動態(tài)力學模擬試驗信號產(chǎn)生系統(tǒng)結(jié)構設計

摘 要：為解決現(xiàn)存高速碰撞動態(tài)力學模擬沖擊試驗存在的試驗成本高、試驗周期長，且無法實現(xiàn)連續(xù)多次高幅值沖擊等問題，對高速連續(xù)沖擊動態(tài)力學模擬試驗信號產(chǎn)生系統(tǒng)結(jié)構進行了設計。通過對高速連續(xù)多次沖擊信號進行靶場實測、仿真分析，揭示沖擊信號特征，提出技術要求；根據(jù)信號特征，確定設計方案，利用“旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)盤+退讓式?jīng)_擊頭”裝置，產(chǎn)生連續(xù)多次高幅值、短間隔的沖擊過載信號；通過模態(tài)分析及數(shù)值模擬，驗證方案設計的可行性，并進行樣機測試。結(jié)果表明：設計可實現(xiàn)模擬連續(xù)沖擊大于10次，沖擊幅值高于5 000g，沖擊時間間隔小于3 ms，且沖擊時間間隔可調(diào)。設計可滿足在實驗室中對高速碰撞動力學信號的模擬檢測，為實驗室模擬高速連續(xù)沖擊過程并進行沖擊信號動態(tài)性能研究提供參考。

關鍵詞：機械動力學與振動；高幅值；短間隔；動態(tài)力學；模擬沖擊試驗

中圖分類號：TH-39 文獻標識碼：A

Structural design of signal generation system for dynamic mechanics simulation test

Abstract：

To solve the problems of high testing cost， long testing cycle， and inability to achieve continuous high amplitude impact in the existing high-speedCQdu3ebmliZ2f0U7NxD7KgsOiB7t0EL46j0XGf5GzU4= collision dynamic mechanics simulation impact test， a signal generation system structure of high-speed continuous impact dynamic mechanics simulation test was designed. By conducting field tests and simulation analysis on high-speed continuous multiple impact signals， the characteristics of the impact signals were revealed， and technical requirements were proposed. Based on the signal characteristics， the design scheme was determined and a "rotating turntable + yielding impact head" device was used to generate continuous high amplitude and short interval impact overload signals. The feasibility of the scheme design was verified through modal analysis and numerical simulation， and the prototype testing was conducted. The results show that the design can simulate continuous impacts greater than 10 times， with an impact amplitude greater than 5 000g， an adjustable impact time interval of less than 3 ms. The design can meet the simulation detection of high-speed collision dynamics signals in the laboratory， providing a method for simulating high-speed continuous impact processes and conducting dynamic performance research on impact signals.

Keywords：

mechanical dynamics and vibration; high amplitude; short interval; dynamic mechanics; simulated impact test

高速動態(tài)力學測試技術廣泛應用于模擬汽車事故、飛機墜毀、彈藥爆炸和其他高沖擊事件[1-3]。目前，高速動態(tài)力學測試主要有空氣炮試驗、馬歇特錘試驗、霍普金森桿試驗、靶場試驗等[4-6]。空氣炮試驗可模擬單次高g（重力加速度，下同）值沖擊試驗，沖擊加速度峰值可達1.0×105g以上[7-9]；馬歇特錘試驗也可模擬單次高g值沖擊試驗，但存在峰值散布大、作用力持續(xù)時間短、無法達到毫秒級脈寬等缺點[10]；霍普金森桿試驗技術的發(fā)射原理與空氣炮相同，均是基于2個彈性桿共軸撞擊下的一維應力波理論設計，可實現(xiàn)高達2.0×105g以上的單次沖擊試驗[11-12]；靶場試驗可真實反映動態(tài)高幅值連續(xù)沖擊信號的狀態(tài)，但存在試驗周期長、成本高，且有一定危險性等缺點[13-15]。

針對上述試驗方法存在的不足，本研究涉及一種可在實驗室對高速連續(xù)動態(tài)力學進行模擬測試系統(tǒng)。通過對連續(xù)多次高幅值、短間隔動態(tài)力學特性進行分析，以滿足實驗室對高速碰撞力學信號的模擬檢測。

1 方案設計

通過對高速連續(xù)多次沖擊信號進行靶場實測、仿真分析，得出該信號具有幅值高（5 000g以上）、沖擊間隔時間短（3～5 ms）和存在信號振蕩疊加等特征。因此，設計的模擬試驗系統(tǒng)必須能夠滿足具有振蕩干擾加載現(xiàn)象的連續(xù)多次高幅值（連續(xù)10次以上）、短間隔沖擊信號（3 ms），同時要求信號幅值和沖擊間隔可控?；谠撘笸瓿煽傮w方案設計。將動態(tài)力學模擬試驗系統(tǒng)分為控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、沖擊信號產(chǎn)生系統(tǒng)、振蕩加載系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)和防護系統(tǒng)6個部分，如圖1所示。本文重點對沖擊信號產(chǎn)生系統(tǒng)進行介紹。

沖擊信號產(chǎn)生系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)退讓式?jīng)_擊頭、液壓進給臺和待測引信夾具組成。沿轉(zhuǎn)盤圓周方向均勻分布20個沖擊頭，確保轉(zhuǎn)盤在沖擊過程中的穩(wěn)定性和沖擊時間間隔均勻。且沖擊頭可拆卸，通過拆卸沖擊頭數(shù)目，保證在一定轉(zhuǎn)速下，沖擊時間間隔可調(diào)。

旋轉(zhuǎn)退讓式?jīng)_擊頭設計如圖2所示。沖擊頭與圓柱銷采用間隙配合方式連接在固定座上，在撞擊過程中，沖擊頭可繞圓柱銷旋轉(zhuǎn)，使其在撞擊后可退出引信運動回路，確保待測引信在彈簧力的作用下能夠快速恢復到待撞擊位置，進行下次碰撞。碰撞結(jié)束后沖擊頭在高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤離心力的作用下恢復至原來狀態(tài)，進行下一圓周連續(xù)沖擊。

進給試驗臺三維模型圖如圖3所示。試驗前將進給試驗臺與轉(zhuǎn)盤按照一定角度和距離固定，使沖擊頭可以在引信夾具及固定座開槽處旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生退讓。

試驗中當轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后液壓缸推動引信夾具及固定座到達待沖擊位置，進給行程由滾柱直線導軌、限位蓋板和固定機架共同確定。

2 分析仿真

基于高速連續(xù)沖擊信號產(chǎn)生系統(tǒng)方案設計，試驗前通過模態(tài)分析和數(shù)值模擬的方法驗證方案的可行性。

2.1 轉(zhuǎn)盤部分及引信夾具模態(tài)分析

該模擬試驗過程為高幅值、連續(xù)沖擊，在沖擊過程中一旦發(fā)生設備共振，會導致嚴重后果。為保證系統(tǒng)運行的安全性，需對轉(zhuǎn)盤軸、轉(zhuǎn)盤和引信夾具等進行模態(tài)分析，研究其固有頻率和振型。通過有限元分析軟件ANSYS Workbench對轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)盤軸部分進行模態(tài)分析，根據(jù)結(jié)構設計在Solidworks里完成建模后導入Workbench，轉(zhuǎn)盤材料選擇高強鋼；轉(zhuǎn)盤進行網(wǎng)格劃分時，令轉(zhuǎn)盤邊界網(wǎng)格尺寸較大，轉(zhuǎn)盤中心部分網(wǎng)格尺寸較小，為保證分析精度，用六面體對其進行網(wǎng)格劃分，劃分后網(wǎng)格數(shù)量適中，質(zhì)量良好。分別對轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)盤軸1—6階共振頻率求解，轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)盤軸各階振動模態(tài)分別如圖4、圖5所示。

由模態(tài)分析結(jié)果可知，轉(zhuǎn)盤在各階模態(tài)下邊界處變形最大，中間變形最小，并且變形呈軸對稱分布，其1階模態(tài)最大變形為4 mm左右。而轉(zhuǎn)盤軸1階模態(tài)最大變形位于軸肩12 mm處，2階模態(tài)最大變形位于軸與聯(lián)軸器連接端，3階、4階、5階模態(tài)最大變形位于軸與轉(zhuǎn)盤連接端。轉(zhuǎn)盤1階固有頻率f11=32.70 Hz，轉(zhuǎn)盤軸1階固有頻率為f12=300.72 Hz，而根據(jù)設計轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)盤軸最高轉(zhuǎn)速為nmax=1 000 r/min，即轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)盤軸最高頻率為

可見轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)盤軸轉(zhuǎn)動最大頻率遠小于其各自1階固有頻率值，因此轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)盤軸設計較為合理，不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

同理，對引信夾具部分進行模態(tài)分析，得到引信夾具前6階振動模態(tài)如圖6所示。

由圖6可知，引信夾具1階固有頻率f13=5 033 Hz，1階、2階模態(tài)最大變形量位于桶狀殼體和內(nèi)腔隔板交接處，均為20 mm，3階模態(tài)變形量在20 mm以上的區(qū)域顯著增大。根據(jù)設計，轉(zhuǎn)盤最高轉(zhuǎn)速為nmax=1 000 r/min，轉(zhuǎn)盤上最多安裝沖擊頭數(shù)量為Nmax=20，因此試驗時沖擊頭對待測引信夾具的最大沖擊頻率為

可見沖擊頭對待測引信夾具的最大沖擊頻率遠小于引信夾具的1階固有頻率值，因此不會發(fā)生共振現(xiàn)象。

2.2 信號產(chǎn)生系統(tǒng)沖擊過程仿真分析

為驗證本設計能否滿足方案中對沖擊次數(shù)（≥10次）、最大過載幅值（≥5 000g）、沖擊時間間隔（≤3 ms）且可調(diào)的要求，使用運動學仿真軟件Adams對多次沖擊過程進行仿真分析。

根據(jù)上文設計，在SolidWorks中建立轉(zhuǎn)盤上均布20個沖擊頭的沖擊信號產(chǎn)生系統(tǒng)三維模型，之后將模型導入Adams軟件建立虛擬樣機模型。首先，將可以視為整體的不同部件進行整合以簡化模型；其次，按照實際情況添加彈簧、重力、材料屬性、約束、接觸等信息；最后，添加柔性連接，使沖擊頭碰撞旋轉(zhuǎn)后可以在離心力的作用下恢復至與轉(zhuǎn)盤切向垂直，等待下一次沖擊。建立的沖擊信號產(chǎn)生系統(tǒng)虛擬樣機模型如圖7所示。

在轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)盤軸間的轉(zhuǎn)動副上施加不同驅(qū)動值，即可實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤以不同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，帶動撞塊完成沖擊。以轉(zhuǎn)速為500 r/min為例（即ω≈52.36 rad/s），未添加振動顆粒時，對待測引信受多次沖擊的過程進行仿真分析，得到引信的加速度-時間曲線如圖8所示。

分析加速度曲線可知，從第1次開始到第10次沖擊完成用時約為0.06 s，每次沖擊時間間隔相同約為6 ms；同時可以發(fā)現(xiàn)，待測引信在每次受到?jīng)_擊獲得X軸負向加速度后，在彈簧的作用下又獲得正向加速度，兩者共同作用使待測引信在固定座內(nèi)往復運動。對每次沖擊待測引信正向和負向加速度峰值進行統(tǒng)計，如表1所示。

由表1可知，多次沖擊過程中每次沖擊產(chǎn)生的負向加速度幅值都在3 000g以上，首次沖擊負向加速度峰值為3 783g，最高沖擊負向加速度峰值為6 463g出現(xiàn)在第3次沖擊中。并且前4次沖擊加速度峰值差異較大，而后6次沖擊過程負向加速度相對穩(wěn)定。彈簧作用下待測引信獲得的正向加速度也有同樣的特點，前5次沖擊后的正向加速度峰值差異較大，而后5次沖擊正向加速度峰值相對穩(wěn)定。為研究該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，引入多次沖擊過程中引信沿X軸的速度-時間和位移-時間變化曲線分別如圖9、圖10所示。

結(jié)合速度、位移變化曲線分析多次沖擊過程待測引信狀態(tài)變化情況可知，受到首次沖擊后，待測引信獲得沿X軸負向速度向固定座內(nèi)移動使彈簧壓縮，隨著彈簧壓縮量的增大，待測引信速度逐漸下降直至沿X軸正向運動，但隨著下次碰撞的到來，沖擊頭并未恢復至初始位置就在沖擊的作用下再次負向移動。以上過程循環(huán)往復，導致前幾次沖擊發(fā)生時引信位置和速度具有較大差異，故每次沖擊后過載峰值差異較大；而在后幾次沖擊發(fā)生時引信位置和速度趨于穩(wěn)定，所以每次沖擊后過載峰值差異較小。

結(jié)合設計指標和仿真結(jié)果，在轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為500 r/min時，引信能夠獲得滿足最大過載峰值要求的信號，但沖擊時間間隔大于最小沖擊時間間隔，未滿足指標要求。為研究在可行范圍內(nèi)改變轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速對信號過載峰值和沖擊時間間隔的影響，分別在轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為500，600，700，800，900和1 000 r/min的條件下進行前10次沖擊過程仿真試驗，仿真過程如圖11所示。

統(tǒng)計每次仿真負向加速度峰值平均值和沖擊時間間隔，不同轉(zhuǎn)速下仿真結(jié)果對比如表2所示。

根據(jù)仿真結(jié)果可知，沖擊信號產(chǎn)生系統(tǒng)模擬信號過載加速度幅值大小與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速呈正相關，而沖擊時間間隔大小與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速呈負相關。因此該方案可以達到模擬過載幅值和沖擊時間間隔可控的要求。并且當轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速達到700 r/min以上時，可以保證模擬信號平均加速度沖擊過載加速度幅值不小于5 000g，當轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速達到1 000 r/min以上時，可以保證沖擊時間間隔不大于3 ms。

綜上，通過對試驗方案進行多次沖擊過程運動學仿真分析可知，通過調(diào)整轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，可使該設計滿足對沖擊次數(shù)、沖擊幅值和沖擊時間間隔的技術指標要求。

3 系統(tǒng)試驗驗證

對方案能夠模擬的連續(xù)沖擊次數(shù)、沖擊信號幅值和沖擊時間間隔等情況展開研究，在不安裝振蕩加載系統(tǒng)的情況下進行試驗。當安裝20個沖擊頭時，在轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為700 r/min下進行多次沖擊試驗，通過攝像頭觀測到?jīng)_擊發(fā)生時的設備狀態(tài)，如圖12所示。

通過試驗視頻可以看到進給試驗臺和旋轉(zhuǎn)試驗臺在整個過程中保持穩(wěn)定，多次沖擊發(fā)生時，引信夾具體在固定座內(nèi)產(chǎn)生位移和振動。由信號采集系統(tǒng)采集引信受到連續(xù)多次沖擊時加速度傳感器輸出電壓值，并根據(jù)傳感器靈敏度在PC端繪制加速度曲線。

經(jīng)處理后得到在轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為700 r/min時模擬試驗過程引信加速度曲線如圖13所示?？梢钥闯觯瑥牡?次沖擊開始到第11次沖擊完成，用時約為50 ms，因此該設備能夠模擬10次以上的連續(xù)高沖擊。對10次沖擊過程引信加速度峰值和峰值發(fā)生時刻進行統(tǒng)計，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，本次試驗過程中引信獲得的加速度最大值為6 354g，10次沖擊下引信加速度幅值的平均值為5 603g，滿足方案對沖擊過載信號幅值的要求。每次沖擊時間間隔約為4.4 ms，與計算結(jié)果基本一致。每次沖擊波形變化趨勢相同，但幅值具有差異。該現(xiàn)象與仿真情況相同，進一步觀察試驗過程中引信夾具體狀態(tài)可知，在試驗過程中引信夾具體在固定座內(nèi)振動，同時在彈簧和沖擊的共同作用下在固定座軌道內(nèi)往復運動，每次沖擊發(fā)生時引信狀態(tài)不同，因此每次沖擊具有不同的過載峰值。

為獲得滿足設計要求的沖擊時間間隔，在提高轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的情況下進行模擬試驗，轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時獲得引信加速度曲線如圖14所示。

由圖14可知，當轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時，在不到30 ms的時間內(nèi)對引信完成了10次連續(xù)沖擊，沖擊時間間隔約為3 ms，達到指標要求。同時過程中引信加速度幅值最大值為9 887g，每次沖擊下引信加速度幅值的平均值為8 083g。對比分析可知，當轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速增加后，沖擊過載信號幅值明顯增加。

為研究轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速與沖擊幅值、沖擊時間間隔的關系，在轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速分別為200，300，400，500，600，700，800，900，1 000 r/min時，進行9組模擬試驗，對引信加速度波形進行分析后得到的結(jié)果如表4所示。

根據(jù)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速可以計算出沖擊頭與待測引信夾具碰撞時速度V=ωR=2πnR/60。由表4可以推論出，試驗過程中引信受到的加速度信號平均幅值隨著轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的增加而增加，沖擊時間間隔隨著轉(zhuǎn)速的增加而減少。當轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速達到600 r/min以上時，每次沖擊下引信加速度幅值達到5 000g以上，當轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速達到1 000 r/min時，沖擊時間間隔達到3.0 ms。因此該設備可以滿足試驗方案對沖擊次數(shù)（轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速）、加速度幅值和沖擊時間間隔的要求。

將表4所示的試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進行對比，繪制不同沖擊速度下試驗和仿真結(jié)果的線性擬合曲線，如圖15所示。由圖15可以看出，仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)變化趨勢相同，2組數(shù)據(jù)中沖擊速度和引信過載平均峰值均呈線性關系。這一結(jié)論也驗證了該試驗方案可以通過轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速對沖擊幅值和沖擊時間間隔來進行調(diào)整，滿足設計要求。

4 結(jié) 語

本文對動態(tài)力學模擬試驗信號產(chǎn)生系統(tǒng)結(jié)構進行研究，采用“旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)盤+退讓式?jīng)_擊頭”裝置，產(chǎn)生連續(xù)多次高幅值、短時間間隔的沖擊過載信號。通過模態(tài)分析及數(shù)值模擬，驗證方案設計的可行性，并進行樣機測試，得出如下結(jié)論。

1） 該系統(tǒng)可產(chǎn)生連續(xù)多次高幅值、短時間間隔沖擊信號，連續(xù)沖擊次數(shù)可大于10次，沖擊幅值可大于5 000g，沖擊時間間隔不大于3 ms。同時，該系統(tǒng)可對沖擊信號幅值和沖擊時間間隔進行調(diào)控，提高了試驗設備的適用范圍。

2） 動態(tài)力學模擬試驗信號產(chǎn)生系統(tǒng)的設計，有效彌補了目前國內(nèi)對于多次高幅值、短時間間隔沖擊試驗系統(tǒng)研究的不足，可為實驗室進行高幅值、短時間間隔動態(tài)力學模擬試驗提供借鑒。

本文重點對動態(tài)力學模擬試驗信號產(chǎn)生系統(tǒng)的信號沖擊次數(shù)、沖擊幅值及沖擊時間間隔進行研究，未對信號振蕩加載系統(tǒng)進行深入探究，未來還需要對振蕩加載系統(tǒng)（振動顆粒屬性、振蕩效果等）開展相關試驗，探究信號振蕩加載系統(tǒng)特性。

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