改變連接特性提高振動臺沖擊響應(yīng)譜模擬能力

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094）

改變連接特性提高振動臺沖擊響應(yīng)譜模擬能力

沈志強，朱子宏，郭建龍

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094）

目的提高振動臺沖擊響應(yīng)譜試驗?zāi)M能力。方法分析影響振動臺沖擊響應(yīng)譜模擬能力的原因，提出通過改變連接特性提高振動臺沖擊響應(yīng)譜模擬能力的方法，并對該方法進行理論分析和試驗驗證。結(jié)果利用具有諧振效應(yīng)的臺面能夠?qū)?60 kN振動臺沖擊響應(yīng)譜量級由原來的1000g提高至2000g，并能夠?qū)崿F(xiàn)負載情況下1600g的沖擊響應(yīng)譜試驗，提高了振動臺沖擊響應(yīng)譜模擬能力。結(jié)論通過改變連接特性可以提高振動臺沖擊響應(yīng)譜模擬能力，同時應(yīng)盡量避免使用振動試驗夾具進行沖擊試驗，針對產(chǎn)品試驗要求設(shè)計沖擊試驗夾具，能夠獲得更理想的沖擊試驗效果。

夾具；連接；振動臺；沖擊響應(yīng)譜

航天器產(chǎn)品在運輸、發(fā)射、軌道運行或返回期間受到的各種瞬態(tài)動力學(xué)載荷，稱之為沖擊環(huán)境。沖擊環(huán)境可能引起產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及性能的損壞甚至失效，因此沖擊試驗成為檢驗和暴露航天器研制過程中存在的設(shè)計問題和加工缺陷的環(huán)境模擬試驗項目之一。包括GJB 1027A在內(nèi)的多個標準規(guī)定，沖擊試驗所選用的試驗方法應(yīng)能用一瞬態(tài)載荷滿足所要求的沖擊響應(yīng)譜，同時該瞬態(tài)過程的持續(xù)時間與飛行中預(yù)期的沖擊環(huán)境試驗相當[1—3]。根據(jù)試驗設(shè)備的不同，沖擊響應(yīng)譜試驗方法可分為三種：火工品爆炸方法、機械撞擊方法和電動振動臺模擬方法[4—7]。其中電動振動臺模擬沖擊響應(yīng)譜試驗方法具有重復(fù)性好、可控性高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航天器組件的沖擊響應(yīng)譜試驗，但受到試驗設(shè)備、位移和推力等性能的限制，能夠?qū)崿F(xiàn)的沖擊試驗量級有限。目前北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所使用的LING公司生產(chǎn)的160 kN振動臺能夠?qū)崿F(xiàn)垂直向空載1000g的沖擊響應(yīng)譜試驗，已經(jīng)是振動臺能夠?qū)崿F(xiàn)的較高沖擊試驗量級，但是仍然不能滿足型號產(chǎn)品的試驗需求。

2011年中國航天員訓(xùn)練中心馬愛軍研究員提出利用諧振裝置在50 kN振動臺實現(xiàn)高g值沖擊響應(yīng)譜的方法，并通過有限元模擬的形式進行了諧振裝置的分析，將原本250g的試驗?zāi)芰μ岣咧?00g[8]。在此之前，國外學(xué)者GRAY提出使用諧振桿裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)轉(zhuǎn)接臺面，利用諧振響應(yīng)在振動臺上實現(xiàn)高g值的沖擊響應(yīng)譜試驗[9]。以上兩篇文章為提高振動臺沖擊響應(yīng)譜模擬能力提供了思路，但是前者僅進行了有限元分析，未進行試驗驗證，后者的諧振桿固有頻率較高，盡管提高了試驗量級，但是難以實現(xiàn)低拐點的試驗條件。

因此文中分析了影響振動臺沖擊試驗的關(guān)鍵因素，提出通過改變連接特性提高振動臺沖擊響應(yīng)譜模擬試驗的方法，并對該方法進行了試驗研究。

1 振動臺沖擊試驗工作原理

振動臺沖擊試驗系統(tǒng)一般由振動臺、電荷放大器、控制系統(tǒng)、功率放大器、試驗件、夾具和臺面等幾個部分組成。沖擊響應(yīng)譜試驗過程中，控制系統(tǒng)將設(shè)置好的沖擊譜轉(zhuǎn)換成時域電壓驅(qū)動譜，經(jīng)緩沖存儲器后由數(shù)模轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量變成模擬量，然后送入功率放大器激勵振動臺，生成一次脈沖運動。夾具上的控制傳感器把采集到的脈沖響應(yīng)信號經(jīng)電荷放大器后送入控制系統(tǒng)，得到加速度時域波形?？刂苾x將時域譜處理成沖擊譜。

從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，在振動臺系統(tǒng)（含臺體、控制儀、功率放大器、電荷放大器）不變的時候，影響試驗件沖擊試驗?zāi)芰總鬟f的主要因素是臺面特性和試驗夾具特性。因此改變連接特性是提高振動臺沖擊響應(yīng)譜模擬能力的重要途徑[10—13]。

圖1 振動臺沖擊試驗流程Fig.1 The process of shock test with shaker

2 提高振動臺沖擊試驗?zāi)芰Ψ椒?/h2>

2.1 連接特性對沖擊響應(yīng)譜合成的影響

為分析連接特性對沖擊響應(yīng)譜合成的影響，將振動臺沖擊響應(yīng)系統(tǒng)簡化為單自由度系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)函數(shù)。物理模型如圖2所示，該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)方程為：

式中：m，c，k分別為系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼和剛度。設(shè)c/m=2fnξ；；則式（1）變形得：

式中：fn和ξ分別表示系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比。式（2）的通解為：

圖2 沖擊模型Fig.2 Model of shock test

式（3）是系統(tǒng)的位移響應(yīng)與時間t和固有頻率fn的關(guān)系式，表示為X（t，fn），而常用的沖擊響應(yīng)譜是加速度和頻率的關(guān)系式。對公式（3）求2階導(dǎo)數(shù)后表示為，經(jīng)過計算可以得到一系列的最大加速度響應(yīng)值和固有頻率fn對應(yīng)的點。將這些點光滑連接，就得到了一個沖擊響應(yīng)譜曲線[14—16]。

由以上分析可知，沖擊響應(yīng)譜由一系列最大加速度值和固有頻率對應(yīng)點擬合而成，因此在一定的頻率范圍內(nèi)，固有頻率越多，響應(yīng)值越大，則沖擊效果越好。在產(chǎn)品和設(shè)備不變的情況下，影響沖擊響應(yīng)譜效果的是產(chǎn)品與振動臺之間的連接特性，因此要提高振動臺沖擊試驗?zāi)M能力則需要改變振動臺與產(chǎn)品連接的臺面及夾具的特性。

2.2 改變臺面特性

160 kN振動臺原有臺面如圖3所示，僅能實現(xiàn)空載600g的沖擊響應(yīng)譜值。因為該臺面是為振動試驗設(shè)計的，是實心結(jié)構(gòu)，單位體積內(nèi)質(zhì)量大，不具備沖擊放大效應(yīng)，影響了沖擊試驗效果。因此筆者從減重和對臺面進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化等角度出發(fā)，設(shè)計了圓臺型沖擊試驗臺面，并將圓臺型沖擊試驗臺面（如圖4所示）與舊臺面進行對比。

圖3 舊臺面Fig.3 The former table board

圖4 圓臺型臺面Fig.4 The circular table board

2.2.1 有限元分析對比

通過有限元分析的方法對比了新舊臺面的特性，圓臺型臺面的一階固有頻率低，而且3000 Hz內(nèi)的模態(tài)數(shù)多，放大倍數(shù)大，符合2.1節(jié)理論計算的效果。因此有限元模擬的結(jié)果表明，圓臺型臺面能夠?qū)崿F(xiàn)更大量級的沖擊響應(yīng)譜試驗。

表1 新舊臺面有限元計算結(jié)果對比Table 1 Comparison of the results of finite element of former table board and circular table board

2.2.2 試驗效果測試

對加工完成后的圓臺型臺面進行試驗測試，如圖5所示。在空載情況下能夠?qū)崿F(xiàn)沖擊響應(yīng)譜的量級為2000g，在負載約40 kg的產(chǎn)品試驗測試中，能夠?qū)崿F(xiàn)沖擊響應(yīng)譜的量級為1600g，遠高于振動臺空臺測試的1000g沖擊試驗。測試結(jié)果表明：利用圓臺型臺面改變振動臺與受試產(chǎn)品之間的連接特性能夠提高振動臺沖擊試驗?zāi)M能力；通過降低臺面的固有頻率，能夠?qū)崿F(xiàn)500 Hz左右的低拐點沖擊響應(yīng)譜模擬試驗。

圖5 圓臺型臺面的沖擊試驗測試Fig.5 Shock response test of circular table board

2.3 改變夾具特性提高沖擊試驗?zāi)芰?/p>

表2分析對比了振動試驗夾具與沖擊試驗夾具的不同，沖擊試驗要求夾具除了為產(chǎn)品提供接口外，還應(yīng)具有放大效應(yīng)。振動試驗要求夾具盡可能的剛性，從機械傳遞的角度來看，對夾具的要求是固有頻率要高，最好高于試驗頻率的上限，或者夾具的一階固有頻率至少高于試件一階固有頻率的2～3倍，以避免試件與夾具產(chǎn)生振動耦合而使其響應(yīng)放大。其次夾具的阻尼要盡可能大，其品質(zhì)因子Q≤4。沖擊試驗夾具的要求正好相反，其模態(tài)數(shù)多、品質(zhì)因子大（最好接近10）才能夠更好地實現(xiàn)沖擊試驗效果?，F(xiàn)在大多數(shù)試驗為了方便沖擊試驗夾具與振動試驗夾具采用同一夾具，就會出現(xiàn)由于夾具性能不適合進行沖擊試驗而影響了產(chǎn)品沖擊試驗的效果。因此對于不滿足沖擊試驗效果的夾具應(yīng)當舍棄，重新設(shè)計新的沖擊試驗夾具進行試驗。

表2 振動試驗與沖擊試驗夾具的區(qū)別Table 2 Difference of vibration fixture and shock fixture

圖6 樣品艙振動試驗Fig.6 Vibration test of sample cabin

圖7 樣品艙沖擊試驗Fig.7 Shock test of sample cabin

圖8 樣品艙沖擊試驗曲線Fig.8 Curve of Shock test with sample cabin

由于受振動臺推力限制，振動臺沖擊試驗夾具質(zhì)量越輕越能夠?qū)崿F(xiàn)更高的沖擊量級。圖6、圖7所示為嫦娥樣品艙設(shè)計的振動試驗夾具及沖擊試驗夾具。沖擊試驗結(jié)果如圖8所示，滿足沖擊試驗要求。

3 結(jié)論

通過改變振動臺與產(chǎn)品之間的連接特性，即臺面特性和夾具特性，提高了振動臺沖擊響應(yīng)譜模擬能力，并得出如下結(jié)論。

1）在相同條件下，利用具有諧振效應(yīng)的臺面能夠?qū)?60 kN振動臺沖擊響應(yīng)譜量級由原來的1000g提高至2000g，并能夠?qū)崿F(xiàn)負載情況下1600g的沖擊響應(yīng)譜試驗，提高了振動臺沖擊響應(yīng)譜模擬能力。

2）由于振動試驗夾具與沖擊試驗夾具要求不同，盡量避免使用振動試驗夾具進行沖擊試驗，針對產(chǎn)品試驗要求設(shè)計沖擊試驗夾具，能夠獲得更理想的沖擊試驗效果。

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Improvement of the Shock Response Level of Shaker by Changing Linking Characteristic

SHEN Zhi-qiang，ZHU Zi-hong，GUO Jian-long
（Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering，Beijing 100094，China）

Objective To improve the shock response level of shaker.Methods The reasons that influenced the shock response level of shaker were analyzed.Then the method to improve the shock response level of shaker by changing linking characteristic was put forward,while the theoretical analysis and the test demonstration were carried out.Results The SRS level with 160 kN shaker could be improved from 1000g to 2000g by using the table with harmonic response.The SRS level under load of 1600g could be conducted.The shock response was improved. Conclusion The shock response level of shaker can be improved by changing linking characteristic,at the same time, the fixture of vibration should be avoided.The effect of SRS can be better with the fixture of vibration which are designed as required.

fixture；linking characteristic；shaker；shock response spectrum

10.7643/issn.1672-9242.2016.02.006

TJ02；V41

：A

1672－9242（2016）02－0030-04

2015-11-08；

2015-11-28

Received：2015-11-08；Revised：2015-11-28

沈志強（1985—），男，江西人，碩士，工程師，主要研究方向為航天器動力學(xué)環(huán)境試驗。

Biography：SHEN Zhi-qiang（1985—），Male，from Jiangxi，Master，Engineer，Research focus：dynamics of spacecraft environment test.