CN106644779B - 一种星上火工品爆炸冲击谱的等效方法 - Google Patents

一种星上火工品爆炸冲击谱的等效方法 Download PDF

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Abstract

一种星上火工品爆炸冲击谱的等效方法如下：(1)获取星上设备火工品爆炸冲击时域加速度谱值，转换成冲击响应谱；(2)利用冲击响应谱求得获得不同频率点的振动位移；(3)对每一频率点的振动位移累计求和；(4)根据卫星通用地面冲击试验对星上施加的冲击加速谱值，按照步骤(2)和(3)，获得地面通用冲击响应谱的位移累计和；(5)根据步骤(3)和(4)确定星上设备的冲击响应谱与地面通用冲击响应谱条件的位移比值。(6)利用获得的比值与星上设备地面冲击试验的通用冲击响应谱，求得星上设备火工品爆炸冲击等效的冲击响应谱。

Description

一种星上火工品爆炸冲击谱的等效方法
技术领域
本发明涉及一种星上火工品爆炸冲击谱的等效方法，适用于地面冲击台真实模拟星上火工品爆炸冲击环境，考核评估冲击环境对星上产品的影响。
背景技术
星箭包带、星上太阳翼、天线和伸杆等机构类产品为了实现特定的功能，需要采用火攻品装置解锁，利用装药燃烧爆炸产生的载荷来实现其功能，但是航天器火工品装置爆炸时会产生高量级、宽频带、短时间的复杂振荡性爆炸冲击载荷，在结构中通常以高频应力波的形式传播，会造成航天器电子产品内微型电子芯片、元器件焊点、晶振、电磁继电器等破坏，进而影响产品在轨性能。
由于火工品爆炸冲击环境作用下的产品应力和变形尚缺乏精确有效的工程分析手段，在产品的设计中，对于爆炸分离冲击环境作用下的适应性问题仅能定性地考虑。目前，星上火工品爆炸冲击试验中冲击响应较大的电子设备，需要进行冲击环境的考核和评估，但是使用火工装置模拟爆炸冲击环境十分昂贵，根据标准MIL-HDBK-340A、NASA-STD-7003与GJB 1027A，对产品进行鉴定试验，试验方法一般采用经典的冲击响应谱方法。但是火工品附近冲击较大的产品，冲击谱表现为低频量级较低，某些高频频率峰值较高，地面上的摆锤、电动振动台和气泡冲击台难以模拟该频谱的冲击响应。如按照实际测量的峰值进行冲击试验，由于试验设备的限制，难以达到，也会造成冲击过试验，对冲击敏感的器件造成危害，所以研究火工品爆炸冲击响应与一般试验规范冲击谱等效关系具有重要意义。
发明内容
本发明解决的技术问题为：针对星上火工品爆炸产生的某些频率较大量级的冲击谱，可利用本文提出的冲击等效量级方法，等价为较低量级的试验规范条件，在地面冲击台可真实模拟星上工品爆炸解锁的环境。
本发明解决的技术方案为：一种星上火工品爆炸冲击谱等效的方法，步骤如下：
(1)卫星火工品爆炸冲击中，测量得到星上设备受到火工品爆炸冲击的时域加速度
Figure BDA0001165880760000021
(2)根据步骤(1)获得的星上设备受到爆炸冲击的时域加速度
Figure BDA0001165880760000022
根据冲击响应谱的定义，单自由度系统在基座冲击加速度激励
Figure BDA0001165880760000023
下的运动方程，如下
Figure BDA0001165880760000024
式中，δ(t)为单自由度系统受火工品冲击加速度激励
Figure BDA0001165880760000025
相对基座的位移；
Figure BDA0001165880760000026
为爆炸冲击的时域加速度，作为基座输入的激励加速度，ωn为单自由度系统的固有圆周率；
(3)在初始条件δ(0)＝0，
Figure BDA0001165880760000027
下，单自由度系统相对基座的位移δ(t)为：
Figure BDA0001165880760000028
式中,ωn为单自由度系统的固有圆周率，τ为时间，0～t，
Figure BDA0001165880760000029
为τ时刻的星上设备受到火工品爆炸冲击的时域加速度；
星上火工品爆炸冲击测量得到的时域加速度
Figure BDA00011658807600000210
是离散的，用
Figure BDA00011658807600000211
表示离散后的第i个时域加速度代入公式(2)，0≤i≤t，可得到不同频率单自由度系统受火工品爆炸冲击加速度激励相对基座的位移响应，即δi，根据δi，计算不同频率的单自由度系统加速度
Figure BDA00011658807600000212
公式如下：：
Figure BDA00011658807600000213
根据不同频率的单自由度系统加速度
Figure BDA0001165880760000031
计算星上设备受火工品冲击绝对加速度响应
Figure BDA0001165880760000032
为
Figure BDA0001165880760000033
(4)把式(4)变换如下：
Figure BDA0001165880760000034
(5)在设定的频率范围内，对步骤(4)所得星上设备的不同频点受火工品爆炸冲击相对火工品的位移δi求和，得到星上设备的冲击累计位移Df，公式如下：
Figure BDA0001165880760000035
(6)将星上设备在地面进行冲击试验时，即用摆锤冲击星上设备，星上设备受到摆锤冲击的冲击响应谱是
Figure BDA0001165880760000036
用
Figure BDA0001165880760000037
代替公式(5)中的
Figure BDA0001165880760000038
计算公式(6)，星上设备受摆锤冲击累计位移
Figure BDA0001165880760000039
的累计位移Df通用：
Figure BDA00011658807600000310
式中，δi通用为星上设备的不同频点受摆锤冲击相对摆锤的位移；
(7)根据步骤(5)的Df和步骤(6)的Df通用，确定星上设备的冲击响应谱与地面通用冲击响应谱条件的累计位移比值σ。
Figure BDA00011658807600000311
(8)利用步骤(7)获得的比值σ与步骤(6)星上设备地面受冲击摆锤的冲击响应谱
Figure BDA00011658807600000312
求得星上设备受火工品冲击等效的冲击响应谱
Figure BDA00011658807600000313
Figure BDA00011658807600000314
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)针对火工品爆炸冲击较大的产品，按照频率峰值冲击谱条件进行试验会造成冲击过试验，损伤产品，本发明可以将高量级的冲击等效成低量级的冲击试验，且可以在地面冲击台进行试验，试验手段简单、成熟，比火工品装置模拟爆炸冲击环境更加廉价，并已经在工业领域广泛应用。
附图说明
图1为本发明一种星上火工品爆炸冲击谱的等效方法流程图；
图2为本发明获得的星上火工品爆炸冲击时域加速度曲线；
图3为本发明计算得到的星上火工品爆炸星上设备冲击响应谱曲线；
图4为本发明计算得到的星上设备近似地面冲击试验的通用冲击谱曲线；
图5为本发明计算得到的冲击响应谱不同频率转化振动位移曲线。
具体实施方式
本发明的基本思路为：提出一种星上火工品爆炸冲击谱的等效方法如下：(1)获取星上设备火工品爆炸冲击时域加速度谱值，转换成冲击响应谱；(2)利用冲击响应谱求得获得不同频率点的振动位移，如图5所示；(3)对每一频率点的振动位移累计求和；(4)根据卫星通用地面冲击试验对星上施加的冲击加速谱值，按照步骤(2)和(3)，获得地面通用冲击响应谱的位移累计和；(5)根据步骤(3)和(4)确定星上设备的冲击响应谱与地面通用冲击响应谱条件的位移比值。(6)利用获得的比值与星上设备地面冲击试验的通用冲击响应谱，求得星上设备火工品爆炸冲击等效的冲击响应谱。
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
在卫星火工品爆炸冲击中，测量得到星上设备受到火工品爆炸冲击的时域加速度
Figure BDA0001165880760000041
如图1所示。
将获得的时域加速度
Figure BDA0001165880760000042
施加到单自由度系统基座上，单自由度系统在基座冲击加速度激励
Figure BDA0001165880760000043
下的运动方程，如下
Figure BDA0001165880760000051
式中，δ(t)为单自由度系统受火工品冲击加速度激励
Figure BDA0001165880760000052
相对基座的位移；
Figure BDA0001165880760000053
为基座输入的激励加速度，ωn为单自由度系统的固有圆周率；
在初始条件δ(0)＝0，
Figure BDA0001165880760000054
下，单自由度系统对基座输入激励的相对位移δ(t)为：
Figure BDA0001165880760000055
式中,ωn为单自由度系统的固有圆周率，τ为时间，0～t，
Figure BDA0001165880760000056
为τ时刻的星上设备受到火工品爆炸冲击的时域加速度；
星上火工品爆炸冲击测量得到的时域加速度
Figure BDA0001165880760000057
是离散的，用
Figure BDA0001165880760000058
表示离散后的第i个时域加速度，0≤i≤t，代入公式(2)，得到不同频率单自由度系统受火工品爆炸冲击加速度激励相对基座的位移响应，即δi，根据δi，计算不同频率的单自由度系统加速度
Figure BDA0001165880760000059
公式如下：
Figure BDA00011658807600000510
根据不同频率的单自由度系统加速度
Figure BDA00011658807600000511
计算星上设备受火工品冲击绝对加速度响应
Figure BDA00011658807600000512
为
Figure BDA00011658807600000513
将卫星火工品爆炸中测量得到的星上设备冲击时域加速度
Figure BDA00011658807600000514
进行冲击响应谱(SRS)转换，如公式(4)，得到星上设备受到火工品冲击在频域范围内冲击响应谱，如图2所示，图中可以看处，在星上火工品爆炸冲击中，测量星上6个设备受到冲击响应的冲击响应谱曲线，仅在某个频率点冲击响应较大。
把式(4)变换如下：
Figure BDA00011658807600000515
根据已经获得了多个星上设备的冲击响应谱值，按照公式(5)将冲击响应谱每一频率点的加速度转化成振动位移，得到的曲线如下图4所示，图中曲线的值相当于每个频率点处的位移大小，与应变正相关联。可以得出2500Hz以后，火工品爆炸冲击对星上设备产生的位移或者应变较小，设备的结构应力较小，说明高频冲击加速度对设备结构影响较小。
经过上述处理后，利用公式(6)对图4中所得的位移进行频域累计，得到星上火工品冲击响应累积位移Df，6个星上设备冲击累计位移值如表1所示。
Figure BDA0001165880760000061
同时，卫星星上设备地面受摆锤冲击的试验通用冲击响应谱是
Figure BDA0001165880760000062
即400g(100～4000Hz)，根据公式(5)和(6)，计算得到冲击响应谱
Figure BDA0001165880760000063
的累计位移Df通用，如表1所示：
Figure BDA0001165880760000064
表1等效冲击条件
Figure BDA0001165880760000065
根据上述求得的Df和Df通用，确定星上设备的冲击响应谱与地面通用冲击响应谱条件的累计位移比值σ。利用获得的比值σ与星上设备地面受摆锤冲击的试验通用冲击响应谱
Figure BDA0001165880760000066
如公式8所示，求得星上设备等效的冲击响应谱
Figure BDA0001165880760000067
Figure BDA0001165880760000071
计算结果见表1第四行所示，看出等效冲击量级条件比星上设备受到火工品爆炸的冲击谱最大值降低很多，如星上设备E在6703Hz的量级为4493g，经过等效计算后其等效冲击条件为1190g。
为了验证结果正确性，采用弹性力学中应力与应变正相关的理论，在星上设备安装根部粘贴应变片，测量星上火工品爆炸冲击时设备结构应变。将图2中设备A冲击响应谱曲线放大，如图3所示，可以看出，设备A受到的火工品冲击响应曲线与设备地面受摆锤冲击的试验通用冲击响应谱型相近，可以认为相当于480g的通用冲击谱条件。弹性力学中，应变与应力是正相关的，即火工品爆炸冲击测量的设备根部变形与冲击力是正相关的，与测量的冲击加速度值是正相关的，根据火工品爆炸冲击测量其他5个设备安装根部应变值与设备A的应变比例，可以计算出其他设备等效冲击加速度值，并与本发明冲击等效法计算值比较，见下表2所示。可见本发明计算冲击等效法与基于应变等效冲击法比较吻合，证明提出的冲击等效方法是正确合理的，可用于工程应用。
表2等效冲击条件计算与测量比较
星上设备 设备A 设备B 设备C 设备D 设备E 设备F
应变比例 1 1.2423 1.7089 1.3023 1.8938 2.1055
基于应变等效法(g) 488 606 834 634 927 1030
冲击等效法(g) 425 665 1100 650 1190 1245
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种星上火工品爆炸冲击谱等效的方法，其特征在于步骤如下：
(1)卫星火工品爆炸冲击中，测量得到星上设备受到火工品爆炸冲击的时域加速度
Figure FDA0002416372660000011
(2)根据步骤(1)获得的星上设备受到爆炸冲击的时域加速度
Figure FDA0002416372660000012
根据冲击响应谱的定义，单自由度系统在基座冲击加速度激励
Figure FDA0002416372660000013
下的运动方程，如下：
Figure FDA0002416372660000014
式中，δ(t)为单自由度系统受火工品冲击加速度激励
Figure FDA0002416372660000015
相对其基座的位移，
Figure FDA0002416372660000016
为单自由度系统受到火工品冲击加速度激励
Figure FDA0002416372660000017
相对其基座的加速度；
Figure FDA0002416372660000018
为爆炸冲击的时域加速度，作为基座输入的激励加速度，ωn为单自由度系统的固有圆周率；
(3)在初始条件δ(0)＝0，
Figure FDA0002416372660000019
下，单自由度系统相对基座的位移δ(t)为：
Figure FDA00024163726600000110
式中,δ(0)为t＝0时刻单自由度系统受火工品冲击加速度激励相对其基座的位移，
Figure FDA00024163726600000111
为t＝0时刻单自由度系统受到火工品冲击加速度激励相对其基座的速度，ωn为单自由度系统的固有圆周率，τ为时间，0～t，
Figure FDA00024163726600000112
为τ时刻的星上设备受到火工品爆炸冲击的时域加速度；
星上火工品爆炸冲击测量得到的时域加速度
Figure FDA00024163726600000113
是离散的，用
Figure FDA00024163726600000114
表示离散后的第i个时域加速度，代入公式(2)，0≤i≤t，得到不同频率单自由度系统受火工品爆炸冲击加速度激励相对基座的位移响应，即δi，根据δi，计算不同频率的单自由度系统加速度
Figure FDA0002416372660000021
公式如下：
Figure FDA0002416372660000022
根据不同频率的单自由度系统加速度
Figure FDA0002416372660000023
计算星上设备受火工品冲击绝对加速度响应
Figure FDA0002416372660000024
为：
Figure FDA0002416372660000025
(4)把式(4)变换如下：
Figure FDA0002416372660000026
(5)在设定的频率范围内，对步骤(4)所得星上设备的不同频率点受火工品爆炸冲击相对火工品的位移δi求和，得到星上设备的冲击累计位移Df，公式如下：
Figure FDA0002416372660000027
(6)星上设备在地面进行冲击试验时，即用摆锤冲击星上设备，假设星上设备受到摆锤冲击的通用冲击响应谱是
Figure FDA0002416372660000028
用
Figure FDA0002416372660000029
代替公式(5)中的
Figure FDA00024163726600000210
计算公式(6)，星上设备受摆锤冲击通用冲击响应谱
Figure FDA00024163726600000211
的累计位移Df通用：
Figure FDA00024163726600000212
式中，δi通用为星上设备的不同频率点受摆锤冲击相对摆锤的位移；
(7)根据步骤(5)的Df和步骤(6)的Df通用，确定星上设备的冲击响应谱与地面通用冲击响应谱条件的累计位移比值σ；
Figure FDA00024163726600000213
(8)利用步骤(7)获得的比值σ与步骤(6)星上设备地面受冲击摆锤的冲击响应谱
Figure FDA0002416372660000031
求得星上设备受火工品冲击等效的冲击响应谱
Figure FDA0002416372660000032
Figure FDA0002416372660000033
2.根据权利要求1所述的一种星上火工品爆炸冲击谱等效的方法，其特征在于：星上设备的冲击响应谱为时域加速度
Figure FDA0002416372660000034
施加到各个固有频率的线性、单自由度的弹簧质量系统，将不同频率的单自由度的弹簧质量系统的最大响应峰值作为对应于系统固有频率函数响应曲线，即冲击响应谱。
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