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振动冲击试验方法与技术-冲击试验

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德凯宜特
 
第18章 冲击试验
18.1 试验目的、影响机理、失效模式
产品在使用和运输过程中所经受到的冲击主要是由于车辆的紧急制动和撞击、飞机的空投和坠撞(紧急迫降)、炮火的发射、化学能和核能的爆炸、导弹和高性能武器的点火分离和再入等所产生的冲击 。冲击就是在一个相对较短的时间内将一高量级的输入脉冲力施加到产品上。冲击是一处很复杂的物理过程,与随机振动一样,它具有连续的频谱,但又是一个瞬变过程,不具备稳态随机的条件。产品受冲击后,其机械系统的运动状态要发生突变并将产生瞬态冲击响应。产品对机械冲击环境的响应具有以下特征:高频振荡、短持续时间、明显的初始上升时间和高量级的正负峰值。机械冲击的峰值响应一般可用一个随时间递减的指数函数包络。对于具有复杂多模态特性的产品,其冲击响应包括以下两种频率响应分量:施加在产品上的外部激励环境的强迫频率响应分量和在激励施加期间或之后产品的固有频率响应分量。从物理概念上讲,产品受冲击(即瞬态激励)后所产生的冲击响应的大小代表了产品实际所受到的冲击强度。若产品的瞬时响应幅值超过产品本身的结构强度,则将导致产品破损。可见产品受冲击所产生的损坏,不同于累积损伤效应所造成的破坏,而属于相对于产品结构强度来说是极限应力的峰值破坏。
这种峰值破坏会造成结构变形,安装松动,产生裂纹甚至断裂,还会使电气连接松动,接解不良,造成时断时通,使产品工作不稳定。这种峰值破坏还能使产品内部各单元的相对位置发生变化,造成性能下降或超差,甚至会冲断元器件或部件,使其无法工作。归结起来:
a) 零件之间磨擦力的增加或减少,或相互干扰而引起的产品失效;
b) 产品绝缘强度变化、绝缘电阻抗下降、磁场和静电场强的变化;
c) 产品电路板故障、损坏和电连接器失效;(有时,产品在冲击作用下,可能使电路板上多余物迁移而导致短路);
d) 当产品结构或非结构件过应力时,产品产生永久性的机械变形;
e) 当超过极限强度时,产品的机械零件损坏;的确
f) 材料的加速疲劳(低周疲劳);
g) 产品潜在的压电效应;
h) 由于晶体、陶瓷、环氧树脂或玻璃封装破裂造成的产品失效。
从从上面的叙述可见 ,冲击会对整个产品的结构和功能完好性产生有害影响。这种有害影响程度一般随冲击的量级和持续时间的增减而改变。当冲击持续时间与产品固有频率的倒数一致或者输入冲击环境波形的主要频率分量与产品的固有频率一致时,会进一增加对产品结构和功能完好性的不利影响。
所以,要保证产品具有好的抗冲击强度,并在上述冲击环境下或受上述冲击后可靠稳定的工作,冲击试验是解决这一问题的重要方法与手段。
采用本方法评估产品在其寿命期经受机械冲击下的结构和功能特性。这种机械一般限制在:频率范围不超过10,000 Hz,持续时间不长于1.0 sec。在大多数情况下,产品的主要响应频率不超过2000 Hz,响应的持续时间小于0.1sec。
18.2 现场发生的冲击及描述
要在试验室内完全重视产品在实际使用和运输环境中所经受到的本章18.1中描述的现场冲击是很困难的,因为这些冲击的量值变化很大,脉冲持续时间的变化范围很宽,并且又十分复杂。图18-1a是现场实测到的不连续冲击脉冲波形,从图中的冲击脉冲波形可见,它是难以用数学摸型描述。
 
18.3.2.2 试验条件及其选择
冲规定标称(经典)冲击脉冲波形的冲击试验方法的试验条件(严酷等级)由峰值加速度、冲击脉冲持续时间和冲击次数三个参数共同确定。
(1)试验条件(严酷等级)参数
a)峰值加速度(A)
峰值加速度的大小能直观的反映出施加给产品的冲击力的大小。由于产品的结构大都是线性系统,即使是非线性系统,在应变不大的情况下,也可以看作是线性系统。所以,产品受冲击后所产生的响应加速度与激励加速度是成比例的。可见在一般情况下峰值加速度愈大,对产品的破坏作用愈大。
b)脉冲持续时间(D)
冲击脉冲的持续时间是指加速度保持在规定峰值加速度比率上的时间间隔。冲击脉冲持续时间对产品的影响很复杂,它对冲击效果的影响与被试系统的固有周期(T)有关。
对半正弦波,当D/T<0.3时;对梯形波,D/T<0.2时;对后峰锯齿波,D/T<0.5时。在产品上所造成的响应加速度都将随着D/T比率的增加而增加,但最大不超过激励脉冲本身的峰值加速度。
对半正弦波,当0.3D≤D/T<3时;对梯形波,当0.2≤D/T<10时;对后峰锯齿波,当0.5D/T<1.2时,在产品上所造成的响应加速度都将超过激励脉冲的峰值加速度。而且,对半正弦波在D/T=0.8附近;对梯形波在D/T=0.55附近;对后峰锯齿波在D/T=0.65附近,都将出现最大响应加速度,其值分别为激励脉冲峰值加速度的1.78倍(半正弦波)、2倍(梯形波)、1.3倍(后峰锯齿波)。
对半正弦波,当D/T>3时;对梯形波,当D/T>10时;对后峰锯齿波,当D/T>1.2时,在产品上所造成的响应加速度与激励脉冲的峰值加速度相同。
从上面的叙述可见,对同一种脉冲,由于其持续时间不同,对相同的产品所造成的影响也不相同。
c)冲击次数
由于冲击主要考虑的是对产品极限强度的影响,而不是考虑累积损伤,所以用不着对产品进行多次重复试验,但为了避免偶然性,也需要一定的冲击次数。一般规定在每方向上连续冲击3次。又由于冲击所造成的最大响应可能发生在激励脉冲相同的方向上,也可能发生在与激励脉冲的相反方向上,因此,通常规定要在被试样品的三条互相垂直轴线的每个方向上进行,即六个方向上进行,所以冲击实验的次数规定为3×6=18次。
(2) 试验条件(严酷等级)介绍
规定脉冲波形的冲击试验方法已几乎被所有国内外的环境试验规范与标准所采用。例如国标GB/T2423(元器件、整机)、IEC标准60068-2-27(元器件、整机)、英国国防部标准07-55、(元器件、整机)美国军标810 F(整机)和202F(元器件)、日本工业标准JIS等标准中都采用了此种方法。下表18-1中给出了国内外主要标准中规定的试验条件(严酷等级)要求。
 
18.4 对试验设备的要求
能产生冲击的设备很多,电动振动台是其中最主要的一种,它既能产生冲击响应谱与重现场的冲击时间历程,也能产生标称冲击脉冲波形。然而能产生标称冲击脉冲波形的设备除电动振动台外,还有:自由跌落式、压缩空气式、气液压式、动量转换式。无论采用何种试验设备来产生冲击,对它们的要求是一样的。这里的要求与检定(校)对试验台的要求一样,即不是指冲击试验设备空载时的要求,而是指冲击试验设备装上样品(包括夹具)和必要的负载后,在检测点上所应达到的要求。
18.4.1冲击脉冲的波形容差
在规定标称冲击脉冲波形的方法中,目前对标称冲击脉冲的波形容差要求,军标和民(商)标有些差别。下图18-16(a)和(b)是美国军标MIL-STD-810C/D/E和国军标 GJB150中的要求;下图18-16(c)和(d)是美国军标MIL-STD-810F中的谱形。在MIL-STD-810F中,后峰锯齿波主要用于功能冲击和坠撞安全冲击,梯形脉冲波主要用于有包装设备的试验和易损性试验。对有包装的设备,在包装前、包装中和包装后的偶然跌落,其功能必须正常;对易损性试验要求产品既保证功能又保证结构不受损伤,对由跌落和易损性要求的高速度和大的速度变化量,其梯形脉冲波最能做到这一点。
 
18.5 对测量系统的
要求
由于冲击在频域中是一个连续谱,并且具有无限带宽。因此要准确无误地测出冲击的峰值加速度,脉冲持续时间和速度的变化量,特别是要不失真的重现冲击脉冲的实际波形,就要求测量系统对无限带宽的频率成分能不失真的传递,也就是测量系统的通频带必须无限宽。又由于时域波形是一个各频率上的能量信号叠加而成的,而且周期信号的叠加还有一个相位的问题,即同一幅值的频谱,用不同的相位合成,可形成不同的波形。可见若测量系统限制信号相位的传递,也将导致脉冲波形失真。因此,对测量系统还有一个相位线性度的要求。
 
18.6 试验程序
冲击试验的整个试验过程比较简单,由预处理、初始检测、预调、试验、恢复、最后检测几个步骤组成。下列两步有别于其它试验,是本试验的重点,应理解和掌握好。
18.6.1 预调
在进行冲击试验时,样品的重量和动态特性可能会对冲击试验设备的性能产生影响,
 
同时,冲击试验所规定的试验条件(严酷等级)又是指冲击试验设备装上样品(包括夹具)和必要的负载后,在检测点上应达到的要求,因此,为了保证样品经受到所规定的试验条件(严酷等级)和达到高的再现性(不确定),应做好试验前的预调。
预调前,首先应选好检测点,通常选择在样品与台面或样品与夹具的连接处。
预调时,可带样品进行,也可不带样品进行。如果样品的重量和动态特性对冲击台的性能没有影响,则可不带样品,在冲击试验设备空载的情况下进行预调。此时检测传感器安装在台面上或夹具上,并尽量靠近台面中心。如果样品的重量和动态特征对冲击台的性能有影响,则应装上样品进行预调。为了避免正式试验前的重复冲击给样品带来不必要的损伤,通常装上非正式试验用样品进行预调。在进行这种预调时,如果样品昂贵或能提供试验的样品很少,则可用一个不合格的样品或用一具有恰当重心位置的立体模型来进行。但必须指出,这种立体模型不可能有与真实样品有完全相同的动态特性,此点应充分注意到。
18.6.1 试验
冲击试验设备预调结束后,就正式装上样品进行试验。通常是在样品的三条互相垂直轴线的六个方向上进行(一般的冲击机可通过夹具和改变安装来实现;用电动振动台进行冲击试验,可通过垂直台和水平台来共同实现),即进行3×6=18次冲击。对结构和性能完全对称的样品,可省去相应轴线和方向上的冲击次数。冲击试验在大多数情况下是用来考核产品经受住冲击的能力,所以,通常在非工作状态下进行冲击。对在运载工具上工作的产品,通常要进行性能冲击和结构强度(军标中有的称坠撞安全冲击)二种冲击,前者考虑的是在一般冲击下要能正常工作;后者考虑的是在在偶然出现的特大冲击下其结构不能出现损伤。特别是产品不产生分离、抛出、甩出而击伤人等。 当一个产品要进行二种冲击时,通常是先完成性能冲击,然后再进行强度(坠撞安全)冲击,试验时通常是在一条轴线上完成二种冲击后,再依次完成另外二条轴线上的冲击。
18.8 合理
选择试验所需的冲击脉冲波形
对半正弦,后峰锯齿,梯形三种冲击脉冲,在试验如何进行正确的选择是一个值得注意的问题。特别是对试验室只具备产生半正弦冲击脉冲的冲击台,而不具备产生后峰锯齿、梯形冲击脉冲冲击台的情况更是如此。另外当进行大加速度大脉宽的冲击试验时,而要求大的速度变化量,而用电动振动台又无法做到时,也可参考此节进行。
为了说明如何进行合理的选择,首先请看前面的图18-13:
图18-13是相同峰值和相同的脉冲持续时间的半正弦,后峰锯齿,梯形三种冲击脉冲对同一单自由度系统的冲击响应谱。从图中可见:
当脉冲持续时间D和产品的固有频率fn的乘积小于或等于0.2时,三种脉冲的初始响应谱近似相同,残余响应谱与脉冲波形的速度变化量(波形面积)成正比。此时,只要速度波变化量相同,就可选择三种冲击脉冲中的任一种来做试验。也就是说,当fn·D≤0.2时,用任何一种脉冲来进行试验,其效果是一样的。
当脉冲持续时间D和产品的固有频率fn的乘积大于0.2并小于10时,三种脉冲的初始响应谱和残余响应谱均不相同。其中,梯形脉冲的初始响应谱的最大值最高,而且由于梯形脉冲的加速度时间历程曲线有平的峰值,所以初始响应谱的最大值能维持在较宽的频率范围上。半正弦脉冲的初始响应谱的最大值次之(大约比梯形脉冲低30%),后峰锯齿脉冲的初始响应谱的最大值最小(大约比梯形脉冲低51%)。从残余响应谱来看,后峰锯齿脉冲的比较平滑,直到fn·D=10附近才达到第一个零值。半正弦脉冲和梯形脉冲由于本身的对称性,从fn·D=10开始就反复出现零值。可见当0.2≤fn·D≤10时,应根据试验的目的和产品的具体用途来选择所需的脉冲。当冲击脉冲的持续时间D和产品的固有频率fn的乘积大于10时,三种脉冲的初始响应谱均近似1(amax/A=1),而残余响应谱均近似为零。此时,选择三种脉冲中的任一种来进行试验,其效果是一致的。
18.9 将后峰锯齿、梯形两种脉冲转换成半正弦脉冲进行试验
前面已经讲到,当脉冲的持续时间D和产品的固有频率fn的乖积在0.2到10之间时,应根据试验目的来选择所需的脉冲。这就给我们提出一个问题,如果按照需要应选择后峰锯齿脉冲或梯形脉冲,而试验室又不能产生这二种冲击脉冲波形,特别是上面所说的其速度变化量超过电动振动台速度变化量的梯形脉冲时,或能产生但容差又达不到要求。此时如何解决呢?我们可以利用冲击谱将这两种冲击脉冲转换成半正弦冲击脉冲来进行试验。其方法有下列两种:
18.9.1 峰值等效
对单自由度系统,对结构和动态特性比较简单的样品,例如,电子元器件,可通过峰值等效的方法将后峰锯齿、梯形两种脉冲转换成半正弦脉冲来进行试验。举例如下:
例1:有一固有频率fn=100Hz的样品,原需用100g、11ms的梯形脉冲进行试验,由于电动台的速度变化量达不到,要将其转换成6ms的半正弦脉冲来进行试验,此时的峰值加速度应为多少?
解:首先求出fn·D的乖积:
fn·D=100Hz×0.011=1.1
再从梯形脉冲的冲击谱曲线(图18-13)上查fn· D = 1.1处的无量纲响应,其数值为1.95,可见产品用梯形脉冲进行试验时,其响应加速度为100g×1.95=195g。
然后再从半正弦脉冲的冲击谱曲线(图18-16)上查fn·D=0.6处的无量纲响应,其数值为1.65.可见为了得到195g的响应加速度,半正弦脉冲的激励峰值应为:
A=1.95/1.65×100≈118g
从上面的计算可见,100g、11ms的梯形脉冲转换成6ms半正弦脉冲来进行试验时,其半正弦脉冲的峰值加速度应为118g.
例2:有一固有频率为50Hz的样品,原需要用100g、11ms的后峰锯齿脉冲来进行试验,由于试验室没有能产生后峰锯齿脉冲的设备,要将其转换6ms的半正弦脉冲来进行试验,此时的峰值加速度应为多少?
解答:首先求出fn·D的乘积:
fn·D=50Hz×0.011=0.55
再从后峰锯齿脉冲击谱曲线(图18-16)上查fn· D=0.55的无量纲响应,其数值为1.20,可见产品用后峰锯齿脉冲进行试验时,其响应加速度为120g。
再从半正弦脉冲的冲击谱曲线(图18-6)上查 fn·D=0.55处的无量纲响应,其数值为1.62.可见为了得到120g的响应加速度,半正弦脉冲的激励峰值应为:
A=1.2/1.62×100g=74g
从上面的计算可见,100g、11ms的后峰锯齿脉冲转换成6ms的半正弦脉冲时,其半正弦脉冲峰值加速度仅为74g.
例3:有一个固有频率为100Hz的样品,原需要用200g、3ms的梯形脉冲来进行试验,现要转换成200g的半正弦脉冲来进行试验,此时的脉冲持续时间应为多少?
可见产品用梯形脉冲做试验时,其响应加速度为200g×1.13=226 g
然后再从半正弦脉冲的冲击响应谱曲线(图18-16)上查无量纲响应为1.13处的fn·D的乘积,其数值为0.32。
计算: fn·D=0.32;
100Hz·D=0.32;
D=3.2ms。
从上面的计算可见:200g、3ms的梯形脉冲转换成200g的半正弦脉冲时,其脉冲持续时间应为3.2ms.
18.9.2 用包络整个冲击谱的方法等效
对结构的动态特性复杂的产品,对多自由度系统,可采用包络整个冲击谱的方法来等效。
(1)用半正弦脉冲的冲击谱来包络后峰锯齿脉冲的冲击谱,从而达到将后峰锯齿脉冲转换成半正弦脉冲进行试验的目的。
对后峰锯齿脉冲,从图18-13的冲击谱曲线可见,其最大无量纲响应amax/A=1.32,对应的无量纲频率fn·D=0.7。
对半正弦脉冲,从图18-13的冲击谱曲线可见,其最大无量纲响应amax/A=1.78,对就的无量纲频率fn·D=0.8。
现举例说明如何用包络整个冲击谱的方法等效,从而达到将后峰锯齿脉冲转换半正弦脉冲进行试验的目的。
例1:15g、11ms的后峰锯齿脉冲要求转换成半正弦脉冲来进行试验,此时半正弦脉冲的峰值加速度和脉冲持续时间应为多少?
解答:∵后峰锯齿脉冲的最大无量纲频率fn·D=0.7;
∴在11ms时能产生最大响应的样品的固有频率;
fn = 0.7/ D =0.7/0.011 = 63.7Hz;
又∵后峰锯齿脉冲的最大无量纲响应为1.32;
∴样品的最大响应加速度为15g×1.32= 19.8g。
下面用冲击谱包络法将后峰锯齿脉冲转换成半正弦脉冲。首先使两种脉冲对产品的最大响应加速度相等。
∵半正弦脉冲的最大无量纲响应为1.78;
∴用半正弦脉冲试验时所需的激励峰值加速度为:
amax/A=1.78,19.8/ A = 1.78 ,A = 11.12g;
又∵半正弦脉冲的最大无量纲频率fn·D=0.8;
∴用半正弦脉冲试验时的脉冲持续时间为:
fn·D=0.8, 63.7·D = 0.8 D=12.5ms。
当半正弦冲击脉冲和后峰锯齿冲击脉冲的最大响应相同时,由于半正弦脉冲的冲击响应谱的高频部分不能完全包络后峰锯齿脉冲相应冲击响应谱的高频部分,为提高产品抗冲击的安全系统,需将半正弦冲击脉冲的峰值加速度提高14%。即11.12g×1.14 = 12.68g。此时半正弦冲击脉冲的冲击响应谱就完全能包络后峰锯齿冲击脉冲的冲击响应谱了,如图18-22所示。可见,采用包络整个冲击响应谱的方法来等效时,15g、11ms的后峰锯齿冲击脉冲需用12.68g、12.5ms的半正弦冲击脉冲来进行试验


详细附件:《振动冲击试验方法与技术》王树荣 著(部分)

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