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1、附录B 09.1-02 编号：实 施 方 案 报 告项目名称： 结构水平冲击试验系统 校准技术研究 编 制： 年 月 日校 对： 年 月 日审 核： 年 月 日标 审： 年 月 日批 准： 年 月 日编制时间： 2012 年 07 月 06 日北京长城计量测试技术研究所一、技术方案策划1. 任务书或合同对科研内容和主要技术指标的要求及其说明1.1主要研究内容结构水平冲击试验系统校准技术研究课题来源于大飞机专项科研课题。结构水平冲击试验系统主要用于中国民用航空规章第25部运输类飞机适航标准CCAR-25中规定的应急着陆情况下的结构试验。此类试验通过检验飞机结构和座椅及相关安全设备在飞机陆上或水上
2、应急着陆时对乘员的保护能力，检验飞机的结构设计是否能够在轻度撞损着陆过程中，通过座椅、安全保障设备给每一乘员提供以避免严重受伤的一切合理机会。结构水平冲击试验系统属于大型专用试验设备，目前没有与之相对应的校准规范和校准装置能够对其性能指标进行校准。本项目的研究目的：通过对该试验系统校准方法的研究和校准装置的研制，实现对结构水平冲击试验系统的校准，保证试验数据和试验结果的准确可靠，以满足CCAR-25的要求，对运输类飞机结构设计提供可靠的保障。本项目主要研究内容如下：1）结构水平冲击试验台校准技术研究根据试验台计量特性确定需要进行的校准项目、各个校准项目的校准用仪器设备的选择、校准方法、校准过程
3、及校准结果不确定度评定等。主要计量特性包括加速度、急推率等技术指标。2）结构水平冲击试验台测量系统校准技术研究 试验台测量系统主要包括冲击加速度测量系统和六轴力测量系统。其校准技术的主要研究内容包括：冲击加速度传感器的校准和六轴力传感器的校准。3）结构水平冲击试验系统校准装置的研究由于结构水平冲击试验台设备庞大，只能进行现场校准；其测量系统则可根据其精度要求和使用情况分别进行现场校准和实验室校准。本项目对试验台的范围、计量特性进行现场校准；测量系统中的传感器将在实验室依据其使用范围研制校准装置对其计量特性进行校准。4）编写结构水平冲击试验系统的校准规范1.2主要技术指标要求及说明本项目主要技术
4、指标如下：l 加速度峰值校准范围：200g；l 加速度脉冲持续时间：200ms；l 加速度上升时间：90ms；l 加速度校准结果的相对扩展不确定度：；1.3成果形式及考核方式成果形式：l 结构水平冲击试验台校准装置；l 结构水平冲击试验系统校准技术研究报告及全套技术资料；l 结构水平冲击试验系统校准规范初稿；验收方式：由专家组按任务书技术要求进行试验和资料文档验收。2. 总体技术方案设计结构水平冲击试验系统是先进的民机安全设施的试验设备，国内目前没有针对该试验系统的校准装置和校准规范，没有生产此类设备的单位，只能依赖进口，对该类设备目前国内没有具体的检测校准方法进行验收，无法保障试验单位的利益
5、。因此本项目研究的内容在国内是首次提出，具有先进性。该试验系统校准装置由传感器、适调器和数据采集处理系统组成。目前国内冲击试验系统校准装置的适用范围：冲击加速度峰值：2000g；脉冲持续时间：0.5ms40ms；而结构水平冲击试验台产生的冲击加速度脉冲持续时间100ms。由于冲击加速度脉冲持续时间长，因此要求校准装置的频率响应需从直流开始，国内目前只有我所于90年代建立的弹射激光多普勒冲击加速度标准装置可以满足，但其加速度校准范围相对较小。并且其一些特殊的冲击载荷、冲击速度、急推率等性能指标目前国内也没有相应的校准装置。因此本项目基于我所弹射激光多普勒标准装置的校准技术，根据该试验系统的实际校
6、准范围构建适用的校准装置，具有一定的可行性。3. 系统设计方案及技术指标根据CCAR-25标准的要求，其主要试验为冲击加速度载荷。因此本项目的主要研究领域为动态加速度校准，通过对试验系统横向运动比、台面加速度幅值不均匀度及冲击能量等性能进行校准技术的研究，提出能够满足试验标准要求的结构水平冲击试验系统的计量技术指标。同时还需整合动态速度校准、动态力校准、动态位移校准等相关专业，以满足结构水平冲击试验系统整体的校准要求。主要研究内容分为四部分：结构水平冲击试验台校准技术的研究、结构水平冲击试验台测量系统校准技术的研究、校准装置的研制、结构水平冲击试验系统校准规范的编写。技术方案总体框架如图1：图
7、1 总体技术方案框图结构水平冲击试验系统是大型专用试验设备，包括试验台体、测量系统，其测量系统中包括加速度、速度等多种设备。本项目的主要校准对象包括试验台及其测量系统，本项目需要分别对其测量范围、计量特性的校准原理、校准方法及校准用仪器设备进行研究。这其中一些重要技术指标，例如长持续时间冲击加速度脉冲峰值、急推率、试验台面试验量级分布不均匀、运动台面横向运动比等校准方法及校准用仪器设备是需要解决的关键技术。3.1分系统设计方案及技术指标3.1.1 结构水平冲击试验台校准技术研究主要设计指标：包括确定试验台校准参数、校准范围、校准用仪器设备、校准方法。试验系统主要技术指标校准技术研究的详细说明如
8、下：1）试验台输出的冲击加速度本项目采用冲击加速度测量系统实时采集冲击加速度时间信号，得到冲击加速度峰值及重复性和冲击加速度脉冲的上升时间等技术参数；通过对冲击加速度时间历程进行时域积分即可得到该试验系统的速度变化量。2）试验台急推率急推率是指试验台输出的加速度的时间变化率，该项指标多用在冲击、乘座舒适性曲线等应用中。在该试验系统中是用来评估冲击加速度变化过快时，形成的冲击过载对人体的伤害，以及人体所承受的过载的范围。该项指标可以通过对冲击加速度时间历程进行微分获得，其中微分算法的选择是技术难点之一。3）试验台台面横向运动比、台面加速度幅值不均匀度由于试验时将在冲击台面上安装假人试验系统，这将
9、对激励的负载、试验台面的重心位置以及试验台面的谐振频率造成一定的影响，这些影响将导致试验控制量级的测量误差，试验台整个台面量级分布的不均、试验台倾覆力矩的增加、试验台输出波形上机械噪声的叠加。这些影响在试验过程中，表现为试验台测量系统与样件实际承受的试验量级的差异。这两项指标是所有冲击、碰撞试验台都需要关注的两项基本指标。台面横向运动比通过测量试验台面同一测量位置点三个相互垂直方向的加速度峰值。其主运动方向的加速度峰值和与其相互垂直的另两个运动方向的加速度峰值进行比较，得到与主运动方向相垂直的另两个运动方向的加速度对主运动方向的影响。台面加速度峰值不均匀度则通过分别测量试验台面上试验控制点及其
10、它位置试验点的加速度峰值，获得试验台面不同点的加速度峰值相对控制点的偏差。试验台结构较为复杂，在安装上假人试验系统后，整个试验台的固有特性会受到假人试验系统自身载荷及安装位置的影响而发生变化，导致整个试验台在承受过载的过程中加速度在台面各个位置产生较大差异，以及横向加速度对主运动方向影响的增加。因此在校准技术研究中测量传感器安装位置的确定是技术难点之一。3.1.2 结构水平冲击试验台测量系统校准技术研究试验系统配套的测量传感器包括冲击加速度传感器、力传感器、角度传感器、位移传感器。为了保证试验过程中试验系统测量数据的准确可靠，需要对这些设备进行相应的校准。对于加速度传感器、力传感器、角度传感器
11、、动态位移传感器，试验现场无法提供标准激励源，需要通过实验室相应的校准装置进行校准。目前角度传感器的测量范围和计量特性已经在我所相应专业的计量覆盖范围之内，具备相应的校准能力。加速度传感器由于其脉冲持续时间较长，需要研制新的校准装置，满足其校准需求。3.1.3 结构水平冲击试验系统校准装置研制校准装置包括试验台的现场校准装置及测量系统的实验室校准装置。其中试验台的现场校准装置包括冲击加速度现场校准系统，本项目拟采用虚拟仪器技术研制便携式数据采集系统进行现场数据采集，通过处理得到校准结果。而实验室校准装置，需要根据其测量系统的测量范围及技术指标等特点使用适合的测量仪器。试验台测量系统包含了动态加
12、速度、动态载荷等多项参数，校准装置需要结合多个测量专业，分别对试验系统的整体性能指标进行检验。1）现场校准系统冲击加速度现场校准系统本项目拟采用虚拟仪器技术研制便携式冲击加速度采集系统进行现场数据采集，并现场处理得到整个试验系统的校准结果。其中后续数据处理过程中急推率的计算是技术难点之一。主要技术指标：l 加速度峰值校准范围：200g；l 加速度脉冲持续时间：200ms；l 加速度上升时间：90ms；l 加速度校准结果的相对扩展不确定度：；2）冲击加速度传感器校准装置由于试验台体在撞击过程，冲击加速度变化持续时间较长，冲击加速度信号的低频响应接近于直流，通用的压电式冲击加速度测量系统低频响应无
13、法满足，在测量时会产生加速度波形的低频失真，影响测量结果的准确可靠。因此本项目拟采用压阻式加速度传感器及适调仪进行测量，此类传感器测量系统具有零频响应，能够更加准确的反映试验台的整个速度变化过程。我所目前拥有的弹射加速度激光多普勒校准装置所能提供的校准加速度范围和校准持续时间范围不能完全满足该测量系统校准范围的要求，需要研制新的冲击源，为冲击加速度测量系统的校准提供冲击激励。主要技术指标：l 加速度峰值校准范围：200g；l 加速度脉冲持续时间：200ms；l 加速度上升时间：90ms；l 加速度校准结果的相对扩展不确定度：；3.1.4 结构水平冲击试验系统校准规范的编写本项目研制的最终目的期
14、望可以为结构水平冲击试验系统提供量值溯源可靠的校准依据，满足其校准需求。本项目将通过验证试验和校准技术方法研究，依据国内外试验标准，编制试验系统的校准规范，保证我国民机工业及国防科技工业中该项试验设备的正常使用。校准规范中包括：试验系统的校准项目、校准条件、校准用仪器设备技术要求、校准方法、校准结果及校准周期等。3.2本课题的关键技术及实施途径3.2.1结构水平冲击试验台校准技术研究1）急推率的校准由于该试验系统的技术指标中的急推率，实际是对加速度时域信号的再次微分，可通过软件设计来实现。即对实时测量的加速度-时间历程进行微分，其微分方程如公式(1): (1)式中：微分器的输入信号；微分器的输出信号。微分器的频率响应函数为： (2) (3)由于微分器的带宽是无限的，其增益是随频率线性增加的，微分后的信噪比会明显变差，因此本项目拟采用线性相位有限带宽的数字微分方法，以保证微分过程不附加相位失真。2）校准时传感器安装位置的确定由于该试验系统结构较为复杂，在安装上假人试验系统后，
