基于實測數據分析的空空導彈沖擊環(huán)境研究

郭勝利，閆勝彥

(中國空空導彈研究院，河南洛陽 471009）

基于實測數據分析的空空導彈沖擊環(huán)境研究

郭勝利，閆勝彥

(中國空空導彈研究院，河南洛陽 471009）

介紹了空空導彈在壽命期內（包括運輸、貯存和使用過程）所經歷的各種沖擊環(huán)境及其環(huán)境效應，研究了實測數據的分析處理方法，并以空空導彈沖擊實測數據為實例進行分析處理，得出了描述實際沖擊環(huán)境的主要技術參數，可為空空導彈沖擊試驗條件歸納和試驗模擬提供理論支撐。

沖擊環(huán)境；數據分析處理；試驗條件

0 引 言

空空導彈在運輸、貯存、掛飛和自主飛行過程中會遭遇嚴酷的沖擊環(huán)境［1］,主要包括運輸裝卸時,由于人員或設備原因發(fā)生的意外跌落；掛機飛行時的起飛、著陸沖擊；空中發(fā)射瞬時的發(fā)射沖擊；飛機或導彈在空中作機動時的機動沖擊；艦載飛機的彈射起飛和攔阻著陸沖擊等等。這些沖擊環(huán)境的效應都將直接影響空空導彈的結構完整性和工作性能。

將空空導彈所經受的沖擊“應力”,轉化為相應試驗條件,在實驗室環(huán)境下進行沖擊試驗模擬,是提高產品健壯性的必要手段［2］。

在確定試驗條件時,MIL-STD-810F［3］指出：根據在相似自然環(huán)境條件下安裝在平臺上的相同或非常相似的裝備產生的數據推導得出具體的試驗量值、范圍、速率和試驗時間。因此,在有空空導彈實測環(huán)境數據時,可對實測數據進行分析處理,轉化為相應環(huán)境的試驗條件,從而進行模擬試驗,達到考核空空導彈對沖擊環(huán)境的適應性的目的。

1 沖擊環(huán)境效應

沖擊是裝備經歷的最一般的力學環(huán)境,裝備對機械沖擊環(huán)境的響應具有以下特征［4］：高頻震蕩、短持續(xù)時間、明顯的初始上升時間和高量級的正負峰值,在產品上造成的破壞形式以峰值破壞為主,會導致：

a.零件之間摩擦力的增加或減少,或相互干擾而引起的裝備失效；

b.裝備絕緣強度變化、絕緣電阻抗下降、磁場和靜電場強的變化；

c.裝備電路板故障、損壞和電連接器失效；(有時裝備在沖擊作用下,可能使電路板上多余物遷移而導致短路)；

d.當裝備結構或非結構件過應力時,裝備產生永久性的機械變形；

e.當超過極限強度時,裝備的機械零件損壞；

f.材料的加速疲勞(低周疲勞)；

g.裝備潛在的壓電效應；

h.由于晶體、陶瓷、環(huán)氧樹脂或玻璃封裝破裂造成的裝備失效。

2 沖擊環(huán)境測量

沖擊環(huán)境的瞬態(tài)性,使得測量實際的激勵非常不現(xiàn)實。業(yè)內通用的做法是測量沖擊環(huán)境引起的響應,從響應預測激勵。通過試驗件沖擊響應特性將響應等效為激勵,或直接采用響應控制［5］。

為了解產品實際的沖擊環(huán)境,首先制定一個可行的測試方案,方案至少應包括沖擊類型、測量點數量、位置和方向,采樣頻率和每個傳感器的動態(tài)范圍,且對沖擊響應測量系統(tǒng)有嚴格的要求［6］,如下：

a.動態(tài)范圍大：由于沖擊信號的幅值變化范圍遠較振動大,故沖擊的準確描述至少需要40 dB以上的測量系統(tǒng)；

b.頻率范圍寬：由傅里葉變化可知,即使一個簡單脈沖,其頻率范圍也非常寬。例如一個持續(xù)時間為50 ms的半正弦脈沖,其頻率含量遠高于連續(xù)正弦振動信號的頻率,甚至在100 Hz仍有頻率分量存在；對于典型脈沖,頻率范圍的經驗公式為0.008D≤f≤10/D,式中D為沖擊持續(xù)時間。

c.若測量系統(tǒng)高頻限不足以覆蓋脈沖高頻含量,則會產生失真。為了避免波形失真,一般對測量系統(tǒng)的上限頻率設置推薦為f≥10/D是合理的。

實際測量時,記錄沖擊響應的時域信號和測量過程中所發(fā)生的物理事件,測量數據用于數據分析。

3 沖擊數據分析處理方法

3.1 數據預處理

沖擊信號具有強的瞬態(tài)性,信號中難免混入一些失真的信號或干擾信號。所以,在得到沖擊環(huán)境的實測數據后,首先要對數據進行一系列的預處理［7］,以得到真實有效的數據。預處理過程主要有：失真數據的辨識及處理、間歇噪聲辨識及處理、過大儀器噪聲辨識及處理、假趨勢辨識及處理、信號丟失處理等。對預處理后的數據進行分析處理主要分為時域和頻域兩種分析方法。

3.2 時域分析方法

沖擊時域數據分析應該給出三個主要特征信息：沖擊有效持續(xù)時間、峰值加速度值和沖擊信號波形。

3.2.1 沖擊有效持續(xù)時間的確定

沖擊的有效持續(xù)時間［8］有以下兩種定義：

a.沖擊的有效持續(xù)時間TE是包含絕對值超過1/3最大峰值的所有時間歷程幅值所對應的最小時間長度；

b.沖擊有效持續(xù)時間Te(對處理復雜瞬態(tài)數據更合適)的定義是：包含至少90%以上的均方根RMS時間歷程幅值超過10%最大均方根幅值的時間歷程所對應的最小時間長度。

圖1 沖擊加速度響應時間歷程樣本

圖2 沖擊加速度響應時間歷程截斷樣本的有效持續(xù)時間

圖1所示為沖擊加速度響應時間歷程樣本。圖2說明了圖1所示樣本經截斷的沖擊時間歷程的有效持續(xù)時間TE和Te。由于這種沖擊波形的復雜和延長的特點,TE和Te相差不大。對于少數復雜沖擊的時間歷程,通常不是這樣。對TE的90%的技術要求,防止了由于幅值超過10%RMS的噪聲尖峰影響所導致的沖擊持續(xù)時間過長。圖3給出了圖2所示的時間歷程的短時平均RMS值的估計以及Te。圖3中,短時平均時間大約是Te的13%。多數情況下,分析員根據經驗能夠圓滿地確定有效持續(xù)時間TE和Te,用來替代精確的分析定義。為確定有效持續(xù)時間TE和Te,在對任何測量的瞬態(tài)時間歷程數據進行處理時,重要的是保存復雜瞬態(tài)過程的固有信息和最大限度地減少與儀器噪聲有關的信息。

圖3 沖擊加速度響應時間歷程截斷樣本短時平均RMS

3.2.2 峰值加速度的確定

峰值加速度：最高峰所對應的幅值即為峰值加速度。

3.2.3 沖擊波形的確定

根據沖擊激勵源的不同,對簡單沖擊,時域沖擊波形可近似處理為半正弦波、后峰鋸齒波或梯形波；對復雜沖擊,可以處理為持續(xù)時間為Te的瞬態(tài)過程。

鑒于沖擊激勵的復雜性,實際的沖擊波形從沖擊響應時域波形上往往很難確定,GB/T2423.5 -1995《電工電子產品環(huán)境試驗第二部分：試驗方法試驗Ea和導則：沖擊》中給出了一個原則性的建議,可參考執(zhí)行［9］。即：一般的,對線彈性系統(tǒng)的撞擊或減速引起的沖擊,選用半正弦波；由于爆炸螺栓引起的沖擊,選用梯形波。GJB150.18A建議優(yōu)先使用后峰鋸齒波,理由是后峰鋸齒波比半正弦波具有更均勻的沖擊響應,其殘余沖擊響應譜接近初始響應譜。

3.3 頻域分析方法

在給定分析頻率fn上的沖擊響應譜值SRS定義如下：一個無阻尼振動固有頻率為fn的單自由度(SDOF)系統(tǒng)上作用一個給定的基礎輸入時,質量塊的最大響應。基礎輸入是在一個規(guī)定的持續(xù)時間內的實測沖擊(規(guī)定的持續(xù)時間應當是有效持續(xù)時間Te)。單自由度系統(tǒng)的阻尼特性用“Q”(品質因子)表示,Q為50表示1%的臨界阻尼,Q為10表示5%的臨界阻尼,Q為5表示10%的臨界阻尼。在實驗室模擬時,Q可取10和5兩個值,分別對應較大阻尼和較小阻尼。沖擊響應譜曲線的橫坐標是單自由度系統(tǒng)的固有頻率,縱坐標是最大響應加速度。沖擊響應譜的頻率范圍從所感興趣的最低頻率一直到該譜達到平直段時的頻率。對高端頻率要求保證不忽略任何高頻分量,最低頻率由裝備的頻率響應特性確定。對于感興趣的最低頻率fmin,沖擊響應譜的計算從沖擊的第一個幅值上升開始,到Te或1/2fmin(兩者取較大者)。

沖擊響應譜描述了一系列單自由度振動系統(tǒng),在沖擊激勵作用下,其最大響應值與系統(tǒng)的固有頻率之間的關系(稱為初始沖擊響應譜)。在沖擊激勵函數作用之后,單自由度振動系統(tǒng)的響應時間歷程出現(xiàn)的最大值與系統(tǒng)的固有頻率之間的關系稱為剩余沖擊響應譜。

最大沖擊響應譜是在沖擊激勵函數作用下,單自由度振動系統(tǒng)的響應時間歷程最大值與系統(tǒng)的固有頻率之間的關系。取初始沖擊響應譜與剩余沖擊響應譜之間的最大值。在工程實際中,大多采用最大沖擊響應譜。

4 實例分析

4.1 彈射沖擊

某產品彈射試驗時測得的時域信號如圖4所示,從實測數據中得出,該環(huán)境屬于沖擊環(huán)境,首先對沖擊數據進行預處理,包括剔除趨勢、奇異點等。

圖4 彈射試驗原始時域圖

從時域信號結合彈射實際過程可以看出,彈射沖擊分為三個沖擊過程,第一個為發(fā)射裝置解鎖過程,第二個為彈射過程,第三個為產品落地的緩沖過程。按本文第3節(jié)方法對彈射過程沖擊信號進行分析［10］,分析結果如圖5和圖6所示。

圖5 彈射沖擊信號時域

由分析得出,彈射沖擊：峰值加速度約為80g,持續(xù)時間約為10 ms,沖擊響應譜拐點約為4 500 Hz,峰值約為380g。

圖6 彈射沖擊信號沖擊響應譜

4.2 運輸跌落沖擊

某產品帶包裝箱運輸跌落時測點的沖擊響應如圖7所示。

圖7 包裝箱底面跌落時域信號

時域信號結合跌落物理過程可以看出,跌落沖擊分為兩個沖擊過程,第一個為跌落至地面過程,第二個為地面緩沖過程。對第一個沖擊信號進行分析,分析結果如圖8和圖9所示。

圖8 跌落沖擊時域

圖9 跌落沖擊響應譜

由分析得出,跌落沖擊：峰值加速度約為50g,持續(xù)時間約為20 ms,波形近似為半正弦脈沖。沖擊響應譜拐點約為35 Hz,峰值約為50g。

4.3 發(fā)射沖擊

某產品發(fā)射時測得的原始時域信號如圖10所示。

圖10 發(fā)射沖擊原始時域

時域分析如圖11所示,頻域分析如圖12所示。

圖11 發(fā)射沖擊時域

圖12 發(fā)射沖擊響應譜

由分析得出,發(fā)射沖擊：峰值加速度約為40g,持續(xù)時間約為27 ms,波形近似半正弦脈沖。沖擊響應譜拐點約為30 Hz,峰值約為50g。

本章以彈射沖擊、運輸跌落沖擊和發(fā)射沖擊實測數據為例,分析并提取了相應沖擊環(huán)境的試驗技術參數：經典沖擊試驗所需要的沖擊時域峰值加速度(隱含沖擊方向),沖擊持續(xù)時間、沖擊波形；或沖擊響應譜試驗所需要的沖擊響應譜數據。

試驗條件與試驗方法密切相關,對于現(xiàn)場模擬試驗,只需構建與實際環(huán)境相同或相近的環(huán)境,按照試驗件實際使用的方式進行試驗。對于條件試驗,將實測數據按本文3.2節(jié)方法處理給出試驗方法要求的試驗參數即為試驗條件。對于沖擊響應譜試驗,按本文3.3節(jié)方法對實測數據進行5%和10%阻尼比的最大沖擊響應譜計算,然后對一系列的沖擊響應譜數據分別進行95/50單邊容差上限歸納即可確定沖擊響應譜的試驗譜形。

5 結 論

本文介紹了介紹了空空導彈在壽命期內(包括運輸、貯存和使用過程)所經歷的各種沖擊環(huán)境及其環(huán)境效應,研究了實測數據的分析處理方法,并以空空導彈沖擊實測數據為實例進行分析處理,得出了描述實際沖擊環(huán)境的主要技術參數,可為空空導彈沖擊試驗條件歸納和試驗模擬提供理論支撐。

［1］樊會濤.空空導彈系統(tǒng)試驗和鑒定［M］.北京：國防工業(yè)出版社,2007.

［2］董周戰(zhàn),秦庭森,李立名.空空導彈沖擊試驗與試驗條件的確定［J］.航空兵器,2001(3).

［3］國防部試驗方法標準.環(huán)境工程考慮和實驗室試驗［S］.北京：中國航空工業(yè)第三零一所,2008.

［4］邢天虎.力學環(huán)境試驗技術［M］.西安：西北工業(yè)大學出版社,2003.

［5］胡時岳.機械振動與沖擊測試技術［M］.北京：科學出版社,1983.

［6］李德葆.工程振動試驗分析［M］.北京：清華大學出版社,2004.

［7］Wise JH.動力學數據采集和分析手冊［M］.國防科技工業(yè)標準化研究中心,譯,2003.

［8］GJB150A,軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法［S］.2009.

［9］GB/T2423,電工電子產品環(huán)境試驗［S］.北京：國家技術監(jiān)督局,1995.

［10］應懷樵.波形和頻譜分析與隨機數據處理［M］.北京：中國鐵道出版社,1985.

Study on Airborne M issile Shock Environment Based on the Analysis of Measured Data

Guo Shengli,Yan Shengyan
(China Airborne Missile Academy,Luoyang 471009,China)

The shocK environment and environment of airbornemissile in the life period(including transportation,storage and use)are introduced.The analysismethods ofmeasured data are researched, and the data is taKen as an example for analysis.The main technical parameters to describe the actual shocK of the environment are got,which can provide theoretical support for airborne missile shocK test condition and test simulation.

shocK environment,data analysis and processing,test conditions

TJ760.6+24

A

1673-5048(2015)03-0058-04

2015-04-02

郭勝利（1981-），男，河南洛陽人，工程師，碩士研究生，研究方向是環(huán)境工程與環(huán)境試驗技術。