張宗取，廖國清，陳宇軍，鄭子迎，胡凱，蘇淑華（威凱檢測技術(shù)有限公司，廣州 510663）

引言

能力驗證是利用實驗室間的比對，按照預(yù)先制定的準(zhǔn)則評價參加者能力的一項活動[1]。參加能力驗證活動可幫助實驗室發(fā)現(xiàn)日常測試存在的問題，是實驗室提高技術(shù)能力和水平并維持其有效性的重要途徑，是實驗室內(nèi)部質(zhì)量控制程序的重要補(bǔ)充，有著不可替代的作用。

目前，環(huán)境試驗領(lǐng)域國內(nèi)能力驗證開展較多的是高低溫、鹽霧試驗等項目，沖擊試驗?zāi)芰︱炞C在國內(nèi)外未有開展，主要是存在能力驗證方法的選擇、能力驗證樣品的設(shè)計等方面的難點有待攻克。

沖擊試驗的目的主要是通過模擬產(chǎn)品經(jīng)受規(guī)定的試驗嚴(yán)酷等級，評估產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能承受沖擊的能力[2]。沖擊試驗的模式是在一個極短時間（ms級）內(nèi)將外力脈沖通過規(guī)定的安裝路徑施加到產(chǎn)品上，產(chǎn)品經(jīng)受沖擊激勵后，系統(tǒng)狀態(tài)會發(fā)生突變并產(chǎn)生沖擊響應(yīng)，沖擊響應(yīng)的最大加速度發(fā)生在極短的某一時刻點，產(chǎn)品系統(tǒng)內(nèi)部的構(gòu)件在這一時刻將承受最大的機(jī)械應(yīng)力，故沖擊響應(yīng)的最大加速度是誘發(fā)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能失效的根本原因。本文創(chuàng)新性的提供了基于最大沖擊響應(yīng)峰值加速度的沖擊試驗?zāi)芰︱炞C方法及能力驗證樣品設(shè)計思路，通過定量結(jié)果能客觀地評價實驗室的水平，進(jìn)而對試驗過程進(jìn)行改進(jìn)，提升行業(yè)水平。

1 沖擊試驗?zāi)芰︱炞C設(shè)計原理

可以認(rèn)為加速度沖擊響應(yīng)譜是對一個給定的無阻尼質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)定沖擊激勵下作為該系統(tǒng)共振頻率的函數(shù)對應(yīng)下的最大響應(yīng)加速度，不同的共振頻率會導(dǎo)致不同的沖擊響應(yīng)特性。如圖1所示，質(zhì)量m決定了共振頻率（f1、f2、f3等），系統(tǒng)經(jīng)受一個規(guī)定的脈沖波形的沖擊激勵，會產(chǎn)生不同的沖擊響應(yīng)加速度。

圖1 包含振蕩系統(tǒng)的框架或盒子，其中f1、f2、f3為共振頻率

GB/T 2423.5-2019《環(huán)境試驗第2部分：試驗方法試驗Ea和導(dǎo)則：沖擊》包括了半正弦波、后峰鋸齒波和梯形波三種波形，實際試驗中，電工電子產(chǎn)品最常用的是半正弦波，半正弦脈沖適用于“線性系統(tǒng)”產(chǎn)品的沖擊模擬，如電工電子元器件型彈性結(jié)構(gòu)的撞擊。因此，本次能力驗證設(shè)計采取的沖擊脈沖波形為半正弦波。沖擊脈沖的峰值加速度（A）表示施加給產(chǎn)品沖擊應(yīng)力的大小，由于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)大都是線性系統(tǒng)，產(chǎn)品受沖擊激勵后所產(chǎn)生的響應(yīng)加速度與激勵加速度是成比例的。一般峰值加速度越大，對產(chǎn)品的破壞強(qiáng)度越大。沖擊脈沖的持續(xù)時間（D）對產(chǎn)品的影響較復(fù)雜，它對沖擊試驗結(jié)果的影響程度與被試系統(tǒng)的固有頻率（fn）有關(guān)。如圖2所示，對半正弦波，當(dāng)fn·D<0.3時，沖擊響應(yīng)加速度隨著fn·D的增大而增大，但最大沖擊響應(yīng)加速度不大于沖擊激勵的峰值加速度；當(dāng)0.3≤fn·D<3時，沖擊響應(yīng)加速度將超過沖擊激勵的峰值加速度。而且，在fn·D＝0.7附近，會出現(xiàn)沖擊響應(yīng)的最大加速度Amax，理論上對半正弦沖擊脈沖在無阻尼時為沖擊激勵峰值加速度的1.78倍；當(dāng)fn·D>3時，沖擊響應(yīng)加速度與沖擊激勵的峰值加速度相同?？梢姡瑢ν环N脈沖，如脈沖持續(xù)時間不同，對相同的產(chǎn)品所造成的沖擊影響也不相同[3]。

圖2 對稱半正弦脈沖的沖擊響應(yīng)譜圖

綜上所述，本次能力驗證設(shè)計確定輸入的條件為半正弦波，規(guī)定的峰值加速度（A）及持續(xù)時間（D），以“最大沖擊響應(yīng)峰值加速度”作為檢測參數(shù)，以此評價參加實驗室的能力。

2 沖擊試驗?zāi)芰︱炞C樣品設(shè)計及制備

樣品設(shè)計與制備是能力驗證的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，實施機(jī)構(gòu)要確保每個參加者都收到具有可比性的能力驗證樣品，并且這些能力驗證樣品在整個能力驗證過程中應(yīng)保持穩(wěn)定。

2.1 沖擊試驗?zāi)芰︱炞C樣品設(shè)計所考慮的關(guān)鍵點

2）樣品在指定點應(yīng)具有唯一的共振頻率fn，當(dāng)按照規(guī)定的試驗條件在垂直方向上進(jìn)行沖擊時，通過傳感器可監(jiān)測到最大的峰值沖擊響應(yīng)加速度。

3）樣品結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單穩(wěn)定，在實驗室間循環(huán)往復(fù)寄送時運輸環(huán)境對其結(jié)構(gòu)影響小。為確保量值準(zhǔn)確傳遞到樣品，應(yīng)盡可能減少樣品與試驗臺之間轉(zhuǎn)接，考慮與試驗臺通過足夠數(shù)量螺栓直接連接緊固。

4）樣品表面有能緊固安裝傳感器的位置，對粘貼的監(jiān)測傳感器位置和質(zhì)量偏差敏感度較低。

基于上述考慮，設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 沖擊試驗?zāi)芰︱炞C樣品設(shè)計圖

2.2 沖擊試驗?zāi)芰︱炞C樣品制備的技術(shù)要求

1）材料選擇

樣品支座采用重量輕、剛度好、不生銹、易于加工的鋁合金材料。支撐桿和砝碼采用不銹鋼材料，主要考慮樣品反復(fù)使用時不易變形和不生銹的要求，且比重大可以減小樣品體積；硬度高可以防止運輸和使用過程中的碰撞變形。

2）精準(zhǔn)加工

支撐桿和砝碼是影響樣品共振頻率的關(guān)鍵部件，樣品加工工藝要求如下：

支撐桿加工尺寸精度：+0.02 mm；

砝碼的重量誤差控制+2 g之內(nèi)。

以上兩者的加工誤差均設(shè)計為正偏差，目的是根據(jù)樣品實測結(jié)果便于修正。

3）安裝控制

樣品部件的所有連接均采用螺釘連接，沒有采用焊接工藝，這樣可有效的防止部件變形和有害應(yīng)力。

如圖4所示，沖擊試驗樣品通過對樣品的整體設(shè)計、材料選擇、精準(zhǔn)加工、安裝控制，竭力保證樣品反復(fù)使用并具有一致性和穩(wěn)定性的技術(shù)要求。且樣品結(jié)構(gòu)設(shè)計巧妙，可方便的通過更換配重改變樣品的共振頻率fn，從而改變輸出的沖擊響應(yīng)峰值加速度的大小。實施能力驗證活動時可提供不同特性值的兩種樣品，防止實驗室間串通或以歷史記錄作為測試結(jié)果的弄虛作假行為。

圖4 沖擊試驗?zāi)芰︱炞C樣品圖

3 沖擊試驗條件選擇及結(jié)果驗證

本次能力驗證設(shè)計依據(jù)GB/T 2423.5-2019 《環(huán)境試驗第2部分：試驗方法試驗Ea和導(dǎo)則：沖擊》選擇了合適的試驗嚴(yán)酷等級，確定峰值加速度A為15 g，脈沖持續(xù)時間D為11 ms，如果選用太大的試驗量級則會給樣品累積疲勞損傷，不利于試驗樣品多次使用。

從上述敘述可見：當(dāng)系統(tǒng)的阻尼為“0”時，沖擊激勵將使樣品產(chǎn)生最大沖擊響應(yīng)應(yīng)力。在對產(chǎn)品進(jìn)行抗沖擊設(shè)計時，可以將此作為抗沖擊設(shè)計要求的上限。但是實際的系統(tǒng)都有阻尼，阻尼能夠降低脈沖持續(xù)時間內(nèi)的響應(yīng)，衰減系統(tǒng)內(nèi)部部件的響應(yīng)峰值[4]。如圖5所示，從測量結(jié)果可以看出，實際響應(yīng)峰值加速度（21.6 g）為激勵脈沖峰值加速度（15 g）的1.44倍。沖擊試驗樣品監(jiān)測只出現(xiàn)1個峰值，避免了多個峰值的相互影響，有利于實驗室間的測量結(jié)果比較，因此，本次沖擊試驗?zāi)芰︱炞C樣品符合設(shè)計的要求。

圖5 沖擊試驗結(jié)果圖譜

4 結(jié)術(shù)語

能力驗證對于提高實驗室技術(shù)能力具有重要作用，目前已得到各行業(yè)的廣泛重視。因此，需要開發(fā)更多新領(lǐng)域的能力驗證計劃以滿足實驗室、管理機(jī)構(gòu)的需求。本文結(jié)合沖擊試驗的特點，重點對沖擊試驗的設(shè)計原理及樣品設(shè)計要點進(jìn)行了分析和探討，提出了創(chuàng)新的設(shè)計方案，并對設(shè)計方案進(jìn)行了驗證，表明基于最大沖擊響應(yīng)峰值加速度的沖擊試驗?zāi)芰︱炞C設(shè)計是合理、有效的。希望能為同行開展沖擊試驗?zāi)芰︱炞C提供參考，促進(jìn)沖擊試驗?zāi)芰︱炞C的開展，持續(xù)提升實驗室的檢測水平。