李旭,龐家志,王碩
(航天科工防御技術(shù)研究試驗中心,北京 100854)
航天器在壽命周期中需經(jīng)受爆炸分離等沖擊環(huán)境,據(jù)NASA 有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計,爆炸沖擊是導(dǎo)致航天器故障的主要原因之一。該環(huán)境下產(chǎn)生的應(yīng)力波往往會給航天器的結(jié)構(gòu)和功能帶來不利的影響。因此為考核航天器的沖擊環(huán)境適應(yīng)性,需要進行充足的地面試驗。
沖擊響應(yīng)譜試驗(簡稱:沖擊譜試驗),是一種響應(yīng)等效的試驗方法。不同于經(jīng)典沖擊,該方法更注重沖擊對系統(tǒng)的損傷勢,不對沖擊的輸入波形和產(chǎn)生方式做固定要求,目前已逐漸成為主流的地面沖擊試驗方法。
自1932 年Biot 第一次引入沖擊譜的概念后,大量的工程技術(shù)人員投入到?jīng)_擊譜相關(guān)研究中。主要集中在沖擊譜算法、沖擊譜試驗機研制、試驗標準編制等方面[1-5],關(guān)于沖擊譜夾具的研究內(nèi)容則比較少。2011 年石蒙等[6]采用有限元對夾具進行動態(tài)特性設(shè)計,結(jié)果表明振動臺配合所設(shè)計的夾具可得到一定量級的諧振響應(yīng)。2016 年沈志強等[7]通過設(shè)計優(yōu)化沖擊臺面結(jié)構(gòu),將沖擊譜量級由1 000 g 提升到2 000 g,并進行了負載試驗,提升了振動臺的沖擊譜試驗?zāi)芰Α?017 年郭健龍等[8]說明了夾具連接方式對振動臺沖擊譜模擬能力的影響。2018 年薛杰等[9]對L 形夾具進行有限元分析,結(jié)果表明修正后的模型可對沖擊譜試驗的響應(yīng)正確預(yù)示。雖然關(guān)于沖擊譜夾具的研究內(nèi)容較少,但是為使沖擊譜試驗更為合理,傳感器監(jiān)測點的安裝位置已經(jīng)逐漸從試驗機臺面轉(zhuǎn)到產(chǎn)品夾具上。夾具的設(shè)計及其動力特性與試驗的開展息息相關(guān)。因此亟待開展該方面內(nèi)容的研究。
本研究以沖擊譜試驗原理為依據(jù),設(shè)計并搭建氣動沖擊譜試驗系統(tǒng)。以鋼制夾具板作為沖擊對象,進行了不同工況下的對比試驗,分析了沖擊譜試驗夾具的動力特性。研究結(jié)果對試驗夾具的設(shè)計和試驗的實施具有一定借鑒意義。
如圖1 所示,沖擊譜可描述為,將沖擊激勵施加在一系列固有頻率不同的單自由度質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)上。計算這些單自由度的最大響應(yīng)值,并以固有頻率為橫坐標,最大響應(yīng)值為縱坐標繪制曲線,得到的譜形即為沖擊譜。
沖擊響應(yīng)譜有直接積分,傅里葉變換,遞歸數(shù)字濾波和改進的遞歸數(shù)字濾波等多種計算方法。其中改進的遞歸數(shù)字濾波法引入廣義斜臺函數(shù),建立了絕對加速度模型和相對位移模型,將模型轉(zhuǎn)化成遞歸公式,并通過遞歸公式計算沖擊譜值。
廣義斜臺函數(shù)為:
式中:
u(t-mT)—單位階躍函數(shù);
A—斜率;
t—時間;
T—采樣間隔。
模型可表示為遞歸公式:
式中:
ωd—有阻尼固有頻率;
ωn—固有頻率;
ξ—阻尼比;
對于絕對加速度模型:
對于相對位移模型:
當(dāng)固有頻率遠小于采樣率時,b0,b1,b2→0,a1→-2,a2→1。
遞歸公式可表示為:
式中:
在這種形式下:
目前改進的遞歸數(shù)字濾波法憑借其計算速度快、精度高的優(yōu)點,已經(jīng)成為沖擊譜的主流計算方法,后文中的沖擊譜均使用該方法進行計算。
氣動沖擊譜試驗系統(tǒng)組成如圖2 所示,開啟高壓氣瓶閥門,使高壓氣體進入動力裝置,通過壓力控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)氣壓壓力值,達到理想數(shù)值后瞬間釋放氣體,推動質(zhì)量塊快速運動,撞擊沖擊臺面,能量通過沖擊臺面?zhèn)鬟f至工裝夾具板,加速度傳感器采集加速度信號后,處理模塊將加速度時域信號進一步計算,得到?jīng)_擊譜。
圖2 氣動沖擊譜試驗系統(tǒng)
為獲得被沖擊結(jié)構(gòu)的固有頻率及振型等參數(shù),需要建立相應(yīng)的有限元模型進行模態(tài)仿真計算。
沖擊臺面和夾具的有限元模型如圖3 所示,材料屬性為鋼,密度為7 850 Kg/m3,彈性模量為2e11Pa,泊松比為0.3。邊界條件為沖擊臺面四角孔位剛性固定。
圖3 有限元模型和邊界條件
試驗工況的變量為:沖擊能量(氣體壓力)、采集位置和沖擊位置。其中采集位置和沖擊位置如圖4 所示,圓形表示采集位置,三角形表示沖擊位置。采樣時間為0.16 s,采樣頻率為102 400 Hz,阻尼比ξ=0.05,計算沖擊譜的下限頻率為100 Hz,上限頻率為5 000 Hz。
圖4 沖擊和采集位置
設(shè)計工況為沖擊位置為2 號沖擊點,采集位置為2 號采集點。通過氣壓調(diào)整沖擊能量,沖擊氣壓分別為0.4 MPa,0.5 MPa,0.6 MPa。采得的加速度信號,計算得到的沖擊譜如圖5 所示。
圖5 不同沖擊量級沖擊譜
從圖5 中可知氣體壓力越大,得到的沖擊譜整體量級越高。分析可知,沖擊氣壓越大,質(zhì)量塊獲得的能量越大,在撞擊沖擊臺面后,能量從沖擊臺面?zhèn)鬟f至夾具的加速度越大,進一步計算得到的沖擊譜量級越高。
設(shè)計工況沖擊位置為1 號沖擊點,沖擊氣壓為0.4 MPa,采集位置為1~5 個采集點。采得的加速度信號,分別計算各位置的傅里葉變換頻譜和各位置的沖擊譜,如圖6 所示。
圖6 不同采集位置的傅里葉變換頻譜和沖擊譜(續(xù))
圖6 不同采集位置的傅里葉變換頻譜和沖擊譜
分析圖6 可知,不同位置的沖擊譜不同,當(dāng)沖擊信號的頻譜含多個峰值且各峰值的幅值相差不大時,系統(tǒng)各階模態(tài)被激起的情況較為復(fù)雜,計算得到的沖擊譜在對數(shù)坐標系下拐點不明顯。當(dāng)存在某一頻帶幅值較大,其他頻帶幅值較小時,沖擊譜會在該頻帶出現(xiàn)拐點,如傳感器1 的響應(yīng)頻譜在710 Hz 左右出現(xiàn)明顯的尖鋒,對應(yīng)沖擊譜在710 Hz 左右的凸起。如圖7 所示,傳感器的安裝位置出現(xiàn)明顯的局部模態(tài)。結(jié)構(gòu)在該階的固有頻率為700 Hz,與試驗結(jié)果相近。
設(shè)計工況為沖擊位置分別1 號沖擊點和2 號沖擊點,沖擊氣壓為0.4 MPa,采集位置為1 號采集點。采得的加速度時間歷程曲線和計算得到的沖擊譜如圖8 所示。
圖8 不同沖擊位置時間歷程曲線及沖擊譜
從圖8 可知,沖擊在臺面的不同位置時,夾具板中間位置的沖擊譜拐點頻率并未發(fā)生明顯變化,即該階模態(tài)同樣被激起。但沖擊譜的量級發(fā)生改變,沖擊在1 號點時比在2 號點的量級整體偏大。
本研究以沖擊響應(yīng)譜原理為依據(jù),設(shè)計并搭建了沖擊譜試驗系統(tǒng),設(shè)計鋼制夾具板為被沖擊對象,進行了不同工況下的試驗,結(jié)果表明:
1)沖擊氣壓的高低與沖擊譜量級的高低相關(guān),當(dāng)沖擊氣壓增加時,推動質(zhì)量塊的能量增加,撞擊后計算得到的沖擊譜量級也會相應(yīng)增加。
2)夾具的模態(tài)響應(yīng)與沖擊譜拐點密切相關(guān),當(dāng)結(jié)構(gòu)的某階模態(tài)被激起,且該頻率的幅值遠高于其他頻率幅值時,沖擊譜會在該頻率附近的頻帶內(nèi)形成凸起狀的拐點。
3)同一沖擊工況下夾具的不同位置的沖擊譜不盡相同,同時改變沖擊激勵點的位置也可導(dǎo)致沖擊譜的變化。
綜上所述,在對航天器開展沖擊考核時,應(yīng)合理設(shè)計夾具,使夾具沖擊譜拐點與目標譜相近。另外應(yīng)調(diào)整合適的氣壓大小和沖擊位置,使沖擊譜量值及譜形達到目標譜容差范圍內(nèi)。經(jīng)過充分的預(yù)試驗調(diào)試,滿足試驗技術(shù)條件要求后,方可對被試品開展正式?jīng)_擊譜試驗。