動態(tài)環(huán)境下鋁蜂窩壓縮沖擊試驗方法研究

陳愛軍，趙 翔，廖良全

(中航工業(yè)直升機設(shè)計研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

鋁蜂窩材料是某登陸緩沖器內(nèi)部構(gòu)成的關(guān)鍵吸能部件，通過受壓縮變形做功來吸收能量，從而有效地減少某登陸主體裝置受到的沖擊載荷。鋁蜂窩結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、平壓受載平穩(wěn)、緩沖吸能性能好等優(yōu)點［1-2］。在國內(nèi)，一些學者已開展了沖擊壓縮試驗研究，如陳金寶博士使用高空沖擊平臺自由落體，撞擊固定在試驗臺下方的鋁蜂窩試樣，從而測試鋁蜂窩的緩沖性能［3］，該試驗方法中的試驗件是在靜止狀態(tài)下獲得沖擊載荷(見圖1)，沒有能夠模擬試驗件在登陸的動態(tài)環(huán)境獲得沖擊載荷的實際工況。本文提出一種新型試驗方法，實現(xiàn)了對試驗件在模擬運動環(huán)境中進行沖擊壓縮。本文對試驗原理和相關(guān)重要參數(shù)設(shè)計等方面進行了說明，并對吸能鋁蜂窩進行了實測，試驗獲得滿意的結(jié)果。

1 試驗方法設(shè)計

本試驗?zāi)M了鋁蜂窩在運動的緩沖器里面受壓吸能的動態(tài)環(huán)境，試驗件為“活塞筒”型式的緩沖器，活塞筒內(nèi)裝有2～4個鋁蜂窩材料試件。整個試驗系統(tǒng)(參見圖2)由運動環(huán)境裝置、加載載荷配重、緩沖裝置和測量記錄儀器設(shè)備四個部分組成。運動環(huán)境裝置包括吊籃(吊籃由可移動式掛耳、炸彈掛鉤和電動葫蘆組成)、運動導(dǎo)軌、起吊裝置(起吊之前必須將可移動式掛耳移到吊籃重心處，調(diào)整投放姿態(tài)，可以保證試驗件在起吊后處于垂直安裝狀態(tài))，加載載荷配重包括緩沖器及配重塊，緩沖裝置指橡膠板和液壓吸能裝置，測量記錄儀器設(shè)備包括ICP加速度傳感器、位移傳感器、調(diào)制解調(diào)器、應(yīng)變片、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、高速攝像機等。

根據(jù)試驗要求，在滿足加載配重質(zhì)量為m=310.2kg，在速度 v0=4.4m/s 時鋁蜂窩受到規(guī)定的沖擊載荷(要求沖擊加速度波形為三角波，輸入載荷設(shè)計為10.71±0.51G，脈寬設(shè)計為 80 ～100ms，參見圖3)等條件下研究鋁蜂窩的壓縮吸能性能，試驗裝置具體如圖1所示(緩沖器下端固定在沖擊平臺的吊籃上)。

圖1 靜態(tài)環(huán)境鋁蜂窩沖擊試驗圖［3］

試驗過程模擬某設(shè)備登陸時的真實情況，最后通過對比輸出加速峰值與輸出加速度均值大小和曲線的形狀等數(shù)據(jù)判斷鋁蜂窩的壓縮吸能性能，從而為鋁蜂窩規(guī)格的選擇提供依據(jù)。

圖2 動態(tài)環(huán)境鋁蜂窩沖擊試驗示意圖

2 試驗方法對試驗結(jié)果的影響及數(shù)據(jù)分析

2.1 液壓吸能裝置調(diào)節(jié)對試驗的影響

液壓阻尼吸能裝置是沖擊環(huán)境中的重要部分，在沖擊動力學領(lǐng)域具有極其重要的地位。該裝置利用液壓吸能原理，將試驗件按照實際裝機的情況安裝在剛性試驗吊籃上，根據(jù)要求的墜落速度，提升到一定高度后釋放，使試驗件及吊籃一起自由墜落，吊籃下部的活塞桿進入液壓吸能系統(tǒng)。通過液壓吸能系統(tǒng)內(nèi)節(jié)流孔的開孔面積及位置調(diào)節(jié)阻尼，達到鋁蜂窩材料試件吸收能量的目的，用吸能過程產(chǎn)生的要求的波形來考核試驗件的各項性能。通過調(diào)整液壓吸能裝置側(cè)面開孔面積和開孔位置，系統(tǒng)能產(chǎn)生半正弦、三角波、梯形波等各種波形，可以提供最大80g的加速度，波形脈沖時間寬度30ms至300ms。

試驗重點是要求試驗件受到的沖擊加速度波形為三角波，輸入載荷設(shè)計為10.71±0.51G，脈寬設(shè)計為80～100ms，液壓吸能裝置能夠通過調(diào)節(jié)側(cè)面開孔面積和開孔位置滿足試驗的要求，x軸與y軸相互關(guān)聯(lián)可由液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制，且總?cè)遣ǚe分面積相等。

圖3 沖擊脈沖圖

圖4 第一組沖擊試驗輸入加速度曲線

根據(jù)試驗沖擊載荷的需要，通過活塞桿頭截面和直徑、液體吸能系統(tǒng)側(cè)面開孔面積等參數(shù)的控制，在試驗總裝置重量M和投放高度H計算確定的情況下，以加速度為測量對象，可調(diào)得圖4中的沖擊脈沖圖，輸入加速度峰值為 10.42G，脈寬為 0.09s，完全滿足要求沖擊加速度三角波，精度在5%以內(nèi)。

2.2 吊籃的高度和配重調(diào)節(jié)對試驗的影響

吊籃的投放高度和吊籃配重是該試驗的重要參數(shù)，影響試驗件在沖擊環(huán)境下配重吊籃的瞬時速度v0和施加于試驗件上的沖擊載荷大小［4］。因為試驗件數(shù)量有限且不能重復(fù)利用，所以必須將整個吊籃的配重計算和稱量準確，而且在投放之前調(diào)節(jié)好重心位置，準確計算好投放高度。

根據(jù)能量守恒定律可推導(dǎo)出:

式1中，v表示鋁蜂窩受載壓縮時吊籃的瞬時下沉速度，模擬真實工作狀態(tài)所要求的在指定速度v0下進行緩沖器受載的配重吊籃的瞬時速度，a為吸能過程中瞬時垂直加速度;式2中H為吊籃的投放高度;式3中S為吸能過程中吊籃的瞬時位移。

2.3 試驗數(shù)據(jù)測試采集和處理方法對試驗的影響

試驗中的數(shù)據(jù)采集和處理方法也是試驗極其重要的一部分。輸入沖擊加速度峰值及脈寬由兩個加速度傳感器測得的數(shù)據(jù)經(jīng)平均和時域光滑后得到，輸出加速度由配重平臺上兩個加速度傳感器測得的數(shù)據(jù)平均，然后對數(shù)據(jù)進行歧異點檢查并剔除后得到，試驗臺緩沖行程由位移傳感器測得的數(shù)據(jù)進行負向壓縮量置零后得到。

吸收功量由下面的公式算出:

平均輸出加速度為:

式中:a(t)為試驗臺輸出加速度;s(t)為緩沖行程;m為配重重量。

2.4 試驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析

本次試驗選用四組鋁蜂窩按照上述方法進行動態(tài)壓縮沖擊試驗。鋁蜂窩材料是直徑為100mm，高度為90～100mm的圓柱狀試件，環(huán)形加載配重為310.2kg，投放高度H為1m。由于試驗裝置重復(fù)性好，誤差小，因此本文列出4組鋁蜂窩試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

以其中的一組鋁蜂窩實測數(shù)據(jù)圖做典型分析。其輸入加速度曲線、輸出加速度曲線、壓縮量曲線和壓縮量與輸出加速度關(guān)系曲線分別如圖5、圖6、圖7所示，圖8是試驗總體照片。

圖5 典型的沖擊試驗輸出加速度曲線

圖6 典型的沖擊試驗壓縮量曲線

表1 鋁蜂窩沖擊試驗數(shù)據(jù)結(jié)果

圖7 典型的沖擊試驗壓縮量與輸出加速度關(guān)系曲線

圖8 試驗總體照片

圖5表明鋁蜂窩受到載荷后開始壓縮，輸出加速度大小比較穩(wěn)定，且從表1中的數(shù)據(jù)可知輸出加速度峰值與輸出加速度均值接近，由式(4)和式(5)說明此時鋁蜂窩壓縮變形吸能效果良好，達到預(yù)期目標。從圖6可以看出，鋁蜂窩從受載荷開始壓縮變形，壓縮量與時間幾乎成線性關(guān)系，表明鋁蜂窩受壓變形量平穩(wěn)，沒有突變，這樣的好處是保證設(shè)備在登陸時不會受到?jīng)_擊造成儀器損壞，從圖中可以看出鋁蜂窩的最大的壓縮量達到204.49mm。圖7能夠直觀反映沖擊試驗壓縮量與輸出加速度關(guān)系曲線，壓縮量從開始到最后，輸出加速度變化不大，表明鋁蜂窩受壓后變形平穩(wěn)，有利于設(shè)備儀器著陸時的安全。

從表1中的數(shù)據(jù)和時域曲線可知試驗結(jié)果與預(yù)期設(shè)想相吻合，試驗成功。

3 結(jié)論

通過試驗研究及結(jié)果分析可以得知:

1)通過原理性的分析和對試驗結(jié)果的分析，驗證了本文所設(shè)計的試驗方法和試驗原理的正確性;

2)針對吸能鋁蜂窩設(shè)計的動態(tài)壓縮沖擊試驗方法滿足了模擬沖擊環(huán)境的要求，通過對沖擊過程全程實測，反映出吸能鋁蜂窩實際工作時的沖擊壓縮情況;

3)在國內(nèi)首次運用液壓裝置成功實現(xiàn)了動態(tài)環(huán)境中對鋁蜂窩施加特定波形沖擊載荷的壓縮吸能試驗，為以后類似的試驗提供了依據(jù)。

［1］Kolsjy H.The propagation of longitudinal elastic waves along a cylindrical bar［J］.Phil Mag Ser，1954，7(45):712-713.

［2］Zhang Baoping，Zheng Yuliu，F(xiàn)eng Xichun.Approximate analysis to the stress status of sample in Hopkinson bar test and its correction of inertia［J］.Journal of Beijing Institute of Technology(in Chinese)，1994，14(S1):23-29.

［3］陳金寶.月球著落條件對鋁蜂窩材料緩沖性能的影響［D］.南京:南京航空航天大學航空宇航學院，2008.

［4］馬曉青.沖擊動力學［M］.北京:北京理工大學出版社，1992.204-207.