壓簧式沖擊測量擺的沖擊特性分析及結構設計

摘 要：簧片儀是低頻段沖擊譜測量的主要裝置，但當艦艇受到沖擊爆炸時，其集中質量懸臂梁易發生塑性變形或斷裂。為此，本文研究了一種新型中低頻沖擊譜測量儀器，其雖然樣子與簧片儀相似，但原理與簧片儀完全不同，稱之為沖擊測量擺。與簧片儀相比，沖擊測量擺不僅在測量范圍有大幅提高，測量精度也大幅提高，具有廣闊的發展和應用前景。

關鍵詞：沖擊特性；低頻簧片儀；集中質量懸臂梁

中圖分類號：TB523 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）01-0075-02

The Impact Performance Analysis and Structure Design

of Shock Measuring Pendulum

WANG Jiyu YAN Ming ZENG Zecui

（Faculty of Mechanical Engineering， Shenyang University of Technology， Shenyang Liaoning 110870）

Abstract： The reed meter is the main device for measuring the low frequency impact spectrum， but when the ship is attacked and exploded. The concentrated mass cantilever beam is prone to plastic deformation or fracture. Therefore， a new type of medium and low frequency impact spectrum measuring instrument was studied. Although it is similar to the reed instrument， its principle is quite different from that of the reed instrument， which is called the impact measurement pendulum. Compared with the reed instrument， the impact measurement pendulum is not only greatly improved in the range of measurement， but also the precision of measurement is also greatly improved. It has a broad prospect of development and application.

Keywords： vibration and wave；low frequency reed gage；lumped-mass cantilever beam

隨著精確制導技術的發展，武器的毀傷能力不斷增強，因此艦艇的沖擊環境更為惡劣。艦載設備的抗沖擊能力是艦艇抗沖擊能力的關鍵，其抗沖擊性能的好壞，直接影響艦艇的作戰效能[1]。沖擊譜通常用于表征艦載設備的抗沖擊能力，是艦艇抗沖擊考核的基礎。目前，在沖擊試驗中常用簧片儀進行沖擊譜的測量，沖擊測量擺與簧片儀相比：在簧片儀的基礎上，讓懸臂梁的固定端通過鉸鏈與基礎連接，這樣懸臂梁近似成為一個剛體，測量范圍不受固定端變形量的限制。沖擊譜不僅在測量范圍上較簧片儀有大幅度提高，測量精度也大幅度提高。

對沖擊測量擺進行模態和瞬態動力學分析，推導出懸臂梁在沖擊載荷作用下的各階振型及動態響應情況。分析結果對沖擊測量擺的設計具有一定的參考價值。

1 測量擺沖擊響應方程及擺桿截面確定

1.1 沖擊環境描述

沖擊環境是設計中低頻沖擊測量裝置的基礎，通過沖擊測量裝置施加沖擊載荷從而測得不同固有頻率設備的沖擊響應值，并繪制成沖擊響應譜，譜位移、譜速度和譜加速度為沖擊環境參數[2]，具體見表1。

150

100

50

0

-50][加速度（g）]

圖1 時域加速度曲線

1.2 原理及固有頻率計算

根據沖擊測量擺原理模型，設計用于測量2～20Hz頻域范圍內沖擊譜測量擺，并確定擺桿、彈簧及質量塊參數，根據沖擊測量擺原理模型[3]，列出微分方程：

[m1L2+m2L23θ+asinθ·k·acosθ=0] （1）

式（1）中，L為鉸支點到質量塊質心C點的距離（mm）；a為鉸支點A到彈簧支點B的距離（mm）；m1為質量塊質量（kg）；m2為擺桿質量（kg）；k為彈簧剛度（N/mm）；θ為擺桿繞鉸支點擺角（°）。

當沖擊測量擺在沖擊載荷作用下擺角θ幅值很小時（小于8°），則公式（1）中的sinθ可以近似等于θ，而cosθ近似等于1，則公式（1）可簡化為公式（2）：

[m1L2+m2L23θ+ka2θ=0] （2）

求解（2）微分方程，獲得沖擊測量擺固有頻率，見式（3）：

[ωn=ka2m1L2+m1L23] （3）

1.3 擺桿截面確定

不同截面的橫梁其抗彎系數不同，沖擊測量擺上的擺桿要求在保證其足夠的抗彎截面系數的前提下，質量盡可能小，所以在設計擺桿截面形狀時，選擇工字型截面。

2 沖擊測量擺仿真計算

2.1 模態頻率計算

有限元模型的建立，設置擺桿為BEAM188單元，彈簧COMBIN14單元，質量塊為MASS21單元，先對壓簧式沖擊測量擺進行模態計算，再進行瞬態動力學分析，獲得壓簧式沖擊測量擺最大位移響應和應力響應。

這里以擺桿長為450mm，彈簧安裝位置距離鉸支點為225mm的沖擊測量擺進行模態計算，沖擊測量擺有限元模型節點建立在XOZ平面內，可以發現沖擊測量擺的一階振型在XOZ平面內變形；二階振型在XOY平面內變形；三階振型在XOZ平面內變形。

2.2 瞬態動力學分析

通過對沖擊測量擺進行模態計算，確定沖擊測量擺固有的頻率，然后確定沖擊測量擺瞬態動力學分析計算周期。

另外，當將彈簧安裝在擺桿的四分之一處時，可以設計計算彈簧及質量塊參數。當彈簧剛度一定時，彈簧支點距離擺桿鉸支點太近，會導致質量塊質量過小，甚至計算出錯導致質量為負值。所以，壓簧式沖擊測量擺的彈簧的安裝位置不能靠近擺桿鉸支點，一般彈簧支點位置位于擺桿的中點位置較為理想。

3 結論

①從結構上來說，相對簧片儀裝置，沖擊測量擺在固定端的鉸鏈結構可以提高測量裝置的使用壽命。

②從功能上來說，沖擊測量擺可以直接用于測量中低頻段沖擊譜測量，取代簧片儀中低頻段沖擊譜的測量方法。

從壓簧式沖擊測量擺計算結果可以看出，整個沖擊測量裝置在沖擊載荷作用下最大應力點為擺桿與彈簧連接處，最大應力可達179MPa，這是因為彈簧在沖擊過程中對擺桿產生一個類支點的作用而導致擺桿應力集中。

參考文獻：

[1]汪玉，華宏星，艦艇現代沖擊理論及應用[M].北京：科學出版社，2007.

[2]馬炳杰，張歡，王志剛.內燃機曲柄連桿機構沖擊動力學分析[J].兵工學報，2010（S1）：32-35.

[3]宮國田，金輝，張繼紅，等.國外艦艇水下爆炸研究進展[J].噪聲與振動控制，2013（2）：293-298.