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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：10467次

一個結構系統受到的瞬態載荷就是沖擊。對于汽車產品來講，沖擊實驗是發現產品結構缺陷必不可少的手段之一。機械沖擊實驗是模擬產品在生命周期內可能經歷的運輸沖擊、外力沖擊、碰撞沖擊甚至爆炸沖擊，保證產品在沖擊后能正常工作。

按照沖擊發生的頻次，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。持續時間比系統固有半周期短的沖擊稱為脈沖型沖擊，系統能量突變的沖擊（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，一般產生在沖擊源處。復雜振蕩型沖擊則是由系統傳遞后產生的沖擊響應運動。實際上遇到的沖擊多數為復雜振蕩型沖擊。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實中的沖擊，工程界做了大量的研究與驗證。目前業內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

目前國內外很多法規標準（GB/T 2423、GJB 150、MIL-STD-810E）對沖擊實驗做了規范，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生更高的響應，可以模擬空間探測器或衛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。

在汽車行業的不同標準中，沖擊實驗的脈沖持續時間主要有6ms、11ms兩種規格。目前沒有查到對持續時間選擇的說明資料，結合經驗及其他資料，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時間，調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、爆炸的持續時間比較短，用較短時間的脈沖可以涵蓋現實中沖擊脈沖的時間。

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

二、沖擊響應頻譜（Shock Response Spectrum）實驗

現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典沖擊，兩者對產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境對產品的作用效果和實驗條件的參數。

在20世紀70年代以前，業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、沖量小不足以對產品造成破壞。因此沖擊試驗主要以半正弦等經典波形為主。但是隨著對產品失效分析的積累，人們發現航天器上的儀器或電子產品，對量級較大的高頻更加敏感，所以業界對復雜沖擊環境的破壞機理、模擬實驗技術進行了大量的研究。經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。因此經典波形沖擊對固有頻率較低的大型部段結構的破壞作用較大，而復雜波形沖擊對電子產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，目前航天器上產品要求加速度達到1000~4000g，有些產品甚至要求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、質量系統時，將各單自由度系統的最大響應值，作為對應于系統固有頻率的函數而繪制的曲線。從20世紀90年代開始，國內外標準對沖擊響應譜實驗進行了規定，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，用一個質量撞擊彈性邊界，使系統產生與要求的沖擊環境類似的共振響應。

常見的模擬設備有擺錘沖擊臺、跌落沖擊臺、氣動式沖擊臺、諧振板模擬設備等。

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

小結：

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境，多用在消費產品、汽車產品實驗中；

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境，多用在航天、軍工或其他高要求的產品實驗中。

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 軍用設備環境實驗方法沖擊實驗
倪維宇. 汽車碰撞沖擊脈沖波形數學建模
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. 沖擊響應譜試驗規范述評

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