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標準脈沖沖擊試驗和沖擊響應頻譜實驗的特點分析

來源：時間：2022-12-27 09:55:29 瀏覽：8220次

一個結(jié)構系統(tǒng)受到的瞬態(tài)載荷就是沖擊。對于汽車產(chǎn)品來講，沖擊實驗是發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構缺陷必不可少的手段之一。機械沖擊實驗是模擬產(chǎn)品在生命周期內(nèi)可能經(jīng)歷的運輸沖擊、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，沖擊實驗可以分為非重復性沖擊和重復性沖擊，分別對應GB/T 2423.5（實驗Ea：沖擊）和GB/T 2423.6（實驗Eb：碰撞）。非重復性沖擊的實驗脈沖主要有3種：半正弦脈沖、后峰鋸齒脈沖、梯形脈沖；重復性沖擊的實驗脈沖主要是正弦脈沖。這兩類脈沖的區(qū)別不難理解：非重復性沖擊主要模擬車門關閉、車輛碰撞等情景下的沖擊，此類情景下波形為非對稱波形；重復性沖擊主要模擬車輛經(jīng)過坑洼路面時的顛簸，此類情景下波形為對稱波形。

按照時域波形，可以將沖擊分為脈沖型、階躍型、復雜振蕩型。持續(xù)時間比系統(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動）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。復雜振蕩型沖擊則是由系統(tǒng)傳遞后產(chǎn)生的沖擊響應運動。實際上遇到的沖擊多數(shù)為復雜振蕩型沖擊。從頻域特征看，它們的頻率含量相當豐富，理論上包含了0~＋∞的頻率范圍。

下圖為汽車實際碰撞時的時域脈沖波形，可以看到波形具有沖擊時間短（一般小于20ms）、沖擊加速度高、頻譜豐富的特點。為了在實驗室中模擬現(xiàn)實中的沖擊，工程界做了大量的研究與驗證。目前業(yè)內(nèi)廣泛認可的沖擊實驗有兩大類，一類是標準脈沖沖擊實驗，一類是沖擊響應頻譜（SRS）實驗。

一、標準脈沖沖擊試驗

目前國內(nèi)外很多法規(guī)標準（GB/T 2423、GJB 150、MIL-STD-810E）對沖擊實驗做了規(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（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應公式3/4*Ap（半正弦）=Ap（后峰鋸齒）進行換算）

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，可以模擬空間探測器或衛(wèi)星爆炸螺栓所引起的沖擊

不同波形的適應范圍如下：

衡量沖擊實驗嚴酷度的指標有3個：峰值加速度、脈沖持續(xù)時間、脈沖波形。試驗時可參考上表或其他標準中的要求選擇相應的實驗參數(shù)。

在汽車行業(yè)的不同標準中，沖擊實驗的脈沖持續(xù)時間主要有6ms、11ms兩種規(guī)格。目前沒有查到對持續(xù)時間選擇的說明資料，結(jié)合經(jīng)驗及其他資料，推測如下：

1、相同的加速度值，脈沖時間越長，振動臺的行程越大，大行程會導致振動臺的復雜度、成本、體積上升。而沖擊實驗造成產(chǎn)品失效的原因主要是應力超過彈性極限造成材料失效，可以固定振動的持續(xù)時間，調(diào)整振動加速度來模擬不同脈沖時間的振動；

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

目前車規(guī)標準中6ms、11ms這兩者的速度/加速度/位移在時域、頻域的區(qū)別可以見下圖：

二、沖擊響應頻譜（Shock Response Spectrum）實驗

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

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

在20世紀70年代以前，業(yè)界普遍認為雖然高頻沖擊的加速度幅值較高，但是作用時間短、沖量小不足以對產(chǎn)品造成破壞。因此沖擊試驗主要以半正弦等經(jīng)典波形為主。但是隨著對產(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，對量級較大的高頻更加敏感，所以業(yè)界對復雜沖擊環(huán)境的破壞機理、模擬實驗技術進行了大量的研究。經(jīng)典波形沖擊具有較大的低頻能量，高頻能量較低；復雜沖擊波形沖擊具有較高的高頻能量，低頻能量相對較低。因此經(jīng)典波形沖擊對固有頻率較低的大型部段結(jié)構的破壞作用較大，而復雜波形沖擊對電子產(chǎn)品具有較強的破壞作用。

復雜波形的主要特點是：1、沖擊作用時間短，一般小于20ms；2、沖擊加速度量級高，目前航天器上產(chǎn)品要求加速度達到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。為了模擬復雜波形沖擊，工程上提出了沖激響應譜（SRS）的概念，沖擊響應譜又稱沖擊譜，是指將沖擊激勵施加到一系列線性、單自由度彈簧、質(zhì)量系統(tǒng)時，將各單自由度系統(tǒng)的最大響應值，作為對應于系統(tǒng)固有頻率的函數(shù)而繪制的曲線。從20世紀90年代開始，國內(nèi)外標準對沖擊響應譜實驗進行了規(guī)定，如NASA-STD.7003、NASA-HDBK.7005、MIL-STD-810F、GJB-150A等。

典型的沖擊響應譜圖如下：

頻率響應譜的實驗方法：

1、振動臺模擬：振動臺的幅值（小于500g）、頻譜范圍（低于3KHz）、方向受限制，主要用于低量級、窄頻率范圍的復雜沖擊實驗。合理設計工裝夾具的共振特性，可以放大振動量級；

2、機械碰撞模擬：原理是把試件安裝在試驗夾具上，實驗夾具通過設計好的彈性邊界支撐，用一個質(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。

常見的模擬設備有擺錘沖擊臺、跌落沖擊臺、氣動式?jīng)_擊臺、諧振板模擬設備等。

3、火工品爆炸模擬：利用火工品爆炸產(chǎn)生沖擊環(huán)境，可真實地模擬航天產(chǎn)品實際飛行中經(jīng)受的爆炸沖擊，但實驗量級不可控。有些產(chǎn)品在實驗過程中會出現(xiàn)不可恢復的損壞，增加了實驗成本和試驗周期。

小結(jié)：

1、標準脈沖沖擊簡單易行、成本低，可用于模擬相對簡單的沖擊環(huán)境，多用在消費產(chǎn)品、汽車產(chǎn)品實驗中；

沖擊譜模擬實驗過程復雜、成本高、周期長，可模擬復雜波形的沖擊環(huán)境，多用在航天、軍工或其他高要求的產(chǎn)品實驗中。

2、標準脈沖低頻能量大，高頻能量小，不能模擬復雜沖擊中的高頻沖擊；

3、沖擊譜模擬實驗中，要考慮時域、頻域特征的相似性，如最大峰值、持續(xù)時間、能量譜等

參考：

GB/T 2423.5--1995 實驗Ea：沖擊
GB/T 2423.6--1995 實驗Eb：碰撞
GJB 150.18--86 軍用設備環(huán)境實驗方法沖擊實驗
倪維宇. 汽車碰撞沖擊脈沖波形數(shù)學建模
穆瑞忠. 航天器的沖擊譜模擬試驗方法
高文碩. 航天器沖擊響應譜試驗模擬方法概述
王德言. 沖擊_碰撞標準的幾個問題
盧來潔. 沖擊響應譜試驗規(guī)范述評

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