中量級(jí)沖擊試驗(yàn)機(jī)砧臺(tái)臺(tái)面量級(jí)分布及規(guī)律研究

連張亮，叢爽，興效鳴，閆旭東

（天津航天瑞萊科技有限公司，天津 300462）

引言

中量級(jí)沖擊試驗(yàn)機(jī)作為考核艦船設(shè)備抗沖擊能力的重要試驗(yàn)設(shè)備之一，具有成本低，數(shù)據(jù)采集便利，沖擊量級(jí)易控制，精度高，可重復(fù)性等特點(diǎn)，并能夠有效模擬水下爆炸對(duì)艦船設(shè)備的影響[1]。

我國(guó)現(xiàn)階段用于中量級(jí)沖擊試驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要為GJB 150.18《軍用設(shè)備環(huán)境實(shí)驗(yàn)方法-沖擊試驗(yàn)》[2]，施建榮等人[1]對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)機(jī)零部件進(jìn)行了整理解讀；閆寒等人[3]依據(jù)GJB 150.18 對(duì)中量級(jí)沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊特性研究發(fā)現(xiàn)槽鋼的最大加速度高于臺(tái)面；王濤等人[4]明確了擺錘尺寸與轉(zhuǎn)軸之間的關(guān)系，為后續(xù)的擺錘研究與優(yōu)化提供了理論依據(jù)；王旭等人[5]依據(jù)理論數(shù)值分析，獲得了工程上擺錘最優(yōu)解，擺錘尺寸能夠夠?qū)[錘打擊點(diǎn)與打擊中心重合；也有對(duì)中量級(jí)沖擊機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程等多方面進(jìn)行研究，為后續(xù)地研究提供依據(jù)[6,7]。

然而，對(duì)于中量級(jí)沖擊試驗(yàn)機(jī)錘頭高度與臺(tái)面砧臺(tái)響應(yīng)量級(jí)大小及分布的影響少有研究；本文通過(guò)改變錘頭高度，在定量中探討錘頭高度與臺(tái)面砧臺(tái)響應(yīng)量級(jí)大小及分布的關(guān)系。

1 試驗(yàn)原理與標(biāo)準(zhǔn)

1.1 試驗(yàn)原理

中量級(jí)沖擊試驗(yàn)機(jī)是將錘頭的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，再通過(guò)波形發(fā)生器將錘頭動(dòng)能轉(zhuǎn)化為砧臺(tái)的動(dòng)能，即：

式中：

m—錘頭質(zhì)量；

g—重力加速度；

h1—錘頭重心距離最低點(diǎn)的高度；

v1—擺錘初始速度0；

h2—錘頭與波形發(fā)生器接觸瞬間其重心距離最低點(diǎn)的高度；

v2—擺錘與波形發(fā)生器接觸瞬間速度，

μ—能量損耗。

式中：

ω0—擺錘動(dòng)能轉(zhuǎn)化為砧臺(tái)機(jī)械能；

ω1—砧臺(tái)能量損耗。

1.2 控制原理

本次試驗(yàn)采取開(kāi)環(huán)控制，試驗(yàn)前，開(kāi)啟油泵，調(diào)整砧臺(tái)臺(tái)面高度，通過(guò)中控機(jī)來(lái)進(jìn)行設(shè)置擺錘錘頭高度等試驗(yàn)參數(shù)，信號(hào)傳遞給中量級(jí)沖擊臺(tái)系統(tǒng)，系統(tǒng)接收信號(hào)后，釋放擺錘，并通過(guò)傳感器反饋給測(cè)量系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)人員確認(rèn)后調(diào)整試驗(yàn)參數(shù)后開(kāi)展后續(xù)試驗(yàn)?？刂圃韴D見(jiàn)圖1。

圖1 沖擊臺(tái)控制原理圖

2 試驗(yàn)參數(shù)

依據(jù)GJB150.18 中的相關(guān)要求及研究需要，采用型號(hào)為Y522700-6/ZF 的中量級(jí)沖擊試驗(yàn)機(jī)，設(shè)置砧臺(tái)行程為76 mm；錘頭高度分別為30 cm、50 cm、60 cm、70 cm、90 cm、100 cm。選取砧臺(tái)臺(tái)面中心點(diǎn)為1 號(hào)測(cè)點(diǎn)，2、3、4 號(hào)測(cè)點(diǎn)均位于對(duì)角線上，與1 號(hào)點(diǎn)的距離均為320 mm，其中，2 號(hào)測(cè)點(diǎn)與3 號(hào)測(cè)點(diǎn)位于擺錘側(cè)，4 號(hào)測(cè)點(diǎn)位于減振器與墻體連接側(cè)，具體位置見(jiàn)圖2。

圖2 中量級(jí)沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)點(diǎn)布置及整體示意圖

本次研究采用的傳感器均為高量級(jí)電荷加速度傳感器，最大量程為20 000 g；選用騰振數(shù)據(jù)采集儀，采集頻率為51 200 Hz，并采用1/12 倍頻程，5 %阻尼比將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)為沖擊響應(yīng)譜，頻域范圍為（0~10 000）Hz。

3 試驗(yàn)結(jié)果

如圖3 展示了砧臺(tái)行程為76 mm 時(shí)，在不同錘頭高度沖擊下的沖擊響應(yīng)譜。這些數(shù)據(jù)提供了關(guān)于沖擊響應(yīng)隨著錘頭高度變化的結(jié)果。根據(jù)圖中所示，隨著錘頭高度的增加，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的量級(jí)響應(yīng)值也隨之增加。這意味著隨著錘頭高度的增加，沖擊力的傳遞和能量的釋放也相應(yīng)增加，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)處的響應(yīng)增強(qiáng)。這說(shuō)明在更高的錘頭高度下，沖擊能量被更有效地傳遞到被測(cè)試物體上，從而引發(fā)更強(qiáng)烈的響應(yīng)?？梢灾庇^的觀察到峰值數(shù)量隨著錘頭高度的增加而逐漸增加，這意味著在更高的錘頭高度下，沖擊過(guò)程中涉及的不同頻率成分增加了。這可能是由于更高的錘頭高度引起了更復(fù)雜的沖擊力傳遞和能量釋放模式，導(dǎo)致了更多的共振現(xiàn)象和頻率成分的激發(fā)。圖中還顯示出第一個(gè)峰值所在的頻率隨著錘頭高度的增加而下降。這表明隨著錘頭高度的增加，主要的共振頻率也發(fā)生了變化。這可能是由于在不同的錘頭高度下，被測(cè)物體的固有頻率和共振模式發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致第一個(gè)峰值出現(xiàn)的頻率位置發(fā)生了偏移。

圖3 砧臺(tái)行程為76 mm，不同錘頭高度下的沖擊響應(yīng)譜

在（500~600）Hz 的頻率范圍內(nèi)，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)量級(jí)出現(xiàn)了所謂的“拐點(diǎn)”。這表示該頻率范圍內(nèi)的響應(yīng)特性在錘頭高度變化時(shí)發(fā)生了顯著的變化。這可以解釋為在這個(gè)特定的頻率范圍內(nèi)，被測(cè)試物體的諧振特性受到了錘頭高度的影響，并導(dǎo)致響應(yīng)量級(jí)的變化。這種現(xiàn)象可能與物體的固有頻率、共振模式以及能量傳遞機(jī)制等因素有關(guān)。

在低頻區(qū)域（10~100）Hz，測(cè)點(diǎn)1 的響應(yīng)量級(jí)低于其他測(cè)點(diǎn)。意味著在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，測(cè)點(diǎn)1 相對(duì)于其他測(cè)點(diǎn)來(lái)說(shuō)對(duì)沖擊力的響應(yīng)較弱?？赡艿脑蚴菧y(cè)點(diǎn)1與沖擊源之間的距離較遠(yuǎn)，導(dǎo)致能量傳遞衰減，從而降低了其響應(yīng)量級(jí)。

當(dāng)錘頭高度為30 cm 時(shí)，測(cè)點(diǎn)1 的曲線較為平滑。表示在這個(gè)錘頭高度下，沖擊力傳遞的過(guò)程相對(duì)較為均勻和穩(wěn)定，沒(méi)有明顯的共振或突發(fā)現(xiàn)象。

當(dāng)錘頭高度達(dá)到50 cm 及以上時(shí)，在這一區(qū)間出現(xiàn)了波峰，并且波峰的高度隨著錘頭高度的增加逐漸增加。意味著在較高的錘頭高度下，沖擊力傳遞和能量釋放變得更為復(fù)雜和強(qiáng)烈，導(dǎo)致了更多的共振現(xiàn)象和頻率成分的激發(fā)。對(duì)于測(cè)點(diǎn)2、3 和4，它們與臺(tái)面中心（即測(cè)點(diǎn)1）的距離相等。在整體趨勢(shì)上，測(cè)點(diǎn)2、3 和4 的響應(yīng)量級(jí)是一致的，并且在中低頻階段具有較好的一致性。說(shuō)明砧臺(tái)的臺(tái)面響應(yīng)量級(jí)以臺(tái)面中心點(diǎn)為圓心向四周呈現(xiàn)梯度變化。與砧臺(tái)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性以及能量傳遞路徑有關(guān)。

在錘頭高度為100 cm 時(shí)，測(cè)點(diǎn)4 在低頻狀態(tài)下的響應(yīng)量級(jí)高于其他兩個(gè)測(cè)點(diǎn)。這個(gè)現(xiàn)象的原因之一是測(cè)點(diǎn)4 相對(duì)于其他測(cè)點(diǎn)來(lái)說(shuō)更接近沖擊源，因此在低頻區(qū)域內(nèi)受到更強(qiáng)的沖擊力作用，導(dǎo)致響應(yīng)量級(jí)的增加。然而，需要進(jìn)行更深入的研究和分析來(lái)確認(rèn)這個(gè)現(xiàn)象，并進(jìn)一步探索其背后的物理機(jī)制。

4 關(guān)鍵數(shù)據(jù)分析

4.1 響應(yīng)量級(jí)最大值分析

圖4 （a）所示為在線性坐標(biāo)系下測(cè)點(diǎn)1 頻率與響應(yīng)量級(jí)之間的關(guān)系曲線圖，最大響應(yīng)量級(jí)對(duì)應(yīng)的頻率受擺錘沖擊載荷的影響較小；在高頻狀態(tài)下，響應(yīng)量級(jí)的波動(dòng)隨沖擊載荷增加而增大。

圖4 測(cè)點(diǎn)1 相關(guān)參數(shù)曲線圖

如圖4（b）所示，隨著擺錘高度與響應(yīng)量級(jí)最大值呈現(xiàn)二次關(guān)系，即：

式中：

S—響應(yīng)量級(jí)最大值，單位為g；

X—擺錘高度，單位為cm。

對(duì)測(cè)點(diǎn)2、3、4 取量級(jí)的最大值取平均，錘頭高度變化對(duì)響應(yīng)量級(jí)的影響如圖4（c）所示，即：

4.2 響應(yīng)量級(jí)梯度分析

砧臺(tái)臺(tái)面響應(yīng)量級(jí)分布主要由擺錘高度、砧板材料，鑄造工藝等多種因素的影響，本文探討擺錘高度對(duì)砧臺(tái)臺(tái)面響應(yīng)量級(jí)梯度的地影響。選取測(cè)點(diǎn)2、3、4 響應(yīng)量級(jí)最大值的平均值及測(cè)點(diǎn)1最大響應(yīng)量級(jí)進(jìn)行差值分析。

圖5 展示了測(cè)點(diǎn)2、3、4 的響應(yīng)量級(jí)最大值的平均值以及測(cè)點(diǎn)1 最大響應(yīng)量級(jí)差值的擬合曲線。通過(guò)觀察這些曲線，我們可以進(jìn)一步探索砧臺(tái)的響應(yīng)特性，并研究擺錘高度和測(cè)點(diǎn)之間的關(guān)系。隨著擺錘高度的增加，砧臺(tái)臺(tái)面的響應(yīng)量級(jí)梯度密度增大。意味著在較高的擺錘高度下，不同測(cè)點(diǎn)之間的響應(yīng)量級(jí)差異更加明顯。這可能是因?yàn)樵谳^高的擺錘高度下，沖擊力能夠更有效地傳遞和分布到砧臺(tái)臺(tái)面的不同區(qū)域，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)之間的響應(yīng)差異增大。這一現(xiàn)象對(duì)于砧臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有重要意義，因?yàn)槲覀兛梢愿鶕?jù)不同的應(yīng)用需求來(lái)調(diào)整擺錘高度，以控制砧臺(tái)臺(tái)面的響應(yīng)特性。當(dāng)測(cè)點(diǎn)1 與其他測(cè)點(diǎn)之間的距離保持不變時(shí)，響應(yīng)量級(jí)差值隨著沖擊載荷的增加而增加。意味著隨著沖擊載荷的增加，測(cè)點(diǎn)1與其他測(cè)點(diǎn)之間的響應(yīng)差異變得更加明顯。這是由于沖擊載荷的增加導(dǎo)致了更強(qiáng)烈的沖擊力傳遞和能量釋放，從而引發(fā)了更大的測(cè)點(diǎn)之間響應(yīng)差異。結(jié)果說(shuō)明，在設(shè)計(jì)和評(píng)估砧臺(tái)性能時(shí)，需要考慮沖擊載荷的大小對(duì)不同測(cè)點(diǎn)響應(yīng)的影響，并針對(duì)性地進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整?？梢酝ㄟ^(guò)等式5 來(lái)描述測(cè)點(diǎn)1 最大響應(yīng)量級(jí)差值隨沖擊載荷增加的增長(zhǎng)關(guān)系。這個(gè)等式提供一種數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)和分析砧臺(tái)響應(yīng)的變化并且在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)等式（5）中的參數(shù)來(lái)調(diào)整砧臺(tái)的設(shè)計(jì)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)所需的響應(yīng)特性。

圖5 最大響應(yīng)量級(jí)差值擬合曲線圖

式中：

X—擺錘高度，單位為cm。

5 結(jié)語(yǔ)

1）在低頻區(qū)域（10~100）Hz，砧臺(tái)臺(tái)面中間區(qū)域量級(jí)低于四周量級(jí)；與中心點(diǎn)的等距位置量級(jí)分布均勻；

2）擺錘高度與砧臺(tái)臺(tái)面各測(cè)點(diǎn)的最大響應(yīng)量級(jí)呈現(xiàn)二次關(guān)系；

3） 隨著擺錘高度的增加，砧臺(tái)臺(tái)面的響應(yīng)量級(jí)梯度密度增大；與砧臺(tái)中心點(diǎn)的等距測(cè)點(diǎn)間距的響應(yīng)量級(jí)差值隨沖擊載荷的增加而增加。