曹增強，劉廣通，左楊杰

（1. 四川大學 空天科學與工程學院，成都 610065； 2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；3. 西北工業(yè)大學 機電學院，西安 710072）

0 引言

沖擊載荷是航天器結構服役過程中的典型載荷形式[1-2]。而在航天器制造中大量采用螺接/鉚接接頭[3-4]，這種不連續(xù)結構易引起應力集中，所以機械連接接頭的抗沖擊性能優(yōu)化設計對于提升航天器整體結構服役性能具有重要意義。

螺接/鉚接接頭沖擊性能測試裝置及方法是其抗沖擊性能優(yōu)化設計的關鍵。根據國軍標GJB 715.19—1990 和美國材料與試驗協(xié)會標準ASTM D5961，螺接/鉚接接頭抗沖擊性能測試包括沖擊剪切測試和沖擊拉脫測試，接頭形式采用單釘/多釘單搭接和單釘/多釘雙搭接形式。沖擊測試過程中，接頭連接到加載桿上，通過對加載桿施加沖擊載荷實現(xiàn)接頭沖擊加載，最終通過接頭的力-位移響應曲線表征其沖擊力學性能。目前，加載桿上的沖擊載荷通常采用重力加載[5]、壓縮空氣加載[6]和液壓加載[7]等方式。其中：重力加載方法適用于低應變率測試，通常加載應變率＜100 s-1；壓縮空氣加載（典型的如霍普金森桿）主要用于高應變率沖擊加載[8]，通常加載應變率＞500 s-1，但實現(xiàn)高脈寬、高速沖擊加載時，需要配備較長的沖擊子彈和加速距離，導致設備體積較龐大；液壓加載適用于中低應變率加載，加載應變率通常在1～250 s-1之間，但在實現(xiàn)較高中應變率加載時加載誤差較大（±10%）[7]，且設備昂貴、體積龐大，當前主要依賴進口。隨著航天器結構抗沖擊性能要求的提高以及新材料、新功能結構的使用，傳統(tǒng)的沖擊測試裝置及方法已不能完全滿足中應變率沖擊加載測試要求，尤其是應變率在100～500 s-1之間的沖擊加載測試。相對上述沖擊加載方法，脈沖電磁力加載具有可控性強、穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)勢，且已在電磁鉚接[9]、電磁炮[10]、電磁彈射[11]等多項技術中得到應用，故考慮采用脈沖電磁力對航天器連接構件實施沖擊加載。

左楊杰等[12]曾利用脈沖電磁力加載方法實現(xiàn)了復合材料螺接接頭的沖擊力學性能測試，驗證了脈沖電磁力用于接頭沖擊力學性能的可行性，但所使用的裝置加載應變率＜100 s-1，且加載過程中加載應變率波動范圍較大，不能滿足航天器結構加載應變率100～500 s-1的沖擊測試要求。

本文基于RLC 放電原理，提出了一種利用脈沖電磁力加載的連接接頭沖擊力學性能測試裝置及方法，以期實現(xiàn)螺接/鉚接接頭應變率（1～500 s-1）沖擊力學性能測試，為航天器連接構件抗沖擊性能優(yōu)化設計提供參考。

1 脈沖電磁力加載原理

脈沖電磁力加載是建立在RLC 放電回路之上，利用放電電容對放電線圈釋放瞬時脈沖強電流激發(fā)脈沖電磁力。其加載原理如圖1 所示。首先通過控制系統(tǒng)設置充電電壓；隨后啟動充電觸發(fā)器，380 V正弦交變電流（50 Hz）通過升壓器升壓，經二極管整流變?yōu)橹绷麟娏鲗Ψ烹婋娙軨 充電，直到放電電容兩端電壓達到設置的充電電壓（通常在幾s 內完成）后，控制系統(tǒng)關閉充電觸發(fā)器停止充電；之后啟動放電觸發(fā)器，放電可控硅導通，放電電容C、等效電阻R 和放電線圈形成導通回路，放電電容C 對放電線圈放電，放電線圈內部流過變化的瞬時強電流（幾千A 到幾萬A），該電流在放電線圈周圍產生變化的強磁場，并進一步在次級線圈內部產生感應渦流；感應渦流在次級線圈周圍亦激發(fā)出強磁場，該強磁場與放電線圈周圍強磁場相互作用產生相互排斥的洛倫茲力（即脈沖電磁力）。該脈沖電磁力的力-時間響應曲線與落錘沖擊相似（見圖2），是典型的類正弦波，持續(xù)時間為幾百μs 到幾ms 之間，峰值力可達幾十萬N 甚至更高，屬于典型的沖擊載荷。

圖1 脈沖電磁力加載原理Fig. 1 Principle of loading of the pulsed electromagnetic driving force

圖2 脈沖電磁力波形和落錘沖擊力波形對比Fig. 2 Comparison of wave form between the electromagnetic driving force and the drop hammer impact force

脈沖電磁力加載過程中，單次放電能量E0滿足

式中C和U0分別為放電電容和充電電壓。實際加載過程中，放電能量只有部分轉換為有效沖擊能Ei，

2 測試裝置設計

測試裝置主要由控制及電能儲能系統(tǒng)（簡稱控制系統(tǒng)）、脈沖電磁力轉換系統(tǒng)及加載平臺（簡稱加載系統(tǒng)）以及信號采集與處理系統(tǒng)組成（如圖3 所示）?？刂葡到y(tǒng)控制加載速度和充放電，加載系統(tǒng)對連接接頭進行夾持和沖擊加載，信號采集與處理系統(tǒng)對沖擊過程中的力和位移信號進行采集和處理。

圖3 脈沖電磁力加載的螺接/鉚接接頭沖擊性能測試系統(tǒng)整體結構示意Fig. 3 Schematic diagram of the testing system for bolted/riveted joints driven by pulsed electromagnetic driving force

測試裝置的控制系統(tǒng)選用西門子公司的S7-200 SMART 微型PLC 和SMART line 1000 觸摸屏（見圖4(a)）。測試時，根據螺接/鉚接接頭沖擊測試要求，通過控制系統(tǒng)設置充電電壓，電壓越高則沖擊速度越高；然后控制放電電容充電和放電，其工作流程如圖4(b)所示。放電完成后，信號采集與處理系統(tǒng)通過高頻數據采集器對沖擊加載過程中的力、位移和速度信號進行采集，并將信號傳輸到計算機中進行處理。其中，沖擊力通過石英壓力傳感器測量，位移和速度通過高速攝像機測量。

圖4 控制系統(tǒng)及其工作流程Fig. 4 The control system and the control process

3 加載方法

航天器實際飛行過程中，其連接接頭的沖擊載荷加載速度分布較廣。為實現(xiàn)接頭在不同中應變率沖擊加載下的沖擊力學性能測試，利用本文中研發(fā)的以脈沖電磁力作為沖擊載荷的接頭沖擊力學性能測試裝置，提出了直接加載和撞擊加載兩種加載方法。其中：直接加載方法適用于沖擊吸能較高、沖擊加載應變率＜150 s-1的中應變率沖擊測試；撞擊加載方法適用于沖擊吸能較低、沖擊加載應變率＜500 s-1的中應變率沖擊測試。

3.1 直接加載

直接加載方法如圖5 所示。加載過程中，放電線圈與次級線圈貼合，驅動頭與拉伸短桿的凸臺端面貼合；脈沖電磁力在次級線圈上被激發(fā)后，通過驅動頭以應力波的形式再經拉伸短桿直接作用到待測接頭上。此時，接頭收到的沖擊即為脈沖電磁力；通過控制脈沖電磁力的峰值，即可實現(xiàn)對沖擊加載應變率的調整，根據式(2)通過控制放電電容C和充電電壓U0實現(xiàn)單次沖擊能量的控制。同時，由于沖擊加載直接施加到試件上，無需沖擊加速距離，故加載平臺較液壓加載顯著減小了體積和成本，加載平臺長度可短于500 mm。

圖5 直接加載方法Fig. 5 Direct loading method

直接加載方法中，在拉伸短桿中對應的峰值加載應力為

式中：Fmax為脈沖電磁力的峰值；Sb為拉伸短桿的橫截面積。加載過程可等效于一維桿撞擊，而一維桿撞擊過程中等效撞擊速度為

式中：ρ0和C0分別為拉伸短桿的密度和應力波傳播速度；σ為撞擊在拉伸短桿中引起的應力。聯(lián)立式(8)和式(9)，可得直接加載方法下的最大等效加載速度Vmax為

接頭沖擊加載過程中，最大等效加載應變率ε˙為

式中l(wèi)為接頭有效拉伸長度。將式(10)代入式(11)可得

由式(12)可見，在直接加載過程中，最大等效加載應變率ε ˙與脈沖電磁力的峰值成正比。又由式(6)可知，脈沖電磁力峰值與充電電壓平方成正比，因而直接加載方法中最大等效加載應變率 ε˙與充電電壓平方成正比關系，且可通過控制充電電壓實現(xiàn)加載應變率的有效控制。此外，在保證加載應變率不變測試要求下，通過選擇不同的放電電容量控制單次沖擊能量，可滿足沖擊測試過程中對沖擊能量的要求。

3.2 撞擊加載

撞擊加載方法如圖6 所示。加載前，放電線圈、次級線圈和驅動頭兩兩貼合，拉伸長桿凸臺端面距離驅動頭小端面一定距離。加載過程為：放電線圈與次級線圈之間激發(fā)脈沖電磁力，在脈沖電磁力作用下次級線圈和驅動頭加速，然后與拉伸長桿凸臺端面發(fā)生撞擊；撞擊產生的應力波通過拉伸長桿作用到連接接頭上，完成接頭沖擊加載。此沖擊加載過程與落錘加載相同，僅將落錘加載中的重力對沖擊頭加速替換成了脈沖電磁力對沖擊頭加速。由于脈沖電磁力對驅動頭的加速度可達幾千個g，驅動頭所需加速距離僅幾十mm，所以加載平臺體積較液壓加載裝備亦顯著下降，加載平臺長度在500 mm 以內。

圖6 撞擊加載方法Fig. 6 Impact loading method

加載過程中，次級線圈和驅動頭組成撞擊頭，撞擊速度V0為

式中M為撞擊頭的質量。撞擊后實際試件加載速度V為

式中m為試件受沖擊端拉伸長桿和夾頭總質量。此時，加載應變率ε ˙為

結合式(6)，撞擊加載方法中加載應變率亦與充電電壓平方成正比，可通過充電電壓實施精確控制。同時，由式(15)可知，為了保證撞擊速度與加載速度一致，應盡量減小拉伸長桿和夾頭質量。該裝置中，為了得到更加精確的撞擊速度，在拉伸長桿凸臺端面和試件拉伸端設置測試點，利用高速相機對撞擊速度和試件加載速度進行同步實測。測試過程中，利用充電電壓控制最終的撞擊速度：充電電壓越高，撞擊速度越大。單次沖擊能量通過撞擊頭質量M控制：根據動能定律，相同撞擊速度下，單次沖擊能量與撞擊頭質量成正比關系。

4 測試裝置及測試方法驗證

脈沖電磁力加載的螺接/鉚接接頭沖擊性能測試裝置見圖7。

圖7 脈沖電磁力加載的螺接/鉚接接頭沖擊性能測試裝置Fig. 7 Testing device for bolted/riveted joints driven by pulsed electromagnetic force

該裝置可實現(xiàn)常規(guī)螺接/鉚接接頭沖擊性能測試的沖擊剪切和沖擊拉脫試驗，電容最高充電電壓1000 V。設置充電壓分別為270 V、300 V 和330 V，重復測量3 次，結果如圖8 所示，可見脈沖電磁沖擊力-時間響應曲線重合度較好。針對接頭中低應變率沖擊加載測試需要，該裝置可滿足試件有效加載長度為100 mm 的試件1～500 s-1應變率沖擊加載測試，尤其是實現(xiàn)了中應變率250～500 s-1范圍內的沖擊力學性能測試。該裝置與傳統(tǒng)沖擊加載裝置性能對比如表1 所示。

圖8 270 V、300 V 和330 V 充電電壓下脈沖電磁力-時間響應 Fig. 8 Electromagnetic driving force against time responses under charging voltage of 270 V, 300 V and 330 V

表1 電磁沖擊加載裝置與傳統(tǒng)沖擊加載裝置性能參數對比Table 1 Comparison between electromagnetic driving system and traditional driving systems

為了驗證該測試裝置的有效性，設計碳纖維樹脂基復合材料（CFRP）/鈦合金復合螺接接頭（如圖9(a)所示所示）沖擊性能測試試驗，分別采用直接加載和撞擊加載方法。利用本驗證系統(tǒng)得到的接頭對沖擊加載速度的響應特征、沖擊力-位移曲線基本形態(tài)（如圖9(b)所示）與Ger 等對CFRP 螺接構件沖擊性能研究的結果[6]一致，證明了該裝置及測試方法的可行性。

圖9 CFRP/鈦合金復合螺接接頭沖擊性能測試結果Fig. 9 Impact property test result of CFRP/Ti bolted joints

5 結論

本文首先建立了脈沖電磁力加載理論模型，進而研制了脈沖電磁力加載的螺接/鉚接接頭沖擊力學性能測試裝置。該裝置具有體積小、成本較低的優(yōu)點。同時，針對該測試裝置，建立并驗證了直接加載和撞擊加載兩種沖擊加載方法，其中：直接加載方法適用于沖擊吸能較高、沖擊加載應變率＜150 s-1的中應變率沖擊測試；撞擊加載方法適用于沖擊吸能較低、沖擊加載應變率＜500 s-1的中應變率沖擊測試。本文研究結果可為航天器機械連接構件沖擊性能測試提供參考。