一种组合式高g值半正弦冲击波形发生器及方法与流程

1.本发明属于力学环境与冲击测试技术领域，具体涉及一种组合式高g值半正弦冲击波形发生器及方法。


背景技术：

2.在以航空航天为代表的军工领域中，飞行器自身结构及其机械部件、电子元器件在运行工作时，往往会面临颠簸、爆炸、冲击、振动等动态环境工况。经过不完全统计，武器装备在使用中的故障大约有30％与冲击环境有关，因此相关产品必须进行冲击试验。
3.为满足冲击测试的力学环境模拟，国内外均提出了一系列冲击试验标准，例如gjb 150-18《军用设备环境实验方式》对冲击试验规定了三种波形，即半正弦波、后峰锯齿波及梯形波，其中半正弦波多用于描述系统碰撞并反弹的冲击效应，应用最为广泛。以波形发生器为核心结构元件的波形发生装置具有成本低、操作便利、可重复性高等优点，是目前使用最为广泛的冲击试验装置。目前常用的半正弦波形发生器多采用橡胶材料制成，以跌落式冲击试验台为主的冲击试验装备在已有的研究中，所生成的波形过载范围仅在几十g至几百g之间。对于过载在1000g以上的研究较少，显然无法满足当前的冲击实验需求。
4.随着航空航天飞行器和武器装备的高速发展，高g值冲击环境模拟试验愈发重要，设计出符合上述冲击试验标准的高g值冲击波形发生装置成为亟待解决的问题。传统的波形发生装置多采用单一的材料介质作为波形发生器，波形发生器的可设计性较为局限。与此同时，单一材料介质的波形发生器在高过载冲击与低过载冲击两种情况下，由于材料的力学特性的不同，导致波形存在显著的非线性行为，无法满足冲击标准的容差带要求。
5.所以，现有技术中还缺乏一种可设计程度高、成本低廉、符合冲击标准容差带的高g值半正弦冲击波形发生器。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种组合式高g值半正弦冲击波形发生器及方法，包括储气罐、发射筒、组合式波形发生器和冲击活塞；储气罐内设置快放装置能够瞬间释放压缩气体，压缩气体推动冲击活塞沿发射筒做加速直线运动；冲击活塞与组合式波形发生器发生冲击碰撞，冲击活塞上的加速度传感器记录冲击过程的加速度信号，反映试件经历的冲击波形。采用纤维无纺织物、聚氨基甲酸酯、石棉三种材料介质构成组合式波形发生器，通过改变三种材料介质的配比，可以修正单一材料介质强非线性的问题，在高速冲击下获得波形完整且符合标准容差带的高g值半正弦冲击波形。本发明解决单一材料介质在高过载冲击条件下的非线性力学行为问题，获得符合标准容差带的半正弦波形。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
8.一种组合式高g值半正弦冲击波形发生器，包括底座、装弹舱、储气罐、发射筒、组合式波形发生器、缓冲尾座、导轨和冲击活塞；
9.所述装弹舱、发射筒和导轨固定安装在底座上；所述装弹舱与发射筒连接；
10.所述缓冲尾座安装在导轨上，缓冲尾座能够沿着导轨滑动，从而调节缓冲尾座与发射筒的相对位置；
11.所述组合式波形发生器安装在在缓冲尾座上靠近发射筒一端的夹具中；组合式波形发生器依次由两层纤维无纺织物、一层聚氨基甲酸酯、两层石棉组合而成；
12.所述冲击活塞内固定安装试件和加速度传感器，冲击活塞初始放置在装弹舱内；
13.所述装弹舱与储气罐相连；所述储气罐内储存有压缩空气，储气罐内设置快放装置能够瞬间释放压缩气体，压缩气体推动冲击活塞沿发射筒做加速直线运动；冲击活塞与组合式波形发生器发生冲击碰撞完成一次试验；冲击活塞上的加速度传感器记录整个冲击过程的加速度信号，反映试件经历的冲击波形。
14.优选地，所述储气罐内设压力传感器实时检测空气压力。
15.优选地，所述纤维无纺织物为工业羊毛毡。
16.优选地，所述纤维无纺织物、聚氨基甲酸酯和石棉的厚度均为5mm。
17.优选地，所述冲击活塞质量为11.37kg。
18.一种组合式高g值半正弦冲击波形发生方法，包括如下步骤：
19.步骤1：安装试件和加速度传感器，将试件用夹具固定在冲击活塞内部，将加速度传感器固定在冲击活塞尾部；
20.步骤2：将装有试件的冲击活塞装入装弹舱，锁紧装弹舱舱门，装夹完成；
21.步骤3：安装组合式波形发生器，将组合式波形发生器固定在缓冲尾座靠近发射筒一端的夹具上；
22.步骤4：使缓冲尾座沿导轨运动到距离发射筒端口指定位置；
23.步骤5：给储气罐充气，通过储气罐内的压力传感器观察空气压力大小，气压达到设定压力后，利用快放机构将储气罐的空气瞬间释放；
24.步骤6：冲击活塞在压缩空气的推动下，沿发射筒做加速直线运动，冲击组合式波形发生器，完成一次冲击；冲击活塞上的加速度传感器记录整个冲击过程的加速度信号，反映试件经历的冲击波形；
25.步骤7：冲击结束，使缓冲尾座沿导轨完成复位；
26.步骤8：更换试件，将冲击活塞从发射筒端口推放至装弹舱，更换组合式波形发生器，进行下一次试验。
27.本发明的有益效果如下：
28.1)本发明创新性地采用组合式波形发生器，在不同的冲击速度情况下可以通过调节组合式波形发生器材料介质的配比，解决单一材料介质在高过载冲击条件下的非线性力学行为问题，获得符合标准容差带的半正弦波形。
29.2)本发明打破了传统单一介质材料波形发生器的设计局限性，大大扩展了高g值波形发生器的设计空间，经试验证明本发明可以有效地生成5000g至10000g过载的半正弦冲击波形。
30.3)本发明将实现跻身国际前列的高过载波形发生器装备研制，填补我国在该领域的研制空白，为我国尖端武器装备、航空航天飞行器研制提高可靠的地面力学模型实验环境。
31.4)本发明制造简单、材料来源可靠、成本低廉，结合与之相配套的冲击实验台，能
够带来积极的社会经济效益。
附图说明
32.图1为本发明的正视图。
33.图2为本发明的三轴等视图。
34.图3为本发明组合式波形发生器侧视图和三轴等视图，(a)侧视图，(b)三轴等视图。
35.图4为本发明冲击活塞正视图和三轴等视图，(a)正视图，(b)三轴等视图。
36.图5为本发明实施例冲击结果示意图。
37.图中：1-底座、2-装弹舱、3-储气罐、4-发射筒、5-组合式波形发生器、6-缓冲尾座、7-导轨、8-冲击活塞、501和502-纤维无纺织物、503-聚氨基甲酸酯、504和505-石棉。
具体实施方式
38.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
39.本发明所要解决的问题在于针对现有技术的不足，设计一种大于8000g值的高g值冲击波形发生器。
40.传统半正弦波形发生器多采用橡胶材料，在低过载冲击的条件下橡胶类波形发生器能够获得符合标准容差带的半正弦冲击波形。但随着冲击速度的提高，橡胶类材料在高过载冲击下会发生显著的非线性弹性行为，从而导致波形呈现“尖峰瘦腰”的非线性特征，无法满足标准容差带的要求。
41.本发明采用纤维无纺织物、聚氨基甲酸酯、石棉三种材料介质构成组合式波形发生器，通过改变三种材料介质的配比，可以修正单一材料介质强非线性的问题，在高速冲击下获得波形完整且符合标准容差带的高g值半正弦冲击波形。
42.本发明采用的组合式波形发生器成本低廉、操作简单便捷，冲击波形具有可靠的重复性，配套冲击试验装置可以获得8000g以上高过载半正弦冲击波形。
43.本发明采用的技术方案是：采用基于水平式空气炮冲击台的波形发生装置。水平式空气炮冲击台是模拟高过载冲击的一种手段，主要用于对引信、飞行器元器件等做动态结构完好性及适应性试验，考核试品在高过载冲击环境下功能的可靠性和结构的完好性。其特征主要包括底座、装弹舱、储气罐、发射筒、冲击活塞、加速度传感器、波形发生器、缓冲尾座、导轨。试验件安装在冲击活塞的夹具上可视为冲击结构整体，冲击活塞上固定设置有加速度传感器，通过加速度传感器来识别冲击结构的加速度。在撞击的一瞬间，半正弦波形将在冲击结构中产生并使冲击结构减速，即产生一定的加速度响应。当冲击结构的速度降为零时，即冲击结构达到受力平衡，加速度降为零，完成一次半正弦冲击波形模拟。
44.本发明通过改变波形发生器的材料介质组合形式与冲击速度匹配，以改善高过载冲击下波形发生器非线性力学性质，从而获得符合标准容差带的高g值半正弦冲击波形。经过反复的试验验证，本发明采用的纤维无纺织物、聚氨基甲酸酯、石棉组合式波形发生器能够在高速冲击下生成峰值为8000g、脉宽为0.5ms的半正弦冲击波。聚氨基甲酸酯作为半正弦波形的主要生成材料介质，纤维无纺织物在高过载冲击中可以过滤杂波以保持波形稳定，石棉则为波形发生器提供刚度支撑以满足高峰值的波形需求。
45.所述储气罐提供压缩空气的驱动方式，依靠空气压力推动冲击活塞运动，通过调节气压大小可以控制冲击初速度。
46.所述冲击活塞从装弹舱尾部装入，其中固定有试验件和加速度传感器，压缩空气推动冲击活塞向前加速运动，冲击到组合式波形发生器上，产生所需过载和脉宽。
47.所述加速度传感器安装于冲击活塞尾部中心，冲击活塞与组合式波形发生碰撞时开始采集冲击活塞的冲击响应信号，记录半正弦冲击波形信号。
48.所述发射筒尾部装有压力传感器，可以实时测量空气压力大小，当空气压力达到预定值时打开锁紧机构，冲击活塞将沿发射筒做平移加速运动，保证冲击活塞冲击面与组合式波形发生器进行正面碰撞。
49.所述缓冲尾座为组合式波形发生器提供固支约束，冲击活塞完成一次碰撞后缓冲尾座将吸收多余的动能。
50.一种组合式高g值半正弦冲击波形发生器，包括底座1、装弹舱2、储气罐3、发射筒4、组合式波形发生器5、缓冲尾座6、导轨7和冲击活塞8；
51.所述装弹舱2、发射筒4和导轨7固定安装在底座1上；所述装弹舱2与发射筒4连接；
52.所述缓冲尾座6安装在导轨7上，缓冲尾座6能够沿着导轨7滑动，从而调节缓冲尾座6与发射筒4的相对位置；
53.所述组合式波形发生器5安装在在缓冲尾座6上靠近发射筒4一端的夹具中；组合式波形发生器5依次由两层纤维无纺织物、一层聚氨基甲酸酯、两层石棉组合而成；
54.所述冲击活塞8内固定安装试件和加速度传感器，冲击活塞8初始放置在装弹舱2内；
55.所述装弹舱2与储气罐3相连；所述储气罐3内储存有压缩空气，储气罐3内设置快放装置能够瞬间释放压缩气体，压缩气体推动冲击活塞8沿发射筒4做加速直线运动；冲击活塞8与组合式波形发生器5发生冲击碰撞完成一次试验；冲击活塞8上的加速度传感器记录整个冲击过程的加速度信号，反映试件经历的冲击波形。
56.优选地，所述储气罐3内设压力传感器实时检测空气压力。
57.优选地，所述纤维无纺织物为工业羊毛毡。
58.优选地，所述纤维无纺织物、聚氨基甲酸酯和石棉的厚度均为5mm。
59.优选地，所述冲击活塞8质量为11.37kg。
60.一种组合式高g值半正弦冲击波形发生方法，包括如下步骤：
61.步骤1：安装试件和加速度传感器，将试件用夹具固定在冲击活塞8内部，将加速度传感器固定在冲击活塞8尾部；
62.步骤2：将装有试件的冲击活塞8装入装弹舱2，锁紧装弹舱2舱门，装夹完成；
63.步骤3：安装组合式波形发生器5，将组合式波形发生器5固定在缓冲尾座6靠近发射筒4一端的夹具上；
64.步骤4：使缓冲尾座6沿导轨7运动到距离发射筒4端口指定位置；
65.步骤5：给储气罐3充气，通过储气罐3内的压力传感器观察空气压力大小，气压达到设定压力后，利用快放机构将储气罐3的空气瞬间释放；
66.步骤6：冲击活塞8在压缩空气的推动下，沿发射筒4做加速直线运动，冲击组合式波形发生器5，完成一次冲击；冲击活塞8上的加速度传感器记录整个冲击过程的加速度信
号，反映试件经历的冲击波形；
67.步骤7：冲击结束，使缓冲尾座6沿导轨7完成复位；
68.步骤8：更换试件，将冲击活塞8从发射筒4端口推放至装弹舱2，更换组合式波形发生器5，进行下一次试验。
69.具体实施例：
70.参照图1-4，本发明研发了一种组合式高g值半正弦冲击波形发生器。本发明主要包括：底座1、装弹舱2、储气罐3、发射筒4、组合式波形发生器5、缓冲尾座6、导轨7、冲击活塞8。缓冲尾座6与导轨7相连，可以调节缓冲尾座6与发射筒4的相对位置。组合式波形发生器5由501、502-纤维无纺织物，503-聚氨基甲酸酯，504、505-石棉三种不同的材料介质组合而成。储气罐3内储存有压缩空气，内设压力传感器实时检测空气压力。冲击活塞8内固定安装试件和加速度传感器，实验前冲击活塞8放置在装弹舱2内。装弹舱2与储气罐3相连，储气罐内有快放装置可以瞬间释放压缩气体，压缩气体推动冲击活塞8沿发射筒4做加速直线运动。组合式波形发生器5安装在缓冲尾座6上的夹具中，冲击活塞8与组合式波形发生器5发生冲击碰撞完成一次试验。冲击活塞8上的加速度传感器记录整个冲击过程的加速度信号，反映试件经历的冲击波形。
71.实施例1：
72.选用工业羊毛毡、聚氨基甲酸酯、石棉作为组合式波形发生器5的材料介质，如图3所示的结构中501、502为工业毛毡，503为聚氨基甲酸酯，504、505为石棉，各个材料介质厚度均为5mm。冲击活塞8质量为11.37kg，在0.14mpa气压推动下撞击组合式波形发生器5。
73.冲击结果如图5所示，冲击活塞8完成对组合式波形发生器5的冲击后，加速度传感器记录整个冲击波形。结果表明本次实施案例的半正弦冲击波形峰值加速度为8103.753g，脉冲宽度为0.415ms。采用gjb150a标准容差带进行考核，该半正弦冲击波形能够满足加速度峰值为8000g、脉冲宽度为0.5ms的标准半正弦冲击波形容差带。实例证明本发明有效地解决了生成高g值半正弦冲击波形的难题，冲击波形峰值达到高g值要求，并且满足容差带标准。
74.本发明实施步骤如下所述：
75.1)关掉气源开关，确认各个压力表读数为零，确保安全。
76.2)安装试件和加速度传感器，将试件用夹具固定在冲击活塞8内部，将加速度传感器固定在冲击活塞8尾部。
77.3)将装有试件的冲击活塞8装入装弹舱2，锁紧装弹舱2舱门，装夹完成。
78.4)安装组合式波形发生器5，将组合式波形发生器5固定在缓冲尾座6前端的夹具上。
79.5)操纵控制软件使缓冲尾座6沿导轨7运动到距离发射筒4端口合适位置。
80.6)开始试验，给储气罐3充气，通过储气罐3内的压力传感器观察空气压力大小，气压达到设定压力后，利用快放机构将储气罐3的空气瞬间释放。
81.7)冲击活塞8在压缩空气的推动下，沿发射筒4做加速直线运动，冲击缓冲尾座6，完成一次冲击。
82.8)冲击结束，操纵控制软件使缓冲尾座6沿导轨7完成复位。
83.9)更换试件，将冲击活塞8从发射筒4端口推放置装弹舱2，更换组合式波形发生器
5，进行下一次试验。
84.综上所述，本发明提供了一种组合式高g值半正弦冲击波形发生器，可设计程度高、成本低廉，有效解决了半正弦冲击波在高过载情况下出现的非线性问题，符合相关波形标准容差带要求，填补了我国高g值波形发生器的研究空白。

技术特征：
1.一种组合式高g值半正弦冲击波形发生器，其特征在于，包括底座、装弹舱、储气罐、发射筒、组合式波形发生器、缓冲尾座、导轨和冲击活塞；所述装弹舱、发射筒和导轨固定安装在底座上；所述装弹舱与发射筒连接；所述缓冲尾座安装在导轨上，缓冲尾座能够沿着导轨滑动，从而调节缓冲尾座与发射筒的相对位置；所述组合式波形发生器安装在在缓冲尾座上靠近发射筒一端的夹具中；组合式波形发生器依次由两层纤维无纺织物、一层聚氨基甲酸酯、两层石棉组合而成；所述冲击活塞内固定安装试件和加速度传感器，冲击活塞初始放置在装弹舱内；所述装弹舱与储气罐相连；所述储气罐内储存有压缩空气，储气罐内设置快放装置能够瞬间释放压缩气体，压缩气体推动冲击活塞沿发射筒做加速直线运动；冲击活塞与组合式波形发生器发生冲击碰撞完成一次试验；冲击活塞上的加速度传感器记录整个冲击过程的加速度信号，反映试件经历的冲击波形。2.根据权利要求1所述的一种组合式高g值半正弦冲击波形发生器及方法，其特征在于，所述储气罐内设压力传感器实时检测空气压力。3.根据权利要求1所述的一种组合式高g值半正弦冲击波形发生器及方法，其特征在于，所述纤维无纺织物为工业羊毛毡。4.根据权利要求1所述的一种组合式高g值半正弦冲击波形发生器及方法，其特征在于，所述纤维无纺织物、聚氨基甲酸酯和石棉的厚度均为5mm。5.根据权利要求1所述的一种组合式高g值半正弦冲击波形发生器及方法，其特征在于，所述冲击活塞质量为11.37kg。6.一种采用如权利要求1所述的波形发生器的波形发生方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：安装试件和加速度传感器，将试件用夹具固定在冲击活塞内部，将加速度传感器固定在冲击活塞尾部；步骤2：将装有试件的冲击活塞装入装弹舱，锁紧装弹舱舱门，装夹完成；步骤3：安装组合式波形发生器，将组合式波形发生器固定在缓冲尾座靠近发射筒一端的夹具上；步骤4：使缓冲尾座沿导轨运动到距离发射筒端口指定位置；步骤5：给储气罐充气，通过储气罐内的压力传感器观察空气压力大小，气压达到设定压力后，利用快放机构将储气罐的空气瞬间释放；步骤6：冲击活塞在压缩空气的推动下，沿发射筒做加速直线运动，冲击组合式波形发生器，完成一次冲击；冲击活塞上的加速度传感器记录整个冲击过程的加速度信号，反映试件经历的冲击波形；步骤7：冲击结束，使缓冲尾座沿导轨完成复位；步骤8：更换试件，将冲击活塞从发射筒端口推放至装弹舱，更换组合式波形发生器，进行下一次试验。

技术总结
本发明公开了一种组合式高g值半正弦冲击波形发生器及方法，包括储气罐、发射筒、组合式波形发生器和冲击活塞；储气罐内设置快放装置能够瞬间释放压缩气体，压缩气体推动冲击活塞沿发射筒做加速直线运动；冲击活塞与组合式波形发生器发生冲击碰撞，冲击活塞上的加速度传感器记录冲击过程的加速度信号，反映试件经历的冲击波形。采用纤维无纺织物、聚氨基甲酸酯、石棉三种材料介质构成组合式波形发生器，通过改变三种材料介质的配比，可以修正单一材料介质强非线性的问题，在高速冲击下获得波形完整且符合标准容差带的高g值半正弦冲击波形。本发明解决单一材料介质在高过载冲击条件下的非线性力学行为问题，获得符合标准容差带的半正弦波形。正弦波形。正弦波形。


技术研发人员：徐丰 吴一鸣 张淞淇 王清华 张媛媛 索瞻 贾志华
受保护的技术使用者：西安百纳电子科技有限公司
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/7/20