摆锤式冲击响应谱试验台的仿真研究

2012年6月 强 度 与 环 境

Jun.2012 第39卷第3期 STRUCTURE & ENVIRONMENT ENGINEERING V ol.39, No.3

摆锤式冲击响应谱试验台的仿真研究

王冰 田振强 张巧寿

（北京强度环境研究所，北京 100076）

摘要：摆锤式冲击响应谱试验台是模拟爆炸冲击环境的一种较好手段，它能够模拟拐点频率在300Hz ～2000Hz ，峰值过载高达几千个g 值的冲击谱型。根据该装置的结构和基本原理，本文应用有限元分析软件ANSYS ，LS-DYNA 等对其冲击响应谱产生过程进行了模拟，计算结果与试验数据吻合较好。此方法能够合理有效地模拟该装置的性能曲线，对摆锤式冲击试验台的设计具有指导意义。 关键词：摆锤式冲击试验台；冲击响应谱；数值模拟

中图分类号：TB122 文章标识码：A 文章编号：1006-3919(2012)03-0026-06

Simulation of the pendulum shock response spectra testing machine

WANG Bing TIAN Zhenqiang ZHANG Qiaoshou

(Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076, China )

Abstract ：The pendulum shock response spectra testing equipments play great part in simulating pyroshock environment, which can simulate high g shock wave and the cross frequency ranging from 300Hz to 2000Hz. According to the structure and basic rules, the shock response spectra wave has been simulated with finite method software ANSYS and LS-DYNA. The result reveals a good correlation with the empirical data. This method can simulate the structure’s characteristic wave in a more precise way, which can be a good guide for the design of the pendulum shock testing machine. Key words ：pendulum shock testing machine; shock response spectra; simulation

0 引言

从产品的研制、运输、发射到飞行结束，在航天器的生命周期内将经历各种复杂的冲击环境，这些冲击载荷可能对航天器的结构或者性能造成无法修复的损伤。其中，对航天器影响程度较大的就是爆炸冲击环境，它是指航天器及其运载器上的各种火工装置工作时所产生的复杂震荡型冲击[1-3]。爆炸冲击具有持续时间短、加速度幅值高、高频率和宽频带等特点，突变的位移和加速度可能导致航天器结构和仪器、仪表的损害，从而导致航天器无法正常运作。因此，

收稿日期：2011-8-28；修回日期：2012-6-4

作者简介：王冰（1984—），女，工程师，研究方向：力学动态仪器仿真；（100076）北京9200信箱72分

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第39卷第3期 王冰等 摆锤式冲击响应谱试验台的仿真研究 27

航天器及其运载装置的抗冲击能力需要在地面冲击试验中进行考核。

基于爆炸冲击的特点，国内外普遍采用冲击响应谱作为模拟爆炸冲击环境的标准[4-5]。同经典波形试验相比，冲击响应谱所关注的不是引起响应的冲击波形本身，而是冲击作用于结构和系统的效果，即结构系统对冲击载荷的响应来描述冲击。

模拟爆炸冲击的地面试验方法主要有火工品爆炸、机械撞击和振动台模拟等三类。机械撞击因其重复性高、产生量级较大、安全且可控性较强等特点，被广泛运用。机械撞击大致分为跌落式和水平撞击等方式。跌落式冲击装置主要用来进行半正弦和锯齿波等常规的冲击试验，摆锤式冲击试验装置则主要用来实现冲击响应谱等的复杂波形冲击试验。

有关摆锤式冲击试验台的研究文献较少，早期，王永联[6]对摆锤式冲击台进行了理论公式计算，其中将试验装置作为弹簧系统处理，并制造了一台水平冲击试验机，进行了定性的试验研究。赵清望[7]通过能量守恒和动量定理，在引入了平均冲击力与峰值冲击力之比后，给出了工作台最大加速度的理论公式。此公式可以定性反映出各个特征量的关系。最近，数值模拟方面，

张华[8]将摆锤式冲击试验台的作用原理简化为试验台面在受到不同外力以及支持刚度下所做出的响应，模拟了各因素对响应波形的影响。其所做的分析是计算程序层面的，所施加的外力是一系列正弦波，没有体现出实际中的撞击作用。本文基于摆锤式冲击台的基本原理，运用有限元分析软件ANSYS

，LS-DYNA 等对其作用过程进行仿真研究，并与实际结果进行比较。从中得出了使用数值模拟方法获得某既定摆锤式冲击台结构所能产生的最大过载及其拐点频率的方法，对运用摆锤式冲击台进行冲击响应谱试验以及试验台的设计具有指导意义。

1 基本原理

1.1 试验台原理

摆锤式冲击响应谱试验台的作用原理为，利用一个运动的摆锤撞击金属台面，使台面激起近似于量级不同的复杂衰减振荡波形，若此响应产生的冲击响应谱与试验要求的参考冲击响应谱比较，在±3～6dB 容差范围，则可认为固定在该板上的试件经受了具有该参考谱的爆

炸冲击环境[9]。实际试验时，锤头和台面，台面与支撑装置之间可以增加橡胶垫层来改变冲击响应谱的幅值和拐点，以满足要求，原理示意见图1。

目前我们研制出了一个大台面，具有新型传动方式的摆锤式冲击响应谱试验台，该装置能够实现试件最大100kg 、高量级的冲击响应谱试验，拐点频率范围可以实现300～1600Hz ，峰值过载高达5000g 。对于此试验装置，当锤头质量和几何尺寸，摆锤最大提升高度和台面的几何尺寸确定后，所能获得冲击响应谱的最大峰值与最高拐点也随即确定。在设计时，这两个指标是衡量该装置试验能力的重要因素。撞击力时间宽度与冲击响应谱拐点有关，时间宽度越小，拐点频率就越高[1]。所以当摆锤在最大提升高度下落撞击台面，且锤头和台面，台面与支撑装置之间无垫层时所产生的谱形能获得最大峰值与最高拐点。因此，在设计时或者在试验前可以通过数值模拟的方法对其试验条件进行仿真，用以验证该试验条件下能否获得所期望的谱形，可以

图1 摆锤式冲击台原理图

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