(shí)可參考上表或其他標(biāo)準(zhǔn)中的要求選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

在汽車行業(yè)的不同標(biāo)準(zhǔn)中,沖擊實(shí)驗(yàn)的脈沖持續(xù)時(shí)間主要有6ms、11ms兩種規(guī)格。目前沒有查到對(duì)持續(xù)時(shí)間選擇的說明資料,結(jié)合經(jīng)驗(yàn)及其他資料,推測(cè)如下:

1、相同的加速度值,脈沖時(shí)間越長(zhǎng),振動(dòng)臺(tái)的行程越大,大行程會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)臺(tái)的復(fù)雜度、成本、體積上升。而沖擊實(shí)驗(yàn)造成產(chǎn)品失效的原因主要是應(yīng)力超過彈性極限造成材料失效,可以固定振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間,調(diào)整振動(dòng)加速度來模擬不同脈沖時(shí)間的振動(dòng);

2、實(shí)際碰撞、顛簸、爆炸的持續(xù)時(shí)間比較短,用較短時(shí)間的脈沖可以涵蓋現(xiàn)實(shí)中沖擊脈沖的時(shí)間。

目前車規(guī)標(biāo)準(zhǔn)中6ms、11ms這兩者的速度/加速度/位移在時(shí)域、頻域的區(qū)別可以見下圖:

時(shí)域、頻域的區(qū)別

二、沖擊響應(yīng)頻譜(Shock Response Spectrum)實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)實(shí)中遇到的沖擊大部分以復(fù)雜震蕩波形為主,復(fù)雜沖擊的能量分布完全不同于半正弦脈沖等經(jīng)典沖擊,兩者對(duì)產(chǎn)品的破壞損傷效果也不同。

由于每次復(fù)雜沖擊過程的時(shí)間歷程是隨機(jī)的,無法像經(jīng)典沖擊那樣通過時(shí)間波形來描述沖擊載荷,因此,工程上提出了沖擊響應(yīng)頻譜(SRS)概念,并以此作為描述沖擊環(huán)境對(duì)產(chǎn)品的作用效果和實(shí)驗(yàn)條件的參數(shù)。

在20世紀(jì)70年代以前,業(yè)界普遍認(rèn)為雖然高頻沖擊的加速度幅值較高,但是作用時(shí)間短、沖量小不足以對(duì)產(chǎn)品造成破壞。因此沖擊試驗(yàn)主要以半正弦等經(jīng)典波形為主。但是隨著對(duì)產(chǎn)品失效分析的積累,人們發(fā)現(xiàn)航天器上的儀器或電子產(chǎn)品,對(duì)量級(jí)較大的高頻更加敏感,所以業(yè)界對(duì)復(fù)雜沖擊環(huán)境的破壞機(jī)理、模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。經(jīng)典波形沖擊具有較大的低頻能量,高頻能量較低;復(fù)雜沖擊波形沖擊具有較高的高頻能量,低頻能量相對(duì)較低。因此經(jīng)典波形沖擊對(duì)固有頻率較低的大型部段結(jié)構(gòu)的破壞作用較大,而復(fù)雜波形沖擊對(duì)電子產(chǎn)品具有較強(qiáng)的破壞作用。

復(fù)雜波形的主要特點(diǎn)是:1、沖擊作用時(shí)間短,一般小于20ms;2、沖擊加速度量級(jí)高,目前航天器上產(chǎn)品要求加速度達(dá)到1000~4000g,有些產(chǎn)品甚至要求8000~10000g;3、頻率高和頻帶寬,通常要求100~5000Hz。為了模擬復(fù)雜波形沖擊,工程上提出了沖激響應(yīng)譜(SRS)的概念,沖擊響應(yīng)譜又稱沖擊譜,是指將沖擊激勵(lì)施加到一系列線性、單自由度彈簧、質(zhì)量系統(tǒng)時(shí),將各單自由度系統(tǒng)的最大響應(yīng)值,作為對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)固有頻率的函數(shù)而繪制的曲線。從20世紀(jì)90年代開始,國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)沖擊響應(yīng)譜實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了規(guī)定,如NASA-STD.7003、NASA-HDBK.7005、MIL-STD-810F、GJB-150A等。

典型的沖擊響應(yīng)譜圖如下:

典型的沖擊響應(yīng)譜圖

頻率響應(yīng)譜的實(shí)驗(yàn)方法:

1、振動(dòng)臺(tái)模擬:振動(dòng)臺(tái)的幅值(小于500g)、頻譜范圍(低于3KHz)、方向受限制,主要用于低量級(jí)、窄頻率范圍的復(fù)雜沖擊實(shí)驗(yàn)。合理設(shè)計(jì)工裝夾具的共振特性,可以放大振動(dòng)量級(jí);

2、機(jī)械碰撞模擬:原理是把試件安裝在試驗(yàn)夾具上,實(shí)驗(yàn)夾具通過設(shè)計(jì)好的彈性邊界支撐,用一個(gè)質(zhì)量撞擊彈性邊界,使系統(tǒng)產(chǎn)生與要求的沖擊環(huán)境類似的共振響應(yīng)。

常見的模擬設(shè)備有擺錘沖擊臺(tái)、跌落沖擊臺(tái)、氣動(dòng)式?jīng)_擊臺(tái)、諧振板模擬設(shè)備等。

跌落式?jīng)_擊
跌落式?jīng)_擊
擺錘式?jīng)_擊
擺錘式?jīng)_擊
諧振式?jīng)_擊
諧振式?jīng)_擊

3、火工品爆炸模擬:利用火工品爆炸產(chǎn)生沖擊環(huán)境,可真實(shí)地模擬航天產(chǎn)品實(shí)際飛行中經(jīng)受的爆炸沖擊,但實(shí)驗(yàn)量級(jí)不可控。有些產(chǎn)品在實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)出現(xiàn)不可恢復(fù)的損壞,增加了實(shí)驗(yàn)成本和試驗(yàn)周期。

小結(jié):

1、標(biāo)準(zhǔn)脈沖沖擊簡(jiǎn)單易行、成本低,可用于模擬相對(duì)簡(jiǎn)單的沖擊環(huán)境,多用在消費(fèi)產(chǎn)品、汽車產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)中;

沖擊譜模擬實(shí)驗(yàn)過程復(fù)雜、成本高、周期長(zhǎng),可模擬復(fù)雜波形的沖擊環(huán)境,多用在航天、軍工或其他高要求的產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)中。

2、標(biāo)準(zhǔn)脈沖低頻能量大,高頻能量小,不能模擬復(fù)雜沖擊中的高頻沖擊;

3、沖擊譜模擬實(shí)驗(yàn)中,要考慮時(shí)域、頻域特征的相似性,如最大峰值、持續(xù)時(shí)間、能量譜等

參考:

GB/T 2423.5--1995 實(shí)驗(yàn)Ea:沖擊
GB/T 2423.6--1995 實(shí)驗(yàn)Eb:碰撞
GJB 150.18--86 軍用設(shè)備環(huán)境實(shí)驗(yàn)方法 沖擊實(shí)驗(yàn)
倪維宇. 汽車碰撞沖擊脈沖波形數(shù)學(xué)建模
穆瑞忠. 航天器的沖擊譜模擬試驗(yàn)方法
高文碩. 航天器沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)?zāi)M方法概述
王德言. 沖擊_碰撞標(biāo)準(zhǔn)的幾個(gè)問題
盧來潔. 沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)規(guī)范述評(píng)


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文字是人類用符號(hào)記錄表達(dá)信息以傳之久遠(yuǎn)的方式和工具?,F(xiàn)代文字大多是記錄語言的工具。人類往往先有口頭的語言后產(chǎn)生書面文字,很多小語種,有語言但沒有文字。文字的不同體現(xiàn)了國家和民族的書面表達(dá)的方式和思維不同。文字使人類進(jìn)入有歷史記錄的文明社會(huì)。
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