瞬态冲击(非周期)及其测量的问题
冲击测试介绍及标准分享
1、夹具的固定（二）特殊夹具
18 Sensata Strictly Private – Proprietary Information
2、线束的固定（一）线束水平引出
19 Sensata Strictly Private – Proprietary Information
2、线束的固定（二）线束垂直引出
20 Sensata Strictly Private – Proprietary Information
21 Sensata Strictly Private – Proprietary Information
9 Sensata Strictly Private – Proprietary Information
1、工作模式(ISO16750-1)
10 Sensata Strictly Private – Proprietary Information
2、功能状态等级（ISO16750-1）
11 Sensata Strictly Private – Proprietary Information
5、半正弦脉冲（三）
补偿方式： 对称性补偿
平衡位置上/下能量相等
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6、后峰锯齿脉冲
7 Sensata Strictly Private – Proprietary Information
7、梯形脉冲
三：现实工作中遇到的问题：
冲击外包 测试
夹具的 固定
线束的 固定
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冲击瞬态分析的原理及应用
冲击瞬态分析的原理及应用1. 简介冲击瞬态分析是一种用于研究电力系统中瞬态过程的重要方法。
它主要通过对电力系统中突变时刻进行分析，了解系统在冲击过程中的响应以及可能产生的影响。
本文将介绍冲击瞬态分析的原理及其在电力系统中的应用。
2. 原理冲击瞬态分析的原理基于以下几个方面：2.1 梯度理论梯度理论指的是在一个连续的空间内，电压或电流的梯度变化会引起电场或电磁场的变化。
基于这个理论，冲击瞬态分析可以通过对瞬态响应进行数学建模，来预测和分析系统在冲击过程中的行为。
2.2 瞬态电路模型冲击瞬态分析中常用的模型为RLC电路模型。
这个模型将系统抽象为电阻、电感和电容的组合，通过对电路参数的分析，可以得到系统在冲击过程中的响应。
这种模型使得冲击瞬态分析更加可靠和准确。
2.3 瞬态稳定性分析冲击瞬态分析可以通过计算电力系统在冲击过程中的稳定性指标，来评估系统的稳定性。
常用的指标包括过电压、过电流等，通过对这些指标的分析，可以得到系统在冲击过程中可能产生的问题，并采取相应的措施进行改进。
3. 应用冲击瞬态分析在电力系统中有着广泛的应用，主要包括以下几个方面：3.1 高压电网的冲击分析在高压电网中，常常存在电容器和电感器等元件，这些元件在系统发生冲击时可能引起不稳定的响应。
通过冲击瞬态分析，可以对这些元件的影响进行评估，并采取相应的措施加以改进，提高系统的稳定性。
3.2 瞬态电力负荷分析瞬态电力负荷分析是冲击瞬态分析的一个重要应用领域。
通过对瞬态冲击过程中电力负荷的变化进行分析，可以了解系统在负荷突变时的响应，以及可能引起的问题。
这对电力系统的可靠性和稳定性具有重要意义。
3.3 保护装置的优化设计保护装置在电力系统中起着重要的作用，可以为系统提供安全保障。
通过冲击瞬态分析，可以对保护装置的响应进行评估，并优化其设计，使其能够更好地对系统的冲击过程进行保护。
3.4 系统的故障分析冲击瞬态分析还可以用于系统的故障分析。
冲击试验的若干问题分析
冲击试验的若干问题分析胡荣首钢迁钢公司，河北迁安（064404）E-mail：qghr@摘要：冲击试验是材料性能不可缺少的检验项目。
冲击功能够直观反应材料的冲击韧性，而夏比冲击能与温度的关系图可以确定测试钢种的韧性向脆性转变的温度。
由于冲击试验数据容易分散，在试验的过程中，冲击试验设备、试样加工及试验过程中的问题会影响试验数据的分散。
本文将从这三个方面对冲击试验中若干问题进行简单分析。
关键词：冲击试验，试验设备，试样，试验，问题，分析冲击试验是材料性能不可缺少的检验项目。
目前各国常用的试样为夏比V型缺口冲击试样。
冲击的试验原理，自冲击试验机问世以来就一直按能量守恒定律进行设计制造冲击试验机，按摆锤打断试样后势能损失多少计算冲击功。
目前，我国常用的冲击试验标准是GB/T229-1994《金属夏比缺口冲击试验方法》。
由于冲击过程持续时间很短，所以在服役中的构件往往会发生无预兆的突然断裂，而造成重大事故，因而研究材料在冲击载荷作用下的力学性能具有重要的现实意义。
冲击试验对材料的组织缺陷很敏感，它能灵敏地反映出材料的宏观缺陷和显微组织的微小变化，因而冲击试验在材料生产上成为用来检验冶炼、热处理及热加工工艺质量的有效方法之一。
又由于冲击试验加工简单，试验时间短，所以得以广泛应用。
在工厂做冲击试验的过程中，经常会碰到试验设备、试样加工及试验过程的问题而影响试验结果。
本文将在冲击试验过程中碰到的问题作一简单分析。
1. 试验设备1.1 冲击试验对试验机砧座和支座的要求1.1.1 支座的两个支撑面应平行，且相差不应超过0.05mm。
支座应使试样的轴线与摆锤轴线的平行度在3/1000以内。
1.1.2 砧座两个支撑面应平行，且相差不应超过0.05mm。
支座两个支撑面所在平面和砧座两个支撑面所在平面之间的夹角应为90±0.1°。
1.1.3 砧座曲率半径1mm。
曲率圆弧应与支撑面平面相切。
1.1.4 砧座之间跨距为40+0.2。
瞬态接触_冲击问题的有限元分析
李俊金咸定李维扬(上海交通大学船舶与海洋工程学院)摘要介绍瞬态接触2冲击问题的一种基于拉格朗日乘子法的有限元公式系统及其数值求解. 所建立的接触元能模拟接触的各个阶段, 如分离、粘附或有摩擦的滑移. 对于有摩擦的接触和释放给出了一种简洁的接触2释放条件, 为了更有效地求解耦合场运动方程, 引入了隐式2显式有限元算法. 该方法的有效性通过模拟核废料装运桶的冲击响应得到了验证.关键词固体; 接触2冲击问题; 非线性; 有限元分析中图法分类号O 313. 4固体之间或者固体与其他介质之间涉及接触2冲击的问题出现在许多领域中, 例如齿轮和滚筒的设计、核废料装运桶的冲击、飞机和汽车的防撞毁性、大型油轮液面的晃荡等. 由于接触边界条件的非线性, 实际感兴趣的问题几乎不能用解析法求解. 随着有限元法在50 年代末的出现, 数值求解接触问题已经被广泛地研究. Co n r y 和Se ireg 1 最早把接触问题处理成二次规划问题, 而C h a n 和T u b a2首先引入了一种普遍的滑移线方法. H u g h e s等3 建立的拉格朗日乘子法则对瞬态接触2冲击问题的求解作出了重大的贡献. 但文献3 中仅讨论了两维有摩擦无滑移的接触2冲击问题. 本文主要在某些方面修正和推广他们所做的工作.非线性瞬态问题的隐式2显式有限元分析1求解接触2冲击问题首先要建立支配变形体大运动的基本非线性方程. 本文的有限元离散法采用一种弱形式的支配偏微分方程, 它可由H am ilto n原理得到:∫t(∆E + ∆T - ∆W ) d t= 0 (1)t21式中: t1 和t2 表示两个时刻; ∆E , ∆T , ∆W分别为虚内功、虚动功和虚外功. 各符号的含义可参见文献4 .引入位移矢量并采用标准的有限元离散可得如下形式的离散运动方程:M ¨u + P (u,u )- R = 0 (2)近些年许多学者致力于研究瞬态耦合场数值求解的方法5 . 本文采用逐个单元的隐式2显式有限元算法求解上述非线性微分方程组. 假定M 为对角阵. 这一点与文献5 中的略有不同, 主要是因为对于冲击问题, 集总质量矩阵的性态优于相应的相容质量矩阵.接触2冲击问题的有限元模型的建立及求解2本节仅考虑两个物体的接触. 接触问题实际上是一个初边值问题. 可以把一个物体称作接触体, 另一个物体称作靶体.分析瞬态接触2冲击问题之所以极其困难, 主要是因为: 所考虑的物体的边界条件( 接触面积) 事先是未知的, 且接触面的大小和形状随时间而变化; 接触体之间的摩擦造成了随时间变化的粘附区域和滑移区域; 时间积分算法在接触面上失效. 前面两个问题的解决可通过适当地修正运动方程以反映非线性接触边界条件. 后一个问题的解决则通过修正时间积分算法以反映接触面上不连续的速度和加速度.收稿日期: 1997203215第一作者: 男, 1972 年生, 博士生. 邮编: 200030.考虑接触效应后, 式 (1) 变为2∑Α= 1t 2 ∫t{ (∆E Α + ∆T Α - ∆W Α) + ∆Q }d t = 0(3)1 式中: Α为相接触的物体; ∆Q 表示虚接触功. 采用拉格朗日乘子法强加接触协调性, 故取∆Q = ∫Σg d c(4)式中: Σ 为接触力矢量; g 为间隙矢量; c 为接触面积.对于普遍的两维有摩擦的接触2冲击问题, 采用双线性四边形单元来离散接触体和靶体. 接触面用接触体边界上的一组节点和靶体边界上的一组靶面来描述. 实际上任一接触体节点和任一靶面即构成了一个接触元. 离散接触泛函式 (4) 得N∫cΣg d c = ∑ΣΒg Β(5)Β= 1式中 N 为接触元的数目. 故基于拉格朗日乘子法的接触泛函的离散 式 ( 5) 将导得一混合变量的接触元, 这个接触元有 4 个节点, 每个节 点有两个自由度. 如图 1 所示.由上可知, 接触元的自由度是由如下矢量定义的广义位移: w = ( u 1 , Σ2 , u 3 , u 4 ) T , 相应的广义节点力为 F = (F 1 , g 2 , F 3 , F 4 ) T . 接触泛函 的离散及两个物体的标准离散可导得如下形式的运动方程:M ¨u + P (u , u α) + F (w ) = R ( t ) (6)·式中 P (u , u ) 的线性化可见文献4 . 下面仅考虑 F (w ) 的线性化. 不失一般性, 下面仅考虑一个接触元. 对 F (w ) 应用弗莱歇微分算子最后 导得图 1 接触元示意u1Σ2u 3 u4L0 0 L I - L- N 3L - N 4L0 N 3L 0 00 N 4L 0 - - c 0 0 1D F (w )w = K c w =(7), L =式中: K c 为接触切线刚度矩阵; I 为单位矩阵; N 3 , N 4 为节点 3 和 4 的插值函数. 需要指出的是: 对于无 摩擦的接触问题, F (w ) 的线性化可得到对称的接触刚度矩阵, 但对于涉及摩擦的滑移接触问题, F (w )的线性化得到的是非对称的接触刚度矩阵. 本文在适中滑移量的假设下, 引入小的完全滑移切线刚度矩阵, 从而得到了上面给出的对称的接触刚度矩阵.采用上节所述的隐式2显式算法即可求解系统运动方程 (6). 当运动方程的一个收敛解已经得到后,需要检查在当前时间步是否有节点进入或脱离接触. 如果有, 必须对它们应用接触释放条件, 以精确考虑接触和释放时产生的激波所造成的场变量的不连续性.3 瞬态接触和释放条件用隐式2显式算法求解两体接触问题时, 仅对位移场强加了接触和释放条件, 用此算法所得到的速度场和加速度场不满足不可穿透性约束. 文献6 中有一个简单的例子说明了时间积分算法在接触和释 放发生时的失效. 接触和释放条件计算的细节很复杂. 在文献3 中有详细的推导. 但文献3 中仅给出了有摩擦无滑移时的接触和释放条件. 下面将给出有摩擦的滑移时的接触和释放条件.不失一般性, 仅考虑一个接触元. 各符号见图 1, 接触和释放条件的速度的修正公式分别为d t ( 2 - 1 u αn ) N c γ (u αn ) 3 ( 3 - 11 3 1 - 1 Σn ) M + M - (u α3 ) + M 3+ M 1N 3N3M 1N 3N42 d t cγ c γ cγ c γ n = (8)M N c γN c γu αn ) M 1N 3 44 1 4 44 +( c γN c γM + (u αn ) M N c γ (u αn ) 4 4 - 1 1 4 1 - 1 (Σn ) 2 - 1+ - M 2接触和释放条件的加速度的修正公式分别为3+ M 1N 3N 3M 1N 3N 4(¨u 3 ) +M 3 (¨u 3 ) - + M 1N 3 (¨u 1 ) -n n c n cc c c(10) =M 1N 3 441 4 4( n )¨u 4 +4 4 -(n) - ¨u 1 4 1 -( n ) ¨u M + + c NcM N c N c M M N c(¨u 1 + ¨1 n ) (u n ) (11) = 接触和释放条件的接触力的修正公式分别为(Σ2 ) + = (Σ2 ) - - 0n M 1 [ (¨u 1 ) + - (¨u 1 ) - (12) (13)表示在当前时 ] n n n (Σ2 ) += n 上述诸式中: M 1 ,M 3 ,M 4 分别是节点 1, 3, 4 的集总质量; N Α= N Α Νc = N Α[ c Ν- 1 + Ν+c γ ( γ)( c ) /2 间步, 滑移的接触体节点的平均位置处的插值函数; 下标 n 为法线方向; ( ) - 1 为前一时间步的值; ( ) - 为当前时间步由隐式2显式算法计算所得到的值; ( ) + 为修正后的值. 与文献5 中的接触和释放条件的公 式相比, 本文的公式在形式上更简洁.实际上两维情况下的许多理论可直接推广到三维接触和冲击问题, 限于篇幅, 不作讨论.4 数值模拟本节介绍核废料装运桶与刚性地面的冲击的数值模拟, 并对结果进行讨论.为了安全输送装有核废料的桶, 需要研究具有有限初始速度的核装运桶 ( 有包壳的轴对称铅圆柱 体) 从 9 m 的高空自由落下与刚性地面发生冲击时的响应, 基本条件和数据列于表 1.表 1 核装运桶的基本条件和数据质量密度/( k g ·m - 3 ) 杨氏模量 /M P a屈服应力 /M P a应变硬化 率/M P a直径/c m厚度/c m长度/c m泊松比铅柱体不锈钢包壳30. 5- -0. 635 91. 491. 4 19. 5 1. 96×1040. 420. 33 29. 631018. 1 1. 91×1031. 13×10- 9 8. 00×10- 10模型的示意图如图 2 所示. 采用两维轴对称单元把铅柱体划分成 5×10 的网格 (显式单元) , 不锈钢包壳则被划分成 1×10 的网格 (隐式单元). 假定仅柱体的侧面被包壳覆盖, 滑移运动仅允许沿侧面的切 线方向发生. 还假定柱体的下表面保持与刚性地面接触 (没有反弹). 在界面上插入 10 个四节点接触元(隐式单元) , 其目的是模拟柱体2包壳之间可能发生的滑移.图 3 头部沉陷的时历图 2 核装运桶的冲击核装运桶在 0. 0 m s 时与地面发生冲击, 头部沉陷的时历如图 3 所示, 头部沉陷的最大值为6. 45c m , 发生于 5. 6 m s . 这与文献7 的计算结果基本吻合. 铅柱体的轴向压力分布示于图 4. 最大轴向应力 约为 18. 7 M P a . 包壳中的轴向应力状态则示于图 5. 结果显示了高频应力模式.在计算过程中可以发现柱体和包壳的分离, 这可能主要是因为柱体上下表面没有包壳, 柱体在径向图 4 10 m s 时铅柱体中轴向应力的分布图 5 10 m s 时包壳中轴向应力的分布参 考 文 献1 2 Co n ry T F , Se i reg A. A m a t h e m a t ica l p r o g ra mm ing m e tho d f o r de sign o f e l a st ic bo d ie s in c o n tac t . J A pp l M ech , 1971, 38: 387～ 392 C h an S K , T uba L S . A f in ite m e t ho d f o r c o n tac t p r o b le m s o f so lid bo d ies ——p a r t I : th eo ry and va lida t io n. I n t J M ech Sc i , 1971, 13: 615～ 625H ugh e s T J R , T ay lo r R L . A f in ite e le m en t m e tho d f o r la r ge d isp lace m en t c o n tac t and i m p ac t p r o b le m s . I n : B a th e K J , O den J T ed s .Fo r m u la t i o n s o f Com p u ta t io na l A lgo r ithm s , 1977. 469～ 495Zienk ie w icz O C , T ay l o r R L . T h e F in ite E l e m en t M eho d . L o n do n : M cG r a w 2H ill , 1991. B e ly t sch ko T , H ugh e s T J R ( ed s ). Com p u ta t io na l m e tho d s f o r t ran sien t ana ly sis in c om p u ta t i o na l m e tho d s in m ech n ice s . V o l . 1, N o r th 2H o lland, A m ste rda m , 1983.T ay lo r R L , P ap adopo u lo s P. A f in ite e le m en t m e tho d f o r dyna m ic c o n tac t p r o b le m s . I n: O na te E , P e r iaux J , Sa m ue lsso n A ed s . F in iteE le m en t s in th e 90’s, 1991. 212～ 222Ku lak R F . A dap t ive c o n tac t e le m en t s f o r th ree 2d i m en sio na l exp lic it t r an sien t ana ly sis . Com p u te r M e th in A pp l M ech and E ng , 1989,72: 125～ 1513 4 56 7 F in ite E l em e n t A na l ys i s fo r T ra ns ie n t C o n ta c t 2I m p a c t P ro b lem sL i J u n J in X ia n d in g L i W e i y a n g(Co llege o f N ava l A rch itec t u re an d O cean E n g i n e e r i n g , Sh a n g h a i J i ao to n g U n i ve r s ity )A b s t r a c t A f i n i te e lem en t fo rm u l a t i o n b a s ed o n lag r an g e m u lt i p li e r tech n i qu e s fo r t ran s i en t co n t ac t 2i m p ac t p ro b lem s is p re sen ted . T h e deve l op ed co n tac t e le m en t h a s th e ab ility to s i m u la te each o f th e co n t ac t s tage su ch a s sep a r a t i o n , s t i ck i n g an d f r i c t i o n a l s li d i n g . Fo r th e f r i c t i o n a l co n t ac t s an d re l ea s e s , a co n c i se fo rm u la t i o n o f co n t ac t 2re l ea s e co n d i t i o n s is g i ven . In o rde r to so lve co u p i ed 2f i e l d equ a t i o n s o f m o t i o n m o re eff i c i en t ly , th e i m p li c i t 2exp li c it f i n i te e l em en t a l go r ithm is a lso i n t ro d u c ed . T h e vad i lity o f th e tech n i qu e is dem o n s t r a t ed b y s i m u la t i n g i m p a c t re s po n s e o f ax isymm e t r i c sp e n t n u c l ea r fu e l 2sh i p 2p i n g ca s k . so li d s ; co n t ac t 2i m p a c t p ro b l em s ; no n 2li n e a r ; f i n i te e lem en t an a l y s isKe y w o rd s。
电快速瞬变脉冲群抗扰度测试常见问题对策及整改措施
电快速瞬变脉冲群抗扰度测试常见问题对策及整改措施下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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快速瞬变脉冲群测试的要点及对策
快速瞬变脉冲群测试的要点及对策一:前叙脉冲群抗扰度试验的国家标准为GB/T17626.4(2008)，它等同于国际标准IEC61000-4-4。
该标准对EFT 的定义、工作原理、测量方法及试验发生器等进行了详细的规定，成为其它相关标准引用和参考的基础.脉冲群抗扰度试验是一种使用较为普遍的抗扰度试验项目，同时也是在所有抗扰度试验项目中属于比较难做，比较难于通过的一个试验项目。
本文通过综合其他研究者的研究成果并结合自己多年的检验工作实践，针对EFT对电子产品的不同影响特点，提出相应的对策方案供相关产品设计人员参考。
二: 脉冲群瞬变干扰的形成原理2.1 GB/T17626.4认为EFT是由于感性负载在断开或接通时，因开关触点间隙的绝缘击穿或触点弹跳等缘故，在开关处会产生一连串的暂态脉冲(脉冲群)骚扰。
当感性负载多次重复通断，则脉冲群又会以相应的时间间隙多次重复出现。
产生此类脉冲的原因包括:小型感性负载切换、继电器触电跳动(传导干扰);高压开关装置切换(辐射干扰)。
EFT的特点是上升时间快，持续时间短，能量低，但具有较高的重复频率。
EFT 一般不会引起设备的损坏，但由于其干扰频谱分布较宽，会对设备正常工作产生影响。
其干扰机理为EFT 对线路中半导体结电容单向连续充电累积，引起电路乃至设备的误动作。
下图是供电线路、机械开关和电感性负载（图中用一个继电器带铁芯的电感线圈作代表，其中L2是铁芯线圈本身的电感量，R是电感线图的内阻，C2是线圈匝间和层间的集中参数等效电容）组成的小系统.正常工作时，开关S闭合，继电器铁芯线圈有稳态电流流过，使继电器处在工作状态。
一旦开关S断开，上述现象将不复存在。
但考虑到继电器铁芯线圈本身是一个电感，根据电感性负载电流不能突变的原理，开关S的断开使主回路的电流实际上是被切断了，这时继电器铁芯线圈的电流连续性问题只能靠自身来解决了，亦即继电器的铁芯线圈中的能量通过向分布电容转移的方式来保持铁芯线圈中电流的连续性。
第2.6节 冲击与瞬态振动的与频谱分析
F （f )
AT cos fT 1 4 f 2T 2
3 T
2 T
f
x(t)
x(t)
1
0.5
A
T x(t) A T x(t) A T t t t
F （f ) AT
sin ft ft
1 T
2 T
3 T
f
x(t) 1 0.5
1 T 2 T
F （f ) AT
1 1 1 1 sin 2 fT sin 2 f ft ft ft
3 T
f
x(t) 1 0.5
x(t ) dt 收敛
Байду номын сангаас
非周期振动函数
对非周期函数x(t)及其频谱x()有：
1 x(t ) 2
x( )e d (2 69)
it
x() x(t )eit dt (2 70)
傅立叶变换对
与周期振动的傅立叶级 数： a0 x(t ) (an cos n1t bn sin n1t ) (2 53)比较，可见： 2 n 1
一个非周期振动可以表示成无穷简谐振动的叠加，这 些简谐振动的频率不是离散分布，而是连续分布。
X ( ) 是的复数函数，其模对频率的关系表现 为连续曲线，即幅值频谱为连续谱。 X ( ) 也称为x(t ) 的频谱函数。
例1-3 求图示单个矩形脉冲的傅里叶积分，并作出频谱图。
解： 0 x(t ) x0 0 x(t )的频谱函数为： t t1 2
0 t t0 t 取其余值
x0 x(t ) 0
在工程中，最常见的非周期振动是冲击振动与瞬态振动， 其特点是过程突然发生，持续时间短暂，能量大。
冲击试验机的试验方法 冲击试验机常见问题解决方法
冲击试验机的试验方法冲击试验机常见问题解决方法1、依照标准的测量试验厚度，在全部试样的中心测量一点，取10个试样测试的算术平均值。
2、按仪器使用规定校准仪器。
3、依据试验的所需的抗摆锤冲击能量选用冲1、依照标准的测量试验厚度，在全部试样的中心测量一点，取10个试样测试的算术平均值。
2、按仪器使用规定校准仪器。
3、依据试验的所需的抗摆锤冲击能量选用冲头，使读数在满量程的10％――90％之间。
4、将摆锤挂到释放装置上，在计算机上按键开始试验，使摆锤冲击试样，同样步骤作10个试验，试验结束后自动计算10个试样的算术平均值。
5、将试样展平放入夹持器中夹紧，试样不应有皱折或四周张力过大的现象。
应使10个试样的受冲击面一致。
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冲击试验机的作用如何？冲击试验机量程可调，电子式测量轻松精准地实现各种测试条件下的试验。
试样气动夹紧，摆锤气动释放以及水平调整辅佑襄助系统有效地避开了人为因素引起的系统误差。
系统自动统计试验数据，直观地将测试结果呈现给用户。
系统接受微电脑掌控，搭配液晶显示屏，菜单式界面和PVC操作面板，便利用户快速地进行试验操作和数据查看。
冲击试验机在使用过程中是有确定的规范的，用户在使用的时候对于冷热冲击试验箱的操作流程也是需要了解的。
冲击试验机分为预处理、初使检测、试验、恢复、最后监测。
预处理，将被测样品放置在正常的试验大气条件下，直至达到温度稳定。
初始检测：将被测样品与标准要求对比，符合要求后直接放入高处与低处温冲击试验箱内即可。
试验，试验样品应按标准要求放置在试验箱内，并将试验箱（室）内温度升到指定点，保持确定的时间至试验样品达到温度稳定，以时间长都为准。
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瞬态冲击(非周期)及其测量的问题
林劲(Jing Lin)
PCB Piezoronics Inc.,
3425 Walden Avenue, Depew, NY 14043 USA
前言
瞬态冲击(非周期)与周期性的振动在频谱特性是不同的, 所以在对测量的传感器及仪器的要求选择上也不同. 本文用比较直观和浅显的方法来阐明. 希望有助于冲击测量的用户更好地, 更准确地测量冲击加速度.
(一) 频谱分析的基础知识
冲击(非周期)信号与周期性的信号在频谱特性是不同的.
通常动态信号都不是纯正弦波,可以分解为许多谐波成份,由其振幅和相位来表征.各次谐波
按其频率高低排列成为该动态信号的频谱图形. 瞬态冲击(非周期)信号频谱特性是连续频谱;而周期性的信号频谱特性是离散(线谱)频谱. 如图1,2,3所示:
图 1. 纯正弦信号及其频谱
图 2. 失真正弦信号及其频谱
fo=1/T
fo 3fo 5fo 7fo
f
图 3. 周期方波信号及其频谱
而瞬态的冲击(非周期)信号频谱就不能用上述线谱来表示, 而必须用是连续频谱表示, 如图.4. 所示.
[F(f)]/AT
图 4. 半正弦冲击波信号及其频谱
其中[F(f)]=(2AT/π)*[cos πfT/(1-4ffTT)].
T t 0.0 1/T 2/T 3/T
图 5. 矩形冲击波信号及其频谱
其中[F(f)]=(AT)*[sin πfT/ πfT].
(二) 瞬态冲击(非周期)信号对测量的冲击加速度计及仪器的要求
由冲击波信号及其频谱分析及频谱分布图可知:
1)凡上升时间越快的, 或持续(接触)时间越短的冲击; 其频谱的高频越高,而且这些高频在其频谱中的比例越多. 如硬的金属对金属的对撞冲击, 其持续(接触)时间约在敉十微秒左右.
其频谱的高频成份可达十千赫芝.
又如火药爆炸的冲击, 或称爆冲(Pyroshock)上升时间可短于十微秒. 其频谱的高频成份可达数十千赫芝. 所以如要准确测量冲击的高频成份,这就要求测量的冲击加速度计具有较高的共振频率(高于50Khz以上)和较大的动态量程(100,000g).
图6.所示共振频率不够高的冲击加速度计,测量较短持续(接触)时间的冲击时所产生的冲击加速度计共振对冲击测量的影响.
图 5. 共振频率f o=2/T加速度计测量脉宽T的半正弦冲击波的失真
G
图 6. 共振频率f o=5/T加速度计测量脉宽T的半正弦冲击波的失真
比较图5和图6,共振频率越高的加速度计,测量脉宽T的半正弦冲击波的失真比共振频率越低的加速度计测量失真更小.
根据弹簧-质量结构的无阻尼加速度计对冲击响应的计算结果: 为了达到5%测量误差, 则要求测量加速度计的安装共振频率f o >= 10/T
为了达到10%测量误差, 则要求测量加速度计的安装共振频率f o >= 5/T
2) 凡持续(接触)时间越长的冲击; 其频谱的低频成份越低.
如撞击接触面为软橡胶, 塑料材料, 其持续(接触)时间约在十至数十毫秒左右.
如果是制动或弹射的负荷过载, 其持续时间可约在数十毫秒至数百毫秒.
这些长接触时间及长持续过载的脉冲频谱则包含的低频成份可至直流, 而且其频谱的绝大部份都是这些低频成份. 这就要求测量持续时间在数十毫秒至数百毫秒的冲击碰撞或过载的冲击加速计具有较低的频率响应, 如 0.1Hz甚至直流响应.
图7. 矩形阶跃脉冲响应及低频影响
图8. 半正弦脉冲响应及低频影响
图7.8 表示无直流响应的加速度计对矩形波及半正弦波冲击脉冲输入的响应, 由于其低频响应不够低, 所以在T时刻其输出幅值下降了5%. 为了保证对矩形脉冲5%的测量误差,加速度计的低频-3dB截止频率至少必须低于0.008/T,或低频时间常数即DTC>=125T.这种矩形冲击脉冲在实际的机械冲击中是很难实现的.
在工程中,实际的机械冲击波形大多都很近似于半余弦或半正弦脉冲,根据对半正弦波冲击计算结果: 为了5%的测量误差, 加速度计的低频-3dB截止频率至少必须低于0.05/T, 或低频时间常数即DTC>=20T.
(三) 冲击加速度计的零飘问题
零飘问题是指在测量冲击过程,在冲击碰撞或曝炸结束后,测量的冲击加速度计的输出不能恢复到原来的零点. 如图9所示:
图9. 冲击测量出现的零飘现象
这种零飘现象出现可由以下几个方面引起:
1)传感器的敏感元件, 如压电晶体受到过大过载而引起晶格错位; 或预紧的机
械另件受到过大过载而引起预紧的机械另件之间变形或错位而引起信号漂移.
2)二次仪表因为输入的信号过大饱和而引起信号漂移.
3)传感器的电缆连接接头不可靠, 受大冲击时松动接触不良而引起信号漂移.
这种零飘现象可以通过对冲击加速度计的精心考虑和设计, 如选取弹性系数高的压电敏感材料作压电转换元件.基座及惯性质量等机械另件的材料也选取弹性系数高的材料. 在测量时对电缆及连接接头的安置处理等也需加以注意.
(四) 冲击加速度计的线性动态量程
冲击加速度计的线性又称为非线性,表示传感器的输出与输入之间的关系与直线的接近(或偏离) 的程度. 特别是测量大加速度的冲击时,冲击加速度计的线性问题就显得十分重要.在一定泛围内的惯性力,其受力的压电晶体,弹性预紧另件以及金属基座的变形关系还呈现较小的非线性(较好的线性)关系.
因为随着加速度的增大,作用在压电晶体,弹性预紧另件以及金属基座上的惯性力也随着增大,其受力的压电晶体,弹性预紧另件以及金属基座的变形关系呈现出较大的非线性关系.
一般规定: 用于冲击测量的加速度计的线性10%为其动态量程. 用于测量振动的加速度计的线性5%为其动态量程.
在国内国家标总局也制定了JJG-233-81”压电加速度计检定规程”,规定了幅值线性度的计算方法采用最小二乘法.
附录
自由下落冲击加速度的估算方法
1)自由下落速度计算, 参见图10.:
平均碰撞冲击速度(量值上)为最大下落速度与返弹速度之和的平均值:
V ={ 2gH + 2gh }/2
落高)
图10. 自由下落冲击示意图
2)半正弦碰撞冲击及冲击加速度估算, 参见图10 :
平均冲击加速度值a avery = V/T
峰值冲击加速度值a peak = V/0.636T
a
a
0 T t
图11. 半正弦冲击加速度波形
从上述计算分析可知:
1)一般碰撞冲击的接触持续时间T取决于碰撞材料以及相同碰撞接触面形状. 与碰撞速度或碰撞物体的质量大小关系不大.
2)而碰撞冲击加速度由碰撞冲击速度(落高H),以及碰撞冲击的接触持续时间T
和返弹高度(碰撞材料以及碰撞接触面形状) 来决定.
所以碰撞冲击速度越大(落高 H 及返弹 h 越高),则半正弦碰撞冲击加速度越大; 碰撞冲击的接触持续时间 T越短(碰撞材料越硬),则半正弦碰撞冲击加速度越大.
3)在相同碰撞冲击能量下,或相同碰撞冲击速度下, 可以通过改变碰撞材料硬度
来改变碰撞冲击的接触持续时间T,来改变碰撞冲击加速度值的大小. 即碰撞冲
击的接触持续时间T越短, 则碰撞冲击加速度值越大.。