摆冲试验机标准谱形库构建及调试方法研究

李 鹏，辛敏成，王 洋，张海涛，邹田骥



摆冲试验机标准谱形库构建及调试方法研究

李 鹏，辛敏成，王 洋，张海涛，邹田骥

（中国科学院空间应用工程与技术中心，北京 100094）

文章针对新研航天产品没有现成的控制谱形可借鉴的问题，为了获得试验规范要求的控制谱形，设计了冲击试验方案，通过开展大量试验采集试验谱形数据，由最小二乘法获得摆角、波形发生器、缓冲垫等各因素组合下的最优拟合曲线，并归纳汇总获得标准谱形，形成摆冲试验系统标准谱形调试数据库，再经过多个工程型号试验验证了其有效性和便捷性。分析摆角、波形发生器刚度、缓冲垫类型、夹具重量及装夹螺钉数量对冲击响应谱形的影响，总结形成摆锤式冲击试验机调试方法。研究成果有助于指导航天产品冲击响应谱试验控制谱形的快速确立，以缩短调试时间，降低试验风险。

冲击响应谱；摆锤式冲击试验机；标准谱形库；最小二乘法；析因实验

0 引言

航天产品在运输、发射、在轨和回收过程中将经受各类复杂冲击环境的考验[1-2]。为在研制阶段检验出存在的设计问题和加工潜在缺陷，几乎所有的航天产品均需在地面进行力学环境试验[3-4]。目前典型的冲击环境模拟方法主要有3类：振动台类、机械撞击类和火工品爆炸冲击类[5]。相比时域波形，频域上的冲击响应谱更能描述损伤的效果，因此冲击响应谱作为试验规范已被广泛地用于产品的耐冲击设计与冲击环境模拟试验[6-7]。

由于摆锤式冲击响应谱试验机（摆冲试验机）具有负载大、量级高、成本低以及重复性好的优点，在航天产品进行冲击响应谱考核时得到广泛应用，其优势主要体现在：1）谐振台面较厚，且为水平方向冲击，台面各点响应量值差别小，均匀度好；2）可通过调节波形发生器刚度和缓冲垫类型来调整响应谱拐点频率和斜率，有较大的适应范围；3）冲击锤头的重量和提升角度可以加大，摆锤的长度可以加长，能适应较大激励能量的要求。目前国内摆冲试验机可达到最大负载质量250kg、最大冲击谱峰值5000的能力[5]。

尽管摆冲试验机技术比较成熟，但其谱形影响因素错综复杂，稳定性和可控性较差。为获得试验要求的控制谱形，须凭经验反复试凑预调，不仅费时费力，而且很可能造成产品“过试验”或“欠试验”的严重后果。为克服摆冲试验机的应用弊端，降低研制阶段的试验风险，确保产品的试验安全，本文通过开展大量冲击试验，构建出方便检索、易分析的冲击试验谱形数据库，归纳出摆冲试验机的调试方法，旨在形成谱形控制技术的标准方法。

1　摆冲试验机工作原理及试验设计

1.1 摆冲试验机工作原理

摆冲试验机利用缓冲垫和波形发生器，产生瞬态波形以满足冲击响应谱规范。冲击锤撞击台体，使台体在此激励的作用下产生瞬态振动，若此时台体上的响应对应的冲击响应谱与试验要求的规范谱形一致，则可认为台体上的试验样品经受了相应的冲击环境试验[8]。

试验机工作原理如图1所示[9]。试验时，电磁离合器吸合，摆锤随电动机上升到预定位置；当电磁离合器脱开时，摆锤自由落下，锤头击打安装试验件的水平台面。台面受到摆锤冲击，反复撞击试验台基座上的弹性缓冲器，从而产生复杂的衰减振荡冲击波形。测量系统通过传感器和电荷放大器等记录台面运动的时间历程响应，冲击数据采集系统将运动的时间历程响应处理成为冲击谱试验数据曲线[10]。改变试件的安装方式或方向，即可进行不同方向的试验，以获得试件在不同方向所需的冲击响应谱形[11]。

图1 摆冲试验机工作原理

1.2 试验开展思路

通过开展冲击试验，采集与处理试验数据，构建标准控制谱形库，研究摆冲试验机调试方法和规律。本试验采用的摆冲试验机最大载荷200kg，频率范围10～5000Hz，最大冲击响应加速度5000，波形容差±6dB，工作台面尺寸为600mm´600mm。

首先，为便于研究各因素综合作用对冲击谱形的影响，引入析因实验理论，安排因素组合，设计研究冲击谱形调试规律的试验方法；接下来，明确试验目的、试验设备、试验中的接线方式、试验策略，制定试验过程及操作流程规范，补充相关注意事项；最后，在试验实施环节，先对试验设备性能指标进行验证，再完成析因实验的安排，进行不同重量夹具及装夹螺钉数量的冲击试验。

1.3 试验设计

针对摆锤提升角度（摆角）、波形发生器、缓冲垫等主要影响因素，采用完全析因实验以分析影响作用，而对于夹具重量和装夹螺钉数量等次要因素，则采用控制变量法进行分析。

为了考察摆角、波形发生器、缓冲垫等因素的单独效应和交互作用，采用多因子完全析因实验来安排各因素的组合。试验中，考虑到8°～24°摆角基本能覆盖空间应用有效载荷的冲击规范，因此选取试验摆角为8°、16°、24°。波形发生器的刚度由橡胶的硬度和厚度决定：选3种硬度，红色橡胶硬度90～100，黄色橡胶硬度60～70，黑色橡胶硬度30～40；选5种厚度，20、30、40、50、60mm，则一共15个刚度水平（红50即代表50mm厚度的红色橡胶，以此类推）。缓冲垫选9种类型，无、2.5mm橡胶、6mm橡胶、1mm聚氨酯板、5mm聚氨酯板、1mm毛毡、5mm毛毡、1mm牛皮、5mm牛皮。

试验策略规划了405（=3×15×9）次试验的实施顺序。首先，固定一种波形发生器刚度，接着设定一个摆锤提升角度，使所有的缓冲垫类型与之搭配进行试验；然后，保持波形发生器刚度，改变摆锤提升角度，再与所有缓冲垫类型搭配进行试验；最后，改变波形发生器刚度，与所有摆锤提升角度、缓冲垫类型搭配进行试验，以此类推，直到完成所有因素组合的试验。波形发生器刚度的具体实现顺序为红60→红50→红40→红30→红20→黄60→黄50→黄40→黄30→黄20→黑60→黑50→黑40→黑30→黑20，摆锤提升角度的实现顺序为8°→16°→24°，缓冲垫类型的实现顺序为无→2.5mm橡胶→6mm橡胶→1mm聚氨酯→5mm聚氨酯→1mm毛毡→5mm毛毡→1mm牛皮→5mm牛皮。

另外，选取形状、材质、螺孔布局均相同但质量不同的大小2个夹具进行相同条件冲击试验，分析夹具重量对谱形的影响；接着，对安装有不同装夹螺钉数量的同一块夹具进行相同条件冲击试验，分析装夹螺钉数量对谱形的影响。

2　数据处理分析及调试数据库构建

2.1 曲线拟合方法

要想建立标准谱形库，需要确定冲击响应谱的唯一性特征。根据环境试验规范，冲击响应谱形的主要控制参数为冲击量级、拐点频率1、斜率，在双对数坐标系中由上升段和平直段组成，谱形如图2所示[9]。

图2 冲击响应谱形示意图

由于冲击摆锤的重量和摆臂长度不方便调整，调试的手段主要是改变摆角、波形发生器刚度和缓冲垫的硬度、厚度，若受试产品的质量较试验台轻，则影响较小可忽略。

试验台的最大激励能力、重复性和台面均匀度事先已进行了验证，且试验在没有安装夹具及试件的冲击台面进行。按照试验方案开展多次冲击试验，通过亿恒数据采集系统采集冲击响应谱试验数据。为便于双对数坐标下数据处理，实测数据经对数化转换后记为(x,y)，其中：为频率的对数；为冲击量级的对数；1, 2, …,，为实测数据的个数。采用最小二乘法对对数数据按冲击谱试验规范进行曲线拟合，拟合函数设为

其中，上升段1()用(1,1),…, (x,y)等数据拟合；平直段2()用(x1,y1),…, (x,y)拟合；=2, 3, …,-2；和分别是拟合函数1()的斜率和常数项；为拟合函数2()的常数项。曲线拟合方案流程如图3所示。拐点为((-)/,)，为了使拟合曲线()能够尽可能地反映所给点的变化趋势，应使两段曲线误差平方和之和达到最小，即

， (1)

令标准谱冲击量级G=c、拐点频率f1=(c-b)/a、斜率S=a，由此得到标准谱形的冲击量级、拐点频率和斜率。因此，对于每一个冲击试验，均拟合出对应的标准谱形；每个标准谱形对应一套摆冲试验机冲击谱形影响因素的组合。

2.2 冲击响应标准谱形库的构建

待所有试验完成后，利用MATLAB软件对数据采集系统导出的Excel数据进行批量处理，拟合出所有摆角、波形发生器、缓冲垫组合下冲击量级、拐点频率、斜率等参数，并绘制出此时的标准控制谱形，归纳汇总并获得标准谱形，形成标准谱形调试数据库。数据库中，每个标准谱形均绑定对应的摆冲试验机冲击响应谱形影响因素，包括序号、摆锤提升角度、波形发生器刚度、缓冲垫类型、冲击量级、拐点频率、斜率、夹具重量、装夹螺钉数量以及生成时间。选取飞行器、空间站型号等多个典型的航天产品冲击试验规范；从谱形库中找到相似条件谱形，明确对应的摆锤提升角度、波形发生器刚度、缓冲垫类型，执行冲击试验，将实际的冲击响应控制谱形与数据库中的谱形进行比对，以验证调试试验数据库的有效性。针对任意空间应用有效载荷冲击试验规范，可在标准谱形库中迅速找到近似的试验条件/参数（配置）信息。

3　冲击响应谱形影响因素分析

环境试验规范规定了冲击响应谱的主要波形控制参数，包括加速度量值、拐点频率、上升斜率及容差等要求。由于试验台摆锤的重量和摆臂长度不便经常调整，调试的手段主要是改变摆锤提升角度、波形发生器刚度和缓冲垫类型。结合标准谱形库，可方便地分析摆冲试验机谱形影响因素[12]。

3.1 摆锤提升角度

为分析摆角对冲击响应谱形影响，对波形发生器分别为黄50和红60，缓冲垫分别为无和1mm毛毡两两组合4种情况下的谱形及拟合结果进行分析。其中，在波形发生器为黄50，无缓冲垫，摆角分别为8°、16°、24°时，冲击谱形如图4所示，其余情况类似。

图4 黄50波形发生器，无缓冲垫，摆角8°/16°/24°时的冲击响应谱形

可以发现，提高冲击摆锤的角度即提高冲击力，整个频率范围内冲击响应谱的量级上升，而在高频段尤为明显。同时，冲击响应谱的上升斜率基本保持不变，拐点频率稍有上升，但变化不大。

3.2 波形发生器

波形发生器的材料是橡胶，橡胶硬则刚度大，橡胶软则刚度小。同样软硬的橡胶，厚的刚度比薄的刚度要小。因此，须分别分析硬度和厚度对冲击响应谱形的影响。

1）硬度影响

在摆角为8°，中心缓冲垫为1mm牛皮，波形发生器分别为红50、黄50、黑50橡胶时，冲击响应谱形如图5所示。

图5 摆角8°、1mm牛皮缓冲垫，红50/黄50/黑50波形发生器时的冲击响应谱形

2）厚度影响

在摆角为8°，中心缓冲垫为1mm牛皮，波形发生器分别为黑20和黑50橡胶时，冲击响应谱形如图6所示。

图6 摆角8°、1mm牛皮缓冲垫，黑20/黑50波形发生器时的冲击响应谱形

可见，不论是减小波形发生器的硬度，还是增加其厚度，都会导致波形发生器刚度下降，提高摆冲试验机的阻尼，使整个冲击响应谱的上升斜率下降，拐点频率减小，但冲击量级基本保持不变。

3.3 缓冲垫

1）硬度影响

在摆角为16°，波形发生器为黄30，中心缓冲垫分别为1mm牛皮、1mm毛毡、1mm聚氨酯、2.5mm橡胶时，冲击响应谱形如图7所示。

图7 摆角16°、黄30波形发生器，1mm牛皮/1mm毛毡/1mm聚氨酯/2.5mm橡胶缓冲垫时的冲击响应谱形

2）厚度影响

在摆角为16°，波形发生器为黄30，中心缓冲垫分别为1mm牛皮和5mm牛皮时，冲击谱形如图8所示。

图8 摆角16°、黄30波形发生器，1mm牛皮/5mm牛皮时的冲击响应谱形

缓冲垫不仅可以隔离杂波，使冲击响应谱的谱线更加光滑，不至于超出容差范围，还可以提高中低频段的能量，尤其在加速度值较小的时候。从牛皮到毛毡到聚氨酯，厚度相同而硬度降低，对应谱线上升斜率基本不变，拐点频率和冲击量级略微下降；聚氨酯、橡胶、牛皮、毛毡等4种材料，在厚度增加时，由于提高了摆冲试验机的冲击头阻尼，因而对应谱线上升斜率、拐点频率和冲击量级均下降。因此减小冲击头接触阻尼材料的刚度，可以使激励的低频成分增加，从而获得低拐点的冲击响应谱。

3.4 夹具重量及装夹螺钉数量

1）夹具重量

25.5kg大夹具和12.5kg小夹具的几何形状、材料结构、螺孔布局均相似，都有9个装夹螺钉，二者控制点曲线如图9所示。可以发现，在摆角、波形发生器、缓冲垫、装夹螺钉数量不变时，质量较小的夹具的冲击响应谱形略有提升，但提升幅度极小。分析原因为本试验选取的2个夹具的重量相较于工作台面的重量而言过小，不足以引起控制点曲线大幅变化。

2）装夹螺钉数量

12.5kg小夹具的装夹位置不变，使装夹螺钉数量变化，分别为4个边角螺钉和全部9个螺钉，二者控制点曲线如图10所示，可以发现，在摆角、波形发生器、缓冲垫、夹具重量不变时，装夹螺钉数量少的控制点曲线略有下降，但幅度极小。分析原因，认为本试验未安装模拟试验机，且夹具重量相较于工作台面重量过小，因此螺钉数量增减不足以引起控制点曲线大幅变化。

除了摆锤提升角度和缓冲器的刚度对冲击响应谱形有较大的影响外，夹具重量、装夹螺钉数量还有本文未提到的夹具装夹位置、螺钉拧紧力矩等都对冲击响应谱形有一定的影响，并且这种影响在不同摆角、波形发生器和缓冲垫组合下的表现程度不一致，没有统一的规律可循。因此，为了保证冲击曲线满足试验要求，应在试验前预装夹具进行目标曲线的调试。

4 摆冲试验机调试方法总结

调节任何一种冲击控制谱形都需同时调整摆角、波形发生器、缓冲垫等。其中，冲击量级主要取决于摆锤的摆角，而冲击谱拐点频率1和斜率的调节主要是各种软、硬、薄、厚波形发生器和缓冲垫的组合过程。在本摆冲试验机标准谱形库中，波形发生器和缓冲垫种类已基本涵盖了所有常见类型，而摆角只有8°/16°/24°三种离散情况，因此标准谱形库中信息通常能满足拐点频率和斜率要求，而在冲击量级上与试验规范有差异。在预调时，首先应查询标准谱形库中的1和，找到与目标冲击谱拐点频率和斜率最近似的标准谱；然后，根据查找到的标准谱，得到对应的试验条件，包括：摆角、波形发生器刚度、缓冲垫类型、夹具重量以及装夹螺钉数量；选取与受试产品结构响应特性相似的模拟件，以相同安装方式固定在夹具和试验台面上，进行预试验。若得到的控制谱不满足容差要求，则根据测试谱与目标谱的偏离情况，结合调试规律对摆锤式冲击试验机进行对应的调试，然后再次进行冲击试验，直到连续2次测得的控制谱满足试验容差要求为止，即可进行正式的冲击谱试验。

5 结束语

本文基于大量冲击响应谱试验和谱形数据分析，形成了便于检索、易分析的标准冲击响应谱形库，经过多个工程型号试验验证了其有效性和便捷性。此外还分析了各影响因素变化对冲击响应谱形的影响，归纳总结出摆锤式冲击响应谱试验机调试规律，有助于指导未来种类更多、结构更复杂的航天产品冲击响应谱试验控制谱形的快速确立，以缩短调试时间，降低试验风险。

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（编辑：肖福根）

Establishment ofa standard spectrum library and the debugging method of pendulum SRS testing machine

LI Peng, XIN Mincheng, WANG Yang, ZHANG Haitao, ZOU Tianji

(Technology and Engineering Center for Space Utilization, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China)

In view of the fact that no existing control spectrum can be used as a reference for newly developed space products, the influencing factors for the shock response spectrum (SRS)are unknown, and experienced testers have to debug by trial and error to achieve the specified control spectrum, an SRS plan is designed in this paper by conducting abundant SRS tests to collect the spectrum data, and then the optimal fitting curves for different pendulum angles, cushions and waveform generator combinations are obtained by a proposed curve fitting algorithm. Then we gather all standard spectra, to establish the debug spectrum library. The effectiveness and the convenience of this library are demonstrated by practical engineering tests. In addition, by analyzing the effects of the pendulum angles, cushions, waveform generators, fixture weights and bolt numbers on the SRS, the debug method for the response spectrum testing machine can also be developed, for a faster determination of the SRS control spectra for space products, and the method can remarkably shorten the debug time, lower the testing risk, and provide a valuable reference for the SRS testing on the products in the next space station phase.

SRS; pendulum shock testing machine; standard spectrum library; least square method; factorial experiment

V416.8

A

1673-1379(2017)04-0386-07

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.04.008

李鹏（1992—），男，硕士学位，从事可靠性与环境试验工作。E-mail: lp@csu.ac.cn。

2017-01-06；

2017-05-22

中国科学院空间应用工程与技术中心前瞻性课题（编号：CSU-QZKT-201714）；中国科学院青年创新促进专项基金项目（编号：CASYI2014135）