一种双波冲击试验装置及双波冲击试验方法与流程

1.本发明涉及抗冲击能力检测装置及检测方法技术领域，具体涉及一种双波冲击试验 装置及双波冲击试验方法。


背景技术：

2.随着武器杀伤力的提升，舰船在其服役期面临的水下爆炸冲击环境越来越严酷，提 高舰船及其设备的抗冲击能力已成为舰船建造的必备要求。水下爆炸冲击环境非常复杂， 除了冲击入射波，还有随后到达的空泡脉动、水锤等。其中，空泡脉动频率与船体的一 阶弯曲频率非常接近，容易引起船体共振，从而造成舰船设备损坏。
3.为了精确模拟水下爆炸冲击环境，各海军强国相继发展出双波冲击试验方法以取代 传统的单脉冲冲击试验方法，并据此制定了相应的试验标准，典型的如bv043/85等。 如图1所示，双波冲击试验方法要求冲击输入形式为冲击谱和正负双脉冲波，图中(a) 为典型的冲击输入谱；(b)为组合三角波形式的等效时域双波；(c)为组合半正弦波形式 的等效时域双波；图1中，d0、v0、a0分别为冲击谱的谱位移、谱速度、谱加速度；f1和f2分别为冲击谱中谱速度的起始和终止频率，其中f1＝v0/(2πd0)、f2＝a0/(2πv0)；a2、 a4分别为正波和负波的峰值加速度；v1和v2分别为正波和负波的面积(亦即正波和负波 的速度变化量)，要求v1＝v2；图1(b)中，t2、t3、t4和t5分别对应正三角波和负三角波 的峰值点和脉宽位置；图1(c)中，t1和t2分别为正半正弦波和负半正弦波的脉宽。如图 1(a)所示，如果实测时域双波的冲击谱曲线与规定的标准冲击谱相比，满足一定的误差 要求(在容差带范围内)，即可认定本次试验满足指标要求。
4.目前，现有技术中可以有效实现图1所示双波冲击试验要求的设备往往会存在缺陷， 例如产生的波形存在正负波干涉和较大的残余波振荡，很难达到现有技术中的指标要求。


技术实现要素：

5.因此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中可以有效实现图1所示双波冲击 试验要求的设备往往会存在缺陷，例如产生的波形存在正负波干涉和较大的残余波振荡 等，很难达到现有技术中的指标要求。
6.为此，本发明提供一种双波冲击试验装置，包括：
7.基架；
8.撞击发生装置，所述撞击发生装置的安装端安装在所述基架上；
9.测试台，所述测试台具有受所述撞击发生装置的驱动端撞击而产生运动，所述测试 台上适于固定安装待测试件；
10.正波发生器，所述正波发生器安装在所述测试台的靠近所述撞击发生装置的一侧， 所述正波发生器被配置为受所述撞击发生装置撞击产生弹性变形；
11.负波发生器，安装在所述基架上，设置在相对所述测试台远离所述撞击发生装置
的 一侧，所述负波发生器被配置为受所述测试台撞击而发生塑性变形；
12.检测件，设置在所述测试台上，被配置为检测所述测试台的加速度。
13.可选地，双波冲击试验装置还包括控制系统，所述控制系统与所述检测件和所述撞 击发生装置通信连接。
14.可选地，在沿所述撞击发生装置向所述测试台方向的延伸方向，所述负波发生器的 截面尺寸逐渐变大。
15.可选地，所述负波发生器为锥形结构或者棱台形结构或抛物面形结构。
16.可选地，在所述撞击发生装置撞击所述测试台前，所述测试台与所述负波发生器之 间设有预留间距。
17.可选地，所述撞击发生装置包括相互连接的速度发生器和冲击锤，所述控制系统与 所述速度发生器通信连接，所述控制系统控制所述速度发生器驱动所述冲击锤向所述测 试台方向撞击。
18.一种双波冲击试验方法，该方法包括如下步骤：
19.设备安装：将撞击发生装置、正波发生器、检测件、测试台以及负波发生器进行安 装，将待测试件固定在测试台上；
20.正波发生：撞击发生装置对测试台上的正波发生器进行撞击后正波发生器产生弹性 变形以产生正波，同时检测件检测所述测试台的加速度；
21.负波发生：测试台朝向负波发生器方向运动并对负波发生器撞击后负波发生器产生 塑性变形以产生负波，同时所述检测件检测所述测试台的加速度。
22.可选地，在所述正波发生步骤中，控制系统控制所述撞击发生装置的速度发生器将 所述撞击发生装置的冲击锤加速到预设速度；且所述控制系统接收所述检测件检测的加 速度并形成正波曲线；
23.在所述负波发生步骤中，所述控制系统接收所述检测件检测的加速度并形成负波曲 线。
24.可选地，在所述正波发生步骤前，还包括如下步骤：
25.调整：改变负波发生器的类型和/或改变所述负波发生器的设置数量和/或调整负波 发生器与所述检测台之间的预留间距；
26.优选地，所述负波发生器为锥形，所述负波发生器的类型改变包括改变所述锥形的 锥角和高度。
27.可选地，双波冲击试验方法采用上述所述的双波冲击试验装置。
28.本发明提供的技术方案，具有如下优点：
29.1.本发明提供一种双波冲击试验装置，包括基架、撞击发生装置、测试台、正波发 生器、负波发生器和检测件，所述撞击发生装置的安装端安装在所述基架上，所述测试 台具有受所述撞击发生装置的驱动端撞击而产生运动，所述测试台上适于固定安装待测 试件，所述正波发生器安装在所述测试台的靠近所述撞击发生装置的一侧，所述正波发 生器被配置为受所述撞击发生装置撞击产生弹性变形，所述负波发生器安装在所述基架 上，设置在相对所述测试台远离所述撞击发生装置的一侧，所述负波发生器被配置为受 所述测试台撞击而发生塑性变形；所述检测件设置在所述测试台上，被配置为检测所述 测试台的加速度。
30.此结构的双波冲击试验装置，通过在基架上安装撞击发生装置，正波发生器安装在 测试台上，且正波发生器设置在靠近所述撞击发生装置的一侧，撞击发生装置能够撞击 在正波发生器上，继而产生正波；通过将负波发生器安装基架上，且设置在相对测试台 远离撞击发生装置的一侧，撞击发生装置和测试台碰撞结束后，二者分离，测试台保持 运动直到撞击到负波发生器，通过负波发生器的塑性变形将测试台减速到零，并实现负 波；通过检测件测量测试台的加速度-时间历程曲线作为试验产生的时域正负双波。本 发明利用负波发生器的塑性变形自动吸收测试台的动能，既能保证正波和负波速度变化 量相等，减少波形存在的正负波干涉，也能有效降低负波激励结束后的残余波振荡。
31.2.本发明提供一种双波冲击试验装置，在沿所述撞击发生装置向所述测试台方向的 延伸方向，所述负波发生器的截面尺寸逐渐变大。即负波发生器为锥形结构或者棱台形 结构或抛物面形结构。
32.此结构的双波冲击试验装置，通过将负波发生器设置为沿撞击发生装置向测试台方 向的延伸方向，负波发生器的截面尺寸逐渐变大，使得测试台在撞击负波发生器的过程 中速度逐渐减小，负波发生器的作用面积逐渐增大，而测试台速度最大时恰恰撞击的是 负波发生器的最小作用截面，因此较少激起测试台的高频振荡，大大降低了开展模拟水 下爆炸冲击环境的双波冲击试验的实施难度。
33.3.本发明提供一种双波冲击试验装置，在所述撞击发生装置撞击所述测试台前，所 述测试台与所述负波发生器之间设有预留间距。
34.此结构的双波冲击试验装置，通过在测试台与所述负波发生器之间设有预留间距， 能够使得撞击发生装置与测试台脱离接触后，测试台才与负波发生器接触，保证产生的 正负双波之间的衔接顺畅。
35.4.本发明提供一种双波冲击试验装置，所述撞击发生装置包括相互连接的速度发生 器和冲击锤，所述控制系统与所述速度发生器通信连接，所述控制系统控制所述速度发 生器驱动所述冲击锤向所述测试台方向撞击。
36.此结构的双波冲击试验装置，通过将控制系统与速度发生器通信连接，能够控制速 度发生器为冲击锤提供不同的初速度。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实 施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的 附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的 前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
38.图1为现有技术中冲击谱及其等效时域正负双波的波形合成示意图；
39.图2为本发明实施例中提供的双波冲击试验装置的结构示意图；
40.图3为本发明实施例中提供的双波冲击试验装置中负波发生器的结构示意图；
41.图4为本发明实验例1中提供的双波冲击试验装置产生的冲击谱及其等效时域正负 双波的波形合成示意图；
42.图5为本发明实验例2中提供的双波冲击试验装置产生的冲击谱及其等效时域正负 双波的波形合成示意图；
43.图6为本发明实验例3中提供的双波冲击试验装置产生的冲击谱及其等效时域正负 双波的波形合成示意图；
44.附图标记说明：
45.1-基架；
46.2-撞击发生装置；21-速度发生器；22-冲击锤；
47.3-测试台；
48.4-待测试件；
49.5-正波发生器；
50.6-负波发生器；
51.7-检测件。
具体实施方式
52.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施 例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通 技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的 范围。
53.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、
ꢀ“
竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位 或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元 件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。 此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示 相对重要性。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之 间未构成冲突就可以相互结合。
54.实施例1
55.本实施例提供一种双波冲击试验装置，如图2至图6所示，包括基架1、撞击发生 装置2、测试台3、正波发生器5、负波发生器6、检测件7和控制系统。
56.如图2所示，撞击发生装置2包括相互连接的速度发生器21和冲击锤22，速度发 生器21安装在基架1上，控制系统与速度发生器21通信连接，使得控制系统能够控制 速度发生器21驱动为冲击锤22提供不同的初速度，使冲击锤22向测试台3方向撞击。 其中，控制系统可采用现有技术中的计算机软件控制，速度发生器21的驱动方式可以 是气压驱动式、液压驱动式、气液混合驱动式或摆锤式等，通过控制系统控制其初始气 压值、初始液压值和摆锤初始跌落高度等参数实现不同初始冲击速度的调节。
57.仍参见图2，测试台3设置在撞击发生装置2的冲击锤22一侧，正波发生器5安装 在测试台3的靠近撞击发生装置2的一侧，使得通过控制系统控制速度发生器21将冲 击锤22加速到一定的初速度撞击固定在测试台3上的正波发生器5以产生正波。同时 测试台3向靠近负波发生器6方向移动，正波发生器5可以采用橡胶垫或者其他聚氨酯 等弹性材料软垫。
58.其中，正波发生器5的动力学模型为：
59.[0060][0061]
式中：m为冲击负载质量；
[0062]
k和β分别为正波发生器5的线性刚度和非线性刚度；
[0063]
b3、b4、b5为正波发生器5的阻尼系数基本参数；
[0064]
x为正波发生器5的变形位移；ks为正波发生器5的静刚度；
[0065]
φ、h分别为正波发生器5的直径和厚度；
[0066]
ω、g分别为正波发生器5的压缩弹性模量和剪切弹性模量；
[0067]
υ为正波发生器5材料的泊松比，一般在0.45～0.4999之间；
[0068]
hs为正波发生器5的邵式硬度；
[0069]
为系数bi的基本性能指标，通过预试验估算到一定量级即可；
[0070]
为无量纲修正系数，与负载初始冲击速度有关，可通过试验标定得到。
[0071]
式为非线性动力学方程，借助数值方法(如龙格库塔方法等)求解可以精确计算出正波发生器5的加速度时域波形。
[0072]
如图2和图3所示，负波发生器6安装在基架1上，且设置在相对测试台3远离撞击发生装置2的一侧，冲击锤22和测试台3碰撞结束后，二者分离，测试台3保持运动直到撞击到负波发生器6，通过负波发生器6的塑性变形将测试台3减速到零，并实现负波。其中，在沿撞击发生装置2向测试台3方向的延伸方向，负波发生器6的截面尺寸逐渐变大。例如，负波发生器6为锥形结构或者棱台形结构或抛物面形结构或者其他类似结构，使得测试台3在撞击负波发生器6的过程中速度逐渐减小，负波发生器6的作用面积逐渐增大，而测试台3速度最大时恰恰撞击的是负波发生器6的最小作用截面，因此较少激起测试台3的高频振荡，大大降低了开展模拟水下爆炸冲击环境的双波冲击试验的实施难度。其中，负波发生器6优选为铅锥，铅锥结构简单，成本较低，在塑性变形后还可以熔化重铸，重复利用。
[0073]
仍参见图2，将检测件7安装在测试台3上，通过检测件7测量测试台3的加速度-时间历程曲线作为试验产生的时域正负双波，控制系统和检测件7信号连接，以便在控制系统中记录该时域正负双波，同时计算出该时域正负双波对应的冲击谱并在计算机中显示。检测计可以为加速度计或者其他能够测得加速度的装置。
[0074]
其中，时域正负双波转化为冲击谱的计算方法采用iso/wd18431-4(mechanicalvibrationandshocksignalprocessingpart4-shockresponsespectrumanalysis)中推荐的数字滤波迭代格式，
[0075][0076]
式中：rn为计算得到的系统伪速度响应序列；
[0077]
vn为时域正负双波序列；
[0078]
ωn为系统固有频率；
[0079]
t为采样周期；
[0080]
q为系统品质因子。
[0081]
仍参见图2，在撞击发生装置2撞击测试台3前，测试台3与负波发生器6之间设 有预留间距，能够使得撞击发生装置2与测试台3脱离接触后，测试台3才与负波发生 器6接触，保证产生的正负双波之间的衔接顺畅。
[0082]
此实施方式的双波冲击试验装置，需要进行试验时，首先通过控制系统能够控制速 度发生器21驱动为冲击锤22提供初速度，使冲击锤22向测试台3方向撞击，冲击锤 22撞击固定在测试台3上的正波发生器5以产生正波，冲击锤22和测试台3碰撞结束 后，二者分离，测试台3保持运动直到撞击到负波发生器6，通过负波发生器6的塑性 变形将测试台3减速到零，并实现负波，随后通过检测件7测量测试台3的加速度-时 间历程曲线作为试验产生的时域正负双波，同时计算出该时域正负双波对应的冲击谱并 在计算机中显示。
[0083]
实施例2
[0084]
本实施例提供一种双波冲击试验方法，该方法包括如下步骤：
[0085]
设备安装：将撞击发生装置2、正波发生器5、检测件7、测试台3以及负波发生器 6进行安装，将待测试件4固定在测试台3上；
[0086]
正波发生：撞击发生装置2对测试台3上的正波发生器5进行撞击后正波发生器5 产生弹性变形以产生正波，同时检测件7检测测试台3的加速度；
[0087]
负波发生：测试台3朝向负波发生器6方向运动并对负波发生器6撞击后负波发生 器6产生塑性变形以产生负波，同时检测件7检测测试台3的加速度。
g、23.70ms；图5(a)中正负波所围面积分别为2.376m/s和2.619m/s，相对误差低 于10％；
[0118]
图5(b)中冲击谱的参数依据bv043/85标准设定，其中，d0＝0.04m、v0＝4.0m/s、 a0＝900m/s2，容差带为
±
3db。由图5(b)可见，本发明提出的方法产生的时域双波的冲 击谱可以满足
±
3db的容差要求。
[0119]
图6为实施例5的试验结果。图中(a)为时域正负双波；(b)为时域正负双波对应的 冲击谱。
[0120]
图6(a)中正波峰值和脉宽分别为97.4g、8.02ms，负波峰值和脉宽分别为-46.66 g、18.72ms；图6(a)中正负波所围面积分别为2.964m/s和3.124m/s，相对误差在 5％左右；
[0121]
图6(b)中冲击谱的参数依据bv043/85标准设定，其中，d0＝0.04m、v0＝5.0m/s、 a0＝1200m/s2，容差带为
±
3db。由图6(b)可见，本发明提出的方法产生的时域双波的冲 击谱可以满足
±
3db的容差要求。
[0122]
表1总结了各实施例所得时域正负双波对应的冲击谱的测试结果，可以看出，实施 例3至实施例5中所得的时域双波的冲击谱曲线满足bv043/85标准规定的
±
3db的容 差要求，因此本发明方法可以用于有效实现模拟水下爆炸冲击环境的双波冲击试验，并 达到国际标准bv043/85的要求。
[0123]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性 的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨 的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。这里无需 也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本 发明创造的保护范围之中。