陳愛軍，趙 翔，廖良全

(中航工業(yè)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

鋁蜂窩材料是某登陸緩沖器內(nèi)部構(gòu)成的關(guān)鍵吸能部件，通過受壓縮變形做功來吸收能量，從而有效地減少某登陸主體裝置受到的沖擊載荷。鋁蜂窩結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、平壓受載平穩(wěn)、緩沖吸能性能好等優(yōu)點(diǎn)［1-2］。在國(guó)內(nèi)，一些學(xué)者已開展了沖擊壓縮試驗(yàn)研究，如陳金寶博士使用高空沖擊平臺(tái)自由落體，撞擊固定在試驗(yàn)臺(tái)下方的鋁蜂窩試樣，從而測(cè)試鋁蜂窩的緩沖性能［3］，該試驗(yàn)方法中的試驗(yàn)件是在靜止?fàn)顟B(tài)下獲得沖擊載荷(見圖1)，沒有能夠模擬試驗(yàn)件在登陸的動(dòng)態(tài)環(huán)境獲得沖擊載荷的實(shí)際工況。本文提出一種新型試驗(yàn)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)試驗(yàn)件在模擬運(yùn)動(dòng)環(huán)境中進(jìn)行沖擊壓縮。本文對(duì)試驗(yàn)原理和相關(guān)重要參數(shù)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了說明，并對(duì)吸能鋁蜂窩進(jìn)行了實(shí)測(cè)，試驗(yàn)獲得滿意的結(jié)果。

1 試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)?zāi)M了鋁蜂窩在運(yùn)動(dòng)的緩沖器里面受壓吸能的動(dòng)態(tài)環(huán)境，試驗(yàn)件為“活塞筒”型式的緩沖器，活塞筒內(nèi)裝有2～4個(gè)鋁蜂窩材料試件。整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)(參見圖2)由運(yùn)動(dòng)環(huán)境裝置、加載載荷配重、緩沖裝置和測(cè)量記錄儀器設(shè)備四個(gè)部分組成。運(yùn)動(dòng)環(huán)境裝置包括吊籃(吊籃由可移動(dòng)式掛耳、炸彈掛鉤和電動(dòng)葫蘆組成)、運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌、起吊裝置(起吊之前必須將可移動(dòng)式掛耳移到吊籃重心處，調(diào)整投放姿態(tài)，可以保證試驗(yàn)件在起吊后處于垂直安裝狀態(tài))，加載載荷配重包括緩沖器及配重塊，緩沖裝置指橡膠板和液壓吸能裝置，測(cè)量記錄儀器設(shè)備包括ICP加速度傳感器、位移傳感器、調(diào)制解調(diào)器、應(yīng)變片、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、高速攝像機(jī)等。

根據(jù)試驗(yàn)要求，在滿足加載配重質(zhì)量為m=310.2kg，在速度 v0=4.4m/s 時(shí)鋁蜂窩受到規(guī)定的沖擊載荷(要求沖擊加速度波形為三角波，輸入載荷設(shè)計(jì)為10.71±0.51G，脈寬設(shè)計(jì)為 80 ～100ms，參見圖3)等條件下研究鋁蜂窩的壓縮吸能性能，試驗(yàn)裝置具體如圖1所示(緩沖器下端固定在沖擊平臺(tái)的吊籃上)。

圖1 靜態(tài)環(huán)境鋁蜂窩沖擊試驗(yàn)圖［3］

試驗(yàn)過程模擬某設(shè)備登陸時(shí)的真實(shí)情況，最后通過對(duì)比輸出加速峰值與輸出加速度均值大小和曲線的形狀等數(shù)據(jù)判斷鋁蜂窩的壓縮吸能性能，從而為鋁蜂窩規(guī)格的選擇提供依據(jù)。

圖2 動(dòng)態(tài)環(huán)境鋁蜂窩沖擊試驗(yàn)示意圖

2 試驗(yàn)方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響及數(shù)據(jù)分析

2.1 液壓吸能裝置調(diào)節(jié)對(duì)試驗(yàn)的影響

液壓阻尼吸能裝置是沖擊環(huán)境中的重要部分，在沖擊動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域具有極其重要的地位。該裝置利用液壓吸能原理，將試驗(yàn)件按照實(shí)際裝機(jī)的情況安裝在剛性試驗(yàn)吊籃上，根據(jù)要求的墜落速度，提升到一定高度后釋放，使試驗(yàn)件及吊籃一起自由墜落，吊籃下部的活塞桿進(jìn)入液壓吸能系統(tǒng)。通過液壓吸能系統(tǒng)內(nèi)節(jié)流孔的開孔面積及位置調(diào)節(jié)阻尼，達(dá)到鋁蜂窩材料試件吸收能量的目的，用吸能過程產(chǎn)生的要求的波形來考核試驗(yàn)件的各項(xiàng)性能。通過調(diào)整液壓吸能裝置側(cè)面開孔面積和開孔位置，系統(tǒng)能產(chǎn)生半正弦、三角波、梯形波等各種波形，可以提供最大80g的加速度，波形脈沖時(shí)間寬度30ms至300ms。

試驗(yàn)重點(diǎn)是要求試驗(yàn)件受到的沖擊加速度波形為三角波，輸入載荷設(shè)計(jì)為10.71±0.51G，脈寬設(shè)計(jì)為80～100ms，液壓吸能裝置能夠通過調(diào)節(jié)側(cè)面開孔面積和開孔位置滿足試驗(yàn)的要求，x軸與y軸相互關(guān)聯(lián)可由液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制，且總?cè)遣ǚe分面積相等。

圖3 沖擊脈沖圖

圖4 第一組沖擊試驗(yàn)輸入加速度曲線

根據(jù)試驗(yàn)沖擊載荷的需要，通過活塞桿頭截面和直徑、液體吸能系統(tǒng)側(cè)面開孔面積等參數(shù)的控制，在試驗(yàn)總裝置重量M和投放高度H計(jì)算確定的情況下，以加速度為測(cè)量對(duì)象，可調(diào)得圖4中的沖擊脈沖圖，輸入加速度峰值為 10.42G，脈寬為 0.09s，完全滿足要求沖擊加速度三角波，精度在5%以內(nèi)。

2.2 吊籃的高度和配重調(diào)節(jié)對(duì)試驗(yàn)的影響

吊籃的投放高度和吊籃配重是該試驗(yàn)的重要參數(shù)，影響試驗(yàn)件在沖擊環(huán)境下配重吊籃的瞬時(shí)速度v0和施加于試驗(yàn)件上的沖擊載荷大?。?］。因?yàn)樵囼?yàn)件數(shù)量有限且不能重復(fù)利用，所以必須將整個(gè)吊籃的配重計(jì)算和稱量準(zhǔn)確，而且在投放之前調(diào)節(jié)好重心位置，準(zhǔn)確計(jì)算好投放高度。

根據(jù)能量守恒定律可推導(dǎo)出:

式1中，v表示鋁蜂窩受載壓縮時(shí)吊籃的瞬時(shí)下沉速度，模擬真實(shí)工作狀態(tài)所要求的在指定速度v0下進(jìn)行緩沖器受載的配重吊籃的瞬時(shí)速度，a為吸能過程中瞬時(shí)垂直加速度;式2中H為吊籃的投放高度;式3中S為吸能過程中吊籃的瞬時(shí)位移。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試采集和處理方法對(duì)試驗(yàn)的影響

試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)采集和處理方法也是試驗(yàn)極其重要的一部分。輸入沖擊加速度峰值及脈寬由兩個(gè)加速度傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)平均和時(shí)域光滑后得到，輸出加速度由配重平臺(tái)上兩個(gè)加速度傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)平均，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歧異點(diǎn)檢查并剔除后得到，試驗(yàn)臺(tái)緩沖行程由位移傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行負(fù)向壓縮量置零后得到。

吸收功量由下面的公式算出:

平均輸出加速度為:

式中:a(t)為試驗(yàn)臺(tái)輸出加速度;s(t)為緩沖行程;m為配重重量。

2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)選用四組鋁蜂窩按照上述方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮沖擊試驗(yàn)。鋁蜂窩材料是直徑為100mm，高度為90～100mm的圓柱狀試件，環(huán)形加載配重為310.2kg，投放高度H為1m。由于試驗(yàn)裝置重復(fù)性好，誤差小，因此本文列出4組鋁蜂窩試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

以其中的一組鋁蜂窩實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)圖做典型分析。其輸入加速度曲線、輸出加速度曲線、壓縮量曲線和壓縮量與輸出加速度關(guān)系曲線分別如圖5、圖6、圖7所示，圖8是試驗(yàn)總體照片。

圖5 典型的沖擊試驗(yàn)輸出加速度曲線

圖6 典型的沖擊試驗(yàn)壓縮量曲線

表1 鋁蜂窩沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

圖7 典型的沖擊試驗(yàn)壓縮量與輸出加速度關(guān)系曲線

圖8 試驗(yàn)總體照片

圖5表明鋁蜂窩受到載荷后開始?jí)嚎s，輸出加速度大小比較穩(wěn)定，且從表1中的數(shù)據(jù)可知輸出加速度峰值與輸出加速度均值接近，由式(4)和式(5)說明此時(shí)鋁蜂窩壓縮變形吸能效果良好，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。從圖6可以看出，鋁蜂窩從受載荷開始?jí)嚎s變形，壓縮量與時(shí)間幾乎成線性關(guān)系，表明鋁蜂窩受壓變形量平穩(wěn)，沒有突變，這樣的好處是保證設(shè)備在登陸時(shí)不會(huì)受到?jīng)_擊造成儀器損壞，從圖中可以看出鋁蜂窩的最大的壓縮量達(dá)到204.49mm。圖7能夠直觀反映沖擊試驗(yàn)壓縮量與輸出加速度關(guān)系曲線，壓縮量從開始到最后，輸出加速度變化不大，表明鋁蜂窩受壓后變形平穩(wěn)，有利于設(shè)備儀器著陸時(shí)的安全。

從表1中的數(shù)據(jù)和時(shí)域曲線可知試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期設(shè)想相吻合，試驗(yàn)成功。

3 結(jié)論

通過試驗(yàn)研究及結(jié)果分析可以得知:

1)通過原理性的分析和對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)原理的正確性;

2)針對(duì)吸能鋁蜂窩設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)壓縮沖擊試驗(yàn)方法滿足了模擬沖擊環(huán)境的要求，通過對(duì)沖擊過程全程實(shí)測(cè)，反映出吸能鋁蜂窩實(shí)際工作時(shí)的沖擊壓縮情況;

3)在國(guó)內(nèi)首次運(yùn)用液壓裝置成功實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)環(huán)境中對(duì)鋁蜂窩施加特定波形沖擊載荷的壓縮吸能試驗(yàn)，為以后類似的試驗(yàn)提供了依據(jù)。

［1］Kolsjy H.The propagation of longitudinal elastic waves along a cylindrical bar［J］.Phil Mag Ser，1954，7(45):712-713.

［2］Zhang Baoping，Zheng Yuliu，F(xiàn)eng Xichun.Approximate analysis to the stress status of sample in Hopkinson bar test and its correction of inertia［J］.Journal of Beijing Institute of Technology(in Chinese)，1994，14(S1):23-29.

［3］陳金寶.月球著落條件對(duì)鋁蜂窩材料緩沖性能的影響［D］.南京:南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，2008.

［4］馬曉青.沖擊動(dòng)力學(xué)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，1992.204-207.