冲击响应谱试验技术,主要内容,一、冲击响应谱概述 二、响应谱的计算方法 三、 冲击响应谱规范 四、冲击响应谱试验方法,一、冲击响应谱概述,1.1 为什么要研究冲击响应谱传统的冲击试验，主要是以简单脉冲产生的冲击效果来模拟实际的冲击环境 ，目前主要采用半正弦、方波、后峰锯齿实际上飞行器的冲击环境是比较复杂的过程，用经典的波形进行模拟是一种等效的方法因此提出冲击响应谱的方法，冲击响应谱较传统的冲击规范有如下几种合理性和优势 ：,,,,,,1) 研究冲击的目的不是研究冲击波形本身，而更注重的是冲击作用于系统的效果，或者说研究冲击运动对系统的损伤势;2) 传统的冲击规范严格规定脉冲的类型，而相应谱规范则对冲击脉冲的类型和产生冲击的方法不做严格要求，因此做实验的灵活性增大；3) 冲击响应谱是响应等效的，对产品的作用效果也等效，因此冲击响应谱模拟比规定冲击脉冲来模拟更接近实际冲击环境；4) 对于工程设计人员来说，通过冲击响应谱的分析，可以对设备各部件所承受的最大动力载荷能够有比较准确的把握，从而预测出冲击潜在的破坏1.2 冲击响应谱的定义 顾名思义，冲击响应谱是冲击作用在一个系统上，系统上产生的响应，响应的大小和系统的固有频率和阻尼有关，因此以横坐标为系统的固有频率，纵坐标为响应的最大峰值，画出的曲线就是冲击响应谱。
更加专业的定义为： 冲击响应谱是指一系列单自由度质量阻尼系统，当基础受到冲击激励时各单自由度系统在不同的固有频率下的响应峰值单自由度系统的在基础激励下的动力学方程为：,,,,,,如果a(t)是确定的冲击激励，则冲击相应谱就是求出单自由系统在 的范围内，系统的最大响应 （代表的意义）,,正初始冲击响应谱(+I) 正残余冲击响应谱(+R) 负初始冲击响应谱(-I)是 负残余冲击响应谱(-R) 正负冲击响应谱对结构的损伤是一样的，因此一般均讲正冲击响应谱 初始冲击响应谱是在基础作用冲击脉冲时的求出的冲击响应谱； 残余冲击响应谱是冲击脉冲作用结束后，由于结构是弹性的，自身还会有振动，此时结构计算的结构的响应叫残余冲击响应谱经典冲击作用下的冲击响应谱：与半正弦波和方波相比，后峰锯齿波的残余谱在非常宽的频率范围内才出现第一个零值，在相当宽的频带内与初始谱有相近的量值，而且相当平滑，这样的频谱特性有利于改善冲击试验的再现性，因此GJB建议优先选用后峰1.3 典型的冲击响应谱的应用在航空航天领域：爆炸冲击是典型的复杂振荡冲击，主要由航天器上各种火工装置引起的瞬态冲击； 在兵器领域：主要是火箭和炮弹的发射等对弹上设备和地面设备造成的冲击。
随着冲击响应谱试验技术的不断完善，冲击响应谱将逐步取代经典冲击成为冲击环境试验的主流1.4 冲击响应谱的特点,)，,＜1,,,,,,,,,,1.4 冲击响应谱的特点冲击响应谱分为三个区域：1) 缓冲区 它的物理意义是：当冲击脉冲的持续时间与系统的固有周期之比小于0.3时，系统的冲击响应最大值小于冲击脉冲的峰值加速度并且的比值愈小，缓冲作用愈大，具有单调下降的特性在缓冲区内，三种波形的残余谱比初始谱大，并且与冲击速度增量近似地成正比的关系特别是当＜0.2时，三种波形的初始谱非常接近，这就是国家标准中规定的“当冲击试验的脉冲持续时间与试验样品的最高固有频率的乘积小于0.2时，就可采用速度变化相等的任何冲击波形”的理论根据，也是需要规定冲击速度容差的理由2) 放大区它的物理意义是当冲击持续时间与系统的固有周期的比值落在上述区间时，系统的冲击响应值大于冲击脉冲的幅值，在此区间内冲击响应具有放大作用，冲击响应的初始谱先是单调上升到最大值，半正弦波为1.78，后峰锯齿波为1.25，梯形波为2.0，然后单调下降（半正弦波是波动下降）至13) 等冲区 在此区域内，三种波形的冲击作用可视为相等。
1.6 冲击响应谱的等效损伤原则 1.6.1 根据冲击响应谱进行试验确定由于实验室里很难模拟产品所受的真实波形，所以在实验室里一般不采用模拟真实波形的方法，而是采用模拟冲击环境对产品造成的影响的方法也就是说应使试验样品造成的损伤及故障与冲击环境的影响相当，称之为等效损伤模拟目前，大多数的冲击试验标准均是采用等效损伤的概念制定的， 电工电子产品的结构强度与性能稳定性与产品响应的应力直接相关对单自由度系统来说，在弹性极限内，产品所受的应力相同，其变形相同，所以表现的故障也是相同的广义来说，所谓等效损伤原则就是指“试验样品因承受激励而产生的应力是相当的，因而对试验样品造成的损伤也是相当的怎样根据等效损伤原则来确定冲击的参数？【例4】 从真实冲击环境的数据中 找到所对应的fi所对应的Ai，设找 到的fi=43Hz，对应的A=198m/s-2， 假设需要用半正弦进行冲击试验， 从归一化的半正弦冲击谱曲线查到fnD＝0.78时，a（γ）=1.78，得 A=198/1.78＝108.6m/s-2，D=0.78/43=18ms 同理可以求得后峰锯齿波和梯形波的等效冲击试验脉冲加速度峰值和冲击脉冲宽度。
1.6.2 等效损伤原则 设产品的固有频率为fn，受到脉冲峰值加速度为A1，脉冲持续时间为D1的半正弦波脉冲的冲击今欲改变其持续时间D1以便在原有冲击试验机上实现，设变换后的脉冲持续时间为D2，脉冲峰值加速度为A2 【解】 原脉冲为A1，D1时，弹簧系统的冲击响应值a1max＝A1α(γ1)同理得脉冲为A2，D2的系统冲击响应值a2max＝A2α(γ2)根据等效损伤原则，当a1max＝ a2max时，系统有相同的损伤，得A1α(γ1) ＝A2α(γ2) 此式即为所求的脉冲持续时间等效变换关系二、冲击响应谱的计算方法,,,,,,,,,,冲击响应谱的数字计算方法在此不详细说明，请参见教程三、冲击响应谱规范,,,,,,,,,f1和f3 别是分析频率的上下限， f2是拐点频率， Ф1 是曲线的斜率冲击响应谱最主要的技术指标就是拐点频率，最大冲击加速度，斜率和在时域内的持续时间响应谱规范的上下限容差各国规定稍有差别，例如：美军标中规定在0~3000Hz，容差带范围为±6.0dB，3000Hz以上容差带范围为+9.0/-6.0dB四、冲击响应谱试验方法,,,,,,,,,,,,冲击响应谱目前主要用于爆炸冲击，因此重点介绍爆炸冲击响应谱的实现方法。
1) 火工品爆炸方式这种模拟试验技术主要用于近区的爆炸冲击环境，冲击谱量级在以上104g，主要频率成分高于10 kHz2) 机械撞击方式这种模拟试验技术主要用于中区和远区的爆炸冲击环境，冲击谱量级在104g以下，频率范围一般低于10 kHz 3) 振动台模拟随着振动台控制技术的发展，在振动台上己经实现了模拟低幅值的复杂冲击环境的冲击谱的能力，如冲击响应谱控制中的小波综合及正弦衰减模拟方式等等电动振动台操作成木低、可控性高等优点，但它们的幅值、频谱范围(3 kH z以下)和方向受到限制4.2 机械式撞击试验装置这类装置的类型很多，但基本的原理是一样的：即将试品固定于一块板上或一根梁上某一部位，然后用某种方法，如锤击、摆锤、气炮对该装置进行撞击，使试品受到装置的谐振响应而模拟实际受到的爆炸冲击由于现在爆炸冲击试验条件一般是用如上所示的冲击响应谱规范给出，试验能否满足主要根据以下几点：1) 谱形，主要是冲击响应谱的拐点和低频部分的斜率：2) 冲击响应谱的幅值；3) 冲击波（应为高频震荡形）和持续时间（短于20ms）4.2.1 固定谐振频率试验装置为了便于安装试验件，也可以将气动作动简产生和相应的支架安装在铝板下部，从下面产生冲击脉冲。
由于现在冲击响应谱试验条件一般都在某一频率有一个拐点，因此最好使试验装置（板或梁）的共振频率（只要是基频）能与拐点频率相近当该装置被激起共振，它就容易使在控制点获得的冲击响应谱具有要求拐点频率，以及典型的9dB/oct初始斜率，因此试验条件也就容易达到但是，由于拐点频率一般至少都在数百赫，这样就要求装置有较大的刚度，例如使用的板必须比较厚，这样就可能与实际的安装条件有所不同，使试验与实际的情况略有差别4.2.2 可谐振频率试验装置梁两端相当于固支，因此该装置的谐振频率与梁长度的平方成反比，改变固定端之间的长度，就可得到不同的谐振频率来满足不同的试验要求，也可进行适当的微调来适应条件的细微变化4.2.3用跌落式冲击台进行冲击响应谱试验此装置是在基座上用四个或者多个螺钉将一块谐振板固定在基座上谐振板在支撑螺钉的外面安装试品，中间位置安装阻尼垫，以产生不同脉冲宽度的响应波形但是由于安装位置的限制，试品只能安装在距离冲头较远的位置，因此通过谐振板传递的能量随距离大大衰减并且，整过谐振板上的响应随位置不同振动量值差别较大，因此此种方法只适合于重量和占用谐振板面积较小（10kg以下）的试品，有很大的局限性。
另外由于谐振板上不同点的响应值差别大，试品的试验精度较差，因此不建议采用此种方法进行冲击响应谱试验4.2.4 水平摆锤式冲击响应谱试验机,,,,,,,,,,,,,试验结果表明：1) 响应谱的低频斜率随试验台的后座支撑阻尼的减小而降低，可以调节后座支撑阻尼，调整响应谱斜率；2) 其柺点频率可近似表示为f2≈1/2D（冲击脉冲宽度），并随冲击峰值的增大而稍有前移可以调节冲头和响应板之间的冲击垫调节冲击脉冲宽度，从而调节拐点频率；3) 响应板的厚度不宜过薄，否则会造成台体垂直于台面方向的加速度响应过大，超过规范对横向运动比的要求；4) 合理选择支撑刚度，使一阶频率低于100Hz，以避免响应谱曲线出现低频峰值； 摆锤式冲击试验台可以较好的模拟爆炸冲击环境，其响应谱容差满足要求，符合试验规范并且摆锤式响应谱试验机有如下优点：1) 目前响应谱试验机谐振台面较厚，并且为水平方向冲击，在水平方向的响应量值在台面上各点差别较小，因此有比较好的均匀度；2) 可以方便地调整响应谱斜率和拐点频率，能进行不同的响应谱试验；3) 响应板可以根据需要加大，安装试品方便目前研制的摆锤式响应谱试验机能到达的技术指标为：1) 负载质量：50～200kg；2) 拐点频率：150～2000Hz；3) 冲击响应谱上升斜率：6-9dB/Oct；4) 冲击响应谱控制误差：±6dB；5) 最大冲击响应谱峰值不小于3500g（阻尼比5%，Q＝10）。
当然，也可以提出产品实际遭受的冲击谱，进行有针对性的设计。