振动冲击试验方法与技术-冲击试验 编辑 ：国家信息技术国检 中心 冲击试验 18.1 试验 目的、影响机理、失效模式 产品在使用和运输过程中所经受到的冲击主要是由于车辆的紧急制动 和撞击、飞机的空投和坠撞（紧急迫降）、炮火的发射、化学能和核 能的爆炸、导弹和高性能武器的点火分离和再入等所产生的冲击 。冲 击就是在一个相对较短的时间内将一高量级的输入脉冲力施加 产品 上。冲击是一处很复杂的物理过程，与随机振动一样，它具有连 的 频谱，但又是一个瞬变过程，不具备稳态随机的条件。产品受冲击 后，其机械系统的运动状态要发生突变并将产生瞬态冲击响应。产品 对机械冲击环境的响应具有以下特征：高频振荡、短持续时间、明显 的初始上升时间和高量级的正负峰值。机械冲击的峰值响应一般可用 一个随时间递减的指数函数包络。对于具有复杂多模态特性的产品， 其冲击响应包括以下两种频率响应分量：施加在产品上的外部激励环 境的强迫频率响应分量和在激励施加期间或之后产品的固有频率响应 分量。从物理概念上讲，产品受冲击 （即瞬态激励）后所产生的冲击 响应的大小代表了产品实际所受到的冲击强度。若产品的瞬时响应幅 值超过产品本身的结构强度，则将导致产品破损。可见产品受冲击所 产生的损坏，不同于累积损伤效应所造成的破坏，而属于相对于产品 结构强度来说是极限应力的峰值破坏。 这种峰值破坏会造成结构变形，安装松动，产生裂纹甚至断裂，还会 使电气连接松动，接解不良，造成时断时通，使产品工作不稳定。这 种峰值破坏还能使产品内部各单元的相对位置发生变化，造成性能下 降或超差，甚至会冲断元器件或部件，使其无法工作。归结起来： a) 零件之间磨擦力的增加或减少，或相互干扰而引起的产品失效； b) 产品绝缘强度变化、绝缘电阻抗下降、磁场和静电场强的变化； c) 产品电路板故障、损坏和电连接器失效；（有时，产品在冲击作用 下，可能使电路板上多余物迁移而导致短路）； d) 当产品结构或非结构件过应力时,产品产生永久性的机械变形； e) 当超过极限强度时,产品的机械零件损坏；的确 f) 材料的加速疲劳 （低周疲劳）； g) 产品潜在的压电效应 ； h) 由于晶体、陶瓷、环氧树脂或玻璃封装破裂造成的产品失效。 从从上面的叙述可见 ,冲击会对整个产品的结构和功能完好性产生有害 影响。这种有害影响程度一般随冲击的量级和持续时间的增减而改 变。当冲击持续时间与产品固有频率的倒数一致或者输入冲击环境波 形的主要频率分量与产品的固有频率一致时，会进一增加对产品结构 和功能完好性的不利影响。 所以，要保证产品具有好的抗冲击强度，并在上述冲击环境下或受上 述冲击后可靠稳定的工作，冲击试验是解决这一问题的重要方法与手 段。 采用本方法评估产品在其寿命期经受机械冲击下的结构和功能特性。 这种机械一般限制在：频率范围不超过 10,000 Hz，持续时间不长于 1.0 sec。在大多数情况下，产品的主要响应频率不超过 2000 Hz，响 应的持续时间小于 0.1sec。 18. ２ 现场发生的冲击及描述 要在试验室内完全重视产品在实际使用和运输环境中所经受到的本章 18.1 中描述的现场冲击是很困难的，因为这些冲击的量值变化很大， 脉冲持续时间的变化范围很宽，并且又十分复杂。图 18-1a 是现场实 测到的不连 冲击脉冲波形，从图中的冲击脉冲波形可见，它是难以 用数学摸型描述。 18. ３.2.2 试验条件及其选择 冲规定标称（经典）冲击脉冲波形的冲击试验方法的试验条件（严酷 等级）由峰值加速度、冲击脉冲持续时间和冲击次数三个参数共同确 定。 (1)试验条件(严酷等级)参数 a）峰值加速度（A） 峰值加速度的大小能直观的反映出施加给产品的冲击力的大小。由于 产品的结构大都是线性系统，即使是非线性系统，在应变不大的情况 下，也可以看作是线性系统。所以，产品受冲击后所产生的响应加速 度与激励加速度是成比例的。可见在一般情况下峰值加速度愈大，对 产品的破坏作用愈大。 b）脉冲持续时间 （D） 冲击脉冲的持续时间是指加速度保持在规定峰值加速度比率上的时间 间隔。冲击脉冲持续时间对产品的影响很复杂，它对冲击效果的影响 与被试系统的固有周期（T）有关。 对半正弦波，当 D/T
10 时 ；对后峰锯齿 波，当 D/T
1.2 时，在产品上所造成的响应加速度与激励脉冲的峰值 加速度相同。 从上面的叙述可见，对 同一种脉冲，由于其持续时间不同，对相同的 产品所造成的影响也不相同。 c）冲击次数 由于冲击主要考虑的是对产品极限强度的影响，而不是考虑累积损 伤，所以用不着对产品进行多次重复试验，但为了避免偶然性，也需 要一定的冲击次数。一般规定在每方向上连 冲击 3 次。又由于冲击 所造成的最大响应可能发生在激励脉冲相同的方向上，也可能发生在 与激励脉冲的相反方向上，因此，通常规定要在被试样品的三条互相 垂直轴线的每个方向上进行，即六个方向上进行，所以冲击实验的次 数规定为 3×6=18 次。 (2) 试验条件（严酷等级）介绍 规定脉冲波形的冲击试验方法已几乎被所有国内外的环境试验规范与 标准所采用。例如国标 GB/T2423(元器件、整机)、IEC 标准 60068-2- 27 （元器件、整机）、英国国防部标准 07-55、（元器件、整机）美 国军标 810 F （整机）和202F （元器件）、日本工业标准 JIS 等标准 中都采用了此种方法。下表 18-1 中给出了国内外主要标准中规定的试 验条件（严酷等级）要求。 18.4 对试验设备的要求 能产生冲击的设备很多,电动振动台是其中最主要的一种,它既能产生冲 击响应谱与重现场的冲击时间历程,也能产生标称冲击脉冲波形。然而 能产生标称冲击脉冲波形的设备除电动振动台外,还有: 自由跌落式、压 缩空气式、气液压式、动量转换式。无论采用何种试验设备来产生冲 击，对它们的要求是一样的。这里的要求与检定(校)对试验台的要求一 样，即不是指冲击试验设备空载时的要求，而是指冲击试验设备装上 样 品（包括夹具）和必要的负载后，在检测点上所应达到的要求。 18.4.1 冲击脉冲的波形容差 在规定标称冲击脉冲波形的方法中，目前对标称冲击脉冲的波形容差 要求，军标和民（商）标有些差别。下图 18-16 （a）和（b）是美国 军标 MIL-STD-810C/D/E 和国军标 GJB150 中的要求；下图 18-16 （c）和（d）是美国军标 MIL-STD-810F 中的谱形。在 MIL-STD- 810F 中，后峰锯齿波主要用于功能冲击和坠撞安全冲击，梯形脉冲波 主要用于有包装设备的试验和易损性试验。对有包装的设备，在包装 前、包装中和包装后的偶然跌落，其功能必须正常；对易损性试验要 求产品既保证功能又保证结构不受损伤，对 由跌落和易损性要求的高 速度和大的速度变化量，其梯形脉冲波最能做 这一点。 18.5 对测量系统的要求 由于冲击在频域中是一个连续谱，并且具有无限带宽。因此要准确无 误地测 出冲击的峰值加速度，脉冲持续时间和速度的变化量，特别是 要不失真的重现冲击脉冲的实际波形，就要求测量系统对无限带宽的 频率成分能不失真的传递，也就是测量系统的通频带必须无限宽。又 由于时域波形是一个各频率上的能量信号叠加而成的，而且周期信号 的叠加还有一个相位的问题，即同一幅值的频谱，用不同的相位合 成，可形成不同的波形。可见若测量系统限制信号相位的传递，也将 导致脉冲波形失真。因此，对测量系统还有一个相位线 试验程序 冲击试验的整个试验过程比较简单，由预处理、初始检测、预调、试 验、恢复、最后检测几个步骤组成。下列两步有别于其它试验，是本 试验的重点，应理解和掌握好。 18.6.1 预调 在进行冲击试验时，样 品的重量和动态特性可能会对冲击试验设备的 性能产生影响， 同时，冲击试验所规定的试验条件（严酷等级）又是指冲击试验设备 装上样 品（包括夹具）和必要的负载后，在检测点上应达到的要求， 因此，为了保证样品经受到所规定的试验条件（严酷等级）和达到高 的再现性(不确定)，应做好试验前的预调。 预调前，首先应选好检测点，通常选择在样 品与台面或样 品与夹具的 连接处。 预调时，可带样品进行，也可不带样品进行。如果样 品的重量和动态 特性对冲击台的性能没有影响，则可不带样品，在冲击试验设备空载 的情况下进行预调。此时检测传感器安装在台面上或夹具上，并尽量 靠近台面中心。如果样 品的重量和动态特征对冲击台的性能有影响， 则应装上样 品进行预调。为了避免正式试验前的重复冲击给样品带来 不必要的损伤，通常装上非正式试验用样 品进行预调。在进行这种预 调时，如果样 品昂贵或能提供试验的样 品很少，则可用一个不合格的 样 品或用一具有恰当重心位置的立体模型来进行。但必须指出，这种 立体模型不可能有与真实样品有完全相同的动态特性，此点应充分注 意到。 18.6.1 试验 冲击试验设备预调结束后，就正式装上样 品进行试验。通常是在样 品 的三条互相垂直轴线的六个方向上进行（一般的冲击机可通过夹具和 改变安装来实现 ；用电动振动台进行冲击试验，可通过垂直台和水平 台来共同实现），即进行 3×6 ＝18 次冲击。对结构和性能完全对称的 样 品，可省去相应轴线和方向上的冲击次数。冲击试验在大多数情况 下是用来考核产品经受住冲击的能力，所以，通常在非工作状态下进 行冲击。对在运载工具上工作的产品，通常要进行性能冲击和结构强 度（军标 中有的称坠撞安全冲击）二种冲击，前者考虑的是在一般冲 击下要能正常工作；后者考虑的是在在偶然出现的特大冲击下其结构 不能出现损伤。特别是产品不产生分离、抛出、甩出而击伤人等。 当 一个产品要进行二种冲击时，通常是先完成性能冲击，然后再进行强 度（坠撞安全）冲击，试验时通常是在一条轴线上完成二种冲击后， 再依次完成另外二条轴线 合理 选择试验所需的冲击脉冲波形 对半正弦，后峰锯齿，梯形三种冲击脉冲，在试验如何进行正确的选 择是一个值得注意的问题。特别是对试验室只具备产生半正弦冲击脉 冲的冲击台，而不具备产生后峰锯齿、梯形冲击脉冲冲击台的情况更 是如此。另外当进行大加速度大脉宽的冲击试验时，而要求大的速度 变化量，而用电动振动台又无法做 时，也可参考此节进行。 为了说明如何进行合理的选择，首先请看前面的图 18-13 ： 图 18-13 是相同峰值和相同的脉冲持续时间的半正弦，后峰锯齿，梯 形三种冲击脉冲对 同一单 自由度系统的冲击响应谱。从图中可见 ： 当脉冲持续时间 D 和产品的固有频率 fn 的乘积小于或等于 0.2 时，三 种脉冲的初始响应谱近似相同，残余响应谱与脉冲波形的速度变化量 （波形面积）成正比。此时，只要速度波变化量相同，就可选择三种 冲击脉冲中的任一种来做试验。也就是说，当 fn·D≤0.2 时，用任何一 种脉冲来进行试验，其效果是一样的。 当脉冲持续时间 D 和产品的固有频率 fn 的乘积大于 0.2 并小于 10 时，三种脉冲的初始响应谱和残余响应谱均不相同。其中，梯形脉冲 的初始响应谱的最大值最高，而且由于梯形脉冲的加速度时间历程曲 线有平的峰值，所以初始响应谱的最大值能维持在较宽的频率范围 上。半正弦脉冲的初始响应谱的最大值次之（大约比梯形脉冲低 30 ％），后峰锯齿脉冲的初始响应谱的最大值最小（大约比梯形脉冲低 51％）。从残余响应谱来看，后峰锯齿脉冲的比较平滑，直 fn·D=10 附近才达到第一个零值。半正弦脉冲和梯形脉冲由于本身的 对称性，从 fn·D=10 开始就反复出现零值。可见 当0.2≤fn·D≤10 时， 应根据试验的目的和产品的具体用途来选择所需的脉冲。当冲击脉冲 的持续时间 D 和产品的固有频率 fn 的乘积大于 10 时，三种脉冲的初 始响应谱均近似 1 （amax/A=1），而残余响应谱均近似为零。此时， 选择三种脉冲中的任一种来进行试验，其效果是一致的。 18.9 将后峰锯齿、梯形两种脉冲转换成半正弦脉冲进行试验 前面已经讲到，当脉冲的持续时间 D 和产品的固有频率 fn 的乖积在 0.2 10 之间时，应根据试验 目的来选择所需的脉冲。这就给我们提 出一个问题，如果按照需要应选择后峰锯齿脉冲或梯形脉冲，而试验 室又不能产生这二种冲击脉冲波形，特别是上面所说的其速度变化量 超过电动振动台速度变化量的梯形脉冲时，或能产生但容差又达不 要求。此时如何解决呢？我们可以利用冲击谱将这两种冲击脉冲转换 成半正弦冲击脉冲来进行试验。其方法有下列两种： 18.9.1 峰值等效 对单 自由度系统，对结构和动态特性比较简单的样 品，例如，电子元 器件，可通过峰值等效的方法将后峰锯齿、梯形两种脉冲转换成半正 弦脉冲来进行试验。举例如下： 例 1 ：有一固有频率 fn=100Hz 的样 品，原需用 100g、11ms 的梯形 脉冲进行试验，由于电动台的速度变化量达不到，要将其转换成 6ms 的半正弦脉冲来进行试验，此时的峰值加速度应为多少？ 解：首先求出 fn·D 的乖积 ： fn·D ＝100Hz×0.011＝1.1 再从梯形脉冲的冲击谱 曲线）上查 fn· D = 1.1 处的无量纲 响应，其数值为 1.95,可见产品用梯形脉冲进行试验时，其响应加速度 为 100g×1.95＝195g。 然后再从半正弦脉冲的冲击谱 曲线 处的无 量纲响应，其数值为 1.65.可见为了得 195g 的响应加速度，半正弦 脉冲的激励峰值应为 ： A=1.95/1.65×100≈118g 从上面的计算可见，100g、11ms 的梯形脉冲转换成 6ms 半正弦脉冲 来进行试验时，其半正弦脉冲的峰值加速度应为 118g. 例 2 ：有一固有频率为 50Hz 的样 品，原需要用 100g、11ms 的后峰 锯齿脉冲来进行试验，由于试验室没有能产生后峰锯齿脉冲的设备， 要将其转换 6ms 的半正弦脉冲来进行试验，此时的峰值加速度应为多 少？ 解答：首先求出 fn·D 的乘积 ： fn·D=50Hz×0.011 ＝0.55 再从后峰锯齿脉冲击谱 曲线 的无量纲响 应，其数值为 1.20,可见产品用后峰锯齿脉冲进行试验时，其响应加速 度为 120g。 再从半正弦脉冲的冲击谱 曲线 处的无量纲 响应，其数值为 1.62.可见为了得 120g 的响应加速度，半正弦脉冲 的激励峰值应为 ： A ＝1.2/1.62×100g=74g 从上面的计算可见，100g、11ms 的后峰锯齿脉冲转换成 6ms 的半正 弦脉冲时，其半正弦脉冲峰值加速度仅为 74g. 例 3 ：有一个固有频率为 100Hz 的样 品，原需要用200g、3ms 的梯 形脉冲来进行试验，现要转换成 200g 的半正弦脉冲来进行试验，此时 的脉冲持续时间应为多少？ 可见产品用梯形脉冲做试验时，其响应加速度为 200g×1.13=226 g 然后再从半正弦脉冲的冲击响应谱 曲线）上查无量纲响应 为 1.13 处的 fn·D 的乘积，其数值为 0.32。 计算： fn·D ＝0.32 ； 100Hz·D=0.32 ； D=3.2ms。 从上面的计算可见 ：200g、3ms 的梯形脉冲转换成 200g 的半正弦脉 冲时，其脉冲持续时间应为 3.2ms. 18.9.2 用包络整个冲击谱的方法等效 对结构的动态特性复杂的产品，对多自由度系统，可采用包络整个冲 击谱的方法来等效。 （1）用半正弦脉冲的冲击谱来包络后峰锯齿脉冲的冲击谱，从而达 将后峰锯齿脉冲转换成半正弦脉冲进行试验的目的。 对后峰锯齿脉冲，从图 18-13 的冲击谱 曲线可见，其最大无量纲响应 amax/A=1.32，对应的无量纲频率 fn·D=0.7。 对半正弦脉冲，从图 18-13 的冲击谱 曲线可见，其最大无量纲响应 amax/A=1.78，对就的无量纲频率 fn·D=0.8。 现举例说明如何用包络整个冲击谱的方法等效，从而达到将后峰锯齿 脉冲转换半正弦脉冲进行试验的目的。 例 1 ：15g、11ms 的后峰锯齿脉冲要求转换成半正弦脉冲来进行试 验，此时半正弦脉冲的峰值加速度和脉冲持续时间应为多少？ 解答：∵后峰锯齿脉冲的最大无量纲频率 fn·D=0.7 ； ∴在 11ms 时能产生最大响应的样 品的固有频率； fn = 0.7/ D =0.7/0.011 = 63.7Hz ； 又∵后峰锯齿脉冲的最大无量纲响应为 1.32 ； ∴样 品的最大响应加速度为 15g×1.32= 19.8g。 下面用冲击谱包络法将后峰锯齿脉冲转换成半正弦脉冲。首先使两种 脉冲对产品的最大响应加速度相等。 ∵半正弦脉冲的最大无量纲响应为 1.78 ； ∴用半正弦脉冲试验时所需的激励峰值加速度为 ： amax/A=1.78，19.8/ A = 1.78 ，A = 11.12g ； 又∵半正弦脉冲的最大无量纲频率 fn·D=0.8 ； ∴用半正弦脉冲试验时的脉冲持续时间为 ： fn·D=0.8, 63.7·D = 0.8 D=12.5ms。 当半正弦冲击脉冲和后峰锯齿冲击脉冲的最大响应相同时，由于半正 弦脉冲的冲击响应谱的高频部分不能完全包络后峰锯齿脉冲相应冲击 响应谱的高频部分，为提高产品抗冲击的安全系统，需将半正弦冲击 脉冲的峰值加速度提高 14%。即 11.12g×1.14 = 12.68g。此时半正弦 冲击脉冲的冲击响应谱就完全能包络后峰锯齿冲击脉冲的冲击响应谱 了，如图 18-22 所示。可见，采用包络整个冲击响应谱的方法来等效 时，15g、11ms 的后峰锯齿冲击脉冲需用 12.68g、12.5ms 的半正弦 冲击脉冲来进行试验
GB T 32610-2016_日常防护型口罩技术规范_高清版_可检索.pdf
