朱永曉，厲巍

(貴州航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，貴州貴陽(yáng)550009)

0 引言

隨著環(huán)境試驗(yàn)方法的更新和進(jìn)步，對(duì)沖擊參數(shù)的考核也越發(fā)嚴(yán)格和科學(xué)。振動(dòng)和沖擊經(jīng)常一起出現(xiàn)，但振動(dòng)是一種穩(wěn)態(tài)的持續(xù)過(guò)程，而沖擊則相反。在環(huán)境試驗(yàn)中，沖擊試驗(yàn)的目的并不是研究沖擊自身，而是關(guān)注沖擊作用于受測(cè)品或系統(tǒng)的效果，用能量的說(shuō)法就是研究沖擊運(yùn)動(dòng)對(duì)系統(tǒng)造成的損傷勢(shì)。國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)中早已出現(xiàn)的沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)，即是研究該損傷勢(shì)的環(huán)境試驗(yàn)方法。實(shí)踐證明，沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)?zāi)軌蛟缙诒┞懂a(chǎn)品在材料、結(jié)構(gòu)和工藝等方面的缺陷。為了保證產(chǎn)品在高沖擊環(huán)境下的可靠性，有必要進(jìn)行高沖擊環(huán)境模擬試驗(yàn)以便盡早暴露結(jié)構(gòu)缺陷。目前，沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)也逐漸得到推廣，成為了部分航天航空產(chǎn)品的力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目之一。

但是目前，沖擊響應(yīng)譜還沒(méi)有十分有效地校準(zhǔn)方法，國(guó)內(nèi)也尚無(wú)相關(guān)方面的校準(zhǔn)規(guī)范。隨著沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)機(jī)的廣泛運(yùn)用，對(duì)沖擊響應(yīng)譜進(jìn)行校準(zhǔn)的需求日益增加。針對(duì)上述問(wèn)題，本文研建了一種基于Lab-VIEW的沖擊響應(yīng)譜校準(zhǔn)系統(tǒng)，以滿足現(xiàn)有校準(zhǔn)需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊響應(yīng)譜的校準(zhǔn)。

1 沖擊響應(yīng)譜分析理論

傳統(tǒng)沖擊試驗(yàn)以簡(jiǎn)單脈沖產(chǎn)生的沖擊效果來(lái)模擬實(shí)際沖擊環(huán)境，例如圖1(a)所給出的兩個(gè)面積相等但波形不同的半正弦脈沖(它們的速度變化相等)以及圖1(b)所示的兩個(gè)相同半正弦脈沖但其中之一疊有一極窄脈沖，僅用時(shí)間歷程難于判別它們之間損傷勢(shì)的異同，甚至可能得出錯(cuò)誤的結(jié)論。

圖1 沖擊波形的時(shí)域比較

沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)與傳統(tǒng)沖擊試驗(yàn)不同，可從沖擊作用于系統(tǒng)的效果進(jìn)行分析，其物理模型見(jiàn)圖2。大部分系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)均可用單自由度系統(tǒng)表征，沖擊響應(yīng)譜即指一系列固有頻率不同的單自由度線性系統(tǒng)，受到同一沖擊激勵(lì)后響應(yīng)的總結(jié)果。它不是描述沖擊本身，而是描述沖擊的影響。

圖2 沖擊響應(yīng)譜的物理模型

對(duì)圖1中所示各沖擊波形進(jìn)行沖擊響應(yīng)譜分析后，如圖3所示。由響應(yīng)譜的比較可知，沖擊脈沖A對(duì)高頻系統(tǒng)危害較大，而B(niǎo)對(duì)低頻系統(tǒng)的損傷勢(shì)大;脈沖C和脈沖D雖時(shí)間歷程峰值相差很大，但其譜的差異除極高頻外均可忽略，也就是說(shuō)兩者的損傷勢(shì)在系統(tǒng)頻率不是很高時(shí)是相同的。

通過(guò)沖擊響應(yīng)譜可判定出:系統(tǒng)在沖擊作用下，各固有頻率結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)峰值大小，進(jìn)而得出各個(gè)結(jié)構(gòu)是否損傷的結(jié)論。根據(jù)不同的響應(yīng)參數(shù)，沖擊響應(yīng)譜可分為等效加速度、速度譜、相對(duì)位移譜和絕對(duì)加速度、位移譜。環(huán)境試驗(yàn)中常用的是相對(duì)位移譜和絕對(duì)加速度譜，相對(duì)位移譜常用于考核沖擊強(qiáng)度，而絕對(duì)加速度譜常用于規(guī)范沖擊環(huán)境。本文中描述的校準(zhǔn)系統(tǒng)，舉例時(shí)繪制的曲線就是一條絕對(duì)加速度譜。

圖3 與圖1相應(yīng)沖擊的沖擊響應(yīng)譜波形

2 軟件編制

2.1 分析算法

沖擊響應(yīng)譜的分析算法按出現(xiàn)時(shí)間先后可分為兩類(lèi):一類(lèi)是較早的FFT方法、直接積分法、遞推法和遞歸數(shù)字濾波法;另一類(lèi)是后期出現(xiàn)的應(yīng)用于實(shí)際工程中的:樣條函數(shù)法和改進(jìn)的遞歸數(shù)字濾波法，后兩個(gè)方法都是基于大量的實(shí)際應(yīng)用，后逐步改進(jìn)優(yōu)化的。本文中描述的軟件計(jì)算方法即是改進(jìn)的遞歸數(shù)字濾波算法，該方法克服了遞歸數(shù)字濾波法低頻時(shí)結(jié)果不穩(wěn)定等問(wèn)題，且計(jì)算速度快，計(jì)算精度高。該方法是Smallwood于1981年提出的，他用廣義斜臺(tái)函數(shù)來(lái)代替脈沖不變模型。廣義斜臺(tái)函數(shù)為［2］

式中:A是在t=KΔt時(shí)斜臺(tái)的斜率;u(t-KΔt)為單位階躍函數(shù)。應(yīng)用疊加原理，可得到比原來(lái)的遞歸數(shù)字濾波法的矩形逼近更精確的模型:梯形函數(shù)逼近沖擊輸入的模型。

設(shè)輸入信號(hào)ii(t)的采樣值為Ui，i=1，2，…，N。單自由度系統(tǒng)響應(yīng)x(t)的采樣值為xi，i=1，2，…，N。則有如下的斜臺(tái)不變模型的遞歸公式:

對(duì)系統(tǒng)的絕對(duì)加速度響應(yīng):

2.2 軟件流程

依據(jù)沖擊響應(yīng)譜分析算法和實(shí)際校準(zhǔn)步驟，本校準(zhǔn)軟件主程序流程圖如圖4所示，軟件流程圖如圖5所示。

圖4 沖擊響應(yīng)譜校準(zhǔn)軟件流程圖

圖5 沖擊響應(yīng)譜校準(zhǔn)主程序流程圖

沖擊響應(yīng)譜的求解是典型的線性系統(tǒng)在脈沖激勵(lì)下的響應(yīng)求解［3］，依據(jù)程序流程圖及分析算法，運(yùn)用LabVIEW數(shù)字濾波器和異步事件處理(AMC)的編程架構(gòu)［4］，本文編寫(xiě)了沖擊響應(yīng)譜校準(zhǔn)軟件SRS-Lab-VIEW 1.0。軟件主界面如圖6所示。

圖6 軟件界面圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)對(duì)象

選取擺錘式?jīng)_擊響應(yīng)譜試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)時(shí)，先將產(chǎn)品剛性固定在試驗(yàn)機(jī)的安裝臺(tái)面上，升起擺錘產(chǎn)生勢(shì)能，然后放下擺錘使其撞擊安裝臺(tái)面端面，通過(guò)事先安裝好的墊塊來(lái)調(diào)節(jié)沖擊響應(yīng)譜，由測(cè)試分析系統(tǒng)觀測(cè)產(chǎn)生的目標(biāo)譜形。圖7為沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖。

圖7 沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

3.2 校準(zhǔn)方法

把校準(zhǔn)系統(tǒng)與沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)所用壓電加速度計(jì)剛性地連接在試驗(yàn)機(jī)端面(盡可能靠近)，按試驗(yàn)要求設(shè)置好各參數(shù)，待試驗(yàn)機(jī)落錘后，同時(shí)采集瞬時(shí)沖擊信號(hào)，并將兩者分析處理得到的沖擊響應(yīng)譜結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，校準(zhǔn)原理框圖如圖8所示:

圖8 校準(zhǔn)原理框圖

3.3 校準(zhǔn)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)束后，試驗(yàn)機(jī)測(cè)量結(jié)果如圖9所示，校準(zhǔn)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果如圖10所示。

圖9 試驗(yàn)機(jī)測(cè)量結(jié)果

圖10 校準(zhǔn)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果

由圖9與圖10結(jié)果比對(duì)可知:①最大響應(yīng)峰值出現(xiàn)頻率及量級(jí)基本一致;②兩測(cè)量結(jié)果均符合相應(yīng)容差要求。

另外，本文筆者選擇不同地點(diǎn)、不同型號(hào)、性能穩(wěn)定的沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了為期6個(gè)月的穩(wěn)定性、可靠性驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理、分析，最終形成表1。通過(guò)表1不難看出，校準(zhǔn)系統(tǒng)可以達(dá)到對(duì)沖擊響應(yīng)譜的校準(zhǔn)。

由此可見(jiàn)，通過(guò)該校準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)沖擊響應(yīng)譜校準(zhǔn)是科學(xué)可行的，可以初步解決響應(yīng)譜校準(zhǔn)的問(wèn)題。經(jīng)計(jì)算，該校準(zhǔn)系統(tǒng)加速度測(cè)量結(jié)果的不確定度為Urel=8%(k=2)。

表1 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文從沖擊響應(yīng)譜分析理論出發(fā)，結(jié)合改進(jìn)的遞歸數(shù)字濾波法，基于LabVIEW軟件，編制了沖擊響應(yīng)譜校準(zhǔn)軟件，配置壓電加速度計(jì)、電荷放大器等硬件，共同組建成了該套沖擊響應(yīng)譜校準(zhǔn)系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)與專(zhuān)用沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)機(jī)測(cè)量結(jié)果的比對(duì)可知，該校準(zhǔn)系統(tǒng)測(cè)量譜形很好地滿足了試驗(yàn)容差要求，且最大響應(yīng)峰值出現(xiàn)頻率及量級(jí)與試驗(yàn)機(jī)結(jié)果基本一致。說(shuō)明該校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件程序編寫(xiě)正確，硬件配置合理。下一步將增加校準(zhǔn)項(xiàng)目及校準(zhǔn)范圍，對(duì)沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)機(jī)的合理校準(zhǔn)方法進(jìn)行研究，確保校準(zhǔn)方法的準(zhǔn)確性，提高校準(zhǔn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

［1］汪鳳泉.電子設(shè)備振動(dòng)與沖擊手冊(cè).北京.科學(xué)出版社.1998.

［2］振動(dòng)與沖擊手冊(cè)編輯委員會(huì).振動(dòng)與沖擊測(cè)試技術(shù).北京.國(guó)防工業(yè)出版社.1990.

［3］Eric Bogatin.信號(hào)完整性分析.北京.電子工業(yè)出版社.2010.

［4］陳樹(shù)學(xué)劉萱.LabVIEW寶典.北京.電子工業(yè)出版社.2011.