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标准脉冲冲击试验和冲击响应频谱实验的特点分析

来源：时间：2022-12-27 09:55:29 浏览：3197次

一个结构系统受到的瞬态载荷就是冲击。对于汽车产品来讲，冲击实验是发现产品结构缺陷必不可少的手段之一。机械冲击实验是模拟产品在生命周期内可能经历的运输冲击、外力冲击、碰撞冲击甚至爆炸冲击，保证产品在冲击后能正常工作。

按照冲击发生的频次，冲击实验可以分为非重复性冲击和重复性冲击，分别对应GB/T 2423.5（实验Ea：冲击）和GB/T 2423.6（实验Eb：碰撞）。非重复性冲击的实验脉冲主要有3种：半正弦脉冲、后峰锯齿脉冲、梯形脉冲；重复性冲击的实验脉冲主要是正弦脉冲。这两类脉冲的区别不难理解：非重复性冲击主要模拟车门关闭、车辆碰撞等情景下的冲击，此类情景下波形为非对称波形；重复性冲击主要模拟车辆经过坑洼路面时的颠簸，此类情景下波形为对称波形。

按照时域波形，可以将冲击分为脉冲型、阶跃型、复杂振荡型。持续时间比系统固有半周期短的冲击称为脉冲型冲击，系统能量突变的冲击（如受突变加力作用后引起的阶跃运动）称为阶跃型冲击。这两者皆属于典型冲击，一般产生在冲击源处。复杂振荡型冲击则是由系统传递后产生的冲击响应运动。实际上遇到的冲击多数为复杂振荡型冲击。从频域特征看，它们的频率含量相当丰富，理论上包含了0~＋∞的频率范围。

下图为汽车实际碰撞时的时域脉冲波形，可以看到波形具有冲击时间短（一般小于20ms）、冲击加速度高、频谱丰富的特点。为了在实验室中模拟现实中的冲击，工程界做了大量的研究与验证。目前业内广泛认可的冲击实验有两大类，一类是标准脉冲冲击实验，一类是冲击响应频谱（SRS）实验。

一、标准脉冲冲击试验

目前国内外很多法规标准（GB/T 2423、GJB 150、MIL-STD-810E）对冲击实验做了规范，常用的的脉冲波形有3种：半正弦脉冲、后锯齿峰脉冲、梯形脉冲。波形如下：

后峰锯齿脉冲与半正弦脉冲接近，但是后峰锯齿波在各频率上的功率含量更均匀，易于激起各频率的响应（在MIL-STD-810C中，半正弦冲击、后峰锯齿冲击可以互换，但是两者的峰值加速度需要对应公式3/4*Ap（半正弦）=Ap（后峰锯齿）进行换算）

梯形脉冲能在较宽的频谱上比正弦脉冲产生更高的响应，可以模拟空间探测器或卫星爆炸螺栓所引起的冲击

不同波形的适应范围如下：

衡量冲击实验严酷度的指标有3个：峰值加速度、脉冲持续时间、脉冲波形。试验时可参考上表或其他标准中的要求选择相应的实验参数。

在汽车行业的不同标准中，冲击实验的脉冲持续时间主要有6ms、11ms两种规格。目前没有查到对持续时间选择的说明资料，结合经验及其他资料，推测如下：

1、相同的加速度值，脉冲时间越长，振动台的行程越大，大行程会导致振动台的复杂度、成本、体积上升。而冲击实验造成产品失效的原因主要是应力超过弹性极限造成材料失效，可以固定振动的持续时间，调整振动加速度来模拟不同脉冲时间的振动；

2、实际碰撞、颠簸、爆炸的持续时间比较短，用较短时间的脉冲可以涵盖现实中冲击脉冲的时间。

目前车规标准中6ms、11ms这两者的速度/加速度/位移在时域、频域的区别可以见下图：

二、冲击响应频谱（Shock Response Spectrum）实验

现实中遇到的冲击大部分以复杂震荡波形为主，复杂冲击的能量分布完全不同于半正弦脉冲等经典冲击，两者对产品的破坏损伤效果也不同。

由于每次复杂冲击过程的时间历程是随机的，无法像经典冲击那样通过时间波形来描述冲击载荷，因此，工程上提出了冲击响应频谱（SRS）概念，并以此作为描述冲击环境对产品的作用效果和实验条件的参数。

在20世纪70年代以前，业界普遍认为虽然高频冲击的加速度幅值较高，但是作用时间短、冲量小不足以对产品造成破坏。因此冲击试验主要以半正弦等经典波形为主。但是随着对产品失效分析的积累，人们发现航天器上的仪器或电子产品，对量级较大的高频更加敏感，所以业界对复杂冲击环境的破坏机理、模拟实验技术进行了大量的研究。经典波形冲击具有较大的低频能量，高频能量较低；复杂冲击波形冲击具有较高的高频能量，低频能量相对较低。因此经典波形冲击对固有频率较低的大型部段结构的破坏作用较大，而复杂波形冲击对电子产品具有较强的破坏作用。

复杂波形的主要特点是：1、冲击作用时间短，一般小于20ms；2、冲击加速度量级高，目前航天器上产品要求加速度达到1000~4000g，有些产品甚至要求8000~10000g；3、频率高和频带宽，通常要求100~5000Hz。为了模拟复杂波形冲击，工程上提出了冲激响应谱（SRS）的概念，冲击响应谱又称冲击谱，是指将冲击激励施加到一系列线性、单自由度弹簧、质量系统时，将各单自由度系统的最大响应值，作为对应于系统固有频率的函数而绘制的曲线。从20世纪90年代开始，国内外标准对冲击响应谱实验进行了规定，如NASA-STD.7003、NASA-HDBK.7005、MIL-STD-810F、GJB-150A等。

典型的冲击响应谱图如下：

频率响应谱的实验方法：

1、振动台模拟：振动台的幅值（小于500g）、频谱范围（低于3KHz）、方向受限制，主要用于低量级、窄频率范围的复杂冲击实验。合理设计工装夹具的共振特性，可以放大振动量级；

2、机械碰撞模拟：原理是把试件安装在试验夹具上，实验夹具通过设计好的弹性边界支撑，用一个质量撞击弹性边界，使系统产生与要求的冲击环境类似的共振响应。

常见的模拟设备有摆锤冲击台、跌落冲击台、气动式冲击台、谐振板模拟设备等。

3、火工品爆炸模拟：利用火工品爆炸产生冲击环境，可真实地模拟航天产品实际飞行中经受的爆炸冲击，但实验量级不可控。有些产品在实验过程中会出现不可恢复的损坏，增加了实验成本和试验周期。

小结：

1、标准脉冲冲击简单易行、成本低，可用于模拟相对简单的冲击环境，多用在消费产品、汽车产品实验中；

冲击谱模拟实验过程复杂、成本高、周期长，可模拟复杂波形的冲击环境，多用在航天、军工或其他高要求的产品实验中。

2、标准脉冲低频能量大，高频能量小，不能模拟复杂冲击中的高频冲击；

3、冲击谱模拟实验中，要考虑时域、频域特征的相似性，如最大峰值、持续时间、能量谱等

参考：

GB/T 2423.5--1995 实验Ea：冲击
GB/T 2423.6--1995 实验Eb：碰撞
GJB 150.18--86 军用设备环境实验方法冲击实验
倪维宇. 汽车碰撞冲击脉冲波形数学建模
穆瑞忠. 航天器的冲击谱模拟试验方法
高文硕. 航天器冲击响应谱试验模拟方法概述
王德言. 冲击_碰撞标准的几个问题
卢来洁. 冲击响应谱试验规范述评

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