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)03-0026-06Simulation of the pendulum shock response spectra testing machineWANG 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; simulation0 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分箱.C AM E O 凯模C A E 案例库w w w .c a m e o .o r g .cn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C A M E O 凯模C A E 案例库w w w .c a m e o .o r g .c n28 强 度 与 环 境 2012年大大减少重复作业。

1.2 仿真原理本文采用有限元分析方法，利用前处理器Truegrid 对结构进行建模并进行网格划分，使用显示动力学分析软件LS-DYNA 对锤头撞击台面的过程进行动态力学仿真，在给定初始与边界条件后计算得到了台面每个节点的位移、速度、过载等数值。

LS-DYNA 采用中心差分时间积分的显示分析方法[10]，分析计算时间从初始时刻开始至T s时刻结束，中间共分为n 个时间步。

结构系统各节点在第n 个时间步长结束时刻t n 的加速度为{}()[]{}()()1intn n n a t M F t F t -⎡⎤=-⎣⎦ （1）式中，[]M 为系统的质量矩阵，{}F 为施加的外力，在本文中是由摆锤锤头撞击台面所产生的冲击脉冲，可写成半正弦形式{}{}πsin()F A t T= （2） 式中，{}A 为振幅，T 为冲击波形的脉冲宽度。

另外，（1）式中int F 为系统内力，其表达式为[][]Tint hg contact d σΩ=Ω++⎰F B F F （3）式中，F int 、F hg 和F contac 分别为n t 时刻单元应力场等效节点力、沙漏阻力和接触力。

对有限元模型施加适当的初始条件和边界条件，根据动量定理和能量守恒定律，系统将自动进行动态力学仿真计算，进而得到系统不同部位的位移、速度、加速度历程曲线。

2 仿真计算分析在设计之初，为了确定所设计的冲击试验台能否满足冲击量级要求，一方面需对其进行必要的理论计算，另一方面需对方案进行仿真分析。

本文在仿真的过程中摆锤的下落过程被忽略，在初始时刻摆锤被赋予其下落后所获得的最大水平速度，此速度由其下落前的高度换算得来，计算公式如下（忽略摆杆对锤头速度以及撞击的影响）v （4）式中，v 表示数值模拟时摆锤的撞击速度，h 表示摆锤质心到转动轴的距离。

文中的数值计算主要是针对某型号的摆锤式冲击台，其锤头的等效质量为120kg ，铝制台面的尺寸为800mm×800mm×70mm ，摆锤所能提升的最大高度为1.0m ，由公式（4）计算所得速度为4.5m/s 。

2.1 台面特性计算在对台面进行振动、冲击等动力学研究时，其基频对试验的影响较大，首先要对台面的固有频率等基本参数进行计算。

模态分析选用Ansys 有限元分析软件，建模时台面材料为铝材，主体尺寸为800mm×800mm×70mm ，前端有波形发生器，后端带有小块长方形挡板。

采用Block Lanczos 模态提取方法，计算自由状态下台面前30阶固有频率。

由于试验波形在垂直于波形发生器，沿台面轴线方向上占主导，所以提取了图2中所示台面的轴向一阶共振频率，其数值为2426Hz ，与理论上的预估值相吻合。

台面的此模态类型主要是轴向的拉伸。

由上述模态分析的结果可得，该台面的轴向一阶共振点在2400Hz 左右，在采C A M E O 凯模C A E 案例库w w w .c a m e o .o r g .c n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 29用此台面进行冲击响应谱试验时，其拐点极值不可能高于此数值。

2.2 摆锤撞击过程动态力学仿真由冲击响应谱的概念得出，冲击响应谱的拐点频率随着碰撞力脉宽的缩短而提高。

对于摆锤式冲击试验台来说，台面与支撑装置之间不加橡胶垫层，碰撞过程最短，其拐点频率最高，此时拐点的过载峰值也是最高的。

因此，由试验台得出的最大冲击响应谱峰值与拐点的最大值是同时出现的，即在不加橡胶垫层的情况下，所以下文所作数值模拟均在此前提下。