特種沖擊波形發(fā)生器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

楊強(qiáng) 白春玉 劉小川 常選倉(cāng) 劉沖沖

摘要：針對(duì)航空武器裝備特種沖擊波形加載需求，基于小孔節(jié)流阻尼原理設(shè)計(jì)了一款具有30×45個(gè)可調(diào)節(jié)小孔的沖擊波形發(fā)生器，建立了該波形發(fā)生器動(dòng)力學(xué)方程，采用四階龍格庫(kù)塔法對(duì)加載波形進(jìn)行了仿真，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，該波形發(fā)生器性能達(dá)到了模擬12g/200ms標(biāo)準(zhǔn)半正弦波指標(biāo)要求，并在某艦載外掛物彈射攔阻沖擊試驗(yàn)和直升機(jī)座椅垂向沖擊試驗(yàn)中進(jìn)行了應(yīng)用，為航空武器裝備的特種沖擊試驗(yàn)提供了一種驗(yàn)證裝置和試驗(yàn)方法。

關(guān)鍵詞：沖擊波形發(fā)生器；沖擊試驗(yàn)；小孔阻尼；試驗(yàn)方法；波形容差

中圖分類號(hào)：V216.5+5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.12.006

航空裝備在服役過(guò)程中難免遭受沖擊載荷環(huán)境，如飛機(jī)的起降、外物沖擊、武器發(fā)射、艦載機(jī)彈射起飛與攔阻著艦等，這些沖擊載荷不但會(huì)影響機(jī)載設(shè)備正常運(yùn)行，如電子設(shè)備在瞬態(tài)沖擊載荷作用下易導(dǎo)致焊點(diǎn)松動(dòng)脫落，致使設(shè)備出現(xiàn)失靈故障，而且可能導(dǎo)致飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷甚至破壞，影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)安全性。因此必須對(duì)易遭受沖擊環(huán)境的機(jī)載產(chǎn)品和典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)考核，以保證其裝機(jī)使用的安全。

飛機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范中已明確提出了系列的沖擊試驗(yàn)的要求，如GJB 150.18規(guī)定了機(jī)載產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)承受功能性沖擊、墜撞安全沖擊和彈射攔阻沖擊的要求；GJB 3838規(guī)定了直升機(jī)座椅抗墜毀沖擊的要求；CCAR-25對(duì)航空座椅提出了抗墜撞沖擊的要求。隨著沖擊試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，大部分沖擊試驗(yàn)可以在標(biāo)準(zhǔn)電磁振動(dòng)臺(tái)或液壓沖擊試驗(yàn)臺(tái)上完成，但對(duì)于一些特殊的高量值、大脈寬、長(zhǎng)行程沖擊波形，如艦載機(jī)彈射攔阻、機(jī)載外掛物沖擊、武器發(fā)射和爆炸沖擊等，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)臺(tái)無(wú)法滿足，只能研制專用的特種沖擊波形發(fā)生器。特種沖擊波形發(fā)生器主要采用小孔油液阻尼類[1-9]或黏彈性橡膠阻尼類。

對(duì)于油液阻尼波形發(fā)生器，季馨[1]首先根據(jù)小孔阻尼原理，建立了小孔阻尼波形發(fā)生器半正弦波形的特征方程，但沒(méi)給出波形發(fā)生器阻尼小孔數(shù)量與沖擊加載位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系。徐剛[2]基于等壓式緩沖原理研制了一套滿足大中型構(gòu)件的大脈寬沖擊試驗(yàn)的波形發(fā)生器，但其波形調(diào)節(jié)比較困難。胡勇[3]提出一種適用于沖擊碰撞試驗(yàn)的錐形間隙小孔組合節(jié)流液壓脈沖發(fā)生器。王貢獻(xiàn)[4-5]基于液壓耗能和節(jié)流阻尼原理，提出了一種垂向被動(dòng)式液壓波形發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)加速度峰值和脈寬分別在10～70g和10～30ms的范圍內(nèi)波形模擬。焦素娟[6]提出一種環(huán)形縫隙和阻尼孔并聯(lián)結(jié)構(gòu)的液壓波形發(fā)生器。Thomas M. Hessburg[7]采用非線性動(dòng)力學(xué)模型對(duì)一種大能量液壓沖擊波形器性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，但此波形器結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且成本高。丁凡[8]建立了短笛型緩沖裝置的數(shù)學(xué)模型，分析了短笛緩沖柱塞結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)緩沖速度及緩沖腔壓力的影響，但未對(duì)緩沖產(chǎn)生的加速度波形進(jìn)一步研究。李強(qiáng)[9]提出了模擬汽車碰撞的吸能裝置，但加載波形依賴節(jié)制桿形狀，波形調(diào)節(jié)不方便，成本高。

對(duì)于橡膠波形發(fā)生器，黃德東[10]和Jingjing Wen[11]建立了橡膠半正弦波形發(fā)生器非線性動(dòng)力學(xué)模型，給出了該波形發(fā)生器的測(cè)量和計(jì)算方法。但該模型僅對(duì)較小脈寬的波形發(fā)生器模擬精度較高。呂劍等[12]建立橡膠波形發(fā)生器生成半正弦沖擊波的理論計(jì)算模型，有效模擬和預(yù)測(cè)沖擊試驗(yàn)機(jī)臺(tái)面的近似半正弦沖擊波形。吳斌[13]基于橡膠波形發(fā)生器設(shè)計(jì)了一種全氣壓驅(qū)動(dòng)的垂直沖擊試驗(yàn)臺(tái)，但該波形發(fā)生器受橡膠硬度和外形影響較大，對(duì)不同質(zhì)量被試物體及波形需要設(shè)計(jì)不同的橡膠緩沖墊。而不適于大變形沖擊波形模擬。于治會(huì)[14]研究發(fā)現(xiàn)，橡膠非線性對(duì)產(chǎn)生波形有較大影響，易形成上尖下寬加速度波形，沖擊力越大，上尖下寬現(xiàn)象越嚴(yán)重。楊玉良[15]、高挺[16]和喬梁[17]等研制了一種用于模擬火炮射擊后坐沖擊載荷橡膠沖擊波形發(fā)生器。橡膠類波形發(fā)生器因其作用原理很難實(shí)現(xiàn)較大行程和脈寬的波形。

此外，還有以金屬圓管擴(kuò)張變形原理來(lái)模擬沖擊波形，實(shí)現(xiàn)梯形波形加載[18]；有以板類結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)模擬爆炸沖擊波形加載[19]。但這些方法波形模擬難度大，成本高，可重復(fù)差。針對(duì)艦載機(jī)彈射攔阻、機(jī)載外掛物和直升機(jī)抗墜毀座椅的大脈寬、長(zhǎng)行程的特種沖擊波形，以小孔節(jié)流阻尼原理，設(shè)計(jì)一套小孔可調(diào)的沖擊波形發(fā)生器，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證其設(shè)計(jì)性能，并應(yīng)用于某艦載外掛物和直升機(jī)座椅的垂向沖擊。

1沖擊波形發(fā)生器設(shè)計(jì)

1.1小孔油液阻尼原理

由此可知，活塞受到阻尼力F與小孔面積的平方成反比，與小孔個(gè)數(shù)的平方成反比，與小孔流量系數(shù)的平方成反比，與活塞下移速度平方成正比，與活塞缸橫截面面積的三次方成正比。

1.2沖擊波形發(fā)生器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)目標(biāo)：滿足航空裝備大脈寬長(zhǎng)行程沖擊試驗(yàn)。設(shè)計(jì)指標(biāo)：加載波形形式可調(diào)（三角波、半正弦等）、波形量值可調(diào)（最大脈沖寬度不小于200ms、幅值不小于12g等）。應(yīng)用對(duì)象：航空機(jī)載外掛物、艦載機(jī)機(jī)載設(shè)備、民用運(yùn)輸類飛機(jī)座椅、直升機(jī)抗墜毀座椅等。設(shè)計(jì)參數(shù)：沖擊波形發(fā)生器采用小孔油液阻尼形式，液壓油缸內(nèi)徑D0=360mm，小孔直徑d0=16mm，沿油缸周向均勻布置30個(gè)小孔，沿徑向間隔35mm設(shè)置一排小孔，共設(shè)置45排，可調(diào)節(jié)油孔數(shù)量為1350個(gè)。油液選用昆侖L-HM46號(hào)抗磨液壓油，密度ρ為0.853g/cm3。

油液阻尼波形發(fā)生器由內(nèi)缸、外缸、活塞桿、小孔等組成，如圖1所示。其運(yùn)行原理是在波形發(fā)生器內(nèi)注入一定高度的油液，根據(jù)所需加載波形計(jì)算調(diào)整內(nèi)缸上小孔開(kāi)孔數(shù)量及分布，活塞以一定速度壓入內(nèi)缸中，油液流經(jīng)小孔產(chǎn)生阻尼力對(duì)活塞施加反向作用力，從而實(shí)現(xiàn)加速度波形加載。該波形發(fā)生器是一個(gè)減加速度加載裝置。

假設(shè)負(fù)載總質(zhì)量為M，在重力作用下，以速度u擠壓油液，可將波形發(fā)生器簡(jiǎn)化為質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)，如圖2所示，因此，整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程表示為：

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)半正弦波A=12g，D=200ms，根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]中公式計(jì)算可得沖擊最大速度為14.97m/s，最大行程為1.479m。根據(jù)公式（2）計(jì)算可知，小孔面積和小孔個(gè)數(shù)隨著活塞行程增大而逐漸減少，如圖3所示。由圖3可知，小孔個(gè)數(shù)隨活塞行程在初始時(shí)刻變化最快，然后逐漸變化緩慢，最后變化速度又加快，這與加載波形的斜率有關(guān)。由此可以得到波形發(fā)生器每排小孔的初步調(diào)節(jié)方案，用aa矢量表示，aa=[30 30 30 25 25 25 20 17 14 12 11 10 9 8 8 7 7 6 6 6 6 5 5 5 5 5 5 5 4 5 5 5 5 5 5 6 6 7 7 9 10 3 0 1]，其中aa（i）表示波形發(fā)生器第i排有效小孔的數(shù)量。得到加速度波形仿真結(jié)果如圖4所示，從圖4可知，大部分加速度波形在容差范圍內(nèi)，只有下降沿小部分超出下容差。

2垂向沖擊試驗(yàn)方法及應(yīng)用

2.1垂向沖擊試驗(yàn)方法

垂向沖擊試驗(yàn)主要基于本文設(shè)計(jì)的波形發(fā)生器，在垂直落塔上，將被試產(chǎn)品無(wú)偏心地安裝到落塔吊籃中，吊籃上部與落塔提升投放系統(tǒng)連接，吊籃下部與波形發(fā)生器活塞桿固接，吊籃由落塔提升系統(tǒng)提升至指定高度投放，在重力作用下自由落體，獲得初始速度，活塞桿進(jìn)入波形發(fā)生器內(nèi)擠壓油液，從而產(chǎn)生反向阻尼力，將加速度載荷間接施加到被試產(chǎn)品上，完成一次沖擊試驗(yàn)加載。落塔試驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示。

該試驗(yàn)過(guò)程中，被試產(chǎn)品與吊籃和活塞桿的總質(zhì)量為M，在被試產(chǎn)品及吊籃上布置加速度傳感器，用于測(cè)量施加在被試產(chǎn)品中的加速度載荷。用激光位移傳感器測(cè)量吊籃提升的高度，用高速攝像測(cè)量吊籃下落的速度。當(dāng)被試產(chǎn)品對(duì)初始速度要求不高時(shí)，可以由能量守恒，估計(jì)出吊籃提升的高度；當(dāng)被試產(chǎn)品對(duì)初始速度要求嚴(yán)格時(shí)，由于吊籃滑輪與導(dǎo)軌間的摩擦、空氣阻力等因素存在，導(dǎo)致最終速度偏小，此時(shí)，需要在正式試驗(yàn)前，通過(guò)多次投放調(diào)試，獲得精確的提升高度。

油液式波形發(fā)生器產(chǎn)生的波形相對(duì)比較平滑，不會(huì)產(chǎn)生次波形，但高速數(shù)采在采集過(guò)程中難免有一些噪聲或其他雜波信號(hào)，導(dǎo)致直接采集的信號(hào)不能反映真實(shí)加載量值，因此，在采集到數(shù)據(jù)后需要進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波處理，濾波基本原則是低通頻率不小于加載波形頻率的10倍。

2.2典型應(yīng)用案例

（1）艦載外掛物彈射攔阻沖擊試驗(yàn)

某艦載外掛物的彈射攔阻沖擊試驗(yàn)要求是加載波形為12g/200ms半正弦波，容差為±15%。在垂直落塔試驗(yàn)系統(tǒng)中，將外掛物通過(guò)專用夾具安裝到吊籃中，并安裝一定質(zhì)量配重塊，將整個(gè)吊籃的重心調(diào)至中心位置，如圖6所示。為了使外掛物獲得14.97m/s的初始速度，將吊籃提升至11.43m的高度；通過(guò)調(diào)節(jié)波形發(fā)生器小孔個(gè)數(shù)和分布，獲得了滿足試驗(yàn)要求加載波形，如圖7所示，其中目標(biāo)譜是指標(biāo)準(zhǔn)的12g/200ms半正弦波，容差±15%是指加載譜誤差帶范圍，測(cè)試譜是指某艦載外掛物沖擊試驗(yàn)中實(shí)測(cè)加速度響應(yīng)曲線。從圖7可以看出，測(cè)試譜的峰值和脈沖寬度均在容差帶內(nèi)，測(cè)試譜的上升沿也在容差帶范圍內(nèi)，測(cè)試譜的下降沿有部分超出下容差，這與測(cè)試譜型“偏瘦”問(wèn)題有關(guān)，于治會(huì)[14]指出加載波形“偏瘦”主要是非線性問(wèn)題導(dǎo)致的，在第3節(jié)將對(duì)該超差問(wèn)題進(jìn)行評(píng)估。完成了某艦載外掛物耐彈射攔阻沖擊性能的考核。

（2）直升機(jī)座椅垂向沖擊試驗(yàn)

按照GJB 3838《直升機(jī)抗墜毀座椅通用規(guī)范》相關(guān)要求，某直升機(jī)座椅設(shè)計(jì)垂向需要滿足峰值在23～28g的三角波，加載速度不小于10.2m/s的抗墜毀沖擊試驗(yàn)考核，還要對(duì)乘員具有一定保護(hù)作用。在垂直落塔試驗(yàn)系統(tǒng)中，將直升機(jī)座椅通過(guò)專用夾具安裝到吊籃中，座椅上加裝90kg標(biāo)準(zhǔn)假人，假人采用座椅安全帶約束，如圖8所示。為了使座椅獲得不小于10.2m/s的初速度，將吊籃提升至大于5.3m的高度，通過(guò)調(diào)節(jié)波形發(fā)生器小孔個(gè)數(shù)和分布，獲得了滿足試驗(yàn)要求的加載波形，如圖9所示，其中實(shí)測(cè)譜是指座椅沖擊試驗(yàn)中實(shí)測(cè)加速度響應(yīng)曲線；Gmax是指沖擊加載最大加速度時(shí)的響應(yīng)曲線；Gmin是指沖擊加載最小加速度時(shí)的響應(yīng)曲線。從圖9可以看出，實(shí)測(cè)譜的峰值為25.21g，在23～28g范圍內(nèi)，實(shí)測(cè)譜的上升斜率也在Gmax和Gmin曲線中間，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。吊籃速度通過(guò)整個(gè)加速過(guò)程積分計(jì)算獲得，如圖10所示，本次加載最大速度為11.14m/s，滿足相關(guān)技術(shù)要求。

3沖擊波形影響評(píng)估

針對(duì)某飛機(jī)外掛物試驗(yàn)波形下降沿超差問(wèn)題，結(jié)合有限元仿真分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。首先，在HyperMesh軟件中將外掛物三維數(shù)模各部件簡(jiǎn)化為殼單元，各部分連接采用tie約束，內(nèi)部減振器簡(jiǎn)化為彈簧k和阻尼c單元，忽略產(chǎn)品內(nèi)部線路及無(wú)關(guān)細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，建立外掛物有限元模型。然后在ABAQUS軟件中采用模態(tài)分析法獲得外掛物的特征頻率和特征振型。最后基于模態(tài)動(dòng)力學(xué)原理仿真了外掛物在標(biāo)準(zhǔn)12g/200ms半正弦沖擊波形、不同沖擊峰值、不同沖擊脈寬、不同畸變波形（下降沿超差）等載荷工況加載下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，輸出與試驗(yàn)測(cè)試對(duì)應(yīng)部位的加速度響應(yīng)，將仿真分析加速度曲線與試驗(yàn)測(cè)試作對(duì)比，如圖11所示，加速度響應(yīng)峰值誤差見(jiàn)表1，發(fā)現(xiàn)沖擊峰值和脈寬對(duì)結(jié)構(gòu)影響較大，峰值越高，結(jié)構(gòu)響應(yīng)越大，脈寬越長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)收到?jīng)_擊能量大，響應(yīng)也越大；而加載下降沿超差對(duì)結(jié)構(gòu)影響不大。

4結(jié)論

基于小孔節(jié)流阻尼原理研制了一款具有可調(diào)小孔的沖擊波形發(fā)生器，并進(jìn)行應(yīng)用，得出結(jié)論如下：

（1）基于小孔節(jié)流原理設(shè)計(jì)了一套垂向沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)三角波形、半正弦波加載，最大加載行程為1.5m，最大脈寬不小于200ms，承載能力不小于2000kg。

（2）建立了面向航空特種波形的垂向沖擊的試驗(yàn)方法，進(jìn)行了某艦載外掛物沖擊和直升機(jī)座椅垂向沖擊的應(yīng)用。

（3）進(jìn)行了波形超差因素評(píng)估，得到了沖擊載荷峰值、脈寬對(duì)結(jié)構(gòu)影響較大，而下降沿的小范圍超差對(duì)結(jié)構(gòu)影響較小。

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（責(zé)任編輯陳東曉）

作者簡(jiǎn)介

楊強(qiáng)（1987-）男，碩士，工程師。主要研究方向：結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)。

Tel：15929485119E-mail：yqiang1230@163.com

白春玉（1984-）男，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)。

劉小川（1983-）男，博士，研究員。主要研究方向：結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)。

常選倉(cāng)（1980-）男，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：機(jī)械電子工程。

劉沖沖（1985-）男，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)。

Design and Application of Special Shock Wave Generator

Yang Qiang1，*，Bai Chunyu1，Liu Xiaochuan1，Chang Xuancang2，Liu Chongchong1

1. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Structures Impact Dynamics，AVIC Aircraft Strength Research Institute，Xian 710065，China 2. The 29th Research Institute CETC，Chengdu 610036，China

Abstract： According to the requirements of special shock test for aviation weapon equipment， a shock wave generator with 30×45 adjustable small holes was designed based on the principle of orifice throttling and damping. The dynamic equation of the waveform generator was established. The loading waveform was simulated by the fourthorder Runge Kutta method， and the experimental verification was carried out. The results show that the performance of the waveform generator can meet the requirements of simulating 12g / 200ms standard half sine waveform， and has been applied in the shock test of an aircraft external store and the vertical impact test of helicopter seat， which provides a verification device and test method for the special impact test of aviation weapon equipment.

Key Words： shock wave generator； shock test； small hole damping； test method； waveform tolerance