蔣殿臣，趙卓茂，馮偉干，田振強(qiáng)

（北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076）

0 引言

航天產(chǎn)品在運(yùn)輸、發(fā)射、在軌和回收等各種環(huán)節(jié)工作時(shí)，會(huì)經(jīng)受到各類復(fù)雜沖擊環(huán)境的考驗(yàn)［1］。這類沖擊載荷大多來自航天結(jié)構(gòu)執(zhí)行部件分離、姿軌控制等工作指令時(shí)，彈上各類火工裝置工作所引起的復(fù)雜震蕩型沖擊。在航天產(chǎn)品產(chǎn)生瞬態(tài)機(jī)械響應(yīng)的過程中，外界能量也被迅速傳遞，所帶來的位移、速度和加速度的突變有可能造成航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和儀器、儀表等部件的故障，進(jìn)而導(dǎo)致航天產(chǎn)品性能損害甚至失效。所以，為在研制階段檢驗(yàn)出存在的設(shè)計(jì)問題和加工缺陷，幾乎所有的航天產(chǎn)品均需在地面進(jìn)行沖擊環(huán)境模擬試驗(yàn)加以考核［2］。擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)臺(tái)是沖擊試驗(yàn)中一種重要且常見的力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備。北京強(qiáng)度環(huán)境研究所十一室目前使用的新型擺錘式?jīng)_擊響應(yīng)譜試驗(yàn)臺(tái)及調(diào)試技術(shù)均處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。

基于側(cè)重產(chǎn)品損傷效果的考慮，沖擊環(huán)境判定標(biāo)準(zhǔn)的主要依據(jù)是沖擊響應(yīng)譜。響應(yīng)譜給出了單自由度振蕩件在規(guī)定的沖擊激勵(lì)下的最大響應(yīng)與振蕩件固有頻率的關(guān)系。它直接反映的是響應(yīng)值，而不是沖擊激勵(lì)。在試驗(yàn)應(yīng)用中，用已經(jīng)測量得到的實(shí)際環(huán)境的響應(yīng)值作為地面模擬試驗(yàn)考核參照條件，以此反映真實(shí)的或加嚴(yán)的力學(xué)環(huán)境［3-6］。

模擬沖擊環(huán)境的實(shí)現(xiàn)方法主要有3 類：振動(dòng)臺(tái)類模擬、機(jī)械撞擊類模擬和火工品爆炸類沖擊模擬。目前，北京強(qiáng)度環(huán)境研究所十一室已具備上述3 類方法的試驗(yàn)?zāi)芰Γ謩e對(duì)應(yīng)不同的沖擊量級(jí)范圍。其中，機(jī)械撞擊模擬的應(yīng)用最為常見，該類沖擊又包含擺錘式?jīng)_擊和空氣炮沖擊兩種形式。

現(xiàn)有新型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)臺(tái)具有大負(fù)載高量級(jí)低成本重復(fù)性好的各項(xiàng)優(yōu)勢，處于國內(nèi)外領(lǐng)先水平。設(shè)備可形成的最大沖擊譜量級(jí)為5 000 g，最大負(fù)載質(zhì)量為250 kg。經(jīng)過大量的試驗(yàn)總結(jié)后，本文給出了該擺錘式?jīng)_擊響應(yīng)譜試驗(yàn)臺(tái)波形的調(diào)試方法和經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。

1 擺錘沖擊臺(tái)工作原理

擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)的參試產(chǎn)品通過螺接形式固定在一個(gè)特制的水平響應(yīng)臺(tái)面上。試驗(yàn)時(shí)，自由釋放位于一定高度的擺錘，使之機(jī)械撞擊響應(yīng)臺(tái)。響應(yīng)臺(tái)受到?jīng)_擊后，短時(shí)間內(nèi)反復(fù)撞擊臺(tái)體后的波形發(fā)生器，從而產(chǎn)生衰減的復(fù)雜振蕩沖擊波形。安裝在試件或試件工裝上的傳感器記錄試件運(yùn)動(dòng)的時(shí)間歷程響應(yīng)后，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理形成沖擊譜，得到環(huán)境沖擊譜試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線。試驗(yàn)臺(tái)工作原理如圖1 所示［7］。

試驗(yàn)使用的沖擊設(shè)備除臺(tái)面移動(dòng)結(jié)構(gòu)、擺錘提升機(jī)構(gòu)、前后波形發(fā)生器及基座外，還有防二次沖擊機(jī)構(gòu)、臺(tái)面復(fù)位機(jī)構(gòu)及其它防護(hù)機(jī)構(gòu)等部件。

圖1 擺錘式?jīng)_擊響應(yīng)譜試驗(yàn)臺(tái)工作原理

2 沖擊譜波形調(diào)試總結(jié)

環(huán)境試驗(yàn)規(guī)范規(guī)定了沖擊響應(yīng)譜的主要波形控制參數(shù)，包括加速度量值、拐點(diǎn)頻率、上升斜率及容差等要求。由于試驗(yàn)臺(tái)擺錘的重量和擺臂長度不便經(jīng)常調(diào)整，調(diào)試的手段主要是改變擺錘角度和前后波形發(fā)生器的剛度、厚度。一般產(chǎn)品質(zhì)量較試驗(yàn)臺(tái)體輕，產(chǎn)品本身對(duì)試驗(yàn)設(shè)備產(chǎn)生沖擊環(huán)境的影響非常小。當(dāng)產(chǎn)品試件較重，帶來的影響不可忽略時(shí)，加工相應(yīng)的模擬件在正式檢測前調(diào)試即可。本文所用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采自沒有安裝試驗(yàn)件的沖擊臺(tái)面，傳感器在臺(tái)面中心偏右后位置。另外，試驗(yàn)臺(tái)的重復(fù)性和臺(tái)面均勻度均已得到了驗(yàn)證，本文不再贅述。

2.1 加速度調(diào)整

加速度量值即沖擊量級(jí)，是沖擊能量的體現(xiàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，擺錘質(zhì)量和擺臂長度一定時(shí)，加速度主要跟擺錘的擺角相關(guān)。在前、后波形發(fā)生器均為鋼質(zhì)，擺錘擺角分別為30°、45°、60°和90°時(shí)，相應(yīng)譜波形見圖2。

圖2 鋼性波形發(fā)生器沖擊譜

表1 在鋼性波形發(fā)生器下擺角對(duì)沖擊譜的影響

從表1 中可以得出，波形發(fā)生器為鋼，在改變擺角時(shí)，譜型拐點(diǎn)頻率在1 400 Hz 左右基本不變，上升斜率為9..5dB基本不變，只有加速度隨著擺角的增大而明顯從1 200g 增大到5 000g。

調(diào)整前波形發(fā)生器為鋼，后波形發(fā)生器為4 mm 橡膠，擺角分別為30°、45°、60°和80°時(shí)，波形見圖3。

從圖3 和表2可以得出，更換后波形發(fā)生器為橡膠后，譜型上升斜率基本不變，拐點(diǎn)頻率隨著擺角的增大略有增大，加速度值仍隨著擺角的增大而增大，但量值相對(duì)純剛性波形發(fā)生器有少許減小。

2.2 拐點(diǎn)頻率調(diào)整

拐點(diǎn)頻率即譜型圖上平直段與上升段的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率值。根據(jù)上文描述，試驗(yàn)中主要通過改變前后波形發(fā)生器來測試拐點(diǎn)的頻率變化。圖4 和表3是擺角在60°時(shí)試驗(yàn)調(diào)試結(jié)果。

圖3 4 mm 橡膠波形發(fā)生器沖擊譜

表2 在4 m 橡膠波形發(fā)生器下擺角對(duì)沖擊譜的影響

圖4 擺角60°沖擊譜

表3 擺角60°波形發(fā)生器對(duì)沖擊譜的影響

從結(jié)果可以得出，隨著后波形發(fā)生器橡膠厚度從2 mm逐級(jí)增加到10 mm，拐點(diǎn)頻率依次從1 100 Hz 下降到600 Hz，加速度也呈下降趨勢。前波形發(fā)生器為鋼時(shí)，高頻響應(yīng)加速度較大，而采用5 mm 毛氈，可以明顯降低高頻加速度值，同時(shí)上升斜率也有所減小。這表明毛氈可起到高頻濾波的效果。

2.3 上升斜率調(diào)整

在沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)中，一般認(rèn)可的控制調(diào)整范圍6～9 dB。故在之前調(diào)試的基礎(chǔ)上針對(duì)前后波形發(fā)生器做了改進(jìn)，將上升斜率降到了6dB。結(jié)果見圖5 和表4。

從所有的調(diào)試中可知，后波形發(fā)生器主要決定了譜型的上升斜率。橡膠厚度增加時(shí)，上升斜率相應(yīng)降低。不論前波形發(fā)生器使用橡膠還是毛氈，都能使上升斜率下降到6 dB，但毛氈前波形發(fā)生器產(chǎn)生的譜型低頻加速度小。

圖5 上升斜率沖擊譜

表4 擺角60°波形發(fā)生器對(duì)沖擊譜的影響

3 結(jié)語

通過大量的試驗(yàn)研究，本文總結(jié)出新型擺錘式?jīng)_擊譜試驗(yàn)臺(tái)主要性能指標(biāo)的調(diào)試方法和調(diào)試規(guī)律。結(jié)果表明，對(duì)現(xiàn)用的新型擺沖試驗(yàn)臺(tái)來說，獲得所需模擬沖擊環(huán)境的三要素主要通過改變擺錘提升角度和前、后波形發(fā)生器完成。這幾個(gè)調(diào)試因素對(duì)沖擊譜形的影響具有一定的規(guī)律性和復(fù)雜性。在營構(gòu)所需的沖擊環(huán)境時(shí)，需借助一定的經(jīng)驗(yàn)綜合考慮。本文獲得的調(diào)試結(jié)論可幫助設(shè)備使用者更好地理解設(shè)備操作原理和技巧，也將有助于開展后續(xù)的相關(guān)類型機(jī)械式?jīng)_擊試驗(yàn)的研究和產(chǎn)品開發(fā)工作。

［1］《力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)》編著委員會(huì).力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

［2］張建華.航天產(chǎn)品的爆炸沖擊環(huán)境技術(shù)綜述［J］.導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2005（3）：30-36

［3］馬斌捷，張建華，吳江.火工品爆炸加載方法在火箭分離沖擊環(huán)境模擬試驗(yàn)中的應(yīng)用與效果［J］.強(qiáng)度與環(huán)境，2007，34（5）：1-7.

［4］穆瑞忠，張建華，皮本樓.航天器的沖擊譜模擬試驗(yàn)方法［J］.強(qiáng)度與環(huán)境，2008，35（5）：32-37.

［5］王招霞，宋超.擺錘式?jīng)_擊響應(yīng)譜試驗(yàn)機(jī)的調(diào)試方法［J］.航天器環(huán)境工程，2010，27（3）：336-338.

［6］皮本樓，張建華.響應(yīng)板式爆炸沖擊模擬裝置試驗(yàn)仿真分析［J］.強(qiáng)度與環(huán)境，2009，36（3）：45-49.

［7］王冰，田振強(qiáng)，張巧壽.擺錘式?jīng)_擊響應(yīng)譜試驗(yàn)臺(tái)的仿真研究［J］.強(qiáng)度與環(huán)境，2012，39（3）：36-31.