郭勝利，閆勝?gòu)?/p>

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽(yáng) 471009）

基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析的空空導(dǎo)彈沖擊環(huán)境研究

郭勝利，閆勝?gòu)?/p>

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽(yáng) 471009）

介紹了空空導(dǎo)彈在壽命期內(nèi)（包括運(yùn)輸、貯存和使用過(guò)程）所經(jīng)歷的各種沖擊環(huán)境及其環(huán)境效應(yīng)，研究了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理方法，并以空空導(dǎo)彈沖擊實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為實(shí)例進(jìn)行分析處理，得出了描述實(shí)際沖擊環(huán)境的主要技術(shù)參數(shù)，可為空空導(dǎo)彈沖擊試驗(yàn)條件歸納和試驗(yàn)?zāi)M提供理論支撐。

沖擊環(huán)境；數(shù)據(jù)分析處理；試驗(yàn)條件

0 引 言

空空導(dǎo)彈在運(yùn)輸、貯存、掛飛和自主飛行過(guò)程中會(huì)遭遇嚴(yán)酷的沖擊環(huán)境［1］,主要包括運(yùn)輸裝卸時(shí),由于人員或設(shè)備原因發(fā)生的意外跌落；掛機(jī)飛行時(shí)的起飛、著陸沖擊；空中發(fā)射瞬時(shí)的發(fā)射沖擊；飛機(jī)或?qū)椩诳罩凶鳈C(jī)動(dòng)時(shí)的機(jī)動(dòng)沖擊；艦載飛機(jī)的彈射起飛和攔阻著陸沖擊等等。這些沖擊環(huán)境的效應(yīng)都將直接影響空空導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)完整性和工作性能。

將空空導(dǎo)彈所經(jīng)受的沖擊“應(yīng)力”,轉(zhuǎn)化為相應(yīng)試驗(yàn)條件,在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)?zāi)M,是提高產(chǎn)品健壯性的必要手段［2］。

在確定試驗(yàn)條件時(shí),MIL-STD-810F［3］指出：根據(jù)在相似自然環(huán)境條件下安裝在平臺(tái)上的相同或非常相似的裝備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)推導(dǎo)得出具體的試驗(yàn)量值、范圍、速率和試驗(yàn)時(shí)間。因此,在有空空導(dǎo)彈實(shí)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)時(shí),可對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,轉(zhuǎn)化為相應(yīng)環(huán)境的試驗(yàn)條件,從而進(jìn)行模擬試驗(yàn),達(dá)到考核空空導(dǎo)彈對(duì)沖擊環(huán)境的適應(yīng)性的目的。

1 沖擊環(huán)境效應(yīng)

沖擊是裝備經(jīng)歷的最一般的力學(xué)環(huán)境,裝備對(duì)機(jī)械沖擊環(huán)境的響應(yīng)具有以下特征［4］：高頻震蕩、短持續(xù)時(shí)間、明顯的初始上升時(shí)間和高量級(jí)的正負(fù)峰值,在產(chǎn)品上造成的破壞形式以峰值破壞為主,會(huì)導(dǎo)致：

a.零件之間摩擦力的增加或減少,或相互干擾而引起的裝備失效；

b.裝備絕緣強(qiáng)度變化、絕緣電阻抗下降、磁場(chǎng)和靜電場(chǎng)強(qiáng)的變化；

c.裝備電路板故障、損壞和電連接器失效；(有時(shí)裝備在沖擊作用下,可能使電路板上多余物遷移而導(dǎo)致短路)；

d.當(dāng)裝備結(jié)構(gòu)或非結(jié)構(gòu)件過(guò)應(yīng)力時(shí),裝備產(chǎn)生永久性的機(jī)械變形；

e.當(dāng)超過(guò)極限強(qiáng)度時(shí),裝備的機(jī)械零件損壞；

f.材料的加速疲勞(低周疲勞)；

g.裝備潛在的壓電效應(yīng)；

h.由于晶體、陶瓷、環(huán)氧樹(shù)脂或玻璃封裝破裂造成的裝備失效。

2 沖擊環(huán)境測(cè)量

沖擊環(huán)境的瞬態(tài)性,使得測(cè)量實(shí)際的激勵(lì)非常不現(xiàn)實(shí)。業(yè)內(nèi)通用的做法是測(cè)量沖擊環(huán)境引起的響應(yīng),從響應(yīng)預(yù)測(cè)激勵(lì)。通過(guò)試驗(yàn)件沖擊響應(yīng)特性將響應(yīng)等效為激勵(lì),或直接采用響應(yīng)控制［5］。

為了解產(chǎn)品實(shí)際的沖擊環(huán)境,首先制定一個(gè)可行的測(cè)試方案,方案至少應(yīng)包括沖擊類型、測(cè)量點(diǎn)數(shù)量、位置和方向,采樣頻率和每個(gè)傳感器的動(dòng)態(tài)范圍,且對(duì)沖擊響應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)有嚴(yán)格的要求［6］,如下：

a.動(dòng)態(tài)范圍大：由于沖擊信號(hào)的幅值變化范圍遠(yuǎn)較振動(dòng)大,故沖擊的準(zhǔn)確描述至少需要40 dB以上的測(cè)量系統(tǒng)；

b.頻率范圍寬：由傅里葉變化可知,即使一個(gè)簡(jiǎn)單脈沖,其頻率范圍也非常寬。例如一個(gè)持續(xù)時(shí)間為50 ms的半正弦脈沖,其頻率含量遠(yuǎn)高于連續(xù)正弦振動(dòng)信號(hào)的頻率,甚至在100 Hz仍有頻率分量存在；對(duì)于典型脈沖,頻率范圍的經(jīng)驗(yàn)公式為0.008D≤f≤10/D,式中D為沖擊持續(xù)時(shí)間。

c.若測(cè)量系統(tǒng)高頻限不足以覆蓋脈沖高頻含量,則會(huì)產(chǎn)生失真。為了避免波形失真,一般對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的上限頻率設(shè)置推薦為f≥10/D是合理的。

實(shí)際測(cè)量時(shí),記錄沖擊響應(yīng)的時(shí)域信號(hào)和測(cè)量過(guò)程中所發(fā)生的物理事件,測(cè)量數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)分析。

3 沖擊數(shù)據(jù)分析處理方法

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

沖擊信號(hào)具有強(qiáng)的瞬態(tài)性,信號(hào)中難免混入一些失真的信號(hào)或干擾信號(hào)。所以,在得到?jīng)_擊環(huán)境的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)后,首先要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的預(yù)處理［7］,以得到真實(shí)有效的數(shù)據(jù)。預(yù)處理過(guò)程主要有：失真數(shù)據(jù)的辨識(shí)及處理、間歇噪聲辨識(shí)及處理、過(guò)大儀器噪聲辨識(shí)及處理、假趨勢(shì)辨識(shí)及處理、信號(hào)丟失處理等。對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理主要分為時(shí)域和頻域兩種分析方法。

3.2 時(shí)域分析方法

沖擊時(shí)域數(shù)據(jù)分析應(yīng)該給出三個(gè)主要特征信息：沖擊有效持續(xù)時(shí)間、峰值加速度值和沖擊信號(hào)波形。

3.2.1 沖擊有效持續(xù)時(shí)間的確定

沖擊的有效持續(xù)時(shí)間［8］有以下兩種定義：

a.沖擊的有效持續(xù)時(shí)間TE是包含絕對(duì)值超過(guò)1/3最大峰值的所有時(shí)間歷程幅值所對(duì)應(yīng)的最小時(shí)間長(zhǎng)度；

b.沖擊有效持續(xù)時(shí)間Te(對(duì)處理復(fù)雜瞬態(tài)數(shù)據(jù)更合適)的定義是：包含至少90%以上的均方根RMS時(shí)間歷程幅值超過(guò)10%最大均方根幅值的時(shí)間歷程所對(duì)應(yīng)的最小時(shí)間長(zhǎng)度。

圖1 沖擊加速度響應(yīng)時(shí)間歷程樣本

圖2 沖擊加速度響應(yīng)時(shí)間歷程截?cái)鄻颖镜挠行С掷m(xù)時(shí)間

圖1所示為沖擊加速度響應(yīng)時(shí)間歷程樣本。圖2說(shuō)明了圖1所示樣本經(jīng)截?cái)嗟臎_擊時(shí)間歷程的有效持續(xù)時(shí)間TE和Te。由于這種沖擊波形的復(fù)雜和延長(zhǎng)的特點(diǎn),TE和Te相差不大。對(duì)于少數(shù)復(fù)雜沖擊的時(shí)間歷程,通常不是這樣。對(duì)TE的90%的技術(shù)要求,防止了由于幅值超過(guò)10%RMS的噪聲尖峰影響所導(dǎo)致的沖擊持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。圖3給出了圖2所示的時(shí)間歷程的短時(shí)平均RMS值的估計(jì)以及Te。圖3中,短時(shí)平均時(shí)間大約是Te的13%。多數(shù)情況下,分析員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌驁A滿地確定有效持續(xù)時(shí)間TE和Te,用來(lái)替代精確的分析定義。為確定有效持續(xù)時(shí)間TE和Te,在對(duì)任何測(cè)量的瞬態(tài)時(shí)間歷程數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí),重要的是保存復(fù)雜瞬態(tài)過(guò)程的固有信息和最大限度地減少與儀器噪聲有關(guān)的信息。

圖3 沖擊加速度響應(yīng)時(shí)間歷程截?cái)鄻颖径虝r(shí)平均RMS

3.2.2 峰值加速度的確定

峰值加速度：最高峰所對(duì)應(yīng)的幅值即為峰值加速度。

3.2.3 沖擊波形的確定

根據(jù)沖擊激勵(lì)源的不同,對(duì)簡(jiǎn)單沖擊,時(shí)域沖擊波形可近似處理為半正弦波、后峰鋸齒波或梯形波；對(duì)復(fù)雜沖擊,可以處理為持續(xù)時(shí)間為Te的瞬態(tài)過(guò)程。

鑒于沖擊激勵(lì)的復(fù)雜性,實(shí)際的沖擊波形從沖擊響應(yīng)時(shí)域波形上往往很難確定,GB/T2423.5 -1995《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)第二部分：試驗(yàn)方法試驗(yàn)Ea和導(dǎo)則：沖擊》中給出了一個(gè)原則性的建議,可參考執(zhí)行［9］。即：一般的,對(duì)線彈性系統(tǒng)的撞擊或減速引起的沖擊,選用半正弦波；由于爆炸螺栓引起的沖擊,選用梯形波。GJB150.18A建議優(yōu)先使用后峰鋸齒波,理由是后峰鋸齒波比半正弦波具有更均勻的沖擊響應(yīng),其殘余沖擊響應(yīng)譜接近初始響應(yīng)譜。

3.3 頻域分析方法

在給定分析頻率fn上的沖擊響應(yīng)譜值SRS定義如下：一個(gè)無(wú)阻尼振動(dòng)固有頻率為fn的單自由度(SDOF)系統(tǒng)上作用一個(gè)給定的基礎(chǔ)輸入時(shí),質(zhì)量塊的最大響應(yīng)?；A(chǔ)輸入是在一個(gè)規(guī)定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)的實(shí)測(cè)沖擊(規(guī)定的持續(xù)時(shí)間應(yīng)當(dāng)是有效持續(xù)時(shí)間Te)。單自由度系統(tǒng)的阻尼特性用“Q”(品質(zhì)因子)表示,Q為50表示1%的臨界阻尼,Q為10表示5%的臨界阻尼,Q為5表示10%的臨界阻尼。在實(shí)驗(yàn)室模擬時(shí),Q可取10和5兩個(gè)值,分別對(duì)應(yīng)較大阻尼和較小阻尼。沖擊響應(yīng)譜曲線的橫坐標(biāo)是單自由度系統(tǒng)的固有頻率,縱坐標(biāo)是最大響應(yīng)加速度。沖擊響應(yīng)譜的頻率范圍從所感興趣的最低頻率一直到該譜達(dá)到平直段時(shí)的頻率。對(duì)高端頻率要求保證不忽略任何高頻分量,最低頻率由裝備的頻率響應(yīng)特性確定。對(duì)于感興趣的最低頻率fmin,沖擊響應(yīng)譜的計(jì)算從沖擊的第一個(gè)幅值上升開(kāi)始,到Te或1/2fmin(兩者取較大者)。

沖擊響應(yīng)譜描述了一系列單自由度振動(dòng)系統(tǒng),在沖擊激勵(lì)作用下,其最大響應(yīng)值與系統(tǒng)的固有頻率之間的關(guān)系(稱為初始沖擊響應(yīng)譜)。在沖擊激勵(lì)函數(shù)作用之后,單自由度振動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間歷程出現(xiàn)的最大值與系統(tǒng)的固有頻率之間的關(guān)系稱為剩余沖擊響應(yīng)譜。

最大沖擊響應(yīng)譜是在沖擊激勵(lì)函數(shù)作用下,單自由度振動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間歷程最大值與系統(tǒng)的固有頻率之間的關(guān)系。取初始沖擊響應(yīng)譜與剩余沖擊響應(yīng)譜之間的最大值。在工程實(shí)際中,大多采用最大沖擊響應(yīng)譜。

4 實(shí)例分析

4.1 彈射沖擊

某產(chǎn)品彈射試驗(yàn)時(shí)測(cè)得的時(shí)域信號(hào)如圖4所示,從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中得出,該環(huán)境屬于沖擊環(huán)境,首先對(duì)沖擊數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,包括剔除趨勢(shì)、奇異點(diǎn)等。

圖4 彈射試驗(yàn)原始時(shí)域圖

從時(shí)域信號(hào)結(jié)合彈射實(shí)際過(guò)程可以看出,彈射沖擊分為三個(gè)沖擊過(guò)程,第一個(gè)為發(fā)射裝置解鎖過(guò)程,第二個(gè)為彈射過(guò)程,第三個(gè)為產(chǎn)品落地的緩沖過(guò)程。按本文第3節(jié)方法對(duì)彈射過(guò)程沖擊信號(hào)進(jìn)行分析［10］,分析結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 彈射沖擊信號(hào)時(shí)域

由分析得出,彈射沖擊：峰值加速度約為80g,持續(xù)時(shí)間約為10 ms,沖擊響應(yīng)譜拐點(diǎn)約為4 500 Hz,峰值約為380g。

圖6 彈射沖擊信號(hào)沖擊響應(yīng)譜

4.2 運(yùn)輸?shù)錄_擊

某產(chǎn)品帶包裝箱運(yùn)輸?shù)鋾r(shí)測(cè)點(diǎn)的沖擊響應(yīng)如圖7所示。

圖7 包裝箱底面跌落時(shí)域信號(hào)

時(shí)域信號(hào)結(jié)合跌落物理過(guò)程可以看出,跌落沖擊分為兩個(gè)沖擊過(guò)程,第一個(gè)為跌落至地面過(guò)程,第二個(gè)為地面緩沖過(guò)程。對(duì)第一個(gè)沖擊信號(hào)進(jìn)行分析,分析結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 跌落沖擊時(shí)域

圖9 跌落沖擊響應(yīng)譜

由分析得出,跌落沖擊：峰值加速度約為50g,持續(xù)時(shí)間約為20 ms,波形近似為半正弦脈沖。沖擊響應(yīng)譜拐點(diǎn)約為35 Hz,峰值約為50g。

4.3 發(fā)射沖擊

某產(chǎn)品發(fā)射時(shí)測(cè)得的原始時(shí)域信號(hào)如圖10所示。

圖10 發(fā)射沖擊原始時(shí)域

時(shí)域分析如圖11所示,頻域分析如圖12所示。

圖11 發(fā)射沖擊時(shí)域

圖12 發(fā)射沖擊響應(yīng)譜

由分析得出,發(fā)射沖擊：峰值加速度約為40g,持續(xù)時(shí)間約為27 ms,波形近似半正弦脈沖。沖擊響應(yīng)譜拐點(diǎn)約為30 Hz,峰值約為50g。

本章以彈射沖擊、運(yùn)輸?shù)錄_擊和發(fā)射沖擊實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例,分析并提取了相應(yīng)沖擊環(huán)境的試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)：經(jīng)典沖擊試驗(yàn)所需要的沖擊時(shí)域峰值加速度(隱含沖擊方向),沖擊持續(xù)時(shí)間、沖擊波形；或沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)所需要的沖擊響應(yīng)譜數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)條件與試驗(yàn)方法密切相關(guān),對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn),只需構(gòu)建與實(shí)際環(huán)境相同或相近的環(huán)境,按照試驗(yàn)件實(shí)際使用的方式進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)于條件試驗(yàn),將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)按本文3.2節(jié)方法處理給出試驗(yàn)方法要求的試驗(yàn)參數(shù)即為試驗(yàn)條件。對(duì)于沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn),按本文3.3節(jié)方法對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行5%和10%阻尼比的最大沖擊響應(yīng)譜計(jì)算,然后對(duì)一系列的沖擊響應(yīng)譜數(shù)據(jù)分別進(jìn)行95/50單邊容差上限歸納即可確定沖擊響應(yīng)譜的試驗(yàn)譜形。

5 結(jié) 論

本文介紹了介紹了空空導(dǎo)彈在壽命期內(nèi)(包括運(yùn)輸、貯存和使用過(guò)程)所經(jīng)歷的各種沖擊環(huán)境及其環(huán)境效應(yīng),研究了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理方法,并以空空導(dǎo)彈沖擊實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為實(shí)例進(jìn)行分析處理,得出了描述實(shí)際沖擊環(huán)境的主要技術(shù)參數(shù),可為空空導(dǎo)彈沖擊試驗(yàn)條件歸納和試驗(yàn)?zāi)M提供理論支撐。

［1］樊會(huì)濤.空空導(dǎo)彈系統(tǒng)試驗(yàn)和鑒定［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2007.

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［4］邢天虎.力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社,2003.

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Study on Airborne M issile Shock Environment Based on the Analysis of Measured Data

Guo Shengli,Yan Shengyan
(China Airborne Missile Academy,Luoyang 471009,China)

The shocK environment and environment of airbornemissile in the life period(including transportation,storage and use)are introduced.The analysismethods ofmeasured data are researched, and the data is taKen as an example for analysis.The main technical parameters to describe the actual shocK of the environment are got,which can provide theoretical support for airborne missile shocK test condition and test simulation.

shocK environment,data analysis and processing,test conditions

TJ760.6+24

A

1673-5048(2015)03-0058-04

2015-04-02

郭勝利（1981-），男，河南洛陽(yáng)人，工程師，碩士研究生，研究方向是環(huán)境工程與環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)。