基于LabVIEW的沖擊響應(yīng)譜校準(zhǔn)系統(tǒng)研究

朱永曉，厲巍

(貴州航天計量測試技術(shù)研究所，貴州貴陽550009)

0 引言

隨著環(huán)境試驗方法的更新和進(jìn)步，對沖擊參數(shù)的考核也越發(fā)嚴(yán)格和科學(xué)。振動和沖擊經(jīng)常一起出現(xiàn)，但振動是一種穩(wěn)態(tài)的持續(xù)過程，而沖擊則相反。在環(huán)境試驗中，沖擊試驗的目的并不是研究沖擊自身，而是關(guān)注沖擊作用于受測品或系統(tǒng)的效果，用能量的說法就是研究沖擊運動對系統(tǒng)造成的損傷勢。國外標(biāo)準(zhǔn)中早已出現(xiàn)的沖擊響應(yīng)譜試驗，即是研究該損傷勢的環(huán)境試驗方法。實踐證明，沖擊響應(yīng)譜試驗?zāi)軌蛟缙诒┞懂a(chǎn)品在材料、結(jié)構(gòu)和工藝等方面的缺陷。為了保證產(chǎn)品在高沖擊環(huán)境下的可靠性，有必要進(jìn)行高沖擊環(huán)境模擬試驗以便盡早暴露結(jié)構(gòu)缺陷。目前，沖擊響應(yīng)譜試驗在國內(nèi)也逐漸得到推廣，成為了部分航天航空產(chǎn)品的力學(xué)環(huán)境試驗項目之一。

但是目前，沖擊響應(yīng)譜還沒有十分有效地校準(zhǔn)方法，國內(nèi)也尚無相關(guān)方面的校準(zhǔn)規(guī)范。隨著沖擊響應(yīng)譜試驗機的廣泛運用，對沖擊響應(yīng)譜進(jìn)行校準(zhǔn)的需求日益增加。針對上述問題，本文研建了一種基于Lab-VIEW的沖擊響應(yīng)譜校準(zhǔn)系統(tǒng)，以滿足現(xiàn)有校準(zhǔn)需求，實現(xiàn)對沖擊響應(yīng)譜的校準(zhǔn)。

1 沖擊響應(yīng)譜分析理論

傳統(tǒng)沖擊試驗以簡單脈沖產(chǎn)生的沖擊效果來模擬實際沖擊環(huán)境，例如圖1(a)所給出的兩個面積相等但波形不同的半正弦脈沖(它們的速度變化相等)以及圖1(b)所示的兩個相同半正弦脈沖但其中之一疊有一極窄脈沖，僅用時間歷程難于判別它們之間損傷勢的異同，甚至可能得出錯誤的結(jié)論。

圖1 沖擊波形的時域比較

沖擊響應(yīng)譜試驗與傳統(tǒng)沖擊試驗不同，可從沖擊作用于系統(tǒng)的效果進(jìn)行分析，其物理模型見圖2。大部分系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)均可用單自由度系統(tǒng)表征，沖擊響應(yīng)譜即指一系列固有頻率不同的單自由度線性系統(tǒng)，受到同一沖擊激勵后響應(yīng)的總結(jié)果。它不是描述沖擊本身，而是描述沖擊的影響。

圖2 沖擊響應(yīng)譜的物理模型

對圖1中所示各沖擊波形進(jìn)行沖擊響應(yīng)譜分析后，如圖3所示。由響應(yīng)譜的比較可知，沖擊脈沖A對高頻系統(tǒng)危害較大，而B對低頻系統(tǒng)的損傷勢大;脈沖C和脈沖D雖時間歷程峰值相差很大，但其譜的差異除極高頻外均可忽略，也就是說兩者的損傷勢在系統(tǒng)頻率不是很高時是相同的。

通過沖擊響應(yīng)譜可判定出:系統(tǒng)在沖擊作用下，各固有頻率結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)峰值大小，進(jìn)而得出各個結(jié)構(gòu)是否損傷的結(jié)論。根據(jù)不同的響應(yīng)參數(shù)，沖擊響應(yīng)譜可分為等效加速度、速度譜、相對位移譜和絕對加速度、位移譜。環(huán)境試驗中常用的是相對位移譜和絕對加速度譜，相對位移譜常用于考核沖擊強度，而絕對加速度譜常用于規(guī)范沖擊環(huán)境。本文中描述的校準(zhǔn)系統(tǒng)，舉例時繪制的曲線就是一條絕對加速度譜。

圖3 與圖1相應(yīng)沖擊的沖擊響應(yīng)譜波形

2 軟件編制

2.1 分析算法

沖擊響應(yīng)譜的分析算法按出現(xiàn)時間先后可分為兩類:一類是較早的FFT方法、直接積分法、遞推法和遞歸數(shù)字濾波法;另一類是后期出現(xiàn)的應(yīng)用于實際工程中的:樣條函數(shù)法和改進(jìn)的遞歸數(shù)字濾波法，后兩個方法都是基于大量的實際應(yīng)用，后逐步改進(jìn)優(yōu)化的。本文中描述的軟件計算方法即是改進(jìn)的遞歸數(shù)字濾波算法，該方法克服了遞歸數(shù)字濾波法低頻時結(jié)果不穩(wěn)定等問題，且計算速度快，計算精度高。該方法是Smallwood于1981年提出的，他用廣義斜臺函數(shù)來代替脈沖不變模型。廣義斜臺函數(shù)為［2］

式中:A是在t=KΔt時斜臺的斜率;u(t-KΔt)為單位階躍函數(shù)。應(yīng)用疊加原理，可得到比原來的遞歸數(shù)字濾波法的矩形逼近更精確的模型:梯形函數(shù)逼近沖擊輸入的模型。

設(shè)輸入信號ii(t)的采樣值為Ui，i=1，2，…，N。單自由度系統(tǒng)響應(yīng)x(t)的采樣值為xi，i=1，2，…，N。則有如下的斜臺不變模型的遞歸公式:

對系統(tǒng)的絕對加速度響應(yīng):

2.2 軟件流程

依據(jù)沖擊響應(yīng)譜分析算法和實際校準(zhǔn)步驟，本校準(zhǔn)軟件主程序流程圖如圖4所示，軟件流程圖如圖5所示。

圖4 沖擊響應(yīng)譜校準(zhǔn)軟件流程圖

圖5 沖擊響應(yīng)譜校準(zhǔn)主程序流程圖

沖擊響應(yīng)譜的求解是典型的線性系統(tǒng)在脈沖激勵下的響應(yīng)求解［3］，依據(jù)程序流程圖及分析算法，運用LabVIEW數(shù)字濾波器和異步事件處理(AMC)的編程架構(gòu)［4］，本文編寫了沖擊響應(yīng)譜校準(zhǔn)軟件SRS-Lab-VIEW 1.0。軟件主界面如圖6所示。

圖6 軟件界面圖

3 試驗驗證

3.1 試驗對象

選取擺錘式?jīng)_擊響應(yīng)譜試驗機，試驗時，先將產(chǎn)品剛性固定在試驗機的安裝臺面上，升起擺錘產(chǎn)生勢能，然后放下擺錘使其撞擊安裝臺面端面，通過事先安裝好的墊塊來調(diào)節(jié)沖擊響應(yīng)譜，由測試分析系統(tǒng)觀測產(chǎn)生的目標(biāo)譜形。圖7為沖擊響應(yīng)譜試驗機結(jié)構(gòu)原理圖。

圖7 沖擊響應(yīng)譜試驗機結(jié)構(gòu)原理圖

3.2 校準(zhǔn)方法

把校準(zhǔn)系統(tǒng)與沖擊響應(yīng)譜試驗機控制系統(tǒng)所用壓電加速度計剛性地連接在試驗機端面(盡可能靠近)，按試驗要求設(shè)置好各參數(shù)，待試驗機落錘后，同時采集瞬時沖擊信號，并將兩者分析處理得到的沖擊響應(yīng)譜結(jié)果進(jìn)行比對，校準(zhǔn)原理框圖如圖8所示:

圖8 校準(zhǔn)原理框圖

3.3 校準(zhǔn)結(jié)果

現(xiàn)場校準(zhǔn)試驗結(jié)束后，試驗機測量結(jié)果如圖9所示，校準(zhǔn)系統(tǒng)測量結(jié)果如圖10所示。

圖9 試驗機測量結(jié)果

圖10 校準(zhǔn)系統(tǒng)測量結(jié)果

由圖9與圖10結(jié)果比對可知:①最大響應(yīng)峰值出現(xiàn)頻率及量級基本一致;②兩測量結(jié)果均符合相應(yīng)容差要求。

另外，本文筆者選擇不同地點、不同型號、性能穩(wěn)定的沖擊響應(yīng)譜試驗機進(jìn)行了為期6個月的穩(wěn)定性、可靠性驗證。通過對試驗數(shù)據(jù)的整理、分析，最終形成表1。通過表1不難看出，校準(zhǔn)系統(tǒng)可以達(dá)到對沖擊響應(yīng)譜的校準(zhǔn)。

由此可見，通過該校準(zhǔn)系統(tǒng)對沖擊響應(yīng)譜校準(zhǔn)是科學(xué)可行的，可以初步解決響應(yīng)譜校準(zhǔn)的問題。經(jīng)計算，該校準(zhǔn)系統(tǒng)加速度測量結(jié)果的不確定度為Urel=8%(k=2)。

表1 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文從沖擊響應(yīng)譜分析理論出發(fā)，結(jié)合改進(jìn)的遞歸數(shù)字濾波法，基于LabVIEW軟件，編制了沖擊響應(yīng)譜校準(zhǔn)軟件，配置壓電加速度計、電荷放大器等硬件，共同組建成了該套沖擊響應(yīng)譜校準(zhǔn)系統(tǒng)。經(jīng)過與專用沖擊響應(yīng)譜試驗機測量結(jié)果的比對可知，該校準(zhǔn)系統(tǒng)測量譜形很好地滿足了試驗容差要求，且最大響應(yīng)峰值出現(xiàn)頻率及量級與試驗機結(jié)果基本一致。說明該校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件程序編寫正確，硬件配置合理。下一步將增加校準(zhǔn)項目及校準(zhǔn)范圍，對沖擊響應(yīng)譜試驗機的合理校準(zhǔn)方法進(jìn)行研究，確保校準(zhǔn)方法的準(zhǔn)確性，提高校準(zhǔn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

［1］汪鳳泉.電子設(shè)備振動與沖擊手冊.北京.科學(xué)出版社.1998.

［2］振動與沖擊手冊編輯委員會.振動與沖擊測試技術(shù).北京.國防工業(yè)出版社.1990.

［3］Eric Bogatin.信號完整性分析.北京.電子工業(yè)出版社.2010.

［4］陳樹學(xué)劉萱.LabVIEW寶典.北京.電子工業(yè)出版社.2011.