极端力学环境下的疲劳强度和抗震特性考核

1 应用背景

随着试验技术的不断进步，正弦冲击已成为一种重要的测试手段，广泛应用于评估元器件、设备以及其他电子电工产品在实际使用过程中所面临的复杂力学环境。这些产品在使用过程中常会受到诸如地震、爆炸、运输过程中的冲击或机器运行时产生的短时、瞬态振动等突发性脉冲和振荡力的作用。如特高压变电站设备在遭受地震瞬态冲击时的性能表现、航母舰载战斗机着舰过程中受到阻拦索冲击的耐受性测试，以及航天器在发射和返回阶段所经历的轻度（可能指低强度或低频）振动测试等，均是瞬态冲击试验在不同领域的典型应用场景。

正弦冲击试验是一种振动环境复现的测试手段，主要评估产品、材料或者结构在正弦冲击下的动态响应及可靠性，对于确保相关产品在极端力学条件下的可靠性和安全性具有重要意义，并广泛应用在以下领域中：

• 航空航天：测试设备在火箭发射或爆炸冲击下的耐受性。
• 电子产品：评估运输过程中突然跌落或冲击的影响。
• 军事装备：模拟爆炸冲击波对设备的瞬时作用。
• 建筑与桥梁：分析地震或强风引起的瞬态振动响应。

在正弦冲击试验中，产品经受特定的冲击激励后，还需进行详细的功能和性能检测。这一过程不仅验证产品在冲击过程中的即时响应，还评估其在冲击后是否仍能满足设计和使用要求，从而准确评估产品承受瞬态冲击环境的能力。

2 正弦冲击试验分类

正弦冲击试验，顾名思义：通过施加短暂的正弦波形脉冲（如单次或者有限周期的正弦波），模拟瞬态冲击振动环境，考核被测产品的性能。其波形特显为单个或者多个正弦波，具有明确的频率、幅值和持续时间。正弦冲击试验主要关注瞬态响应，而非稳态振动下的疲劳特征，由于其为确定性信号，便于故障复现和分析。

试验过程中，常用的激励波形包括拍波、正弦瞬态冲击波和线性调频波等。为了精确模拟实际工况并满足特定的试验需求，这些波形通常会经过一系列信号处理流程，如去直流偏置、高低通滤波、波形缩放以及重采样等。通过对波形的精细设计和调整，可生成符合试验要求的定制化目标波形，从而为产品提供更具针对性和准确性的冲击模拟环境。

正弦拍波试验（Sine Beat）

拍波激励是瞬态冲击试验中常见的形式之一，拍波试验也常称为正弦拍频试验，主要用于耐震或抗震试验，特别是构造物受到短时间的脉冲力和周期性力冲击后的环境情况。产品在固定频率上用若干预定的正弦拍频振动激励，这个固定频率是预定频率或者产品的自振频率，类似于拥有一个共振频率的单纯构造物的地面受到水平方向地震波，试验后确认其健全性。在独立的正弦拍频之间有一个间歇，以允许产品的自响应衰减。

波形如下图，试验条件中需掌握振幅幅值、正弦波的频率、波形长度（波数n和拍数）。波形是调制的正弦波，频率为试验结构体的自振频率，以期望产生共振效应，其幅值被一个长周期正弦波所调制。

正弦脉冲试验（Sine Burst）

正弦脉冲激励则通过多周期的定频正弦波来模拟准静态环境模拟的试验方法，主要用于卫星在运载火箭升空的主动段，受到火箭高值加速度而产生静力过载的模拟试验。为了确定卫星承受的静载荷对其本身结构及运行状态的影响，要对卫星做加速度过载试验，以模拟卫星在火箭发射过程中受到的稳态或准稳态加速度惯性载荷。波形如下图，试验条件中同样需要确定振幅值A、生成的正弦波的频率f、波形长度（波数n）。在实际试验中，为避免试验开始就受到大量级的负荷，需对波形加窗加入上升和下降领域。

正弦脉冲（Sine Burst）主要优点是在被试件放在振动台上进行其它测试之后可以紧接着完成正弦脉冲试验。与正弦驻留或扫频相比，它给硬件带来了更少的循环加载次数，并且特别适合于刚度相对较大的组件或电子箱，仪器或航天器。经实践证明此方法可以减轻已知的风险。

衰减正弦（Decayed Sine）

在舰载机弹射起飞和拦阻着陆冲击试验中，一般可用衰减正弦波进行模拟，即其信号为特定频率下，振动幅值逐渐衰减的过程，可设置振动峰值，阻尼比、波数等参数，如下图所示。

线性调频（Sine Burst）

线性调频激励类似于正弦波，其幅值固定，只是其频率并非固定，是一种频率随时间线性变化的信号，其频率可在设定频段内逐渐上升或下降，如下图所示。

3 NTS.LAB VCS 正弦冲击试验

正弦冲击试验控制过程：用户在软件中预设产品的振动加速度试验谱，并通过振动控制仪器将信号发送给功率放大器，功率放大器将信号放大后传递到振动台，使振动台振动，振动控制仪获取传感器（粘贴在振动台或者产品上）采集的振动信号，做快速的处理并与软件预设的目标谱对比，不停的修正迭代，直至均衡到目标谱的容差范围之内，实现目标波形的再现。

整个过程中，振动控制器的输出--功放--振动台--加速度传感器--振动控制器输入，形成一个完整的闭环迭代系统。

· 不同激励信号类型选择

NTS.LAB VCS瞬态冲击模块中，支持多种波形，如正弦拍波，正弦脉冲，线性扫频，多正弦等。软件提供多种分析功能，如通道间传递函数分析，线性自功率谱分析等，还可对时域波形进行长时间数据记录以供后续详细分析。

· 补偿类型选择

采用振动台进行冲击试验时要求模拟的时域目标波形满足加速度、速度、位移均为“静止启动，静止结束”，这是因为振动台不允许末位移和末速度的存在，否则会损坏设备。因此必须对信号进行一系列的修正补偿处理，以确保在冲击结束时台面的加速度、速度和位移恢复到静止状态，且在试验过程中，加速度、速度和位移在运行过程中最优且不会超出振动台的工作能力。

由于原始波形的试验条件的位移和速度较大，可对正弦冲击选择补偿处理。在保证峰值加速度不变的情况下，有效地降低了波形的位移和速度。

可以看出，优化前试验所需的速度和位移较大，且位移超出了振动台的指标。优化后，试验所需的速度和位移显著降低，振动台完全可以满足试验的需求。

· 冲击响应谱在线计算

在进行冲击试验时，往往需要计算该冲击信号的冲击响应谱（SRS）数据，NTS.LAB VCS 瞬态冲击模块增加SRS计算模块，用户可设置阻尼比、拟合倍频程、目标谱类型（最大响应谱、残余响应谱、初始响应谱等）。

· 试验安全保护设置多样化

在瞬态冲击试验中，为防止测试产品的过试验，保证产品测试安全，NTS.LAB为试验设置了不同的试验安全保护措施，可设置有效值中止、警告限值、驱动电压限值等，防止过试验，保证测试安全。

4 总结

正弦冲击环境是一种典型的复杂振荡型冲击，其特征在于短时间内施加高强度的周期性振荡力，对产品的结构完整性和动态性能构成严峻挑战。NTS.LAB VCS瞬态冲击模块凭借其简洁直观的软件界面，为用户提供了便捷的操作体验，显著提升了试验的效率和可操作性。该模块能够根据试验需求，灵活提供多种振动时域信号选择，以满足不同应用场景和测试目标的要求。

基于正弦冲击试验方法，可有效考核产品在极端力学环境下的疲劳强度和抗震特性。通过精确模拟实际使用过程中可能遭遇的动态冲击载荷，为产品设计优化提供了关键数据支持。具体而言，其试验结果可用于指导产品的设计改良，包括但不限于减振、隔振措施的实施，以及通过调整结构参数来错开产品的固有振动频率，从而避免共振现象的发生。这些改进措施有助于显著提升产品的可靠性和耐久性，使其在复杂工况下具备更强的适应性和稳定性，进而将产品的整体可靠性提升至更高水平。

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