沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)技術(shù)研究進(jìn)展

石蒙，彭?yè)P(yáng)林，劉洪英，馬愛軍，韓旭，董睿

（中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094）

引言

航天器在運(yùn)行的過程中，需要使用火工裝置完成一些預(yù)定功能，如部段分離（級(jí)間分離）、附件展開（太陽(yáng)柵板）[1]。火工裝置工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生包含大量高頻成分的爆炸沖擊環(huán)境，可能會(huì)使航天器上的儀器設(shè)備發(fā)生損壞及故障[2]。爆炸沖擊環(huán)境的時(shí)間歷程本質(zhì)是隨機(jī)的，重復(fù)性很小，概括地具有以下特點(diǎn)：高幅值的振蕩波形，持續(xù)時(shí)間很短，一般在20 ms以內(nèi)衰減到零。因此很難在試驗(yàn)室條件下復(fù)現(xiàn)其時(shí)域特征。工程上最初使用經(jīng)典沖擊模擬爆炸沖擊環(huán)境。爆炸沖擊環(huán)境是一種復(fù)雜振蕩型沖擊，能量分布在較寬的頻率范圍內(nèi)，經(jīng)典波形屬于簡(jiǎn)單沖擊，低頻能量大、高頻能量小，二者對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生的破壞作用不同，不能用經(jīng)典沖擊完全等效復(fù)雜振蕩沖擊的作用效果。

Biot提出的沖擊響應(yīng)譜為模擬爆炸沖擊環(huán)境提供了一種試驗(yàn)思路[3]，在響應(yīng)譜的意義下如果產(chǎn)品經(jīng)受住了與真實(shí)環(huán)境相當(dāng)?shù)捻憫?yīng)譜的考驗(yàn)，則認(rèn)為產(chǎn)品能夠在真實(shí)的爆炸沖擊環(huán)境下正常工作。沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)用沖擊引起的響應(yīng)大小衡量沖擊的破壞作用，可用于比較不同沖擊的嚴(yán)酷程度，沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)更為合理。沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航天產(chǎn)品，作為模擬爆炸沖擊環(huán)境的重要試驗(yàn)技術(shù)，是檢驗(yàn)和暴露航天產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、加工過程中材料、結(jié)構(gòu)、工藝等方面缺陷的重要力學(xué)環(huán)境模擬試驗(yàn)項(xiàng)目之一。沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)技術(shù)研究主要集中在環(huán)境試驗(yàn)規(guī)范研究和試驗(yàn)技術(shù)研究?jī)煞矫妗?/p>

1 試驗(yàn)規(guī)范

環(huán)境規(guī)范研究目的是制定相應(yīng)的沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)方法。從20世紀(jì)60年代起，國(guó)外就已重視研究爆炸沖擊環(huán)境對(duì)航天器的影響，并頒發(fā)了一系列模擬爆炸沖擊環(huán)境的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，形成了較成熟的試驗(yàn)體系。如NASA在1999年頒發(fā)的NASA-STD-7003，根據(jù)爆炸沖擊環(huán)境的加速度幅值和頻率分布特點(diǎn)，將爆炸沖擊環(huán)境分為近場(chǎng)、中場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)，推薦使用沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)?zāi)M爆炸沖擊環(huán)境。美軍標(biāo)中，沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)已經(jīng)形成了相對(duì)獨(dú)立的試驗(yàn)體系，如2000年頒布執(zhí)行的美軍標(biāo)MIL-STD-810F，對(duì)沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)地說明，制定了相應(yīng)的試驗(yàn)規(guī)范以及剪裁指南；2008年頒布執(zhí)行的MIL-STD-810G，在810F的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步修訂了爆炸沖擊環(huán)境的特點(diǎn)，并針對(duì)這些特點(diǎn)修訂了相關(guān)沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)規(guī)范。這些標(biāo)準(zhǔn)的頒布和實(shí)施，為試驗(yàn)室模擬提供了標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，提高了航天器在爆炸沖擊環(huán)境下工作的可靠性。我國(guó)相關(guān)機(jī)構(gòu)借鑒國(guó)外資料，結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況，制訂了一系列試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，使工程實(shí)踐規(guī)范、合理。1986發(fā)布的國(guó)軍標(biāo)GJB 150.18-86只對(duì)經(jīng)典沖擊試驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定；GJB 150A-2009中第18部分明確規(guī)定經(jīng)典沖擊不適于模擬爆炸沖擊環(huán)境，并在第27部分針對(duì)使用沖擊響應(yīng)譜模擬爆炸沖擊環(huán)境的試驗(yàn)方法指定了詳細(xì)的試驗(yàn)方法和剪裁指南，已正式頒布實(shí)施。國(guó)內(nèi)相關(guān)航天企業(yè)，根據(jù)爆炸沖擊的特點(diǎn)，也制定了一系列相關(guān)沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)規(guī)范，用于指導(dǎo)航天產(chǎn)品研制。

2 試驗(yàn)技術(shù)

試驗(yàn)技術(shù)研究包括火工品試驗(yàn)技術(shù)和非火工品試驗(yàn)技術(shù)。

2.1 火工品試驗(yàn)技術(shù)

航天器上的爆炸沖擊環(huán)境主要是由火工品爆炸裝置工作時(shí)產(chǎn)生的，因此使用火工品爆炸裝置模擬爆炸沖擊環(huán)境的試驗(yàn)方法很早就被應(yīng)用于工程試驗(yàn)。這種試驗(yàn)方法通過預(yù)先計(jì)算所需要的火工品數(shù)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)譜值的控制。工程上多使用在專門設(shè)計(jì)用于安裝被試產(chǎn)品響應(yīng)夾具的背面或者側(cè)面，激勵(lì)響應(yīng)夾具使之產(chǎn)生高頻沖擊環(huán)境。

該技術(shù)從實(shí)現(xiàn)的物理過程和模擬效果相對(duì)真實(shí)的，容易產(chǎn)生高加速度幅值、同時(shí)實(shí)現(xiàn)3個(gè)方向加載的爆炸沖擊環(huán)境，但該方法試驗(yàn)成本高、載荷的重復(fù)性、安全性和可控性較差，加載量級(jí)離散性較大。這種模擬技術(shù)主要用于模擬譜值高于1×104g、主要頻率成份高于10 kHz的爆炸沖擊環(huán)境。

2.2 非火工品試驗(yàn)技術(shù)

2.2.1 電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)技術(shù)

電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)模擬試驗(yàn)技術(shù)隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展得到了廣泛應(yīng)用。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)的關(guān)鍵有兩個(gè)方面[4]：一是生成滿足要求的時(shí)域波形；二是實(shí)現(xiàn)沖擊響應(yīng)譜控制。該方法試驗(yàn)周期短，載荷的重復(fù)性和可控性等方面的優(yōu)點(diǎn)十分顯著，但受到試驗(yàn)設(shè)備位移、推力等性能指標(biāo)的限制，主要用于低量級(jí)（通常500 g以下）、頻率范圍較窄（低于4 kHz）的沖擊譜試驗(yàn)?zāi)M。

通過設(shè)計(jì)專用的響應(yīng)裝置，可擴(kuò)寬振動(dòng)臺(tái)的試驗(yàn)范圍。國(guó)內(nèi)蘇州蘇試試驗(yàn)儀器有限公司鐘瓊?cè)A、王德言根據(jù)諧振原理設(shè)計(jì)了一種可用于振動(dòng)臺(tái)的諧振裝置，并在振動(dòng)臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了頻率達(dá)4 000 Hz的試驗(yàn)[5]。這種裝置都在一定程度上提升了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)設(shè)備的沖擊試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

航天員科研訓(xùn)練中心研制了一種可應(yīng)用于振動(dòng)臺(tái)的諧振裝置，提高了原有5 t振動(dòng)臺(tái)的沖擊試驗(yàn)?zāi)芰6]。北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所沈志強(qiáng)等人設(shè)計(jì)了用于16 t臺(tái)的沖擊試驗(yàn)夾具（圖1），在一定負(fù)載下實(shí)現(xiàn)了1 600 g的沖擊試驗(yàn)條件[7]。

圖1 應(yīng)用于16 t振動(dòng)臺(tái)的沖擊試驗(yàn)夾具

振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)技術(shù)雖然具有一定的局限性，但其載荷的重復(fù)性和可控性等方面的優(yōu)點(diǎn)十分顯著[4]，仍得到工程技術(shù)人員的青睞。由于沖擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電流，對(duì)振動(dòng)臺(tái)設(shè)備可能產(chǎn)生一定的損傷，不建議作為試驗(yàn)室模擬的常規(guī)試驗(yàn)設(shè)備。

2.2.2 機(jī)械撞擊式

機(jī)械撞擊式模擬試驗(yàn)裝置的原理是用一個(gè)質(zhì)量撞擊另外一個(gè)專門設(shè)計(jì)的響應(yīng)結(jié)構(gòu)，使被撞擊裝置產(chǎn)生與爆炸沖擊環(huán)境相類似的瞬態(tài)響應(yīng)環(huán)境。跌落式、擺錘式、氣動(dòng)式等試驗(yàn)設(shè)備都屬于此類。該類試驗(yàn)設(shè)備多利用自由跌落質(zhì)量、擺錘、氣動(dòng)活塞、彈射彈等撞擊另一響應(yīng)結(jié)構(gòu)，以產(chǎn)生瞬態(tài)響應(yīng)環(huán)境。該方法通過對(duì)響應(yīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)及改變其支撐條件等方法，使其固有頻率與要求的譜形拐點(diǎn)頻率接近，然后通過控制撞擊力的幅值和時(shí)間寬度，產(chǎn)生滿足要求的譜形。

跌落式?jīng)_響應(yīng)譜試驗(yàn)技術(shù)在傳統(tǒng)的跌落式?jīng)_擊試驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，增加一塊響應(yīng)板裝置，通過跌落式?jīng)_錘產(chǎn)生激勵(lì)響應(yīng)裝置產(chǎn)生符合試驗(yàn)要求的響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)試件加載。馬愛軍等采用有限元仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方法研制出了跌落式?jīng)_擊響應(yīng)譜試驗(yàn)裝置[8]，騫永博使用有限元方法研究了對(duì)跌落式?jīng)_擊譜與諧振板固有頻率、支撐剛度、沖擊激勵(lì)的條件等因素之間的關(guān)系[9]。

擺錘式?jīng)_擊譜試驗(yàn)技術(shù)原理與跌落式類似，通過提升擺錘的高度，調(diào)整臺(tái)面的安裝邊界條件，產(chǎn)生滿足要求的沖響應(yīng)譜。國(guó)內(nèi)由王永聯(lián)[10]對(duì)擺錘式?jīng)_擊響應(yīng)的設(shè)計(jì)原理、實(shí)現(xiàn)方向進(jìn)行了分析。這種試驗(yàn)裝置器可簡(jiǎn)化為2自由度系統(tǒng)（如圖2所示），試驗(yàn)時(shí)通過調(diào)整擺錘高度、剛性板前后彈簧剛度以匹配試驗(yàn)規(guī)范[11]。這種試驗(yàn)技術(shù)的重復(fù)性較好，實(shí)現(xiàn)量值較高。

圖2 擺錘式試驗(yàn)裝置原理

跌落式、擺錘式是利用自由落體作為激勵(lì)，沖擊量級(jí)與沖頭質(zhì)量、沖頭提升高度關(guān)系密切，由于設(shè)備尺寸、質(zhì)量不能無限增大，實(shí)現(xiàn)高量值、大產(chǎn)品的試驗(yàn)有一定難度。氣動(dòng)式?jīng)_擊設(shè)備利用壓縮空氣瞬間釋放膨脹推動(dòng)沖頭加速撞擊響應(yīng)裝置，較短的行程可實(shí)現(xiàn)較高的沖擊能量。晏廷飛等人采用試驗(yàn)與有限元計(jì)算相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)出了水平式氣動(dòng)沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)機(jī)（圖3），其安裝臺(tái)面尺寸1 250 mm×1 250 mm，負(fù)載200 kg時(shí)試驗(yàn)響應(yīng)可達(dá)5 000 g[12]。王飛等設(shè)計(jì)出了垂直式的氣動(dòng)試驗(yàn)裝置（圖4），通過氣動(dòng)式激勵(lì)由下向上進(jìn)行沖擊，試驗(yàn)量級(jí)達(dá)1 000 g的試驗(yàn)規(guī)范，實(shí)現(xiàn)了垂直向的沖擊譜試驗(yàn)[13]。

圖3 水平式氣動(dòng)沖擊響應(yīng)試驗(yàn)設(shè)備

圖4 垂直式氣動(dòng)沖擊響應(yīng)試驗(yàn)設(shè)備

2.2.3 諧振裝置模擬技術(shù)

使用諧振裝置作為響應(yīng)裝置實(shí)現(xiàn)沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)，是沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)技術(shù)的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。該方法的基本思路是利用金屬碰撞激起諧振裝置的多階模態(tài)響應(yīng)，并以此響應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)試件的加載。該方法源于Bai、Thatcher提出的“金屬-金屬碰撞（metal-metal impact）”的思路[14]。根據(jù)諧振裝置的具體結(jié)構(gòu)形式可將其分為諧振桿、諧振梁、諧振板以及其他結(jié)構(gòu)形式的諧振裝置（如圖5所示）。

圖5 幾種典型的諧振裝置

諧振桿是利用結(jié)構(gòu)的縱向振動(dòng)，諧振梁與諧振板裝置是利用結(jié)構(gòu)的橫向振動(dòng)。桿在一端約束一端自由狀態(tài)下，縱向振動(dòng)頻率方程可表示為：

式中：

E—彈性模量；

ρ—密度；

l—桿長(zhǎng)；

π—圓周率；

n—階次；

ωn—固有頻率。

梁在兩端簡(jiǎn)支的狀態(tài)下，頻率方程可表示為：

式中：

EJ—抗彎剛度；

A—梁的截面；

ρ—密度。

從原理上講，諧振裝置是利用連續(xù)結(jié)構(gòu)的諧振響應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)試件的加載，模擬的載荷量級(jí)和頻率范圍都較高。諧振裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是使裝置的某階固有頻率分布在拐點(diǎn)頻率附近。為提高諧振裝置的通用性，研究者通過在諧振梁上設(shè)計(jì)大小、位置可調(diào)的質(zhì)量結(jié)構(gòu)，在沖擊端設(shè)計(jì)阻尼結(jié)構(gòu)以調(diào)整結(jié)構(gòu)的固有頻率及響應(yīng)特性，以實(shí)現(xiàn)不同的試驗(yàn)規(guī)范[15]。國(guó)外NTS、experior laboratories均有在用頻率可調(diào)式諧振梁沖擊試驗(yàn)設(shè)備（圖6所示）。

圖6 頻率可調(diào)諧振梁模擬設(shè)備

在實(shí)際工程中諧振桿、諧振梁的應(yīng)用不如諧振板廣泛。諧振板裝置最早由Bai提出[14]，也可通過增加質(zhì)量塊、阻尼塊等方式調(diào)整其固有頻率，以控制譜形。國(guó)外Lockheed公司、DES試驗(yàn)室根據(jù)諧振原理分別設(shè)計(jì)了MIPS（Mechanical Impulse Pyroshock）諧振板裝置，該試驗(yàn)設(shè)備采用氣動(dòng)式由上向下對(duì)諧振板進(jìn)行激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的垂直向沖擊試驗(yàn)。DES試驗(yàn)室在設(shè)備側(cè)面設(shè)計(jì)了擺錘裝置，可實(shí)現(xiàn)水平向沖擊。MIPS設(shè)備可通過調(diào)整激勵(lì)、諧振板邊界條件等因素控制諧振板的響應(yīng)，可適應(yīng)不同的試驗(yàn)規(guī)范，該裝置可實(shí)現(xiàn)小件產(chǎn)品三個(gè)方向的沖擊試驗(yàn)。國(guó)外也有學(xué)者將諧振板垂直于水平面放置，實(shí)現(xiàn)了垂直方向的沖擊譜試驗(yàn)。響應(yīng)板除了單層板，還存在雙層板的結(jié)構(gòu)形式，這種設(shè)備可實(shí)現(xiàn)高加速度、寬頻域的沖擊環(huán)境模擬[16]（如圖7所示）。

圖7 MIPS試驗(yàn)?zāi)M裝置

近幾年出現(xiàn)的激光激勵(lì)技術(shù)，通過激光激勵(lì)響應(yīng)裝置，使響應(yīng)裝置產(chǎn)生類似復(fù)雜振蕩的沖擊，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)的加載。激光激勵(lì)的載荷可控性好、精確高，易于控制譜形，對(duì)設(shè)備損傷小，但目前只能實(shí)現(xiàn)小試件的試驗(yàn)?zāi)M[17]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)仿真方法進(jìn)行沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)仿真，逐漸成為航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要手段。建立了諧振梁和諧振板等簡(jiǎn)單模型測(cè)其沖擊響應(yīng)譜和結(jié)構(gòu)應(yīng)力，并逐步開展整機(jī)試驗(yàn)仿真，進(jìn)一步對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)品開展沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)仿真[18]，有效的提高了試驗(yàn)技術(shù)和試驗(yàn)效率，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和研發(fā)提供了有力的支持。

3 總結(jié)和展望

振動(dòng)臺(tái)模擬試驗(yàn)技術(shù)受限于自身技術(shù)指標(biāo)限制，只能模擬遠(yuǎn)場(chǎng)的試驗(yàn)條件和較小的產(chǎn)品的試驗(yàn)，但其采用半閉環(huán)的控制方式，試驗(yàn)可靠性好、載荷重復(fù)性好，在試驗(yàn)室得到一定的應(yīng)用。火工品爆炸試驗(yàn)技術(shù)及跌落式、擺錘式、氣動(dòng)式等試驗(yàn)技術(shù)均為開環(huán)試驗(yàn)方法，載荷重復(fù)性不如振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)技術(shù)，可在正式試驗(yàn)前開展預(yù)試驗(yàn)，降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。沖擊響應(yīng)試驗(yàn)控制技術(shù)的難點(diǎn)在于產(chǎn)生重復(fù)性好的沖擊載荷。目前國(guó)外SD[4]、m+P等公司已有成熟的基于振動(dòng)臺(tái)的沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)控制技術(shù)。國(guó)內(nèi)學(xué)者馬愛軍等基于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)系統(tǒng)研制了基于windows系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)控制方法[19]。激光激勵(lì)技術(shù)具有可控性好、精度高等優(yōu)點(diǎn)，將有效的提高沖擊響應(yīng)譜載荷的可控性和重復(fù)性。

隨著航天任務(wù)的不斷發(fā)展，航天產(chǎn)品的質(zhì)量和體積不斷增大，航天產(chǎn)品試驗(yàn)規(guī)范要求產(chǎn)品進(jìn)行3個(gè)方向的沖擊試驗(yàn)。目前主流沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)設(shè)備只能實(shí)現(xiàn)水平向2個(gè)方向的試驗(yàn)，垂直方向的試驗(yàn)一般通過設(shè)計(jì)專用翻轉(zhuǎn)夾具或者更換試驗(yàn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)。大型航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通過翻轉(zhuǎn)夾具將產(chǎn)品固定到?jīng)_擊臺(tái)面上，對(duì)設(shè)備、產(chǎn)品影響不利，試驗(yàn)調(diào)試過程難度加大。垂直向大產(chǎn)品的沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)的難點(diǎn)在于產(chǎn)生垂直向大能量激勵(lì)。目前主流的幾種激勵(lì)實(shí)現(xiàn)方式中，跌落式、擺錘式由自由落體產(chǎn)生激勵(lì)，載荷量級(jí)受到一定的限制，氣動(dòng)式?jīng)_擊激勵(lì)可以不受沖擊方向的限制，沖擊能量大，這種激勵(lì)方式在大產(chǎn)品的沖擊試驗(yàn)將會(huì)有更大的發(fā)展空間。

通過計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真技術(shù)進(jìn)行沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)仿真試驗(yàn)，已經(jīng)逐漸成為航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要手段。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，采用沖擊譜試驗(yàn)仿真方法，預(yù)測(cè)產(chǎn)品沖擊響應(yīng)，改進(jìn)產(chǎn)品薄弱位置。正式試驗(yàn)時(shí)，可通過仿真試驗(yàn)進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)調(diào)試，節(jié)約試驗(yàn)成本和試驗(yàn)周期。目前仿真試驗(yàn)技術(shù)大多使用靜態(tài)材料參數(shù)計(jì)算，金屬材料在沖擊作用下處于中高速應(yīng)變狀態(tài)。金屬材料的材料本構(gòu)關(guān)系與應(yīng)變率有關(guān)，中高速應(yīng)變率情況下材料本構(gòu)關(guān)系與靜態(tài)下有較大的區(qū)別，研究中高速應(yīng)變率下材料的本構(gòu)關(guān)系，對(duì)沖擊譜試驗(yàn)仿真有較大的指導(dǎo)意義。