冲击环境下谱跌效应对应力响应的试验装置及测试方法

摘要

冲击环境下谱跌效应对应力响应的试验装置及测试方法，其特征在于：该试验装置包括一个或多个试验单元，该试验单元包括：下法兰、弹簧、上法兰、悬臂梁支撑盘、限位柱和悬臂梁试件；本发明的优点：所述试验装置可同时进行最多十二根悬臂梁的冲击试验，避免试验环境变化对结果的干扰。所述试验装置可进行更为复杂的多自由度系统谱跌效应对应力响应研究试验。所述试验装置可承受多种冲击波形的冲击试验。悬臂梁试件的固有频率可通过改变质量块质量进行调整变化，方便快捷。

说明书

技术领域

本发明涉及一种冲击环境下谱跌效应对应力响应的试验装置及测试方法，特别涉及一种可同时测量多组不同固有频率试件在相同的冲击环境下谱跌效应对应力响应的试验装置及测试方法。

背景技术

由于海军舰船在作战时不可避免地遭受鱼雷、水雷等水中武器的攻击，舰船设备是影响舰船抗冲击能力的薄弱环节，因此，世界许多海军大国均对舰船设备进行了大量的抗冲击试验。

美国的相关科研人员用叠加的悬臂梁模型模拟舰船设备的弹性安装来进行冲击试验，通过测量不同固有频率悬臂梁的应力响应，绘制出应力冲击响应谱，从而反映出舰船设备中不同固有频率零部件的冲击破坏情况，此种仿真试验方法得到的结果不仅具有代表性，而且还发现了“谱跌”效应，即：多自由度系统受到冲击时，上层设备的惯性力会显著影响下层设备的响应情况，使下层设备的冲击响应谱在上层设备一阶固有频率处出现显著的波谷，通过研究谱跌效应，可以改善舰船设备等的设计冲击谱，降低舰船设备的设计难度和研发成本，被美国等国家高度重视。具有代表性的有O’Hara等人在《Impedenceand Shock Spectra》和《The Shock Spectrum Dip Effect》论文中提到的基于悬臂梁的谱跌效应冲击试验模型和双层弹簧振子简化计算模型。

目前，此类试验装置模型存在如下缺点：(1)试验中每次冲击后需更换一次梁试件，既费时费力，又不能保证冲击试验环境的一致性。(2)试件结构只适合锤击法冲击试验，即冲击激励只能是脉冲激励，而水下非接触爆炸所产生的冲击波形是正负双波。(3)受试验装置所限，不适合直接测量试件的应力响应变化，缺少直观性。因此，需要一种可同时测量多组不同固有频率悬臂梁试件在相同冲击环境下最大应力响应的谱跌效应研究装置。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种冲击环境下谱跌效应对应力响应的试验装置及测试方法，其目的是改进现有谱跌效应冲击试验装置，使其能够承受多种冲击波形、可多自由度弹性安装并可同时进行多根悬臂梁在相同环境下的冲击试验及应力响应测试。

技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：

冲击环境下谱跌效应对应力响应的试验装置，其特征在于：该试验装置包括一个或多个试验单元，该试验单元包括：下法兰、弹簧、上法兰、悬臂梁支撑盘、限位柱和悬臂梁试件；下法兰连接限位柱底部，弹簧套在限位柱外围并下端固定到下法兰的四个凸缘上，上法兰穿过限位柱与弹簧的上端连接固定；悬臂梁支撑盘穿过限位柱并与上法兰连接固定；悬臂梁试件插接在悬臂梁支撑盘的侧壁四周。

悬臂梁试件包括：悬臂梁和质量块；所述质量块位于悬臂梁末端，质量块通过螺栓螺母配合与悬臂梁连接固定。

悬臂梁支撑盘上开有沉头螺纹孔和矩形孔，沉头螺纹孔的轴向与悬臂梁支撑盘的轴向相同，矩形孔开在悬臂梁支撑盘的侧面，矩形孔的长度方向与悬臂梁支撑盘的径向相同，悬臂梁插进矩形孔内，悬臂梁插进矩形孔内的部分设置有上垫片和下垫片，上垫片和下垫片分别设置在悬臂梁的上面和下面，六角螺钉穿过沉头螺纹孔并压住上压紧垫片，通过压紧垫片来锁紧所述悬臂梁试件。

悬臂梁的悬垂根部贴有应变片或装有应变式应力传感器。

限位柱连接固定到冲击试验机试验平台上，悬臂梁支撑盘装卡十二根悬臂梁试件。

悬臂梁支撑盘的质量至少是十二根悬臂梁试件质量总和的五倍；悬臂梁支撑盘的质量至少是上法兰质量的八倍；上法兰与下法兰的质量相等。

悬臂梁支撑盘的质量控制在50kg-100kg范围内。

所述的试验装置由一个或多个试验单元构成，将每个试验单元上下叠加安装构成多试验单元的试验装置。

利用上述的冲击环境下谱跌效应对应力响应的试验装置所实施的试验方法，其特征在于：该方法主要步骤为：

①，测量计算多组试验单元中单个试验单元的固有频率，之后将该试验单元固定安装在冲击试验机上，由冲击试验机对该试验装置加载所需的竖直方向冲击载荷，再通过悬臂梁试件(3)上的应变片或应变式应力传感器(20)监测到的冲击过程中悬臂梁试件(3)的最大应力响应，绘制出悬臂梁试件的频率-应力曲线；

②，将另一组单个的试验单元叠加安装在①中所述的单个实验单元上，组成的双层弹性安装试验装置，之后对该双层弹性安装试验装置进行与①相同的冲击试验，并绘制出悬臂梁试件(3)的频率-应力曲线，此曲线对比①中应力响应曲线的波峰处会出现明显的波谷，即谱跌效应；

③，重复②过程可获得多层弹性安装试验装置的悬臂梁试件(3)的谱跌效应对应的应力响应情况。

悬臂梁试件由末端开孔悬臂梁及质量块组成，质量块与悬臂梁通过螺栓螺母连接固定，对于不同的试验需求，可按照式(1)，保持悬臂梁的截面面积固定不变改变其长度，或保持悬臂梁形状参数不变改变其末端悬挂的质量块质量，选取最多十二根不同固有频率的悬臂梁试件进行冲击试验：

$>f_n\approx \frac{1}{2\pi }\sqrt{\frac{3EI}{(0.2427\rho AL+m)L^3}}---\left(1\right)$>

式中，f_n表示悬臂梁在冲击方向的一阶固有频率，E表示悬臂梁的弹性模量，I表示悬臂梁的截面惯性矩，A表示悬臂梁的截面面积，L表示悬臂梁的长度，m表示质量块质量。

本发明的优点：

(1)所述试验装置可同时进行最多十二根悬臂梁的冲击试验，避免试验环境变化对结果的干扰。

(2)所述试验装置可进行更为复杂的多自由度系统谱跌效应对应力响应研究试验。

(3)所述试验装置可承受多种冲击波形的冲击试验。

(4)悬臂梁试件的固有频率可通过改变质量块质量进行调整变化，方便快捷。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的上法兰及下法兰示意图。

图3为本发明的悬臂梁支撑盘的俯视图

图4为图3的A-A剖视图。

图5为本发明中悬臂梁试件装卡到悬臂梁支撑盘时的剖视图。

图6为图1中试验装置叠加安装组成的二自由度双层弹性安装试验装置的结构示意图。

图7为图1和图6所示的试验装置进行冲击试验得到的悬臂梁试件频率-应力双对数关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

冲击环境下谱跌效应对应力响应的试验装置，该试验装置包括一个或多个试验单元，该试验单元包括：下法兰11、弹簧10、上法兰9、悬臂梁支撑盘2、限位柱1和悬臂梁试件3；下法兰11连接限位柱1底部，弹簧10套在限位柱1外围并下端固定到下法兰11的四个凸缘上，弹簧10可以为四根。上法兰9穿过限位柱1与弹簧10的上端连接固定；悬臂梁支撑盘2穿过限位柱1并与上法兰9连接固定；悬臂梁支撑盘2可以通过螺栓7和螺母8与上法兰9连接固定；悬臂梁试件3插接在悬臂梁支撑盘2的侧壁四周。

悬臂梁试件3包括：悬臂梁21和质量块5；所述质量块5位于悬臂梁21末端，质量块5通过螺栓4螺母6配合与悬臂梁21连接固定。进行试验前可改变悬臂梁21的长度或质量块5的质量来获取不同固有频率的悬臂梁试件3。

悬臂梁支撑盘2上开有沉头螺纹孔矩形孔18，螺纹孔如图4所示的15、16所示，图中所示为两个，沉头螺纹孔的轴向与悬臂梁支撑盘2的轴向相同，矩形孔18开在悬臂梁支撑盘2的侧面，矩形孔18的长度方向与悬臂梁支撑盘2的径向相同，悬臂梁21插进矩形孔18内，悬臂梁21插进矩形孔18内的部分设置有上垫片19和下垫片22，上垫片19和下垫片22分别设置在悬臂梁21的上面和下面，六角螺钉穿过沉头螺纹孔15、16并压住上压紧垫片19，通过压紧垫片19来锁紧所述悬臂梁试件3。六角螺钉为两个，如图5所示的12、13。

悬臂梁21的悬垂根部贴有应变片或装有应变式应力传感器20，用于检测冲击试验中悬臂梁试件3的应力响应。

限位柱1连接固定到冲击试验机试验平台上，悬臂梁支撑盘5最多可装卡十二根悬臂梁试件3。

悬臂梁支撑盘2的质量至少是十二根悬臂梁试件3质量总和的五倍；悬臂梁支撑盘2的质量至少是上法兰9质量的八倍；上法兰9与下法兰11的质量基本相等。

悬臂梁支撑盘2的质量应控制在50kg-100kg范围内。

所述的试验装置由一个或多个试验单元构成，将每个试验单元上下叠加安装构成多试验单元的试验装置。也就是说叠加之后构成双层或多层弹性安装(二自由度及多自由度系统)的谱跌效应对应力响应的试验装置。

悬臂梁试件由末端开孔悬臂梁及质量块组成，质量块与悬臂梁通过螺栓螺母连接固定，对于不同的试验需求，可按照式(1)，保持悬臂梁的截面面积固定不变改变其长度，或保持悬臂梁形状参数不变改变其末端悬挂的质量块质量，选取最多十二根不同固有频率的悬臂梁试件进行冲击试验：

$>f_n\approx \frac{1}{2\pi }\sqrt{\frac{3EI}{(0.2427\rho AL+m)L^3}}---\left(1\right)$>

式中，f_n表示悬臂梁在冲击方向的一阶固有频率，E表示悬臂梁的弹性模量，I表示悬臂梁的截面惯性矩，A表示悬臂梁的截面面积，L表示悬臂梁的长度，m表示质量块质量。

在悬臂梁支撑盘2上设置有四个限位孔14和四个螺栓孔17。限位孔14用于穿过限位柱1；螺栓7穿过螺栓孔17与螺母8配合；内六角螺钉12、13与沉头螺纹孔16、15配合锁紧位于矩形孔18中孔的悬臂梁试件3。

综上所述，下法兰和上法兰通过与四根圆柱式拉压弹簧连接组成弹簧支架，弹簧支架可装卡到冲击试验机平台上；

悬臂梁支撑盘与上法兰通过螺栓螺母连接固定，其周围均布阵列了十二个矩形孔，为方便加工，支撑盘可由两块圆盘拼接制造，所述方孔内用内六角螺钉锁紧悬臂梁试件，悬臂梁试件锁紧处上下均安放垫片，悬臂梁悬垂根部贴应变片或安装应变式应力传感器，用于检测冲击试验中悬臂梁的应力响应；

四根限位柱装卡在冲击试验机平台上，弹簧支架和悬臂梁支撑盘均穿过限位柱安装，用于约束试验装置的自由度。

进行试验前，准备至少二组所述的试验单元，测量每组试验单元的总体固有频率；将所述一组试验装置固定安装在冲击试验机上，组成单层弹性安装试验装置；将所述试验装置叠加安装到所述单层弹性安装试验装置上，变为双层弹性安装及多层弹性安装的谱跌效应试验装置；依次对单层弹性安装试验装置、双层及多层弹性安装试验装置进行相同的冲击试验。试验时，由冲击试验机对所述谱跌效应试验装置加载所需的竖直方向冲击载荷，再通过悬臂梁试件上的应变片或应变式应力传感器监测到的冲击过程中悬臂梁试件的最大应力响应，绘制出悬臂梁试件的频率-应力曲线，其中，最底层悬臂梁试件的频率-应力曲线会在所述多层弹性安装试验装置的上层试验装置的固有频率对应的应力曲线处出现明显的波谷，即谱跌效应。改变冲击条件和悬臂梁试件的固有频率，可研究不同情况下的谱跌效应对应力响应的规律。

悬臂梁试件3装卡到悬臂梁支撑盘2时的结构如图5所示，

将图1所示的试验单元整体叠加安装可获得双层或多层弹性安装(二自由度或多自由度系统)的谱跌效应试验装置，其中双层弹性安装谱跌效应试验装置如图6所示。

一种冲击环境下谱跌效应对应力响应的测试方法为：①，测量计算多组如图1所示的单层弹性安装试验装置的固有频率，之后将其中一组试验装置固定安装在冲击试验机上，由冲击试验机对该试验装置加载所需的竖直方向冲击载荷，再通过悬臂梁试件3上的应变片或应变式应力传感器20监测到的冲击过程中悬臂梁试件3的最大应力响应，绘制出悬臂梁试件的频率-应力曲线。②，将另一组如图1所示的单层弹性安装试验装置叠加安装在上述单层弹性安装试验装置上，组成的双层弹性安装试验装置如图6所示，之后对该双层弹性安装试验装置进行与①相同的冲击试验，并绘制出悬臂梁试件3的频率-应力曲线，此曲线对比①中应力响应曲线的波峰处会出现明显的波谷，即谱跌效应。③，重复②过程可获得多层弹性安装试验装置的悬臂梁试件3的谱跌效应对应的应力响应情况。

其中，单层弹性安装与双层弹性安装的对比试验效果如图7所示，在20Hz处对应的下层悬臂梁应力响应曲线对比单层安装时悬臂梁应力响应曲线的波峰位置出现了明显的波谷，即谱跌效应。

本发明结构合理，操作过程科学方便，通过悬臂梁试件模拟舰船设备内的零部件，仿真舰船设备在受到水下非接触爆炸冲击时应力响应情况，试验效果真实可靠，对谱跌效应及其对应应力响应规律的研究具有较大的应用价值与军事意义。