一种星上火工品爆炸冲击谱的等效方法与流程

本发明涉及一种星上火工品爆炸冲击谱的等效方法，适用于地面冲击台真实模拟星上火工品爆炸冲击环境，考核评估冲击环境对星上产品的影响。
背景技术：
：星箭包带、星上太阳翼、天线和伸杆等机构类产品为了实现特定的功能，需要采用火攻品装置解锁，利用装药燃烧爆炸产生的载荷来实现其功能，但是航天器火工品装置爆炸时会产生高量级、宽频带、短时间的复杂振荡性爆炸冲击载荷，在结构中通常以高频应力波的形式传播，会造成航天器电子产品内微型电子芯片、元器件焊点、晶振、电磁继电器等破坏，进而影响产品在轨性能。由于火工品爆炸冲击环境作用下的产品应力和变形尚缺乏精确有效的工程分析手段，在产品的设计中，对于爆炸分离冲击环境作用下的适应性问题仅能定性地考虑。目前，星上火工品爆炸冲击试验中冲击响应较大的电子设备，需要进行冲击环境的考核和评估，但是使用火工装置模拟爆炸冲击环境十分昂贵，根据标准MIL-HDBK-340A、NASA-STD-7003与GJB1027A，对产品进行鉴定试验，试验方法一般采用经典的冲击响应谱方法。但是火工品附近冲击较大的产品，冲击谱表现为低频量级较低，某些高频频率峰值较高，地面上的摆锤、电动振动台和气泡冲击台难以模拟该频谱的冲击响应。如按照实际测量的峰值进行冲击试验，由于试验设备的限制，难以达到，也会造成冲击过试验，对冲击敏感的器件造成危害，所以研究火工品爆炸冲击响应与一般试验规范冲击谱等效关系具有重要意义。技术实现要素：本发明解决的技术问题为：针对星上火工品爆炸产生的某些频率较大量级的冲击谱，可利用本文提出的冲击等效量级方法，等价为较低量级的试验规范条件，在地面冲击台可真实模拟星上工品爆炸解锁的环境。本发明解决的技术方案为：一种星上火工品爆炸冲击谱等效的方法，步骤如下：(1)卫星火工品爆炸冲击中，测量得到星上设备受到火工品爆炸冲击的时域加速度(2)根据步骤(1)获得的星上设备受到爆炸冲击的时域加速度根据冲击响应谱的定义，单自由度系统在基座冲击加速度激励下的运动方程，如下式中，δ(t)为单自由度系统受火工品冲击加速度激励相对基座的位移；为爆炸冲击的时域加速度，作为基座输入的激励加速度，ωn为单自由度系统的固有圆周率；(3)在初始条件δ(0)＝0，下，单自由度系统相对基座的位移δ(t)为：式中,ωn为单自由度系统的固有圆周率，τ为时间，0～t，为τ时刻的星上设备受到火工品爆炸冲击的时域加速度；星上火工品爆炸冲击测量得到的时域加速度是离散的，用表示离散后的第i个时域加速度代入公式(2)，0≤i≤t，可得到不同频率单自由度系统受火工品爆炸冲击加速度激励相对基座的位移响应，即δi，根据δi，计算不同频率的单自由度系统加速度公式如下：：根据不同频率的单自由度系统加速度计算星上设备受火工品冲击绝对加速度响应为(4)把式(4)变换如下：(5)在设定的频率范围内，对步骤(4)所得星上设备的不同频点受火工品爆炸冲击相对火工品的位移δi求和，得到星上设备的冲击累计位移Df，公式如下：(6)将星上设备在地面进行冲击试验时，即用摆锤冲击星上设备，星上设备受到摆锤冲击的冲击响应谱是用代替公式(5)中的计算公式(6)，星上设备受摆锤冲击累计位移的累计位移Df通用：式中，δi通用为星上设备的不同频点受摆锤冲击相对摆锤的位移；(7)根据步骤(5)的Df和步骤(6)的Df通用，确定星上设备的冲击响应谱与地面通用冲击响应谱条件的累计位移比值σ。(8)利用步骤(7)获得的比值σ与步骤(6)星上设备地面受冲击摆锤的冲击响应谱求得星上设备受火工品冲击等效的冲击响应谱本发明与现有技术相比的优点在于：(1)针对火工品爆炸冲击较大的产品，按照频率峰值冲击谱条件进行试验会造成冲击过试验，损伤产品，本发明可以将高量级的冲击等效成低量级的冲击试验，且可以在地面冲击台进行试验，试验手段简单、成熟，比火工品装置模拟爆炸冲击环境更加廉价，并已经在工业领域广泛应用。附图说明图1为本发明一种星上火工品爆炸冲击谱的等效方法流程图；图2为本发明获得的星上火工品爆炸冲击时域加速度曲线；图3为本发明计算得到的星上火工品爆炸星上设备冲击响应谱曲线；图4为本发明计算得到的星上设备近似地面冲击试验的通用冲击谱曲线；图5为本发明计算得到的冲击响应谱不同频率转化振动位移曲线。具体实施方式本发明的基本思路为：提出一种星上火工品爆炸冲击谱的等效方法如下：(1)获取星上设备火工品爆炸冲击时域加速度谱值，转换成冲击响应谱；(2)利用冲击响应谱求得获得不同频率点的振动位移，如图5所示；(3)对每一频率点的振动位移累计求和；(4)根据卫星通用地面冲击试验对星上施加的冲击加速谱值，按照步骤(2)和(3)，获得地面通用冲击响应谱的位移累计和；(5)根据步骤(3)和(4)确定星上设备的冲击响应谱与地面通用冲击响应谱条件的位移比值。(6)利用获得的比值与星上设备地面冲击试验的通用冲击响应谱，求得星上设备火工品爆炸冲击等效的冲击响应谱。下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。在卫星火工品爆炸冲击中，测量得到星上设备受到火工品爆炸冲击的时域加速度如图1所示。将获得的时域加速度施加到单自由度系统基座上，单自由度系统在基座冲击加速度激励下的运动方程，如下式中，δ(t)为单自由度系统受火工品冲击加速度激励相对基座的位移；为基座输入的激励加速度，ωn为单自由度系统的固有圆周率；在初始条件δ(0)＝0，下，单自由度系统对基座输入激励的相对位移δ(t)为：式中,ωn为单自由度系统的固有圆周率，τ为时间，0～t，为τ时刻的星上设备受到火工品爆炸冲击的时域加速度；星上火工品爆炸冲击测量得到的时域加速度是离散的，用表示离散后的第i个时域加速度，0≤i≤t，代入公式(2)，得到不同频率单自由度系统受火工品爆炸冲击加速度激励相对基座的位移响应，即δi，根据δi，计算不同频率的单自由度系统加速度公式如下：根据不同频率的单自由度系统加速度计算星上设备受火工品冲击绝对加速度响应为将卫星火工品爆炸中测量得到的星上设备冲击时域加速度进行冲击响应谱(SRS)转换，如公式(4)，得到星上设备受到火工品冲击在频域范围内冲击响应谱，如图2所示，图中可以看处，在星上火工品爆炸冲击中，测量星上6个设备受到冲击响应的冲击响应谱曲线，仅在某个频率点冲击响应较大。把式(4)变换如下：根据已经获得了多个星上设备的冲击响应谱值，按照公式(5)将冲击响应谱每一频率点的加速度转化成振动位移，得到的曲线如下图4所示，图中曲线的值相当于每个频率点处的位移大小，与应变正相关联。可以得出2500Hz以后，火工品爆炸冲击对星上设备产生的位移或者应变较小，设备的结构应力较小，说明高频冲击加速度对设备结构影响较小。经过上述处理后，利用公式(6)对图4中所得的位移进行频域累计，得到星上火工品冲击响应累积位移Df，6个星上设备冲击累计位移值如表1所示。同时，卫星星上设备地面受摆锤冲击的试验通用冲击响应谱是即400g(100～4000Hz)，根据公式(5)和(6)，计算得到冲击响应谱的累计位移Df通用，如表1所示：表1等效冲击条件根据上述求得的Df和Df通用，确定星上设备的冲击响应谱与地面通用冲击响应谱条件的累计位移比值σ。利用获得的比值σ与星上设备地面受摆锤冲击的试验通用冲击响应谱如公式8所示，求得星上设备等效的冲击响应谱计算结果见表1第四行所示，看出等效冲击量级条件比星上设备受到火工品爆炸的冲击谱最大值降低很多，如星上设备E在6703Hz的量级为4493g，经过等效计算后其等效冲击条件为1190g。为了验证结果正确性，采用弹性力学中应力与应变正相关的理论，在星上设备安装根部粘贴应变片，测量星上火工品爆炸冲击时设备结构应变。将图2中设备A冲击响应谱曲线放大，如图3所示，可以看出，设备A受到的火工品冲击响应曲线与设备地面受摆锤冲击的试验通用冲击响应谱型相近，可以认为相当于480g的通用冲击谱条件。弹性力学中，应变与应力是正相关的，即火工品爆炸冲击测量的设备根部变形与冲击力是正相关的，与测量的冲击加速度值是正相关的，根据火工品爆炸冲击测量其他5个设备安装根部应变值与设备A的应变比例，可以计算出其他设备等效冲击加速度值，并与本发明冲击等效法计算值比较，见下表2所示。可见本发明计算冲击等效法与基于应变等效冲击法比较吻合，证明提出的冲击等效方法是正确合理的，可用于工程应用。表2等效冲击条件计算与测量比较星上设备设备A设备B设备C设备D设备E设备F应变比例11.24231.70891.30231.89382.1055基于应变等效法(g)4886068346349271030冲击等效法(g)425665110065011901245本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。当前第1页1 2 3