Sec14_冲击响应谱分析解析
冲击响应谱绝对校准研究中冲击响应谱的计算方法
冲击响应谱绝对校准研究中冲击响应谱的计算方法
曹亦庆;李新良;秦海峰;郑喜红
【期刊名称】《计测技术》
【年(卷),期】2007(027)003
【摘要】介绍了应用于冲击响应谱绝对校准中的冲击响应谱的计算方法,该方法的实现基于MATLAB编程语言,即通过MATLAB中的仿真直接求解单自由度二阶微分方程的数值解以获得冲击响应谱的绝对复现.
【总页数】3页(P10-11,42)
【作者】曹亦庆;李新良;秦海峰;郑喜红
【作者单位】中国一航北京长城计量测试技术研究所,北京,100095;中国一航北京长城计量测试技术研究所,北京,100095;中国一航北京长城计量测试技术研究所,北京,100095;中国飞行试验研究院,陕西,西安,710089
【正文语种】中文
【中图分类】TB936
【相关文献】
1.冲击响应谱校准技术的研究 [J], 厉巍;陈永久;朱永晓
2.冲击响应谱校准技术的研究 [J], 厉巍;陈永久;朱永晓
3.基于LabVIEW的冲击响应谱校准系统研究 [J], 朱永晓;厉巍
4.一种冲击响应谱试验设备校准装置的研制 [J], 白天;赵健;闫磊
5.一种宇航继电器冲击响应谱等效计算方法的研究 [J], 宋伟;孟晓脉;王力;纪明明;纪志坡;陈永刚
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考虑谱跌的舰载设备冲击响应谱分析法
考虑谱跌的舰载设备冲击响应谱分析法
1 舰载设备冲击响应谱分析
舰载设备冲击响应谱分析是指利用有限的水中数据，如波形和能量谱，来描述信号的多模态信号分析，从而给出物理应力和船舶结构的集合反应。
从最简单的振动理论出发，尝试建立一种有效的船舶结构特征参数和船舶力学参数间的相互作用。
舰载设备冲击响应谱分析主要用来检测和预测舰载设备的效率，避免隐藏的潜在的损坏，从而达到最优的设计生物学，或者可以根据谱跌的采样数据，建立舰载设备的振动力学模型，从而更加准确、可靠地判断舰载设备的机械参数和性能参数。
2 谱跌分析法
谱跌分析法指的是用谱去评估和分析在舰载设备上进行冲击试验所获取到的信息，从而预测舰载设备在船舶结构中的行为。
该方法首先采用了Fourier变换，分析信号所处在的频率域，并把信号中的频率特征分离出来，对响应谱进行分析。
进而可以确定振动频率，并根据采样数据结构谱分析，确定信号背景的频率。
舰载设备的冲击响应谱可以用来总结舰载设备的整体响应特性，以及舰载设备和船舶结构之间的相互作用。
3 冲击响应谱分析法的应用
使用冲击响应谱分析法可以快速地分析舰载设备对结构力学变化的反应，从而精确地识别结构力学参数。
在谱跌分析中，可以快速准
确地识别和确定结构力学参数，也就是说，这种测试方法可以用来判断舰载设备的可靠性、强度和稳定性。
此外，使用这种分析法还可以确立舰载设备的性能指标，如最大承载能力、应力和压力，从而有效掌控和调整舰载设备的性能。
以上是关于舰载设备冲击响应谱分析法的相关介绍，最终能够更准确地预测和识别舰载设备的机械参数和力学特性，从而通过谱跌分析实现最佳的船舶设计和分析。
水平冲击响应谱培训资料
冲击响应谱培训手册一、冲击响应谱概述：冲击响应谱试验机是用于完成冲击响应谱试验的环境试验设备。
冲击响应谱是一系列频率不同、具有一定阻尼的单自由度线性系统受到冲击所产生的最大响应值与系统频率的关系曲线，它以系统的固有频率为横坐标，以其响应峰值为纵坐标，其加速度的时间历程为振荡衰减的形式，持续时间一般小于20ms，其能量分布在较宽的频率范围内。
产品受冲击作用，其冲击响应的最大值意味着产品出现最大应力，从频域分析冲击对设备的损伤情况更真实有效。
冲击响应谱的用途极其广泛，其可以用做衡量冲击作用效果的尺度、可以用于冲击事件的统计分析、可以用于不同冲击波形的等效转换、可以用于试验有效性及重复性检查，也可以用于指导承受冲击作用系统的设计。
冲击响应谱对冲击脉冲的类型和产生冲击的方法没有严格的要求，实验的灵活性较大；通过对冲击响应谱的分析，可以对设备各部件所承受的最大冲击载荷有比较准确的把握，从而预测出冲击潜在的破坏。
冲击响应谱是对产品实施抗冲击设计的分析基础，在航空、航天及其它火工品科研生产和有关重大科技专项中，冲击响应谱试验已经成为必做的环境试验之一。
HSRS系统是一种气动式冲击响应谱试验机，它革新了冲击的发力方式，采用压缩气体推动冲击锤，可以产生比摆锺更大的冲击能量，占用空间小，易于安装和维修，安全性高，更换试件和波形垫方便。
本系统包含了一个基座、一块冲击谐振板、两套水平导轨、一个冲击锤、两个冲击气缸、一套台面复位装置、两套冲击缓冲垫和相应的控制仪。
在做冲击响应谱试验时，在前后座安放好相应的缓冲垫，然后将试件固定在谐振板台面上，设置好冲击锤的前冲压力和刹车时间，在前冲压力的推动下，冲击锤冲击到谐振板上，然后反弹缩回，同时谐振板上产生具有高频振荡随时间衰减的冲击波，从而完成一次试验。
前冲压力决定了冲击峰值加速度的大小，而前后波形垫决定了冲击响应谱谱形的斜率、转折频率等。
系统的控制和测量功能均通过计算机来进行。
液体火箭发动机冲击响应谱分析计算方法
为 x ( t) . 一般情况下 , 冲击加速度的测量比较容易 实现 , 因此当基础受到加速度作用时 , 质量块 m 的 运动方程可表示为
mx + cx + kx = ku ( t) + cu ( t)
.. . ..
( 1)
. 因此了解发动机工作状态下的
冲击特性 ,制定相应的抗冲击策略 , 直接关系到全 箭的结构可靠性 . 冲击响应谱在结构分析方面的用 途主要用来衡量冲击作用的效果 ,估计冲击对结构 的损伤势 [ 3 ] . 根据冲击响应谱 , 可以计算在特定冲 击作用下发动机结构零件的强度和发动机自身的 安全性 . 某新型大推力液体火箭发动机在地面试验 过程中 ,测得了全程段的时域数据 , 因测试软件功 能所限 ,不能进行冲击响应谱分析 . 基于此 ,文中从 冲击响应谱概念着手 , 基于 Matlab 软件包开发了 冲击响应谱分析软件 , 力图快速 、 方便的对液体火 箭发动机地面试验数据进行冲击响应谱分析 ,为地 面试验数据的深入分析提供辅助手段 .
3 发动机地面试验冲击响应谱计算
在对某型液体火箭发动机多次地面试验时域 数据进行分析时 ,发现燃气发生器点火时所测的冲 击响应均较大 . 考虑到发动机自身的安全性 , 以及 该启动冲击对全箭结构的影响 ,有必要对发生器启 动冲击进行冲击响应谱分析 . 因发动机地面试验数据采集软件功能所限 ,不 能进行冲击响应谱分析 ,因此地面试验结束后对所 采集的时域数据利用文中开发的 Vibsr s 冲击响应 谱分析软件进行计算 ,所得计算结果导出为 t xt 文 文中件供深入分析地面试验数据时参考 . 考虑到篇 幅所限 ,只给出燃气发生器上一个三向加速度传感 器所测的发生器启动时的冲击响应谱分析结果 . 图 3～5 分别为轴向 、 径向 、 切向加速度传感器所测的 冲击响应及利用 Vibsr s 计算得到的最大冲击响应 谱 . 计算过程中时间范围根据冲击响应的时域图形 给定 ,频率范围选择为 0. 1 ～ 10 k Hz , 其他选项采
冲击响应谱试验技术讲座讲稿
4.2.4 水平摆锤式冲击响应谱试验机
冲头 传感器 谐振板 试件 支架 缓冲器 底座
试验结果表明：
1) 响应谱的低频斜率随试验台的后座支撑阻尼的减小而降低，可以调 节后座支撑阻尼，调整响应谱斜率； 2) 其柺点频率可近似表示为f2≈1/2D（冲击脉冲宽度），并随冲击峰值 的增大而稍有前移。可以调节冲头和响应板之间的冲击垫调节冲击脉 冲宽度，从而调节拐点频率； 3) 响应板的厚度不宜过薄，否则会造成台体垂直于台面方向的加速度响 应过大，超过规范对横向运动比的要求； 4) 合理选择支撑刚度，使一阶频率低于100Hz，以避免响应谱曲线出现 低频峰值； 摆锤式冲击试验台可以较好的模拟爆炸冲击环境，其响应谱容差满足要求， 符合试验规范。并且摆锤式响应谱试验机有如下优点： 1) 目前响应谱试验机谐振台面较厚，并且为水平方向冲击，在水平方向 的响应量值在台面上各点差别较小，因此有比较好的均匀度； 2) 可以方便地调整响应谱斜率和拐点频率，能进行不同的响应谱试验； 3) 响应板可以根据需要加大，安装试品方便。
1.2 冲击响应谱的定义 顾名思义，冲击响应谱是冲击作用在一个系统上，系统 上产生的响应，响应的大小和系统的固有频率和阻尼有关， 因此以横坐标为系统的固有频率，纵坐标为响应的最大峰 值，画出的曲线就是冲击响应谱。 更加专业的定义为： 冲击响应谱是指一系列单自由度 质量阻尼系统，当基础受到冲击激励时各单自由度系统在 不同的固有频率下的响应峰值。
怎样根据等效损伤原则来确定冲击的参数？
【例4】 从真实冲击环境的数据中 找到所对应的fi所对应的Ai，设找 到的fi=43Hz，对应的A=198m/s-2， 假设需要用半正弦进行冲击试验， 从归一化的半正弦冲击谱曲线查到fnD＝0.78时，a（γ） =1.78，得 A=198/1.78＝108.6m/s-2，D=0.78/43=18ms。 同理可以求得后峰锯齿波和梯形波的等效冲击试验脉冲加速度 峰值和冲击脉冲宽度。
冲击响应相频曲线
冲击响应相频曲线（Impulse Response Phase Curve）是系统对冲击输入信号的响应在频率域中的相位随频率变化的曲线。
它是系统分析和控制工程中用来描述系统对冲击输入的频率响应特性的一种图示方式。
具体来说，冲击响应是指当系统受到单位冲击信号（单位冲激函数）作用时的响应。
这种输入是一瞬间的、瞬时的，因此它在频率域中的相频曲线提供了系统对各个频率响应的信息。
冲击响应相频曲线通常用相位角（Phase Angle）随频率的变化来表示。
相位角是描述系统响应的相对时间延迟或提前的参数。
冲击响应相频曲线可以展示系统对不同频率的输入的相位延迟或超前，从而帮助工程师更好地理解系统的动态特性。
在冲击响应相频曲线中，你可能会观察到一些特征，比如：
1.相位角随频率的变化：不同频率下系统的相位角会有所不同，这反映了系统对不同
频率输入的相位响应。
2.相频曲线的斜率：相频曲线的斜率与系统的阶数相关，可以帮助判断系统的动态特
性。
3.临界频率点：相频曲线的拐点或特殊点可能对应系统的临界频率，这是系统开始显
示动态特性的频率点。
冲击响应相频曲线是系统频率响应分析的一个重要工具，有助于工程师了解和设计系统的动态响应特性。
Sec13-随机响应分析
S13-15
Frequency
RR (PSD) Output
随机结果怎么使用？
● RMS值
● 假如画出PSD，它是在XY曲线下所包面积的平方根 ● 画出应力云图等 ● 乘以3得到超过…的3s 的概率 (对于子结构，有时人们用2.2 代替3) ● RMS 给出疲劳的平均应力
● PSD图
● 表明对应于输入PSD的响应 ● 可以看见重要的频率
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S13-21
案例分析, 人造卫星随机响应
● 案例分析步骤
1. 输入代表卫星模型的MD Nastran文件。 文件名为satellite.bdf. 2. 打开Patran界面下的MSC.Random 工具: 随机响应分析 3. 设置一个强迫加速度频率运行，基础点激励。重复两次，一次为纵向，另一次为侧向 4. 在频域 1.0 Hz 到 1000.0 Hz使用1个单位的激励. 5. 使用 2% 的模态阻尼. 6. 使用FREQ, FREQ1 and FREQ4 卡片来确保定义适当的强迫激励频率 7. 提交模型到MD Nastran，根据两个方向做两次频率响应分析. 8. 为PSD输入定义一个频率相关的场. 9. 从频率响应分析中选择一个 .XDB结果文件，用MSC.Random执行一个随机振动分析 10. 使用MSC.Random的后处理结果，生成各个位置的加速度对频率PSDF图, 以及RMS
● MD Nastran 用频率响应后处理完成随机响应分析
● 输入包括从一个频率响应分析中得到的结果输出，以及以功率谱密度和交叉功率 谱密度形式表示的用户定义的载荷条件
冲击响应谱斜率
冲击响应谱斜率
冲击响应谱（Shock Response Spectrum，简称SRS）是一种描述结构在冲击载荷作用下的动力学特性的方法。
它通过将冲击载荷施加到一系列线性、单自由度质量-弹簧系统上，分析各系统的最大响应值，并将这些值作为对应于系统固有频率的函数绘制出来。
冲击响应谱可以用于指导舰船及其设备的抗冲击设计、评估和考核。
冲击响应谱斜率是指在冲击响应谱曲线中，曲线的斜率变化。
冲击响应谱斜率与结构的动力学特性和冲击载荷特性有关。
通常，冲击响应谱斜率可以通过以下方法计算：
1.根据冲击响应谱曲线上各点的斜率，可以得到结构在不同频率下的动力学响应特性。
2.通过比较不同冲击载荷下的冲击响应谱斜率，可以评估结构的抗冲击性能和冲击载荷对结构的影响。
3.在进行结构设计和优化时，可以利用冲击响应谱斜率来调整结构的固有频率和阻尼比，以改善结构的抗冲击性能。
总之，冲击响应谱斜率是描述结构在冲击载荷作用下的动力学特性的重要参数，通过分析冲击响应谱斜率可以了解结构在不同频率下的动力学响应特性，为舰船及其设备的抗冲击设计提供理论依据。
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S14-18
案例分析：Step 1-创建频谱
● 在Patran中创建模型
● 几何，面和线 ● 划分面和线的网格 ● Equivalence重合节点 ● 创建时间历程载荷工况 ● 创建时间场 ● 约束一条短边 ● 创建材料属性 ● 创建单元属性 ● 输出MD Nastran输入文件，如jobname.bdf ● 编辑MD Nastran输入文件，参加下页
装位置计算频谱，然后用这些频谱来进行响应谱分析以帮助设备设计。
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S14-9
从大结构的瞬态分析中创建频谱(续)
● 这里存在一个暗含的假设，即振荡器系统的质量相对于大结构(基
● 例子
DISPLACEMENT(plot,SORT2,REAL)=ALL VELOCITY(plot,SORT2,REAL)=ALL OUTPUT (XYPLOT) XYPLOT ACCE SPECTRAL 1/57 (T3RM) XYPUNCH ACCE SPECTRAL 1/57 (T3RM)
$ Linear Transient Response Analysis, Direct Formulation, Database SOL 109 $ Direct Text Input for Executive Control CEND TITLE = MSC.Nastran job created on 27-Aug-08 at 08:51:14 ECHO = NONE
max
.max .. max
S14-6
4Hz脉冲的单自由度响应
Zeta=.05, 4Hz单循环激励，不同单自由度系统的瞬态响应
(注意: Y轴应实际大小而变化；黑线为强迫加速度激励曲线)
1 Hz Model 2 Hz Model 4 Hz Model
.5 Hz Model
10 Hz Model
20 Hz Model
● 更多信息参见MSC Nastran Advanced Dynamics User’s Guide.
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S14-10
从大结构的瞬态分析中创建频谱(续)
● 确定结构(可以包括小结构)的瞬态响应
● 运行分析
● 查看分析结果
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S14-19
案例分析：Step 1-创建频谱
● 编辑MD Nastran输入文件
● 文件名为casestudy14_create_response_spectra.bdf
● 附属梁属性
● 0.05 in x 0.05 in方形截面铝梁 ● 长0.5 in ● 杨氏模量10.0 x 106 psi
● 泊松比0.3
● 密度0.102 lbf/in3 = 2.640 x 10-4 lbf*sec2/in4 ● 通过RBE2将梁和自由边上的节点11，22连接
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第14章 冲击响应谱分析
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S14-1
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S14-16
案例分析：Step 1-创建频谱
●பைடு நூலகம்阻尼
● 结构阻尼
● 阻尼系数g为0.06 ● 如不用结构阻尼，则必须在250Hz施加等效粘滞阻尼
● SOL 109, 直接瞬态响应
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● 结构激励可以是力，也可以是强迫运动 ● 求解序列SOL 109, SOL 112
● 执行控制段
● SOL 109 ● 例如：
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S14-11
从大结构的瞬态分析中创建频谱(续)
● 必须同时包含位移和速度输出
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从大结构的瞬态分析中创建频谱(续)
● 模型数据段
● PARAM, RSPECTRA, 0 $要求计算频谱 ● DTI, SPSEL $确定频率和阻尼表，以及哪些节点输出
● FREQ $指定阻尼，比如临界阻尼率-将由DTI,SPSEL卡片引用
● FREQ1 $指定频率-将由DTI,SPSEL卡片引用
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S14-13
从大结构的瞬态分析中创建频谱(续)
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S14-14
案例分析：Step 1-创建频谱
● 带附属梁的矩形板
● 5” x 2”铝板，固支一条边
● 另一边有一附属梁 ● 在固支边施加Z方向的瞬态强迫运动
● 模型数据段(续)
● 例子
PARAM,RSPECTRA,0
与 XYPLOT/ XYPUNCH 卡片的编号 对应
$ $ Use DTI to specify the damping fraction and spectra frequency (SDOF oscillator damping and natural frequency) table. $ Also, use this entry to specify the GRID's for which spectra will be calculated. $ RECNO DAMP FREQ G1 G2 G3 G4
40 Hz Model
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S14-7
4Hz脉冲的单自由度响应(续)
0.35 1.15 2.70
1.57
1.05
1.05
Zeta= 0%
Zeta= 2%
Zeta= 5%
● 通过确定大结构和与其连接的结构的响应来创建频谱，如发动机和
泵
● 频谱创建后，应用于一系列单自由度振荡器系统，作用在小结构和
大结构的连接位置。每个单自由度振荡器的峰值响应由它的瞬态响 应ui(t)计算得到。振荡器的基础运动uB(t)来源于大结构(如建筑物， 地球)的载荷或基础激励。
● 例子：由地震引起的电厂的运动。在机械设备(如机器、管道系统)的安
最大响应和相对响应
● 从ui(t)计算每个振荡器的最大位移响应uimax 。同样的，计
算每个振荡器和其基础(振动结构上的一个点)之间的最大 相对位移urimax. 近似关系。
● 最大相对速度和绝对加速度，与最大相对位移之间有如下
● 设计谱通常用这些变量表示ur , ur , ua.
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础结构)质量而言非常小，所以两者之间没有动力学耦合现象。 (因而小结构应用频谱来计算响应的过程可以从总体结构的瞬态分 析中解耦出来单独进行计算)。 线。
● 使用模型中选定自由度的瞬态响应作为输入时间历程,生成频谱曲
● 任何一个瞬态求解序列都可以生成频谱
● SOL 109直接瞬态分析 ● SOL 112模态瞬态分析
● 工况控制段
● OUTPUT(XYPLOT)
● XYPLOT DISP SPECTRAL (计算位移谱) ● XYPUNCH DISP SPECTRAL (生成包含谱数据的文件) ● 例如 ● XYPUNCH ACCELERATION SPECTRAL 1/1 (T1RM)
该命令使用节点1在X(T1)方向的运动，在DTI,SPSEL卡的记录号1处， 创建一个包含绝对(RM)加速度谱数据的.pch文件。 如果是T1IP则代表X 方向的相对(IP)响应谱。
Acceleration (in/sec**2)
2.00
4.00
20.0
40.0
Frequency (Hz)
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从大结构的瞬态分析中创建频谱
● 响应谱分析分两个步骤 Step 1：创建频谱，即用瞬态分析创建频谱 Step 2：应用频谱，即用第一步创建的频谱来评估结构响应
S14-2
响应谱方法
● 响应谱描述的是单自由度系统的峰值响应的近似方法，
是基础激励和固有频率的函数。
uB(t) t
u3(t) u3max
=>
t
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