基于弹性应力波加载的冲击响应谱试验装置及试验方法与流程

本发明属于环境试验技术领域，涉及一种冲击响应谱试验的新型设备，具体为一种采用弹性应力波加载的冲击响应谱试验装置及试验方法。

背景技术：

精密仪器上有多种火工装置，这些火工品能产生高频响、高量级的爆炸冲击环境。恶劣的爆炸冲击环境严重威胁着敏感器件的安全，可能造成不可修复的损害，是危害精密仪器安全使用的主要因素之一。有效地模拟爆炸冲击环境，对精密仪器以及敏感的器件进行地面试验考核是设备投入使用前必不可少的阶段。由于爆炸冲击环境的不确定性和冲击波形的随机性，当前的试验设备难以模拟爆炸冲击时域波形。冲击响应谱能够规范地表示不同量级的冲击环境，成为描述爆炸冲击的主要指标之一，其谱线具有简明、统一、直观等优点。因此，冲击响应谱试验逐渐成为模拟爆炸冲击环境的主要方式。

冲击响应谱定义为一系列固有频率不同的单自由度系统在爆炸冲击时域波形激励下，其最大响应加速度随频率变化的谱线。冲击谱主要可以作为复杂的振荡冲击波形的等效指标，当前使用较广泛的爆炸冲击试验方法之一。

目前，进行冲击响应谱试验的激励方式主要有火工品爆炸、电动振动台、机械撞击及激光激励，以上试验方式存在以下几点缺陷：

1)火工品爆炸方式是通过火药直接模拟真实的爆炸冲击环境，能够较好地复现冲击爆炸冲击环境，但由于该方法成本较高，而且火工产品爆炸存在一定的危险性，爆炸波形难以控制，重复性低，因此这种试验方式受到了很大限制。

2)电动振动台方式是通过输入时域控制波形信号驱使台面按照指定波形振动，形成冲击响应谱，这种方式虽然原理简单，但电动振动台的振动频率与幅值的具有较大的局限性，因此该设备只能模拟低幅值、窄频带的爆炸冲击环境。

3)机械撞击方式通过一质量块高速撞击谐振装置，使谐振装置产生瞬态响应信号，得出冲击谱。典型的冲击响应谱设备为摆锤式冲击响应谱试验机、气动式冲击响应谱试验机。其谐振装置为纵向安装的谐振板，谐振板在纵向有较高的固有频率，因此产生的冲击响应信号具有较高的幅值和较宽的频率范围，但该类设备的谐振板激励载荷形状难以控制，且激励幅值有限。产生的瞬态响应信号用于中远场爆炸信号的模拟。

4)激光激励方式是通过高能激光脉冲在谐振设备表面产生瞬时热应力区，从而形成高频弹性应力波，模拟爆炸冲击环境。该方式的缺陷为激光激励能量有限，形成的冲击波形幅值较低，当前仅为研发状态，不能投入试验。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：针对现有冲击响应谱试验方式的不足，本发明提出一种基于弹性应力波加载的冲击响应谱试验机和方法，进行爆炸冲击环境模拟。通过气缸压缩空气和释放撞击杆，撞击入射杆的一端，在入射杆中产生一个弹性应力波并传递到另一端，激励冲击响应谱试验机的谐振板产生瞬态冲击响应信号，模拟爆炸冲击响应谱。

本发明的技术方案是：一种基于弹性应力波加载的冲击响应谱试验装置，其特征在于，包括弹性应力波加载装置和谐振响应装置；

所述弹性应力波加载装置包括支架、气缸、撞击杆、套筒、波形整形器、应变片、导轨和入射杆；导轨位于支架上，撞击杆、套筒和入射杆均位于导轨上且三者轴线重合；波形整形器位于入射杆靠近撞击杆的一端，应变片位于入射杆上，用于采集应力波形状；气缸位于撞击杆远离入射杆的一端且与该端连接；初始状态时，撞击杆和波形整形器不接触；

所述谐振响应装置包括支撑座、质量配重块、谐振板和加速度传感器；谐振板位于支撑座上，质量配重块和加速度传感器均位于谐振板上；

气缸释放撞击杆使得撞击杆撞击波形整形器，从而在入射杆中形成弹性应力波；入射杆撞击谐振板且将弹性应力波传至谐振板，谐振板产生爆炸冲击模拟信号；加速度传感器采集谐振板的冲击响应信号并能够转化为冲击响应谱。

本发明的进一步技术方案是：所述套筒内径大于撞击杆外径，且套筒固连在导轨上，撞击杆能够在套筒进行轴向运动。

本发明的进一步技术方案是：所述质量配重块用于改变谐振板自身固有频率。

本发明的进一步技术方案是：所述谐振板为水平安装或竖直安装。

本发明的进一步技术方案是：当谐振板位于和水平面相互垂直的平面时，入射杆轴线位于谐振板的几何中心。

本发明的进一步技术方案是：当谐振板和水平面相互平行时，入射杆撞击谐振板的侧面的几何中心处。

本发明的进一步技术方案是：一种弹性应力波加载的冲击响应谱的试验方法，包括以下步骤：

步骤一：将谐振响应装置安装在弹性应力波加载装置的入射杆后且接触即可；

步骤二：气缸充气到设定压力后，将撞击杆释放，使撞击杆与波形整形器直接撞击发生碰撞；

步骤三：撞击杆撞击入射杆，在入射杆中形成弹性应力波，入射杆上的应变片采集应力波形状，同时弹性应力波向入射杆的另一端传递；

步骤四：弹性应力波到达谐振板位置时，激励谐振板产生爆炸冲击模拟信号；

步骤五：加速度传感器采集谐振板的冲击响应信号，转化为冲击响应谱，达到环境模拟试验的目的。

发明效果

本发明的技术效果在于：

(1)谐振响应装置中的谐振板可通过安装质量配重块改变其自身的固有特性，从而产生不同频率成分的爆炸冲击模拟信号。

(2)弹性应力波作为激励载荷，通过调节气缸的气压和撞击杆长度，可使撞击杆与入射杆碰撞产生高幅值、窄脉宽的弹性应力波，最终激发谐振板产生响应幅值大、频率成分高的爆炸冲击模拟信号。

(3)选择合适的波形整形器可以实现不同的应力波形状。结合波形幅值和脉宽的调节方式，可以任意改变弹性应力波的形状，即谐振板激励信号的形状，通过入射杆上的应变片可以监测激励信号形状。

附图说明

图1：弹性应力波加载装置

图2：竖直安装的谐振响应装置

图3：水平安装的谐振响应装置

图4：弹性应力波装置及竖直安装谐振响应装置

图5：弹性应力波装置及水平安装谐振响应装置

图6：气缸冲击释放撞击杆

图7：撞击杆撞击波形整形器和入射杆

图8：弹性应力波激励竖直安装的谐振板

图9：冲击响应谱试验流程图

图10：为两种形状的波形整形器。图中：13为产生半正弦应力波的波形整形器，7为产生锯齿应力波的波形整形器。

图11：谐振板与质量配重块。

附图标记说明：图中，1-气缸、2-套筒、3-导轨、4-支架、5-撞击杆、6-入射杆、7-第一波形整形器、8-应变片、9-谐振板、10-支撑座、11-质量配重块、12-加速度传感器、13-第二波形整形器

具体实施方式

参见图1—图11，本方案所提出的冲击响应谱发生器涉及弹性应力波加载装置和谐振响应装置。弹性应力波加载装置由气缸、套筒、导轨、支架、撞击杆、入射杆、波形整形器及应变片组成。套筒为撞击杆发射轨道，导轨可控制入射杆运动轨迹，应变片用于监测弹性应力波形，波形整形器可调节弹性应力波形。气缸释放撞击杆撞击入射杆以产生弹性应力波。谐振响应装置主要由谐振板、支撑座及质量配重块构成。谐振板可竖直安装，利用支撑座将其四边固定，限制其平移运动，也可以水平安装，保证其激励方向具有一定的运动空间。配重块安装于谐振板上，谐振板安装于弹性应力波加载装置的入射杆后。应力波加载装置的气缸释放撞击杆，撞击杆从轨道射出撞击入射杆，形成弹性应力波，应力波传入谐振板，激励谐振板响应，形成爆炸冲击模拟信号。撞击杆的长度以及气缸气压的幅值可以调整应力波的脉宽与幅值，同时，入射杆与撞击杆之间安装一层由黄铜制造的波形整形器，可调节入射杆中产生的应力波形状，从而改变输入谐振板的激励信号。安装在入射杆上的应变片可以准确测量弹性应力波信号，即加载信号。具有一定质量的配重块可安装在谐振板的任意位置，能够调节谐振响应装置自身的固有特性，从而产生不同的爆炸冲击模拟信号。

模拟复杂冲击波形的试验设备为冲击响应谱试验机。现有的冲击响应谱试验机无法改变谐振响应设备自身的固有特性，而且谐振设备的激励波形也不可准确调整。这类设备只能形成谱线形状单一的冲击响应谱，适用范围较小。

本次发明的基于弹性应力波加载的冲击响应谱试验机，能够通过质量配重块调整谐振板固有特性，通过气缸气压、撞击杆长度以及波形整形器可以改变弹性应力波形状，即谐振板的激励波形，以此产生不同频域成分的冲击响应谱。

爆炸冲击信号主要通过谐振板9被激励后自身的响应而形成。谐振板上均匀分布了螺纹安装孔，质量配重块11通过螺栓，可任意安装在谐振板任意位置以调整谐振板自身固有特性。撞击杆5与波形整形器碰撞，根据应力波传播原理，在入射杆6中将形成一定形状的弹性应力波，应力波传递到谐振板9，激励谐振板产生爆炸冲击模拟信号，完成冲击响应谱试验。其中需要说明的是，7和13是两种不同的波形整形器，不是同时出现在设备中，是根据所需弹性波波形，选择需要的其中一个波形整形器进行使用。

本发明将弹性应力波加载装置与波形整形器结合，形成可准确调节的激励波形，避免了现有试验装置激励波形不易调节的缺陷。同时，由撞击杆与入射杆碰撞时，产生的弹性应力波幅值大、冲击持续时间短，可激励谐振装置的高频成分，进行响应幅值大于5000g，频率成分高于10khz的近、中场爆炸信号模拟。此外，由于配重块可随意安装在谐振板任意位置，谐振板的固有特性可调整。通过调整气缸气压以改变撞击杆速度，从而调整弹性波的幅值；调整撞击杆形状改变脉冲持续时间；调整波形发生器形状进而改变弹性波形状；改变配重块安装位置调整谐振响应板频率，最终可以产生的不同冲击响应谱线，方便进行各类指标的冲击响应谱试验。

弹性应力波加载装置的主要部件为气缸、撞击杆、入射杆、波形整形器和应变片。气缸用于调整撞击杆的发射速度，撞击杆、波形整形器及入射杆可产生满足需求的弹性应力波，应变片可监测应力波形状。谐振响应装置主要由谐振板、支撑座和质量配重块构成。谐振响应板有两种安装方式，一是竖直安装，由支撑座四边固支以限制其平移运动，二是水平安装，确保其水平方向的运动空间。质量配重块的主要作用是调整谐振板的固有特性，使谐振板能模拟频率成分不同的爆炸冲击信号。弹性应力波加载装置中的入射杆用于激励谐振板，使其产生瞬态响应信号。

撞击杆与入射杆之间将粘贴一层由黄铜制成的波形整形器，可调整入射杆中弹性应力波的形状。

撞击杆主要有两个功能：一、高速撞击入射杆，使其产生高幅值、小脉宽的激励波形；二、调整撞击杆的长度可以改变激励波形的脉宽，从而改进激励信号的频率成分。

谐振响应装置中，质量配重块可以安装于谐振板的任意位置以调整谐振板的固有特性，得到不同形状的冲击谱，避免传统冲击响应谱试验机需频繁更换具有不同固有特性的谐振响应装置。

将谐振响应装置安装于应力波加载装置的入射杆后，通过加载装置的入射杆作为激励源，利用撞击杆与入射杆撞击产生的高幅值、窄脉宽且形状可调的弹性应力波作为谐振板的激励信号，在谐振板上产生需要的瞬态响应信号。

撞击杆安装初始位置在套筒中最后端，气缸中的气体释放到套筒中，驱动撞击杆沿着套筒向前运动，直到以一定速度撞击波形整形器。

冲击谱试验机模拟爆炸冲击信号试验方法主要包括以下步骤：

步骤1：根据试验加载方向的要求，可将谐振板竖直安装，通过螺栓将其固定于支撑座上。也可将谐振板水平安装，通过支撑座保证其水平方向的运动空间。同时，将质量配重块安装于谐振板固定位置；

步骤2：将弹性应力波加载装置中的撞击杆与入射杆复位，选择需要的波形整形器安装于入射杆的一端，该端面将于撞击杆发生碰撞；

步骤3：将入射杆的另一端对其谐振板激励面的几何中心，使气缸充气到指定气压，释放撞击杆；

步骤4：撞击杆将撞击入射杆端的波形整形器，经波形整形器处理后，预期的弹性应力波将在入射杆中产生，并向另一端传递，到达谐振板，从而激励谐振板，得到爆炸冲击模拟信号及冲击响应谱。

此处所描述的具体实施实例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定；此外，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

本发明设计了一种基于弹性应力波加载的冲击响应谱试验机，通过该试验机进行冲击谱试验，模拟爆炸冲击环境。本发明所涉及的谐振响应装置主要由谐振板9、支撑座10、质量配重块11构成。谐振板9可通过支撑座10进行竖直的四边固定和水平安装。谐振响应装置安装于弹性应力波加载装置的入射杆6后，当气缸1冲入一定量的气压，释放撞击杆5，撞击杆5将以一定速度撞击波形整形器7以及入射杆6。在撞击的一瞬间，弹性应力波将在入射杆6中产生，并以一定的波速向谐振板9传递。当弹性应力波到达谐振板9时，谐振板9将被激励，产生爆炸冲击模拟信号，形成冲击响应谱。谐振板9在质量配重块11的作用下将改变自身的固有特性，从而产生频率不同的爆炸冲击信号和相应的冲击响应谱。

如图1所示，弹性应力波加载装置的工作原理是利用气缸1释放撞击杆5，撞击杆5与入射杆6碰撞产生的弹性应力波，应力波通过应变片8记录冲击波形。本发明是将谐振板9安装于入射杆6后端，利用入射杆中的应力波对谐振板9进行加载。谐振板9可竖直安装或水平安装，谐振板水平安装时，板面与水平面平行，入射杆从谐振板侧面进行撞击激励，撞击位置为侧面的几何中心；谐振板竖直安装时，板面与水平面垂直，入射杆从谐振板正面进行撞击激励，撞击位置为正面的几何中心；

质量配重块11可安装在谐振板9上任意位置，以调节谐振板9的固有特性，而加速度传感器12则安装在谐振板9上，采集谐振板9的响应信号，如图2、3所示。谐振响应设备以弹性应力波加载装置为工作平台，其工作时安装于应力波加载装置的入射杆6后，如图4、5所示。气缸1充满一定气压，并释放撞击杆5，赋予撞击杆5一定初速度，如图6所示。瞬间释放的撞击杆5将与安装在入射杆6一端的波形整形器7碰撞，在入射杆6中产生一定形状的弹性应力波，如图7所示。弹性应力波将沿着入射杆6传递，当其到达入射杆6的另一端，即谐振板9的一端时，谐振板9将被激励，产生爆炸冲击响应信号，加速度传感器12采集信号，获得冲击响应谱，如图8所示。

如图9所示，整个系统的运作包括以下步骤：

步骤1：将谐振响应装置安装在弹性应力波加载装置的入射杆后，同时注意调整质量配重块的安装位置；

步骤2：气缸充气到设定压力后，将撞击杆释放，使撞击杆与波形整形器和入射杆发生碰撞；

步骤3：撞击杆撞击入射杆，在入射杆中形成弹性应力波，入射杆上的应变片采集应力波形状，同时弹性应力波向入射杆的另一端传递；

步骤4：弹性应力波到达谐振板位置时，激励谐振板产生爆炸冲击模拟信号；

步骤5：加速度传感器采集谐振板的冲击响应信号，转化为冲击响应谱，达到环境模拟试验的目的。