一种应用于垂直冲击试验机上的冲击响应谱发生器

摘要

本发明涉及一种应用于垂直冲击试验机上的冲击响应谱发生器，包括激励垫块、框架组件和谐振响应板；所述激励垫块一端设有橡胶垫，未设有橡胶垫的一端与垂直冲击试验机的跌落台面固连，且激励垫块位于跌落台面的中心处，激励垫块轴线与跌落台面相互垂直；谐振响应板位于框架组件内，通过弹性连接件与框架组件连接；试验时，框架组件随跌落台面跌落时，激励垫块设有橡胶的一端穿过框架组件底部，与谐振响应板发生碰撞，产生爆炸冲击信号，得到冲击响应谱。本装置结构简单，拆卸方便，实现了冲击试验机双重功能，降低成本的同时提高模拟的可靠性。

说明书

技术领域

本发明属于航空航天技术领域，涉及一种冲击响应谱试验的新型设备，具体为一种安装与垂直冲击试验机跌落台面上的冲击响应谱发生器，通过提升和释放跌落台面，激励冲击谱发生器上的谐振响应板产生爆炸冲击信号，得到冲击响应谱。

背景技术

伴随现代飞行器与航天器高机动性、强稳定性的发展要求，严酷的力学环境试验是飞行器与航天器运行前的必要考核环节。恶劣的冲击环境严重威胁着飞行器与航天器的安全。在该环境中，飞行器与航天器的薄弱结构和敏感器件随时可能损坏，导致飞行器与航天器的功能失效。如何有效模拟严酷的冲击环境已经成为当前国际上的研究热点。

现有模拟冲击环境试验的主要方式有经典冲击试验和冲击响应谱试验。进行经典冲击试验的主要设备有：垂直冲击试验机和水平冲击试验机。此类设备以模拟经典冲击波形为目的，即半正弦冲击波，后峰锯齿波与梯形方波。经典冲击波形属于运载过程的跌落碰撞冲击，与复杂的爆炸冲击波形有较大区别。

模拟爆炸冲击环境主要通过冲击响应谱试验实现。冲击响应谱是一系列固有频率不同的单自由度系统在冲击时域波形激励下，其最大响应幅值随频率变化的谱线。冲击谱不但能等效复杂的振荡冲击载荷，还能反应试验对象自身的响应情况，是当前使用最广泛的冲击模拟试验方法。

目前，进行冲击响应谱试验的方式有火工品爆炸，电动振动台和机械撞击，其中：

1)火工品爆炸方式通过火药爆炸直接模拟真实的爆炸冲击环境，采集冲击响应信号得出冲击响应谱。该方式虽然能模拟真实的爆炸冲击环境，但由于火工产品的危险性以及爆炸波形难以控制且重复性低，这种试验方式受到了一定限制。

2)电动振动台方式是通过输入时域爆炸波形信号控制电动振动台面振动，形成冲击响应谱，这种方式虽然原理简单，但因为电动振动台的振动频率与幅值的局限性，该设备只能模拟低幅值、窄频率的爆炸冲击环境。

3)机械撞击方式通过一质量块高速撞击谐振响应装置，使谐振响应装置产生爆炸冲击响应信号，得出冲击谱，是当前使用最广泛的试验方式。谐振响应装置通常为悬臂梁或薄板，产生的响应信号具有较高幅值与较宽频率范围。目前，通过该方式产生冲击响应信号需要开发专用设备，如摆锤冲击试验机，气炮冲击试验机等，成本较高，步骤繁琐。

发明内容

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垂直冲击试验机的冲击响应谱发生器，进行爆炸冲击环境模拟。

本发明的技术方案是：一种应用于垂直冲击试验机上的冲击响应谱发生器，包括激励垫块10、框架组件和谐振响应板7；所述激励垫块10一端设有橡胶垫，未设有橡胶垫的一端与垂直冲击试验机的跌落台面固连，且激励垫块10位于跌落台面的中心处，激励垫块10轴线与跌落台面相互垂直；谐振响应板7位于框架组件内，通过弹性连接件与框架组件连接；试验时，框架组件随跌落台面跌落时，激励垫块10设有橡胶的一端穿过框架组件底部，与谐振响应板7发生碰撞，产生爆炸冲击信号，得到冲击响应谱。

本发明的进一步技术方案是：所述框架组件包括底板13、两个顶部限位板14、四个导向杆9和若干阻尼缓冲器11；底板13中部开有通孔，边缘顶角处开有盲孔，且响应板与底板的距离要大于垫块的高度；四个导向杆9一端分别插入开有的盲孔中并与盲孔螺纹连接，另一端穿过谐振响应板7后，与两个顶部限位板14固连，其中穿过谐振响应板7同一侧的两个导向杆9固连同一个顶部限位板14；四个导向杆9轴线相互平行，且与底板13平面相互垂直；顶部限位板14、底板13和谐振响应板7相互平行；在谐振响应板7与顶部限位板14之间的导向杆9上套有若干阻尼缓冲器11，且每个导向杆9上套有的阻尼缓冲器11数量相同。

本发明的进一步技术方案是：所述谐振响应板7对称的两侧外壁均布有若干凸起，顶部限位板14外侧对应位置处，均布有数量相同的凸起；谐振响应板7上的凸起和对应的顶部限位板14上的凸起之间，通过弹性软绳挂在凸起上，进行连接。

本发明的进一步技术方案是：还包括套筒13，套筒13通过螺纹固定在响应板上，所述套筒13位于导向杆9和谐振响应板7上开有的通孔之间，起限定作用，与导向杆9外壁和谐振响应板7通孔内壁均为间隙配合。

发明效果

本发明的技术效果在于：

(1)冲击响应谱发生器可装卸，不改变传统垂直冲击试验机的结构，在进行经典冲击试验的同时，可进行冲击响应谱试验。

(2)本发明的冲击谱发生器机构简单，在导向杆和弹性软绳的固定与支撑下，谐振响应板与激励垫块发生高速碰撞，产生能量较大的爆炸冲击时域波形。

(3)将阻尼缓冲器作为一种耗能装置使用，可以实现爆炸冲击波形快速衰减，同时防止谐振响应板与顶部限位装置以及激励垫块发生多次碰撞。

(4)传统的冲击试验机只能形成经典脉冲冲击波形，对爆炸冲击波形的冲击响应谱试验需要开发专用设备，本发明实现了冲击试验机双重功能，降低成本的同时提高模拟的可靠性。

附图说明

图1：现有技术中的垂直冲击试验机示意图

图2：冲击响应谱发生器示意图

图3：垂直冲击试验机安装冲击响应谱发生器

图4：提升跌落台面到指定高度

图5：跌落台面撞击波形发生器

图6：谐振响应板撞击激励垫块

图7：冲击响应谱试验流程图

图8：冲击谱发生器主视图

图9：冲击谱发生器左视图

附图标记说明：1-跌落台面、2-波形发生器、3-底座、4-气囊、5-阻尼器、6-提升装置、7-谐振响应板、8-弹性软绳、9-导向杆、10-激励垫块、11-阻尼缓冲器、12-冲击响应谱发生器

具体实施方式

参见图1-图7，一种基于垂直冲击试验机的冲击响应谱发生器，其特点在于：谐振响应装置主要由谐振响应板、导向杆、激励垫块、弹性软绳及阻尼缓冲器构成。谐振响应板由弹性软绳悬挂并通过导向杆限制其位移方向。本实施例中的激励垫块为合金钢。弹性软绳的主要作用是控制谐振响应板的位置，对其支撑，从而使谐振响应板能和激励垫块具有相对撞击速度。导向杆的作用是限制谐振响应板只在竖直方向上运动，保证激励载荷作用于谐振响应板中面的对称位置。所述的激励垫块、主要作用是激励谐振响应板，使其产生爆炸冲击信号，激励垫块顶部将粘贴一层橡胶垫主要作用是防止激励垫块与谐振响应板直接碰撞而产生局部塑性变形，橡胶垫起缓冲作用，可避免谐振响应板与垫块发生刚性碰撞。所述的阻尼缓冲器主要有两个作用：防止谐振响应板在同激励垫块撞击之后，向上反弹撞击冲击谱发生器顶部的限位装置；消耗谐振响应板的动能，防止其在首次激励完成之后不断往复运动，与激励垫块发生二次碰撞，保证单次爆炸冲击信号的模拟效果，得到合理的冲击响应谱。在跌落台面自由释放状态下，利用重力提供冲击谱发生器上的谐振响应板动能，避免使用专用设备的激振器。

将冲击谱发生器安装于传统垂直冲击试验机的跌落台面上，在进行冲击响应谱试验的同时，保持了冲击试验机模拟经典冲击波形的功能，扩充了传垂直统冲击试验机的运用范围。

冲击谱发生器模拟爆炸冲击信号主要包括以下步骤：

步骤1：通过螺栓连接，将冲击响应谱发生器底板固定于垂直冲击试验机跌落台面上；

步骤2：利用提升装置驱动跌落台面上升到指定高度，释放跌落台面，使冲击谱发生器与跌落台面自由下落；

步骤3：当跌落台面与冲击试验机底座上的波形发生器撞击后反弹时，谐振响应板因为惯性，将继续竖直向下运动，并与安装与跌落台面上的激励垫块碰撞，产生爆炸冲击信号，得到冲击响应谱；

步骤4：首次撞击结束后的谐振响应板将向上反弹，随后谐振响应板与位于导向杆顶部的阻尼缓冲器撞击，阻尼缓冲器消耗谐振响应板的动能，防止其与激励垫块发生二次碰撞，达到单次模拟爆炸冲击信号的目的，得到单次爆炸信号的冲击响应谱。

本发明设计了一种基于垂直冲击试验机的冲击响应谱发生器，通过该发生器进行冲击谱试验，模拟爆炸冲击环境。本发明所涉及的冲击谱发生器结构主要由谐振响应板、导向杆、激励垫块、弹性软绳及阻尼缓冲器构成。谐振响应板由弹性软绳悬挂，导向杆起约束作用。冲击响应谱发生器安装于垂直冲击试验机跌落台面上，当提升装置驱动跌落台面上升到指定高度时，将带动冲击谱发生器一同上升。在瞬间释放跌落台面时，冲击谱发生器和跌落台面同时自由跌落。跌落台面会与冲击试验机底座上的波形发生器碰撞，并向上反弹。冲击谱发生器上的谐振响应板由于惯性作用将保持其竖直向下的速度继续运动，直到与反弹的跌落台面上的激励垫块撞击，产生爆炸冲击信号，得到冲击响应谱。

如图一所示，传统垂直冲击试验是由跌落台面1、波形发生器2、底座3、气囊4、阻尼器5和提升装置6组成。其工作原理是利用提升装置6将跌落台面1提升到指定高度，随后自由释放跌落台面1，使其与底座3上的波形发生器2撞击，形成所需的经典冲击波形。传统的垂直冲击试验机只能模拟经典冲击波形，如半正弦波，后峰锯齿波，梯形方波等。这类经典冲击波形与真实的复杂振荡冲击波形相差较大。跌落台面1套入两竖直的导向杆中，两导向杆外侧是具有一定高度的提升装置，可以提升跌落台面，使其沿导向杆竖直运动。底座3通过气囊4与阻尼器5支撑与地面，底座上安装波形发生器2。当跌落台面1自由释放时，与波形发生器2撞击产生单脉冲冲击信号(半正弦，后峰锯齿波，梯形方波)，即经典冲击试验。

如图二、图8、图9所示，冲击响应谱发生器12的主要部件是谐振响应板7，通过弹性软绳8悬挂谐振响应板7，导向杆9限制其运动方向，使得谐振响应板7只能平行上下运动。如图八和图九所示，弹性软绳8一端套在谐振响应板7上，悬挂装置16和顶部限位装置14通过螺栓连接。导向杆9与顶部限位装置14和底板15均通过螺栓连接，成为一个整体。谐振响应板7与导向杆9通过套筒8连接。其中，导向杆9与套筒13为间隙配合，能使谐振响应板7在竖直方向自由移动，谐振响应板7与套筒13通过螺栓连接为一个整体。阻尼缓冲器11套入导向杆9中，并与顶部限位装置14接触，防止谐振响应板7在撞击激励垫块10后与顶部限位装置14再次撞击。激励垫块10与底板15均通过螺栓固定于垂直冲击试验机跌落台面上。

如图三所示，冲击响应谱发生器12以垂直冲击试验机为工作平台，其工作时需要安装在垂直冲击试验机跌落台面1上。

如图四所示，将跌落台面1与冲击响应谱发生器12同时提升到指定高度。

如图五所示，瞬间释放跌落台面1后，跌落台面1会与冲击谱发生器12同时自由落下，随后跌落台面1会与底座3上的波形发生器2碰撞。

如图六所示，跌落台面1与波形发生器2碰撞之后会向上反弹，而冲击谱发生器12上的谐振响应板7由于惯性会继续向下运动，从而与安装在跌落台面1上的激励垫块10碰撞。

如图七所示，整个系统的运作包括以下步骤：

步骤1：将冲击响应谱发生器安装在垂直冲击试验机的跌落台面上，同时注意调整激励垫块的安装位置；

步骤2：利用提升装置将跌落台面与冲击谱发生器同时提升到指定高度，使其具有足够的重力势能；

步骤3：当冲击谱发生器与跌落台面上升到指定高度之后，释放跌落台面，使其同冲击谱发生器同时跌落；

步骤4：跌落台面撞击波形发生器后反弹，而谐振响应板在惯性作用下继续运动直到撞击跌落台面上的激励垫块；

步骤5：谐振响应板被激励后产生爆炸冲击信号，通过加速度传感器采集该信号得到冲击响应谱，达到环境模拟试验的目的。