脉冲力校准装置锤体质量块设计及数据验证

2018-07-05商一奇何旋李善明曹亦庆

计测技术 2018年2期

商一奇，何旋，李善明，曹亦庆

(航空工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095)

0 引言

锤体形状及质量是影响落锤式脉冲力发生器产生脉冲力幅值的主要因素之一，落锤式脉冲力发生器产生的脉冲力幅值和脉宽主要受锤体质量、高度及波形发生器的厚度、材料的硬度等因素影响[1]。

因此，需要根据发生器幅值范围进行设计计算。通过锤体的外形设计及模态分析来保证在脉冲力发生器校准的脉宽内，锤体固有频率不会被激发，以保证校准需求。本文通过对锤体的设计、模态分析、锤体材质和试验验证等过程，让锤体满足落锤式脉冲力发生器对动态力传感器的需求。

1 锤体模型设计

1.1 锤体物理模型

锤体质量块以一定的初速度与被校力传感器进行碰撞以施加脉冲力。锤体质量块的固有频率是限制频率范围的主要因素，为保证锤体质量块在撞击过程中的固有频率不会被激发，其几何形状以圆柱形为基础，在顶端增大半径，使之能够支撑与扶正机构之上，选择合适的长径比，保证锤体质量块的固有频率在十几千赫兹左右，以满足脉冲力发生装置设计的最窄持续时间指标。

机械加工中，常用长径比说明工件刚度大小，如果对于轴，若长径比不大于5，则称为刚性轴，因此锤体的长径比要小于5；长径比高时，锤体的固有频率会随之降低，同时随着锤体端面面积增大，端面加速度的分布不均度也可能会随之增大。因此，需要选择比较适中的长径比，既要保证锤体的刚度，又要保证锤体的固有频率和加速度分布。

轴向一阶共振谐振频率为

(1)

(2)

式中：E为弹性模量，E=2×1011N/m2；ρ为密度，ρ=7800 kg/m3；i为长径比；L为锤长。

锤体物理模型如图1所示。由于被校动态力传感器多为环状，该锤体设计检定传感器最大量程为120 kN,一般量程为50～120 kN的传感器直径为40～60 mm，为了在冲击时使锤体与该传感器能够完全接触，锤体直径取Φ3=60 mm。由于台面为托架结构，当长径比取小于3～5时，锤体在1 ms冲击脉宽的前提下具有较好的固有频率特性。

图1 锤体物理模型示意图

1.2 锤体有限元模型定义

锤体有限元模型如图2所示。采用Hex单元建模，模型中共有节点1932个，单元1479个。锤体总质量为8.5 kg，采用不锈钢材料，其材料属性如表1所示。

表1 不锈钢材料力学性能

有限元模型仿照试验时的真实受力情况进行边界条件设置。冲击时，为使锤体尽可能保证垂直下落，并与被校传感器的轴线尽量重合，需限制图1中PART2部分锤体的横向位移；在锤体与传感器接触时，接触端面处锤体和传感器在横向无相对运动，因此在接触端面也要对锤体的横向位移进行限制，锤体的轴向运动自由。边界条件如图3所示。

图2 锤体有限元模型锤体

图3 有限元模型边界条件

2 垂体结构模态分析

2.1 锤体的固有频率特性分析

物体的固有频率是物体本身的性质，与边界条件无关。采用上述有限元模型，不加载边界条件，对锤体进行固有频率分析，其分析结果如图4所示。锤体的一阶固有频率为2405.8 Hz，振动方向为横向。由试验数据可知，锤体在冲击时其横向分量小于3%，横向激励很小，因此该频率模态不是主要分析对象，需在此基础上对有限元模型加载轴向激励，对其轴向的固有频率特性进行研究。

图4 锤体有限元模型一阶固有频率分析结果

脉冲应用中，分析冲击对确定的机械系统产生的影响极其重要。一般情况下，对于冲击过程更有效的描述可以简单的用傅里叶变换。也就是我们研究锤体固有频率的意义所在。通常傅里叶变换是复数，而冲击运动的时间历程是一种典型的非周期信号,正常时不能按数学的方法分解成许多正弦谐波之和，但为了了解其频域描述，可以把一个非周期信号当作周期信号来处理，只是认为这一周期信号的周期极大，在无限远处重复。因而半正弦加速度冲击脉冲的频域描述为

(3)

振幅和相位谱的表达式为

(4)

(5)

(6)

图5为典型半正弦冲击时间函数和它的傅里叶变换的频谱图。一个冲击脉冲包含的能量分布是从零频率扩展到无限频率，并且是没有分离频率分量的连续频谱。经分析可知，锤体的垂直轴向固有频率理论上只要高于在输入轴向上的脉宽，即当大于1 ms的激振频率情况下，就不会对碰撞过程的幅值造成较大影响[2]。通过上述原理及换算可看出，当轴向固有频率大于1600 Hz时，锤体的设计符合要求。以下对锤体有限元模型轴向加速度的频率响应进行分析。

图5 典型半正弦冲击时间函数和傅里叶变换的频谱图

2.2 锤体有限元模型轴向加速度的频率响应分析

通过锤体的固有频率特性分析和试验测试数据了解到，轴向固有频率的高低对本装置的影响极为重要。通过对有限元模型前50阶振动模态分析均不是轴向的谐振频率。无法便捷分析出轴向的固有频率。

在锤体与传感器接触的端面加载一大小为45815 N(锤体加速度为550 g)、频率范围为0～10 kHz的变频力。在有限元模型中加载前文1.2中设置的边界条件，在0～10 kHz频段对模型的轴向加速度进行频响分析。图6是锤体有限元模型中1932个节点的频率响应曲线，从中可以看出有限元模型中每个节点的频响曲线的共振峰都在7000～8000 Hz之间。以此为依据，再次对有限元模型进行模态分析，只研究振动频率在7000 Hz以上的模态，得到有限元模型的轴向谐振频率为7231.2 Hz，如图7所示。

有限元分析给出的数据不能完全准确的体现实际谐振频率，但整体谐振频率不会相差太多，通过整体模态及垂向加载可看出，锤体的谐振频率在装置设计的目标值1 ms脉宽的频率之外。

图6 锤体频率响应曲线

图7 轴向振动模态

3 锤体的材质

为保证力传感器受力准确，锤体质量块下端与力传感器的撞击面的半径不能过大，以不超过力传感器受力面半径为宜，常用的大量程力传感器的半径在40～60 mm。锤体上端支撑面过大，会导致加速度分布不均匀度增大、质量块重心过高，撞击后稳定度较差、摆动过大且不易限位，易造成磕碰产生损伤。因此锤体质量块的设计需要尽可能减小质量块的尺寸以增加质量，采用常规的钢材和特殊合金的材质来制作不同重量的锤体，密度达到常用不锈钢材质的2～3倍左右的合金，在不增加锤体质量块尺寸的前提下，大大提高了发生装置的力值范围，并降低了对加速度峰值和持续时间的要求。