唐 林,陳 剛,孫遠(yuǎn)程

(1 中國工程物理研究院總體工程研究所,四川綿陽 621999;2 中國工程物理研究院電子工程研究所,四川綿陽 621999)

0 引言

高g值加速度參量是強(qiáng)沖擊試驗(yàn)的主要特征參量之一[1]。在侵徹武器等兵器彈藥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研發(fā)過程中,彈體侵徹過程中的加速度-時(shí)間歷程關(guān)系到彈體強(qiáng)度設(shè)計(jì)、侵徹深度計(jì)算、炸藥安定性、引信的準(zhǔn)確工作等多個(gè)領(lǐng)域的研究[2-5]以及民用工業(yè)里,在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行碰撞、墜落等工況的分析中,加速度都是一個(gè)重點(diǎn)關(guān)注的參量。

高g值加速度實(shí)測(cè)信號(hào)包括結(jié)構(gòu)的剛體加速度、結(jié)構(gòu)振動(dòng)、結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力波傳播和其他外部噪聲信號(hào)等[6]。影響加速度測(cè)試信號(hào)的因素很多,對(duì)其研究關(guān)系到能否準(zhǔn)確測(cè)量到所需的沖擊加速度。

國內(nèi)外的學(xué)者對(duì)高g值加速度信號(hào)測(cè)試的影響因素開展了很多研究。針對(duì)濾波墊材料對(duì)加速度信號(hào)的影響,文獻(xiàn)[7]指出濾波材料的剛度與阻尼直接影響到濾波截止頻率的大小,文獻(xiàn)[8]通過數(shù)值模擬分析了橡膠、環(huán)氧樹脂、低密度聚乙烯三種緩沖材料對(duì)侵徹過載的影響,表明低密度聚乙烯可以對(duì)加速度計(jì)起到較好的濾波、保護(hù)目的;趙小龍等[9]的研究顯示不同安裝方式下加速度計(jì)的輸出信號(hào)有很大差異;盧玉斌等[10]提出測(cè)試裝置應(yīng)盡量和結(jié)構(gòu)剛性連接,同時(shí)還應(yīng)盡量提高安裝剛度;此外,研究者們還針對(duì)加速度計(jì)的類型、固有頻率、非線性和沖擊校準(zhǔn)精度等對(duì)測(cè)試信號(hào)的影響開展了研究,并得到了一系列可借鑒的研究成果[11-14]。綜合來看,目前針對(duì)加速度信號(hào)測(cè)試影響因素的研究側(cè)重于分析材料特性、結(jié)構(gòu)特性、加速度計(jì)固有屬性等的影響,而缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)加速度信號(hào)的組分、頻率特性的深入分析以及缺乏關(guān)于測(cè)試系統(tǒng)特性對(duì)測(cè)試信號(hào)影響的研究。

針對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的影響,采用跌落式?jīng)_擊臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),通過設(shè)置不同的放大器低通截止頻率獲得了相同加載條件下的不同加速度測(cè)試曲線,結(jié)合頻譜分析和傳感器的頻響范圍得到能有效測(cè)得沖擊加速度信號(hào)的低通截止頻率范圍,并通過模態(tài)分析驗(yàn)證了結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外,利用有限元軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬,并將數(shù)值結(jié)果同實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較分析。

1 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析

圖1是試驗(yàn)裝置跌落式?jīng)_擊臺(tái)[15]的示意圖。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含球面沖擊塊、底座、擊塊架、加速度傳感器、放大器等。沖擊塊材料采用CrWMn合金工具鋼。測(cè)試傳感器Endevco2270壓電加速度計(jì)的沖擊極限為15 000g,頻響范圍為2 Hz～20 kHz,通過一個(gè)轉(zhuǎn)接頭安裝在球面沖擊塊上;放大器Endevco133帶寬為100 kHz。實(shí)驗(yàn)中將沖擊塊從一定高度自由釋放以獲得一定的初速度,通過沖擊塊對(duì)底座的撞擊實(shí)現(xiàn)高g值加載,安裝在沖擊塊上的加速度測(cè)試裝置記錄整個(gè)過程沖擊塊的加速度信號(hào)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采樣頻率為1 MHz。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)的沖擊試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)時(shí),將球面沖擊塊從同一高度h=250 mm處自由釋放,通過五種不同低通截止頻率的設(shè)置研究相同加載條件下的加速度信號(hào)差異,測(cè)試信號(hào)以電壓信號(hào)的形式存儲(chǔ),最終通過電壓信號(hào)與加速度信號(hào)的轉(zhuǎn)換關(guān)系得到加速度-時(shí)間歷程曲線,電壓信號(hào)與加速度信號(hào)的轉(zhuǎn)換關(guān)系為1 000g/V。實(shí)驗(yàn)所測(cè)的沖擊加速度-時(shí)間歷程曲線如圖2～圖4所示,對(duì)應(yīng)信號(hào)主脈沖的幅值和脈寬在表2中給出。

表1 沖擊試驗(yàn)參數(shù)

圖2 全帶通時(shí)的加速度曲線

圖3 30 kHz低通時(shí)的加速度曲線

圖4 其余三組低通加速度曲線

分析比較圖2～圖4及表2可以發(fā)現(xiàn),在放大器的低通截止頻率選取為全帶寬時(shí),實(shí)測(cè)加速度-時(shí)間歷程曲線包含主脈沖,主脈沖過后是一段幾百微秒的高頻高幅值振蕩衰減過程;低通截止頻率為30 kHz時(shí),主脈沖幅值相對(duì)減小、脈寬增大,主脈沖之后也有一個(gè)持續(xù)數(shù)百微秒的振蕩衰減過程,但其中的高頻成分比全帶通測(cè)試信號(hào)少;隨著低通截止頻率的降低,主脈沖幅值逐步減小、脈寬隨之增大,加速度曲線逐漸趨于光滑,且振蕩性顯著降低。這是隨著低通截止頻率的降低,加速度信號(hào)中高頻分量被逐一濾除的結(jié)果。通過對(duì)較高截止頻率時(shí)的曲線采用相應(yīng)的較低頻率進(jìn)行數(shù)值濾波,可以得到近乎相同的曲線,表明五組實(shí)驗(yàn)具有較好的重復(fù)性。

表2 加速度主脈沖參數(shù)

為研究實(shí)測(cè)加速度信號(hào)的頻率特性,并對(duì)加速度-時(shí)間歷程曲線的特點(diǎn)做進(jìn)一步的了解,將各組實(shí)驗(yàn)所得的加速度信號(hào)做頻譜分析,得到兩組頻譜曲線對(duì)比如圖5所示。從頻譜圖上看出,在放大器全帶通時(shí),信號(hào)頻帶主要在85 kHz以下,并且主要集中9 kHz以下和48～63 kHz兩個(gè)頻帶范圍,兩個(gè)頻帶的中心頻率分別為5 kHz和55 kHz,并且后者的幅值比在9 kHz以下的低頻信號(hào)還要大得多;在放大器的低通截止頻率為30 kHz時(shí),測(cè)試信號(hào)的頻譜主要集中在65 kHz以下,在此范圍的分布與放大器全帶通時(shí)類似,但頻帶在35～65 kHz區(qū)間的信號(hào)幅值大大減小,但也不可忽略,這也表明放大器所設(shè)置的低通截止頻率不能將高于該頻率的信號(hào)完全濾除;在放大器的低通截止頻率為10 kHz時(shí),9 kHz以下的信號(hào)幅值和前兩種狀態(tài)下的基本一致,而20 kHz以上的高頻信號(hào)則已基本消除;當(dāng)放大器的低通截止頻率為3 kHz和1 kHz時(shí),10 kHz以內(nèi)的信號(hào)的幅值分布與前三種狀態(tài)發(fā)生了大的變化,可以說,所測(cè)得的信號(hào)已不完整。

圖5 不同低通截止頻率下加速度曲線的頻譜對(duì)比圖

Endevco2270傳感器測(cè)試信號(hào)的頻響范圍為2 Hz～20 kHz,故測(cè)試曲線中20 kHz以上部分的信號(hào),即峰值頻率為55 kHz所在頻段信號(hào)可能并不是實(shí)驗(yàn)中沖擊塊的加速度信號(hào)。而Endevco133放大器的帶寬是100 kHz,故這部分信號(hào)也是由傳感器感受并傳輸?shù)椒糯笃鞯玫降慕Y(jié)果,可認(rèn)為這些信號(hào)也是傳感器敏感元件所承受的加速度歷程,它們可能是沖擊塊撞擊載荷導(dǎo)致的傳感器敏感元件共振所致。

將全帶通測(cè)試加速度信號(hào)以傳感器頻響上限20 kHz為截止頻率做高通濾波,得到如圖6所示曲線。由圖可見,除原始曲線第一個(gè)主峰部分的信號(hào)基本消失外,振蕩衰減部分的幅值僅略有減小,表明在測(cè)試范圍之外傳感器還承受高頻幅值的過載。

圖6 全帶通加速度信號(hào)的10 kHz高通濾波曲線

由此可以得到兩點(diǎn)認(rèn)識(shí),一是在實(shí)驗(yàn)所用的跌落沖擊工況下,加速度信號(hào)放大器的低通截止頻率設(shè)置為10 kHz可以有效測(cè)試到實(shí)驗(yàn)中的沖擊塊剛體加速度信號(hào),更高或者更低的低通截止頻率設(shè)置均會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果與實(shí)際的偏差;二是在沖擊載荷條件下,由于沖擊加速度的頻率成分豐富,頻帶很寬,會(huì)導(dǎo)致傳感器敏感元件由于共振作用使其承受比實(shí)際實(shí)驗(yàn)加速度高得多的過載,甚至可能成為某些工況下傳感器失效的原因。

2 模態(tài)分析

利用基于模態(tài)分析的固定閾值濾波方法對(duì)全帶通時(shí)的加速度信號(hào)進(jìn)行處理,可以得到?jīng)_擊塊的剛體加速度信號(hào),并將所得信號(hào)與10 kHz低通時(shí)的加速度信號(hào)作對(duì)比,以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性和結(jié)論的準(zhǔn)確性。

根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果,可以判斷出實(shí)測(cè)信號(hào)的一階軸向振動(dòng)所對(duì)應(yīng)的頻率。由于結(jié)構(gòu)的剛體加速度信號(hào)主要在低頻段,而振動(dòng)信號(hào)所在頻段在剛體加速度信號(hào)頻段之后,因此以一階軸向振動(dòng)所對(duì)應(yīng)的頻率為低通濾波截止頻率,可以將結(jié)構(gòu)在沖擊過程中的軸向振動(dòng)信號(hào)完全濾除,得到較為準(zhǔn)確的沖擊塊剛體加速度信號(hào)。為此,對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行模態(tài)分析,得到?jīng)_擊塊的固有頻率和振型結(jié)果,圖7為裝置的一階模態(tài),對(duì)應(yīng)沖擊塊的一階軸向振動(dòng)(即其撞擊方向)。結(jié)果顯示,沖擊塊的一階軸向振動(dòng)的固有頻率約為13.1 kHz,該頻率與放大器設(shè)置的10 kHz低通截止頻率很接近。以此頻率為低通濾波截止頻率對(duì)全帶通時(shí)的加速度信號(hào)進(jìn)行濾波,并將濾波后的加速度信號(hào)同10 kHz低通時(shí)的加速度信號(hào)進(jìn)行對(duì)比,得到?jīng)_擊加速度信號(hào)對(duì)比曲線如圖8所示。從圖8可以看出,采用13.1 kHz濾波后的加速度信號(hào)同放大器的低通截止頻率為10 kHz時(shí)所采集的加速度信號(hào)重合性較好,二者在主脈沖段的幅值和脈寬都幾乎相等。

圖7 沖擊塊的第1階模態(tài)

圖8 加速度信號(hào)對(duì)比曲線

3 沖擊跌落實(shí)驗(yàn)數(shù)值模擬結(jié)果

為進(jìn)一步分析加速度信號(hào)測(cè)試的影響因素,對(duì)沖擊塊跌落測(cè)試進(jìn)行了數(shù)值模擬,并將數(shù)值模擬結(jié)果同實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)合實(shí)驗(yàn)的情況,由于傳感器與轉(zhuǎn)接頭、轉(zhuǎn)接頭與沖擊塊之間均為螺紋連接,將組件之間的連接方式設(shè)置為固連接觸,在模擬時(shí)將傳感器等效為鋼材,模型的各個(gè)組件均按照線彈性模型處理,采用鋼的材料參數(shù)。由于沖擊塊是對(duì)稱的,取1/4模型進(jìn)行數(shù)值模擬,有限元模型如圖9所示。數(shù)值模擬的仿真時(shí)間為1.5 ms,數(shù)據(jù)輸出頻率為1 MHz。

提取出沖擊塊模型的加速度信號(hào)并對(duì)其做頻譜分析,得到其加速度曲線和頻譜圖如圖10和圖11所示。從圖10可以看出,沖擊塊模型的加速度信號(hào)存在一個(gè)主峰和一段持續(xù)的振蕩過程,主峰的幅值約為7 400g,脈寬約為120 μs。頻譜曲線顯示沖擊塊的加速度信號(hào)主要集中在15 kHz以內(nèi),高于該頻率的頻帶范圍信號(hào)很少。

圖9 實(shí)驗(yàn)裝置有限元網(wǎng)格圖

結(jié)合實(shí)驗(yàn)的具體情況及前文的分析已知,放大器的低通截止頻率選取為10 kHz時(shí)可以有效測(cè)得實(shí)驗(yàn)中的沖擊加速度信號(hào)。根據(jù)應(yīng)力波的知識(shí)可知,傳感器敏感元件感應(yīng)的信號(hào)是由沖擊塊撞擊產(chǎn)生并通過應(yīng)力波傳播過來的,將10 kHz低通時(shí)的實(shí)測(cè)加速度信號(hào)同沖擊塊模型的加速度信號(hào)作對(duì)比,以驗(yàn)證傳感器所測(cè)加速度信號(hào)與沖擊塊的撞擊脈沖信號(hào)的一致性,得到二者的對(duì)比曲線如圖12所示。

圖10 數(shù)值模擬沖擊塊加速度曲線

圖11 數(shù)值模擬沖擊塊加速度信號(hào)頻譜

圖12 實(shí)驗(yàn)和模擬加速度信號(hào)對(duì)比曲線

從圖12可以得到,沖擊塊模型的加速度信號(hào)與10 kHz低通時(shí)的實(shí)測(cè)加速度信號(hào)在主峰段的持續(xù)時(shí)間和峰值都幾乎相等,所不同的是在振蕩衰減階段,實(shí)測(cè)加速度信號(hào)的幅值和脈寬都更大,這是由數(shù)值模擬考慮的是一種理想狀態(tài)所致,對(duì)比結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)中傳感器敏感元件所感受到的加速度信號(hào)與沖擊塊撞擊所產(chǎn)生的加速度信號(hào)是一致的。

4 結(jié)論

針對(duì)沖擊加速度測(cè)試中放大器低通截止頻率對(duì)測(cè)試曲線的影響,采用跌落式?jīng)_擊臺(tái)裝置進(jìn)行了加速度測(cè)試實(shí)驗(yàn)。對(duì)不同放大器低通截止頻率的五組加速度信號(hào)進(jìn)行了詳細(xì)分析。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,不同的放大器低通截止頻率下所得的加速度信號(hào)間存在較大差異,采用10 kHz的放大器低通截止頻率設(shè)置可以較好地測(cè)試實(shí)驗(yàn)中沖擊塊的加速度歷程;此外,測(cè)試信號(hào)的頻率成分豐富,頻帶很寬,碰撞載荷可能會(huì)導(dǎo)致傳感器敏感元件由于共振作用使其承受比實(shí)際實(shí)驗(yàn)加速度高得多的過載。對(duì)于結(jié)構(gòu)的加速度測(cè)試,這部分信號(hào)應(yīng)該采取措施避免或消除,而對(duì)于加速度傳感器的研究,傳感器的這類響應(yīng)的認(rèn)識(shí)與分析可有助于研究沖擊環(huán)境下傳感器的失效及傳感器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。

數(shù)值模擬信號(hào)與實(shí)測(cè)信號(hào)對(duì)比結(jié)果顯示,沖擊塊模型的加速度與實(shí)測(cè)加速度吻合較好,驗(yàn)證了傳感器所感受到的加速度信號(hào)與沖擊塊撞擊所產(chǎn)生的加速度信號(hào)的一致性。