吸能拉桿動態拉伸沖擊試驗技術研究

劉 黎，廖良全

(中航工業直升機設計研究所，江西景德鎮 333001)

0 引言

某特種吸能拉桿作為關鍵部件，通過拉伸變形阻力做功吸收能量，有效減少某登陸裝置受到的沖擊載荷。拉桿細長，拉伸率達50%以上，具有很大的拉伸強度，不能承受壓縮載荷，因此傳統的Hopkingson拉桿試驗方法及在其基礎上的改進方法都不能滿足本試驗要求［1-2］。同時，國內一些學者研發的拉伸沖擊試驗方法［3］，試驗件在靜止狀態下獲得沖擊載荷，不能模擬試驗件工況環境。

因此，本文提出一種新的試驗方法，對試驗件模擬運動環境的實現以及試驗的原理和重要參數設計進行了說明，并對吸能拉桿進行了實測，試驗獲得了成功。

1 試驗方法設計

吸能拉桿動態拉伸沖擊試驗方法的設計，是在構建動態運動環境模擬實際工作狀態的基礎上，結合材料的性能特點，滿足質量為m=68kg的配重吊籃在速度v0=4.38m/s時拉桿受到一定沖擊載荷(要求沖擊加速度波形為三角波，峰值22±2g，脈寬65±5ms，參見圖2)下進行塑性拉伸并至拉斷要求提出的。試驗對拉桿設計目標參數(a拉桿塑性拉伸沖擊載荷峰值小于5.5KN;b拉伸率大于等于50%)進行實測。試驗裝置如圖1所示。該試驗裝置由運動環境部分，、加載部分、緩沖部分和測量記錄部分組成。運動環境部分包括外部吊籃、運動導軌、起吊裝置，加載部分包括試驗件和配重吊籃，緩沖部分指橡膠板和液壓吸能裝置，測量記錄部分包括加速度傳感器、力傳感器、位移傳感器、調制解調器、數據采集設備等。

圖1 拉桿沖擊試驗示意圖

試驗時，首先環境吊籃由起吊裝置(主要包括可移動式掛耳、炸彈掛鉤和電動葫蘆)起吊并控制投放高度，通過將可移動式掛耳移到吊籃重心處，調整投放姿態，可以保證試驗件在投放前處于垂直安裝狀態;然后起吊裝置瞬時投放，實現試驗件瞬間墜落，環境吊籃沿導軌運動到一定速度后觸及液壓吸能裝置進行緩沖，此時內部配重吊籃給試驗件一個拉伸沖擊載荷;最后試驗件拉斷，環境吊籃速度降至0，并通過數據采集系統記錄試驗數據。可以看出，動態試驗環境通過環境吊籃的投放實現，配重吊籃以及液壓吸能裝置的調節則可實現施加于試驗件的垂直徑向載荷控制，滿足動態環境要求的同時，施加一維拉伸沖擊載荷，因而試驗結果是可靠的［4］。

1.1 環境吊籃投放高度設計

環境吊籃的投放高度是該試驗的重要參數之一，影響試驗件在沖擊環境下配重吊籃的瞬時速度和施加于試驗件上的沖擊載荷的大小。由于拉桿是經歷了短暫的彈性變形，對配重吊籃的速度產生影響，因此4.38m/s的環境速度不能簡單地從投放高度H換算出。

考慮到節省試驗件以及配重吊籃占整體試驗裝置總重量比率，可在未裝配試驗件和配重吊籃的情況下，預先進行沖擊載荷估算和測量，由此產生的誤差在實際試驗時可通過調整投放高度和環境吊籃總重量進行修正。同時為了減小拉斷后配重吊籃對環境吊籃的沖擊，且配重吊籃質量一定，投放高度H的范圍隨之限定。

根據試驗沖擊載荷的需要，通過活塞桿頭截面和直徑、液體吸能系統側面開孔面積等參數的控制，在既定試驗總裝置重量M和投放高度H下，以加速度為測量對象，可調得沖擊脈沖圖如圖2。

圖2 沖擊脈沖圖

圖2中x為加速度峰值，y為脈沖寬度，x與y相互關聯可由液壓系統調節控制，且總三角波積分面積相等。

根據能量守恒定律可推導出:

式1中，v表示拉桿受載拉伸時環境吊籃的下沉速度。模擬拉桿真實工作狀態要求在指定速度v0下進行塑性拉伸即拉桿經過短時間的彈性變形進入塑性拉伸時配重吊籃的瞬時速度為v0。且令t0時刻拉桿進入塑性拉伸階段，因此式1中當t=t0時，v=v0，代入式1可得到:

式2中，v0為定值(4.38m/s)，H 與沖擊加速度a呈函數關系。H、M、沖擊加速度與液壓吸能系統調節參數相互關聯，因此，在綜合考慮裝置載荷峰值且小吊籃拉斷拉桿后沖擊平臺的沖擊載荷合適的情況下，通過數次預測來確定投放高度。

1.2 環境吊籃投放重量設計

實際工作時拉桿安裝接頭有載荷限制，且在滿足拉伸載荷的前提下峰值載荷不宜過高，適當高出拉桿塑性拉斷載荷即可，因此試驗需對直接關系到拉桿承受載荷大小的環境吊籃重量做出限定(根據模擬實際工作情況，配重吊籃質量為給定值)。

沖擊時拉桿加載系統沖擊分析如圖3。

圖3 加載系統沖擊分析圖

如圖3所示，環境吊籃自由落體到下端活塞桿接觸到液壓吸能裝置時，整體裝置受到如圖2的加速度a1的沖擊脈沖，力傳感器受到F1=Ma的沖擊載荷，拉桿的受拉載荷為F2(可由力傳感器測出)。起先在拉桿彈性變形階段F1=F2，且F1隨著脈沖加速度a1不斷變大，當到達拉桿塑性拉伸載荷F0后，拉桿進入塑性拉伸階段，此時 F1＞F2，a1＞a2，由于慣性配重吊籃與環境吊籃產生速度差，拉桿開始拉伸，直至拉斷。根據試驗要求和圖2加速度脈沖，設計載荷峰值Fmax=Mx需大于 F0，保留一定余量。配重吊籃質量m為預先給定值，其對環境吊籃的沖擊載荷為限制值，因此合適的沖擊載荷及脈沖加速度(圖2)通過協調吊籃整體重量M和液壓吸能系統參數來獲得，并確保投放高度H在限定范圍內。

2 試驗驗證

按照上述試驗方法對一組吸能拉桿進行了動態拉伸沖擊試驗。

試驗原件一組共15件，拉桿長300mm(有效拉伸長度280 mm)，直徑Φ3.2。環境吊籃整體質量1200kg，配重吊籃68kg，投放高度2m。由于試驗件和試驗裝置具有重復性，誤差小，因此本文列出4組拉桿試驗數據如表1所示。

表1中沖擊加速度峰值指通過液壓吸能裝置參數獲得三角沖擊脈沖加速度峰值，峰值載荷為拉桿承受沖擊載荷峰值。

對1號拉桿實測數據圖做典型分析。1號拉桿載荷時域曲線、載荷位移曲線、環境吊籃加速度時域曲線和配重吊籃加速度時域曲線分別如圖4、圖5、圖6、圖7所示。

表1 拉桿沖擊試驗結果

圖4中，當拉桿承受載荷逐漸增大到達峰值4.79KN時急劇變小至0，表明拉桿此時被拉斷，圖5表明拉桿拉伸了149.9mm，有效拉伸率為53.5%，且塑性拉伸載荷范圍控制在2.8KN～4.7KN范圍內。圖6中整體裝置受沖擊最大加速度值為22.2g，配重吊籃受沖擊最大加速度值為7.18g。

圖7中配重吊籃加速度在3.1g時出現第一個拐點且與圖6中環境吊籃加速度曲線分離，可知拉桿在此時由彈性變形進入塑性變形，根據圖2和式2可反算出配重吊籃的瞬時速度4.41m/s和投放高度2.03m，與預期目標誤差在2%以內，以此可驗證試驗結果的正確性。

從以上數據可知試驗結果與預期設想相吻合，試驗成功。

圖4 拉桿1沖擊試驗載荷時域曲線

圖5 拉桿1沖擊試驗載荷-位移曲線

圖6 拉桿1環境吊籃加速度時域曲線

圖7 拉桿1配重吊籃加速度時域曲線

3 結論

1)針對吸能拉桿設計的動態拉伸沖擊試驗方法滿足了模擬沖擊環境要求，并對沖擊過程全程實測，反映出吸能拉桿實際工作時的沖擊拉伸情況。

2)該試驗方法得到了試驗驗證，說明方法可行，原理正確。

3)滿足了工程上對只能承受拉伸沖擊載荷的細長吸能拉桿動態拉伸沖擊試驗的需求，該方法可進一步用于其它強塑性材料動態拉伸沖擊試驗。

［1］Kolsjy H.The propagation of longitudinal elastic waves along a cylindrical bar［J］.Phil Mag Ser，1954，45(7):712-713.

［2］Zhang B P，Zheng Y L，Feng X C.Approximate analysis to the stress status of sample in Hopkinson bar test and its correction of inertia［J］.Journal of Beijing Institute of Technology(in Chinese)，1994，14(S1):23-29.

［3］楊存智，趙繼云，張子榮，等.礦用錨索拉伸沖擊試驗系統即仿真研究［J］.機床與液壓，2008，36(8):157-159.

［4］馬曉青.沖擊動力學［M］.北京:北京理工大學出版社，1992:204-207.