產(chǎn)品的振動(dòng)沖擊響應(yīng)設(shè)計(jì)

文 | 蘇州廣博力學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室、第二炮通兵用環(huán)境實(shí)驗(yàn)室 王樹(shù)榮 盧彩鈴 康寧民

產(chǎn)品的振動(dòng)沖擊響應(yīng)設(shè)計(jì)

Design of the Product’s Vibration and Impact Response

文 | 蘇州廣博力學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室、第二炮通兵用環(huán)境實(shí)驗(yàn)室 王樹(shù)榮 盧彩鈴 康寧民

在抗振緩沖設(shè)計(jì)中，人們通常按標(biāo)準(zhǔn)、合同中的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文認(rèn)為要按產(chǎn)品受振動(dòng)與沖擊后的響應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，及如何按振動(dòng)與沖擊后的響應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

Abstract:In the process of anti-vibration and buffering design, the requirements of standards and contract are usually followed. This paper proposes that the anti-vibration and buffering design should follow the product’s vibration and impact response and also analyzes some methods of design.

抗振緩沖；響應(yīng)；設(shè)計(jì)

Key words:anti-vibration and buffering；response；design

任何產(chǎn)品都處于一定的環(huán)境之中，在一定的環(huán)境條件下使用、運(yùn)輸和貯存。因此都逃脫不了這些環(huán)境的影響。特別惡劣的條件下工作的產(chǎn)品更是如此。眾所周知，產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性水平高低的源頭來(lái)自環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)，因此要研制出一個(gè)環(huán)境適應(yīng)性好的產(chǎn)品，首先抓的是環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)奠定了產(chǎn)品的固有環(huán)境適應(yīng)性。

就振動(dòng)與沖擊而言，產(chǎn)品經(jīng)受振動(dòng)與沖擊后的所造成的損傷與破壞，與振動(dòng)與沖擊的設(shè)計(jì)輸入有關(guān)（例如標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、技術(shù)條件、合同、協(xié)議、任務(wù)書(shū)中的要求、安裝平臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)等），但更主要的是與它受到振動(dòng)與沖擊后所產(chǎn)生的響應(yīng)有關(guān)，舉一個(gè)非常通俗的例子，例如領(lǐng)導(dǎo)為一共性問(wèn)題批評(píng)一群下屬時(shí)，有的人會(huì)無(wú)所謂，有的人會(huì)觸動(dòng)很深等，就這件事而言，領(lǐng)導(dǎo)批評(píng)的烈度對(duì)每一個(gè)人是一樣的，但每個(gè)人的內(nèi)心反應(yīng)不一樣，結(jié)果所起到的作用也不一樣。同理，例如用同一10～2000Hz 0.001g2/Hz的加速度譜密度的頻譜，或用同一30g 11ms的半正弦脈沖沖擊對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)不同的產(chǎn)品會(huì)造成完全不同的損傷與破壞。可見(jiàn)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行抗振緩沖設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮滿足合同、任務(wù)書(shū)等中給的振動(dòng)與沖擊設(shè)計(jì)輸入，更主要是要考慮它經(jīng)受到振動(dòng)與沖擊后所可能產(chǎn)生的響應(yīng)，要按受到振動(dòng)與沖擊后響應(yīng)的譜型和響應(yīng)量值來(lái)設(shè)計(jì)。

1 抗振動(dòng)設(shè)計(jì)

圖1為某一航空電子產(chǎn)品（機(jī)柜）的振動(dòng)設(shè)計(jì)輸入；正弦振動(dòng)10Hz～20Hz 2.4g，20Hz～50Hz 1.5mm（0-p），50Hz ～2000 Hz 15g。

當(dāng)用該10Hz～ 20Hz 2.4g，20Hz～50Hz 1.5mm（0-p），50Hz～2000Hz 15g的正弦振動(dòng)設(shè)計(jì)輸入對(duì)該航空電子產(chǎn)品進(jìn)行正弦振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，產(chǎn)品最上面的一個(gè)LRU（顯視器）所產(chǎn)生的響應(yīng)曲線如圖2所示。從圖中可見(jiàn)在73Hz的頻率上最大響應(yīng)達(dá)到55g?？梢?jiàn)如果該LRU（顯視器）是外購(gòu)的只能經(jīng)受15g正弦振動(dòng)的貨架產(chǎn)品，這將肯定是不能用的。從這里給產(chǎn)品結(jié)構(gòu)師引出一個(gè)問(wèn)題，對(duì)一個(gè)系統(tǒng)或一個(gè)產(chǎn)品中的每一分機(jī)，或每一LRU、SRU直至元器件，它們的振動(dòng)要求，不能按系統(tǒng)或產(chǎn)品的振動(dòng)設(shè)計(jì)輸入來(lái)要求，而要按它們受到系統(tǒng)或產(chǎn)品的振動(dòng)設(shè)計(jì)輸入激勵(lì)后所經(jīng)受到的振動(dòng)響應(yīng)來(lái)要求，即圖2中的曲線（譜型）來(lái)設(shè)計(jì)。

圖3為某機(jī)柜的寬帶隨機(jī)加正弦的振動(dòng)設(shè)計(jì)輸入譜。

頻率范圍：10～500Hz（ Ft=500）

圖4為該機(jī)柜上鍵盤(pán)安裝處受圖3振動(dòng)激勵(lì)產(chǎn)生的響應(yīng)譜，從圖4可見(jiàn)，寬帶隨機(jī)譜和正弦振動(dòng)的幅值都有較大的增加，總均方根值從原Grms=3.26g增加到Grms=14g。作為貨架產(chǎn)品的健盤(pán)，必需經(jīng)受總均方根值加速度Grms=14g的振動(dòng)，并且其譜型也要如圖4所示，這樣才能滿足圖3所示的顯控臺(tái)的振動(dòng)設(shè)計(jì)輸入譜激勵(lì)的要求。如果要提出健盤(pán)的訂貨要求，可能還要對(duì)圖4的譜型進(jìn)行規(guī)范化，以方便驗(yàn)收與考核，當(dāng)然規(guī)范化的振動(dòng)譜型要復(fù)雜一些，量值還會(huì)進(jìn)一步地提高。

2 抗沖擊設(shè)計(jì)

2.1 按規(guī)定的標(biāo)稱(chēng)沖擊脈沖進(jìn)行設(shè)計(jì)

按規(guī)定的標(biāo)稱(chēng)沖擊脈沖進(jìn)行設(shè)計(jì)是一種等效損傷的設(shè)計(jì)方法，最簡(jiǎn)單的方法是按F=ma的方法來(lái)計(jì)算產(chǎn)品所要承受的振動(dòng)應(yīng)力，式中F：產(chǎn)品要承受的沖擊應(yīng)力，m：產(chǎn)品的質(zhì)量a：標(biāo)稱(chēng)沖擊脈沖峰值加速度。用這樣的方法進(jìn)行計(jì)算是不完善的，正確的方法要用標(biāo)稱(chēng)沖擊脈沖的沖擊響應(yīng)譜來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

電子產(chǎn)品一般均為彈性體，半正弦形、后峰鋸齒形、梯形三種標(biāo)稱(chēng)沖擊脈沖波形的初始沖擊響應(yīng)譜（在沖擊脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)被沖擊物體的響應(yīng)）和殘余沖擊響應(yīng)譜（在沖擊脈沖持續(xù)時(shí)間后被沖擊物體的響應(yīng)）。

當(dāng)某一產(chǎn)品受到半正弦沖擊脈沖，例如，15g、11ms的沖擊時(shí)，該電子產(chǎn)品受沖擊后就產(chǎn)生一個(gè)沖擊響應(yīng)問(wèn)題。而該沖擊響應(yīng)真正地表示了沖擊運(yùn)動(dòng)對(duì)產(chǎn)品所造成的作用力的大小，半正弦沖擊脈沖最大無(wú)量綱響應(yīng)為沖擊脈沖峰值加速度的1.78倍，后峰鋸齒為1.34倍，梯形為1.99倍。所以，根據(jù)標(biāo)稱(chēng)沖擊脈沖（例如半正弦沖擊脈沖）的沖擊譜來(lái)考慮產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)完整性和產(chǎn)品在沖擊條件下的適應(yīng)性更合適。事實(shí)上，沖擊譜已成為人們衡量沖擊運(yùn)動(dòng)對(duì)產(chǎn)品破壞的一種定量表示方法，即已成為一種強(qiáng)度設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)了。所以，產(chǎn)品所需的沖擊強(qiáng)度可用受沖擊后的響應(yīng)大小來(lái)計(jì)算。下面以半正弦沖擊脈沖為例說(shuō)明：

2.1.1 響應(yīng)小于1

當(dāng)設(shè)計(jì)輸入的沖擊脈沖的持續(xù)時(shí)間給定后（例如D=11ms），若所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的固有頻率（fn）設(shè)計(jì)成滿足 fn·D＜0.3，則產(chǎn)品所產(chǎn)生的沖擊響應(yīng)的最大值小于設(shè)計(jì)輸入的沖擊脈沖的幅值，即響應(yīng)小于1。并且對(duì)抗沖擊強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求將隨著fn·D乖積的減少而降低。從圖5中沖擊響應(yīng)譜曲線可見(jiàn)：當(dāng)fn·D＜0.3時(shí)，隨產(chǎn)品所設(shè)計(jì)出的固有頻率不同，所產(chǎn)生的響應(yīng)也不同，即產(chǎn)品實(shí)際所需的抗沖擊要求也不同，表1給出了15g，11ms的半正弦脈沖設(shè)計(jì)輸入，使不同固有頻率產(chǎn)品受沖擊后所產(chǎn)生的響應(yīng)如表1。

從表1可見(jiàn)，從抗沖擊角度來(lái)說(shuō)（若把無(wú)阻尼時(shí)的響應(yīng)看作是抗沖擊強(qiáng)度要求的上限），產(chǎn)品的固有頻率與脈沖持續(xù)的乘積最好設(shè)計(jì)在圖5中沖擊響應(yīng)譜曲線上的fn·D＜0.3以下段。因?yàn)檫@樣設(shè)計(jì)，產(chǎn)品抗沖擊強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求可以低些。

從表1可見(jiàn)，如果產(chǎn)品的固有頻率fn設(shè)計(jì)成18 Hz～23 Hz，對(duì)產(chǎn)品施加15g，11ms半正弦沖擊脈沖的沖擊，即15g，11ms半正弦沖擊脈沖的設(shè)計(jì)輸入，產(chǎn)品實(shí)際所經(jīng)歷到的沖擊為13g，即產(chǎn)品按13g設(shè)計(jì)就可滿足要求了。

從表1還可見(jiàn)，殘余響應(yīng)譜總是大于初始響應(yīng)譜，所以還應(yīng)考慮殘余響應(yīng)影響，可見(jiàn)考慮到在沖擊脈沖持續(xù)時(shí)間后被沖擊物體的響應(yīng)，產(chǎn)品的抗沖擊強(qiáng)度要按14g進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1.2 響應(yīng)大于1

當(dāng)設(shè)計(jì)輸入的沖擊脈沖的持續(xù)時(shí)間給定后（例如D=11ms），若所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的固有頻率（fn）設(shè)計(jì)在0.3≤fn·D≤2.5范圍內(nèi)，則產(chǎn)品受沖擊后所產(chǎn)生的響應(yīng)大于設(shè)計(jì)輸入的沖擊脈沖的幅值，即響應(yīng)大于1，產(chǎn)品本身對(duì)沖擊具有放大作用。從圖5可見(jiàn)，對(duì)產(chǎn)品抗沖擊強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求，將隨著fn·D乘積的不同而異，最大為所要求的設(shè)計(jì)輸入的沖擊脈沖峰值的1.78倍(對(duì)半正弦脈沖)。表2為15g、11ms的半正弦脈沖對(duì)不同固有頻率系統(tǒng)所造成的沖擊響應(yīng)，即產(chǎn)品實(shí)際要求的抗沖擊強(qiáng)度。

表1 fn·D＜0.3

從表2可見(jiàn)，從抗沖擊的角度來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品的固有頻率與脈沖持續(xù)時(shí)間的乘積，盡量不要設(shè)計(jì)在圖5中沖擊響應(yīng)譜曲線上0.3≤fn·D≤2.5這一段內(nèi)。從表2可見(jiàn)，如果將產(chǎn)品的固有頻率fn設(shè)計(jì)在75Hz，對(duì)產(chǎn)品施加15g，11ms半正弦沖擊脈沖沖擊的設(shè)計(jì)輸入，產(chǎn)品實(shí)際所經(jīng)歷到的沖擊為g，即產(chǎn)品要按26.5g設(shè)計(jì)，才能滿足15g，11ms的設(shè)計(jì)輸入和考核要求。

從表2還可見(jiàn)，殘余響應(yīng)譜總是小于初始響應(yīng)譜，所以在0.3≤fn·D≤2.5這一段內(nèi)不用考慮殘余響應(yīng)的影響。

2.1.3 響應(yīng)等于1

當(dāng)沖擊脈沖持續(xù)時(shí)間給定時(shí)（例如D=11ms），若所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的固有頻率與其乘積大于2.5，即fn·D≥2.5，則被試系統(tǒng)受沖擊后所產(chǎn)生的沖擊響應(yīng)與沖擊脈沖的幅值近似相等，可直接按沖擊脈沖的幅值進(jìn)行設(shè)計(jì)。從圖5可見(jiàn)，當(dāng)產(chǎn)品受到所設(shè)計(jì)的15g，11ms沖擊，產(chǎn)品本身的響應(yīng)也是15g，即可直接用15g進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 利用實(shí)測(cè)脈沖的沖擊譜進(jìn)行抗沖擊設(shè)計(jì)

對(duì)利用實(shí)測(cè)脈沖的沖擊譜進(jìn)行抗沖擊設(shè)計(jì),可用下列二個(gè)例子來(lái)說(shuō)明:

2.2.1 卡車(chē)過(guò)障礙物時(shí)的沖擊

卡車(chē)過(guò)障礙物時(shí)從車(chē)輛底板測(cè)得的沖擊時(shí)間歷程是一個(gè)復(fù)雜的時(shí)間歷程，難以作為設(shè)計(jì)依據(jù)。通常是先將其轉(zhuǎn)換為沖擊響應(yīng)譜，然后求出各沖擊響應(yīng)譜的歸納譜，此時(shí)一種辦法是將歸納譜等效成標(biāo)稱(chēng)沖擊脈沖進(jìn)行設(shè)計(jì)，另一種是直接將歸納譜規(guī)范化作為設(shè)計(jì)師依據(jù)。

圖6(a)、(b)、(c)三條所測(cè)的沖擊脈沖時(shí)間歷程，其中最大的一條的加速度時(shí)間歷程曲線為最大3.5g，相應(yīng)的沖擊響應(yīng)譜曲線上的最大的響應(yīng)達(dá)19g(圖6(d))。

表2 0.3≤fn·D≤2.5

將圖6(d)的沖擊響應(yīng)譜轉(zhuǎn)換成由半正弦沖擊脈沖來(lái)產(chǎn)生，即用半正弦沖擊脈沖的沖擊響應(yīng)譜包絡(luò)圖6(d)的各曲線的沖擊響應(yīng)譜，即圖6(d)最上面的曲線。從圖6(d)可見(jiàn)，用28÷1.78=15.7g的半正弦標(biāo)稱(chēng)沖擊脈沖的抗沖擊設(shè)計(jì)輸入，就可達(dá)到6(a)、(b)、(c)三條沖擊脈沖時(shí)間歷程沖擊對(duì)裝載卡車(chē)車(chē)輛底板上的產(chǎn)品抗沖擊強(qiáng)度要求。

2.2.2 碎石的沖擊

挖掘機(jī)在每次碎石時(shí)所產(chǎn)生的沖擊是一個(gè)非常復(fù)雜的沖擊，圖7為沖擊時(shí)間歷程及其響應(yīng)譜示例。從圖7(a)可見(jiàn)，不可能用一個(gè)標(biāo)稱(chēng)的沖擊脈沖波形來(lái)表達(dá)，只能將其處理成一個(gè)沖擊響應(yīng)譜，如圖7(b)(Q = 10、1/6倍頻程)所示：

表3給出了某挖掘機(jī)在碎石過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)到的典型子樣的沖擊時(shí)間歷程的峰值及其沖擊響應(yīng)譜量值。

將所有典型子樣的沖擊響應(yīng)譜曲線歸納在一起，并采用極值包絡(luò)得出規(guī)范沖擊響應(yīng)譜；如圖8所示。

考慮到實(shí)測(cè)到的典型子樣不夠，再乘上1.5的分散與安全系數(shù)，得出表4中所可用于設(shè)計(jì)與考核的沖擊響應(yīng)譜數(shù)據(jù)。這樣現(xiàn)場(chǎng)的沖擊就可轉(zhuǎn)換為用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和考核的數(shù)據(jù)了。

從上面的敘述可見(jiàn)。當(dāng)一產(chǎn)品（例如機(jī)柜）經(jīng)受到一標(biāo)稱(chēng)脈沖（例如半正弦）沖擊后，其各部分，例如各LRU（可更換單元），經(jīng)受到的響應(yīng)也是復(fù)雜的時(shí)間歷程，同樣，也可用此方法將其轉(zhuǎn)換為沖擊響應(yīng)譜，并以此作為該部分沖擊強(qiáng)度的設(shè)計(jì)和考核的依據(jù)。

表3 典型子樣的沖擊時(shí)間歷程及其相對(duì)應(yīng)的沖擊響應(yīng)譜

表4 沖擊響應(yīng)譜的歸納值、規(guī)范化值、乘上1.5的分散系數(shù)

[1] TEC60068-2-27:2008 Basic environmental testing procedures Part2: Test-testEa and guidance :shock

[2] MIL-STD-810F Laboratory environmental methods for military material

[3] 環(huán)境試驗(yàn) 人民郵電出版社出版 1988年 王樹(shù)榮

王樹(shù)榮，男，研究員，環(huán)境與可靠性試驗(yàn)方法、試驗(yàn)技術(shù)、設(shè)計(jì)研究，在該領(lǐng)域多次獲得省部級(jí)以上獎(jiǎng)勵(lì)。