对经典冲击和冲击响应谱的探讨_李苗.pdf

1512023 年 2 月/February 2023echnicalColumnT技术专栏摘要：产品在生产、运输及使用过程中常面临各种冲击环境，容易引起产品质量和可靠性方面的诸多问题，因此在产品研制生产过程中需要进行冲击试验，本文对经典冲击和冲击响应谱试验进行原理分析，认为产品实际冲击环境非常复杂，应根据产品冲击环境的实测值和试验目的进行试验方法选择。最后根据两种试验方法的实际应用和相关标准的修订情况，提出了冲击响应谱在验证产品设计参数或可靠性等方面的优势，成为冲击试验的发展趋势。关键词：冲击试验；冲击响应谱；经典冲击 中图分类号：TB123 文献标识码：A 文章编号：1004-7204(2023)02-0151-05对经典冲击和冲击响应谱的探讨Discussion on Classical Shock and Shock Response Spectrum李苗，魏威，惠好鹏（西安电子工程研究所，西安 710010）LI Miao,WEI Wei,HUI Hao-peng(Xian Electronic Engineering Research Institute,Xian 710010)A b s t r a c t：The product often faces various shock environments in the process of production,transportation and use,which is easy to cause many problems in product quality and reliability.Therefore,shock tests are required in the process of product development and production.This paper analyzes the principle of classical shock and shock response spectrum tests,and considers that the actual impact environment of the product is very complex.The test method should be selected according to the measured value of the product impact environment and the purpose of the test.Finally,according to the actual application of the two test methods and the revision of relevant standards,the advantages of shock response spectrum in verifying product design parameters or reliability are proposed,which becomes the development trend of shock test.K e y w o r d s：shock test;shock response spectrum;classical shock引言冲击可以定义为物体之间动能的瞬态传递，能量传递的持续时间小于受冲击物体固有振动的周期，也可视为能量从外界瞬态传递到一个系统的过程，此时系统受力、位置、速度尤其是加速度骤然发生变化，激起产品固有频率上的振动响应，导致产品功能、性能以及结构方面受到损害。民用产品及各种军用装备使用期间常面临各种冲击环境，其自身在结构、功能和性能都将受到不利影响。实际中冲击产生的过程及造成的影响非常复杂，一是冲击过程随机性较大，比振动环境效应更难分析和预估，很大程度上要依靠原型产品的冲击环境模拟试验进行设计验证和评估，确保产品的抗冲击特性符合设计要求。实际生产中，利用冲击试验的手段可以非常有效地检验和考核产品在特定冲击条件下的适应性和可靠性，大大降低实际环境中的使用风险。冲击试验技术可以概括为两种，一种为经典冲击波形控制，主要有半正弦波和后锋锯齿波等波形，另一种152环境技术/Environmental Technology技术专栏echnicalColumnT为今年发展起来的冲击响应谱试验，两者均可以通过振动台、专业冲击机等设备进行模拟试验。1冲击 一般冲击环境产生于物体间的机械冲击，或者冲击时遇到的非经常性、非重复性的冲击力，其特点是加速度较大，持续时间则较短。如产品运输过程中的碰撞、跌落，或者装备开火时的反冲，弹药爆炸等。机械冲击在频域范围上通常不超过 1 0 0 0 0 H z，持续时间也不超过 1 s 1。图 1 为一个实测的连续冲击加速度响应时间历程。由于产品在实际冲击时过程非常复杂,想要通过模拟实测时域波形进行冲击试验技术上无法实现。为了保证冲击试验的一致性和试验的再现性，保证在不同的试验室，不同设备、不同人员按相同的技术条件要求对同一产品进行冲击试验有相同的结果，很多标准如 G B/T 2 4 2 3、I E C 6 8-2-2 7、G J B 1 5 0 A、美军标 M I L-S T D-8 1 0 F都对冲击试验做出了详细的规定，所以采用经典冲击和冲击响应谱（S R S）进行试验是目前使用最广泛的冲击试验方法。2冲击试验2.1经典冲击经典冲击是指能用简单的数学方程式精确描述的冲击脉冲 2，美军标M I L-S T D-8 1 0 F 规定了后峰锯齿波波形，G J B 1 5 0 A-2 0 0 9 和 G J B 1 5 0-8 6 规定了半正弦波、后峰锯齿波等冲击波形，主要试验条件参数有控制波形、容差、冲击加速度 A、脉宽 D及冲击试验次数，图 2 为冲击试验中半正弦波和后锋锯齿波形试验的容差要求。经典冲击模拟较为容易，使用方便，操作简单且重复性好，使用到的设备有很多，振动台和各种作用原理的冲击机基本均可进行，在没有冲击响应谱模拟能力的情况下通常采用经典冲击波形的试验方法，但该方法并不能真实有效地模拟冲击环境，且容易在试验中对产品带来过冲击。图 1 冲击加速度响应时间历程样本（a）半正弦波冲击波形及容差（b）后峰锯齿波冲击波形及容差图 2 半正弦波和后峰锯齿波冲击波形及容差2.2冲击响应谱2.2.1 冲击响应谱参数冲击响应谱一般规定了特定频率范围内加速度允许的容差范围，试验判据是使用容差带套选冲击响应谱线，检查是否在该容差范围之内。图 3 是某型导引头的冲击响应谱试验曲线，非常典型，图中 f1和 f3指响应分析频率范围，f2为拐点频率（实际为系统的固有频率），1是响应谱的斜率。通常冲击响应谱试验最关注技术参数是 f2拐点频率，斜率 1，然后为最大响应加速度以及频1532023 年 2 月/February 2023echnicalColumnT技术专栏率范围。目前国内军用装备冲击试验主要依据 G J B 5 0 A-2 0 0 9进行，标准规定只有证明测量数据在经典脉冲的容差内，才允许采用经典冲击试验方法，其他均以冲击响应谱作为瞬态冲击的试验标准。如果没有外场冲击环境测量数据时对于地面和飞机设备可采用冲击谱如图 4 所示。2.2.2 冲击响应谱试验设备通常模拟冲击响应谱的设备有电动振动台、摆锤式冲击台、跌落式冲击台、气动式冲击台，马歇特锤等。振动台受最大速度和推力影响，不可能产生大过载的瞬态冲击。目前行业内使用较多的是气动式冲击台，其冲击性能稳定，重复性好，冲击采集系统精度高，该类设备主要由气动机构、锤头、波形发生器、响应板、控制、采集和分析系统构成，图 5 是普遍使用到的气动式水平冲击台。3冲击响应谱和经典冲击的对比由于每次冲击过程的时间历程是随机的，如图 6 所示，冲击响应谱的产生与时间无对应关系，任意冲击响应谱可转化为无限个时域冲击波形，这个特点为模拟冲击响应谱提供了很好的试验方案。冲击响应谱学术上受到众多学者的密切关注，主要因为冲击响应谱试验可以比经典冲击试验更真实的模拟系统所受到的冲击环境，对系统的预检作用更加准确和安全，因此成为常用的试验方式考核验证产品耐冲击环境的能力和冲击事件的统计分析。与经典波形冲击相比，冲击响应谱有四个优势：1）冲击环境的复杂性导致了若使用时域冲击波形确定试验参数则无法达到试验效果的一致性，冲击响应谱则可以解决该问题；2）相比经典冲击，冲击响应谱没有波形控制要求，试验具有较好的灵活性；3）冲击响应谱对产品的作用能量等效，更符合产品实际的冲击过程；4）冲击响应谱试验与经典冲击试验相比，对产品可图 3 冲击响应谱示意图图 4 无外场冲击环境数据时可采用的冲击谱图 5 气动式水平冲击台图 6 产品实际冲击环境及其冲击响应谱(a)产品实际冲击环境(b)产品冲击响应谱以承受的最大冲击载荷分析更加容易和准确。4实际应用冲击试验主要关注的是对产品极限强度的影响，而不考虑累积损伤，经典冲击试验方法确立后，一般不会154环境技术/Environmental Technology技术专栏echnicalColumnT对产品进行多次的冲击，但为了去除特殊情况的影响，试验时会可累积一定的试验次数。同时冲击的激励可从任意方向具有较大随意性，通过工程化处理后，标准通常要求产品在三轴六方向各进行冲击 3 次，共进行 1 8 次冲击试验。冲击响应谱试验试验次数和方向要求低于经典冲击，但一般多进行的是大过载冲击试验，因此试验操作上对人员的要求较高。以某型导引头冲击响应谱试验为例，该装备冲击响应峰值要求为 1 4 0 0 g，拐点频率 9 0 0 H z，上升斜率+6 d B/O c t，响应频率范围（1 0 0 5 0 0 0）H z，实际实施试验时采用的为气动式水平冲击台，笔者通过实践和研究，总结了该设备较为科学合理的试验流程，如图 7 所示，该装备对应的试验结果如图 8 所示。产品冲击试验采用经典冲击的方式后在使用期间受冲击后仍然损坏，或者实际进行试验时不合格但在使用场景收到冲击后无异常，造成这种情况是因为经典波形无法与真实的冲击环境能量相匹配，其能量主要集中在低频段，真实冲击波形往往在高频范围具有很强的能量 4,5。所以经典冲击对固有频率较低的大型部段结构的破坏作用较大，而复杂高频冲击对电子产品具有较强的破坏图 8 某型导引头装备典型冲击响应谱图 7 气动式水平冲击台试验流程1552023 年 2 月/February 2023echnicalColumnT技术专栏作用，简单采用经典冲击作为检测条件的试验规范已经不能满足使用需求，所以从军用装备环境试验标准G J B 1 5 0 A发布以来，冲击环境条件就将经典冲击作为在没有测量数据情况下最低可接受的选择，而推荐使用产品冲击实测波形或者冲击响应谱，因此冲击响应谱试验技术是冲击试验的发展方向 6。5结论不同材料、结构的产品受冲击时产生的冲击脉冲是不相同的，进行冲击试验时应根据产品的冲击环境选择最接近真实情况的冲击波形、持续时间和峰值等参数。传统的冲击试验以经典冲击的效果来模拟实际的冲击环境，使用场景较少，如果需要验证产品设计参数会带来较大的局限性，此时可根据试验情况采用冲击响应谱试验方法提高试验效果。由于冲击响应谱试验方法与产品真实冲击环境更加贴近，同时行业标准对冲击响应谱的指导性影响，因此冲击响应谱已然成为冲击试验技术领域的发展趋势。作者简介:李苗（1989-），女，硕士，质量控制与检验专业，工程师，主要从事产品的检验试验与质量控制工作。1 GJB 150A-2009,军用装备实验室环境试验方法 S.2 孙晔,陆海桃,张海英,等.试验方法选择对冲击试验效果的影响分析 A.2016 航空试验测试技术学术交流会论文集 C.北京：测控技术,2016:292-295.3 姚建军,闫红松,杨研蒙.惯导系统两类冲击环境条件之间的等效转换 J.导航定位与授时,2019,6(1):116-122.4