中量級沖擊試驗機砧臺臺面量級分布及規律研究

連張亮，叢爽，興效鳴，閆旭東

（天津航天瑞萊科技有限公司，天津 300462）

引言

中量級沖擊試驗機作為考核艦船設備抗沖擊能力的重要試驗設備之一，具有成本低，數據采集便利，沖擊量級易控制，精度高，可重復性等特點，并能夠有效模擬水下爆炸對艦船設備的影響[1]。

我國現階段用于中量級沖擊試驗的相關標準主要為GJB 150.18《軍用設備環境實驗方法-沖擊試驗》[2]，施建榮等人[1]對該標準及試驗機零部件進行了整理解讀；閆寒等人[3]依據GJB 150.18 對中量級沖擊試驗機進行沖擊特性研究發現槽鋼的最大加速度高于臺面；王濤等人[4]明確了擺錘尺寸與轉軸之間的關系，為后續的擺錘研究與優化提供了理論依據；王旭等人[5]依據理論數值分析，獲得了工程上擺錘最優解，擺錘尺寸能夠夠將擺錘打擊點與打擊中心重合；也有對中量級沖擊機運動過程等多方面進行研究，為后續地研究提供依據[6,7]。

然而，對于中量級沖擊試驗機錘頭高度與臺面砧臺響應量級大小及分布的影響少有研究；本文通過改變錘頭高度，在定量中探討錘頭高度與臺面砧臺響應量級大小及分布的關系。

1 試驗原理與標準

1.1 試驗原理

中量級沖擊試驗機是將錘頭的勢能轉化為動能，再通過波形發生器將錘頭動能轉化為砧臺的動能，即：

式中：

m—錘頭質量；

g—重力加速度；

h1—錘頭重心距離最低點的高度；

v1—擺錘初始速度0；

h2—錘頭與波形發生器接觸瞬間其重心距離最低點的高度；

v2—擺錘與波形發生器接觸瞬間速度，

μ—能量損耗。

式中：

ω0—擺錘動能轉化為砧臺機械能；

ω1—砧臺能量損耗。

1.2 控制原理

本次試驗采取開環控制，試驗前，開啟油泵，調整砧臺臺面高度，通過中控機來進行設置擺錘錘頭高度等試驗參數，信號傳遞給中量級沖擊臺系統，系統接收信號后，釋放擺錘，并通過傳感器反饋給測量系統，經過人員確認后調整試驗參數后開展后續試驗?？刂圃韴D見圖1。

圖1 沖擊臺控制原理圖

2 試驗參數

依據GJB150.18 中的相關要求及研究需要，采用型號為Y522700-6/ZF 的中量級沖擊試驗機，設置砧臺行程為76 mm；錘頭高度分別為30 cm、50 cm、60 cm、70 cm、90 cm、100 cm。選取砧臺臺面中心點為1 號測點，2、3、4 號測點均位于對角線上，與1 號點的距離均為320 mm，其中，2 號測點與3 號測點位于擺錘側，4 號測點位于減振器與墻體連接側，具體位置見圖2。

圖2 中量級沖擊試驗機測點布置及整體示意圖

本次研究采用的傳感器均為高量級電荷加速度傳感器，最大量程為20 000 g；選用騰振數據采集儀，采集頻率為51 200 Hz，并采用1/12 倍頻程，5 %阻尼比將時域信號轉為沖擊響應譜，頻域范圍為（0~10 000）Hz。

3 試驗結果

如圖3 展示了砧臺行程為76 mm 時，在不同錘頭高度沖擊下的沖擊響應譜。這些數據提供了關于沖擊響應隨著錘頭高度變化的結果。根據圖中所示，隨著錘頭高度的增加，各個測點的量級響應值也隨之增加。這意味著隨著錘頭高度的增加，沖擊力的傳遞和能量的釋放也相應增加，導致測點處的響應增強。這說明在更高的錘頭高度下，沖擊能量被更有效地傳遞到被測試物體上，從而引發更強烈的響應?？梢灾庇^的觀察到峰值數量隨著錘頭高度的增加而逐漸增加，這意味著在更高的錘頭高度下，沖擊過程中涉及的不同頻率成分增加了。這可能是由于更高的錘頭高度引起了更復雜的沖擊力傳遞和能量釋放模式，導致了更多的共振現象和頻率成分的激發。圖中還顯示出第一個峰值所在的頻率隨著錘頭高度的增加而下降。這表明隨著錘頭高度的增加，主要的共振頻率也發生了變化。這可能是由于在不同的錘頭高度下，被測物體的固有頻率和共振模式發生了變化，從而導致第一個峰值出現的頻率位置發生了偏移。

圖3 砧臺行程為76 mm，不同錘頭高度下的沖擊響應譜

在（500~600）Hz 的頻率范圍內，各個測點的響應量級出現了所謂的“拐點”。這表示該頻率范圍內的響應特性在錘頭高度變化時發生了顯著的變化。這可以解釋為在這個特定的頻率范圍內，被測試物體的諧振特性受到了錘頭高度的影響，并導致響應量級的變化。這種現象可能與物體的固有頻率、共振模式以及能量傳遞機制等因素有關。

在低頻區域（10~100）Hz，測點1 的響應量級低于其他測點。意味著在這個頻率范圍內，測點1 相對于其他測點來說對沖擊力的響應較弱?？赡艿脑蚴菧y點1與沖擊源之間的距離較遠，導致能量傳遞衰減，從而降低了其響應量級。

當錘頭高度為30 cm 時，測點1 的曲線較為平滑。表示在這個錘頭高度下，沖擊力傳遞的過程相對較為均勻和穩定，沒有明顯的共振或突發現象。

當錘頭高度達到50 cm 及以上時，在這一區間出現了波峰，并且波峰的高度隨著錘頭高度的增加逐漸增加。意味著在較高的錘頭高度下，沖擊力傳遞和能量釋放變得更為復雜和強烈，導致了更多的共振現象和頻率成分的激發。對于測點2、3 和4，它們與臺面中心（即測點1）的距離相等。在整體趨勢上，測點2、3 和4 的響應量級是一致的，并且在中低頻階段具有較好的一致性。說明砧臺的臺面響應量級以臺面中心點為圓心向四周呈現梯度變化。與砧臺結構的對稱性以及能量傳遞路徑有關。

在錘頭高度為100 cm 時，測點4 在低頻狀態下的響應量級高于其他兩個測點。這個現象的原因之一是測點4 相對于其他測點來說更接近沖擊源，因此在低頻區域內受到更強的沖擊力作用，導致響應量級的增加。然而，需要進行更深入的研究和分析來確認這個現象，并進一步探索其背后的物理機制。

4 關鍵數據分析

4.1 響應量級最大值分析

圖4 （a）所示為在線性坐標系下測點1 頻率與響應量級之間的關系曲線圖，最大響應量級對應的頻率受擺錘沖擊載荷的影響較??；在高頻狀態下，響應量級的波動隨沖擊載荷增加而增大。

圖4 測點1 相關參數曲線圖

如圖4（b）所示，隨著擺錘高度與響應量級最大值呈現二次關系，即：

式中：

S—響應量級最大值，單位為g；

X—擺錘高度，單位為cm。

對測點2、3、4 取量級的最大值取平均，錘頭高度變化對響應量級的影響如圖4（c）所示，即：

4.2 響應量級梯度分析

砧臺臺面響應量級分布主要由擺錘高度、砧板材料，鑄造工藝等多種因素的影響，本文探討擺錘高度對砧臺臺面響應量級梯度的地影響。選取測點2、3、4 響應量級最大值的平均值及測點1最大響應量級進行差值分析。

圖5 展示了測點2、3、4 的響應量級最大值的平均值以及測點1 最大響應量級差值的擬合曲線。通過觀察這些曲線，我們可以進一步探索砧臺的響應特性，并研究擺錘高度和測點之間的關系。隨著擺錘高度的增加，砧臺臺面的響應量級梯度密度增大。意味著在較高的擺錘高度下，不同測點之間的響應量級差異更加明顯。這可能是因為在較高的擺錘高度下，沖擊力能夠更有效地傳遞和分布到砧臺臺面的不同區域，導致測點之間的響應差異增大。這一現象對于砧臺結構的設計和優化具有重要意義，因為我們可以根據不同的應用需求來調整擺錘高度，以控制砧臺臺面的響應特性。當測點1 與其他測點之間的距離保持不變時，響應量級差值隨著沖擊載荷的增加而增加。意味著隨著沖擊載荷的增加，測點1與其他測點之間的響應差異變得更加明顯。這是由于沖擊載荷的增加導致了更強烈的沖擊力傳遞和能量釋放，從而引發了更大的測點之間響應差異。結果說明，在設計和評估砧臺性能時，需要考慮沖擊載荷的大小對不同測點響應的影響，并針對性地進行優化和調整?？梢酝ㄟ^等式5 來描述測點1 最大響應量級差值隨沖擊載荷增加的增長關系。這個等式提供一種數學模型來預測和分析砧臺響應的變化并且在實際應用中根據等式（5）中的參數來調整砧臺的設計參數，從而實現所需的響應特性。

圖5 最大響應量級差值擬合曲線圖

式中：

X—擺錘高度，單位為cm。

5 結語

1）在低頻區域（10~100）Hz，砧臺臺面中間區域量級低于四周量級；與中心點的等距位置量級分布均勻；

2）擺錘高度與砧臺臺面各測點的最大響應量級呈現二次關系；

3） 隨著擺錘高度的增加，砧臺臺面的響應量級梯度密度增大；與砧臺中心點的等距測點間距的響應量級差值隨沖擊載荷的增加而增加。