蘇渤

（中國飛機強度研究所，西安710065）

0 引 言

航天器升空時，火工裝置主要起到星箭分離、部件解鎖及設備驅動等功能[1]。而火工裝置在爆炸時，產(chǎn)生劇烈的瞬時沖擊，對周邊設備尤其是電子設備、輕薄結構及脆性材料造成不可預估后果[2]。

近年來，由于沖擊響應譜能有效地模擬裝備實際沖擊特性，沖擊響應譜試驗技術得到了長足發(fā)展并日益成熟。陳小慧等[3]研究了沖擊響應譜的時域合成方法；劉洪英等[4]開發(fā)了一種沖擊響應譜控制系統(tǒng)。隨著沖擊響應譜試驗的日益成熟，以往采用的經(jīng)典沖擊試驗（半正弦、后峰鋸齒等典型波形）逐漸被沖擊響應譜試驗代替。

裝備常由于大的過載沖擊而產(chǎn)生精度降低、結構破壞等問題，采用被動隔離設計，能有效降低設備部位沖擊量值，金屬橡膠隔振器，由于其良好的剛度阻尼特性及環(huán)境適應性，在設備的減隔振防護領域應用越來越廣泛。金屬橡膠具有較強非線性，陳艷秋等[5]研究了金屬橡膠減震墊的剛度特性及本構關系；劉遠方等[6]研究了金屬橡膠材料恢復力的三維模型；盧成壯[7]通過試驗研究了金屬橡膠墊的阻尼和剛度特性。而本文采用其在預測金屬橡膠沖擊載荷力學行為時，與試驗結果相差較大，這主要是金屬橡膠材料強非線性造成的。

本文設計了一種金屬橡膠隔沖系統(tǒng)，采用試驗方法研究了金屬橡膠密度與沖擊響應最大值的關系，具有一定工程借鑒意義。

1 沖擊響應譜技術

以往沖擊試驗以理想波形為主，如國軍標GJB150、美軍標MIL-STD-810規(guī)定的裝備的沖擊試驗多以半正弦、后峰鋸齒等波形為主，對此種波形進行傅里葉變換后，發(fā)現(xiàn)能量分布以低頻為主，這與裝備的實際受沖擊載荷狀態(tài)不符，尤其是某些帶有減隔振裝置的設備進行沖擊試驗時，經(jīng)常由于低頻過量值導致設備損壞。裝備實際受載荷沖擊是非常復雜的過程，其沖擊量值和持續(xù)時間都是變化的，這與理想沖擊試驗過程差別較大，經(jīng)常出現(xiàn)在實驗室環(huán)境中設備未出現(xiàn)沖擊破壞而在實際使用環(huán)境中出現(xiàn)沖擊破壞的問題。隨著裝備對精度、可靠性要求越來越高，裝備實驗室環(huán)境試驗要求應能評估裝備實際沖擊效應，由此，沖擊響應譜試驗技術應運而生。布洛特于1963年提出沖擊響應譜的概念：通過將沖擊激勵施加到一系列線性、單自由度彈簧質量系統(tǒng)時，將各自由度系統(tǒng)的最大響應值作為對應于系統(tǒng)固有頻率的函數(shù)響應曲線。沖擊響應譜是單自由度系統(tǒng)內頻率與其最大響應的函數(shù)，是頻域范圍的函數(shù)，它可以較好地模擬裝備在不同頻率下的沖擊響應規(guī)律。沖擊響應譜具有以下明顯優(yōu)勢：具有明確的物理意義，以沖擊引起的響應大小來衡量試驗對象在現(xiàn)實沖擊的破壞力；具有響應等效性，因此比理想簡單沖擊更接近實際沖擊環(huán)境；同時，試驗中可以比較明顯看出裝備所承受的最大動載荷，對設備耐沖擊設計起到很好的指導作用。

2 沖擊響應譜計算

沖擊響應譜一般有加速度模型和位移模型。

圖1為單自由度彈簧質量系統(tǒng)，系統(tǒng)質量為m，剛度為k，阻尼為c。該系統(tǒng)運動微分方程為

圖1 單自由度彈簧質量系統(tǒng)模型

式中：δ（t）為質量m相對于基座的位移，δ（t）=x（t）-u（t）；x（t）為質量的絕對位移；u（t）為基礎的絕對位移；ωn為單自由度系統(tǒng)的固有頻率，ωn=；ξ為單自由度系統(tǒng)的阻尼比，ξ=c/2

對于待分析的沖擊加速度時間歷程，當給定一個固有頻率時，可通過解微分方程獲得系統(tǒng)的最大加速度響應或者最大位移響應，當固有頻率從0 Hz逐漸增加時，重復計算過程就可以得到系統(tǒng)最大加速度響應或者最大位移響應關于系統(tǒng)固有頻率的函數(shù)。

3 沖擊響應譜隔離設計實例

某航天電子設備，在發(fā)射階段受火工裝置工作引發(fā)較強的沖擊，導致設備發(fā)生沖擊破壞。經(jīng)實際測試并進行包絡處理，獲取設備部位沖擊響應譜特性如圖2所示，沖擊響應譜加速度達到1000g，10～400 Hz斜率為+6 dB/oct，400～4000 Hz加速度為1000g。在實驗室環(huán)境進行垂向沖擊試驗時，設備某元器件發(fā)生沖擊破壞，故障在實驗室環(huán)境得到重現(xiàn)，說明沖擊響應譜可真實反映設備實際發(fā)射過程所受載荷形式。

圖2 沖擊響應譜試驗條件

3.1 隔沖方案設計

航天環(huán)境極為嚴酷，隔沖裝置應具有良好的環(huán)境適應性；航天器振動環(huán)境復雜，振動大小和方向具有隨機統(tǒng)計規(guī)律，隔振裝置應具有多軸向的隔振緩沖能力；設備在設備艙內距離頂部僅7 mm，隔振裝置空間尺寸、運動行程和緩沖效果是一對矛盾體，良好的緩沖效果需要足夠的緩沖位移。

本文采用金屬橡膠進行隔沖安裝設計。金屬橡膠是由金屬絲制成螺旋卷，再經(jīng)過一定順序排列鋪放，制成毛坯，再經(jīng)過模壓制成的一種均質的彈性多孔物質，金屬橡膠既具有所選金屬的優(yōu)異物理力學性能，又具有類似橡膠的彈性和大阻尼特性。其優(yōu)點是抗老化、真空不揮發(fā)、耐輻射、耐空間高低溫環(huán)境、壽命長等，可滿足航天空間飛行器的特殊復雜使用環(huán)境。

如圖3所示，金屬橡膠阻尼器具有硬彈簧特性，隨著位移增加，阻尼器的剛度會逐漸增加，在低量值隨機振動時，金屬橡膠阻尼器處于低變形、低剛度區(qū)域，隔振系統(tǒng)頻率較低，具有良好的隔振效率。在大變形沖擊過程中，隔振系統(tǒng)的剛度會急劇增加，設計合理時，在較小的位移形變空間內達到緩沖效果。

設計的金屬橡膠阻尼器安裝形式如圖4所示，整體安裝示意如圖5所示。由圖4可知，金屬橡膠阻尼器由上下金屬橡膠阻尼墊、金屬骨架組成，承受軸向相反方向載荷時，金屬橡膠墊始終有一側屬于受壓狀態(tài)，承受徑向正負方向載荷時，金屬橡膠墊也始終有一個方向承受壓力，因此，在大載荷沖擊時，不會由于位移限制而剛度較低導致二次磕碰。

圖3 金屬橡膠阻尼器剛度特性曲線

圖4 金屬橡膠阻尼器結構示意

圖5 隔振緩沖安裝示意圖

3.2 樣件制作

本文采用的原材料為絲徑0.1 mm、外徑1 mm的金屬彈簧絲，其材質為奧氏體不銹鋼06Cr19Ni10。如圖6所示，將原材料拉伸為螺距為1 mm的試樣，以45°角度交叉纏繞于模具中，通過電子萬能試驗機壓制成型，樣件試樣如圖7所示。

3.3 隔沖系統(tǒng)的試驗研究

設備緩沖位移較小，垂直方向極限緩沖位移為±3.5 mm，金屬橡膠墊密度較低時，設備沖擊時會由于支撐力較小而導致二次碰撞；密度過大時，會由于緩沖位移較小而隔沖效果較差。因此，設計了一系列密度的金屬橡膠墊，采用模擬工裝進行了金屬橡膠墊的實驗研究。

圖6 金屬彈簧絲及拉制示意圖

圖7 金屬阻尼墊樣件

在沖擊試驗臺進行了系統(tǒng)的沖擊響應試驗，設計的試驗框圖如圖8所示。

設計的系列密度及最大響應值如表1所示，系統(tǒng)最大響應值隨金屬橡膠密度的變化規(guī)律如圖9所示。從圖9可以看出，系統(tǒng)響應最大值先是隨著密度的增大逐漸減小，經(jīng)過最低點后，隨著密度的增大而逐漸增大，這是由于密度過低時系統(tǒng)在沖擊時造成二次碰撞導致量值增加，而密度過大時，隔沖系統(tǒng)近似于剛性連接。當金屬橡膠墊密度為1.5 g/cm3，系統(tǒng)響應最大值達到最低點，為385g，隔沖效率達到61.5% ，沖擊試驗后，檢驗光學設備狀態(tài)，光學設備精度在允許范圍。在后續(xù)的實際整機試驗中，設備圓滿完成了檢測任務。

圖8 試驗框圖

圖9 系統(tǒng)最大響應值隨金屬橡膠密度的變化規(guī)律

表1 金屬橡膠密度與最大響應值

4 結 論

1）簡單介紹了沖擊響應譜的特點，沖擊響應譜能有效模擬航天裝備點火時所受沖擊特性，實驗室環(huán)境進行設備的沖擊響應實驗可驗證設備在真實環(huán)境中的響應特性。2）利用金屬橡膠阻尼墊特點，設計一種兼顧隔振和緩沖的金屬阻尼隔振裝置。在實驗室環(huán)境研究了金屬橡膠密度和隔振裝置最大響應的關系，在較小的尺寸空間內，使沖擊響應譜最大值由1000g降低到385g，降低了61.5%，該種設計方式也可以推廣到其它裝備的緩沖設計。