CN108982048A - 一种单轴振动台模拟碰撞试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单轴振动台模拟碰撞试验方法，属于试验测试技术领域，本发明是通过试验件容器的底部与单轴振动台的夹具之间设置高度相同、不同刚度的弹簧，通过对单轴振动台给予激励，使模拟碰撞的过程中产生不均衡的位移，最终形成椭球形摆动，引发容器内试验件的碰撞；然后，对所述试验件容器、弹簧和单轴振动台的夹具构成的试验系统进行建模和仿真分析，并对弹簧优化修正，通过仿真分析结果得到固有频率，以频率为固有频率的激励进行仿真和试验，试验得到对应位置的加速度，通过所述激励和加速度处理得到激励幅值与加速度响应的线性关系；将试验所需相应幅值代入所述线性关系，能够得到对应激励，从而进行有效试验。

Description

一种单轴振动台模拟碰撞试验方法

技术领域

本发明属于试验测试技术领域，尤其涉及一种单轴振动台模拟碰撞试验方法。

背景技术

包装件在运输过程中会受到多种机械环境条件的影响，主要为振动、冲击、静载、倾斜摇摆、稳态加速度等，其中振动和冲击是最主要的因素。而振动测试是在实验室内根据产品的特点和实际运输环境，通过模拟，对包装件进行检测和试验。

振动试验主要包括正弦振动、随机振动和颠簸等几种运动形式，但是在实际的运输过程中，包装件与包装件和其周围装置之间会经历弹跳、移动、碰撞等过程，其中散装件运输中尤为严重，其承受的是重复随机冲击环境，工程上可用碰撞试验进行模拟。

模拟碰撞需要专用的运输颠簸试验台，但国内大多数实验室并不具备该试验设备，而单轴振动台设备却十分常见。传统的使用单轴振动台模拟碰撞试验是在振动台台面上设置围栏，在振动过程中设备在经历振动外还可跳动，与相当于挡箱板(栏杆)和其他设备的围栏发生碰撞。但该种方法具有很大的局限性，包装件在运输时不仅弹跳产生碰撞，还会因为摇摆发生碰撞，后者在路面条件不理想时尤为明显，而该情况会对散装件造成更大的不利影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单轴振动台模拟碰撞试验方法，从而克服了使用单轴振动台模拟碰撞试验局限大的缺点。

为实现上述目的，本发明提供了一种，包括以下步骤：

S1、选择试验件容器；

S2、在所述试验件容器的底部与单轴振动台的夹具之间设置高度相同、不同刚度的弹簧；

S3、在所述试验件容器的底部边缘和外侧安装多个加速度传感器；

S4、对所述试验件容器、弹簧和单轴振动台构成的试验系统进行构建试验系统模型和仿真分析，并对所述弹簧进行优化修正，通过仿真分析得到所述试验系统的振动模态；

S5、从所述振动模态仿真的结果中提取该阶低频段、振型为椭球形的模态和该阶对应的固有频率ω_n，然后以所述固有频率ω_n、幅值d的激励为激励，对所述试验系统做仿真正弦定频试验；

S6、将试验件放置在所述试验件容器中，通过所述单轴振动台对试验件容器施加所述激励，引发所述试验件模拟碰撞，多个所述加速度传感器测得各处的线加速度，根据线加速度得到测量位置的角加速度；

S7、对所述激励和角加速度处理得到激励幅值与角加速度响应的线性关系；

S8、通过所述线性关系和实验要求的响应幅值，得到实验要求的激励。

进一步的，所述试验件容器为长方体结构。

进一步的，所述试验件容器的底部四角分别设有一个所述弹簧。

进一步的，多个所述弹簧为高度相同、刚度不同的弹簧。

进一步的，所述加速度传感器采用线加速度计。

进一步的，所述加速度传感器的个数为9个，其中，所述试验件容器的底端的一个底角设有3个与所述底角的三条棱方向一致的所述加速度传感器，沿着所述底角的三条棱方向上的三个棱角上分别设有2个与所述沿着的方向垂直的所述加速度传感器。

进一步的，所述S5采用有限元分析软件进行建模和仿真分析。

进一步的，所述振动模态为前六阶振动模态。

与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明所提供的一种单轴振动台模拟碰撞试验方法，通过在所述试验件容器的底部与单轴振动台的夹具之间设置高度相同、不同刚度的弹簧，对单轴振动台给予激励，使模拟碰撞的过程中产生不均衡的位移，最终形成椭球形摆动，引发容器内试验件的碰撞，通过弹簧能够使试验件不仅除了与试验件容器壁发生碰撞，还能够模拟弹跳碰撞，从而减少了包装件在模拟碰撞试验时对试验设备的要求，从而解决了单轴振动台模拟碰撞试验局限大的缺点；同时，还对所述试验件容器、弹簧和单轴振动台的夹具构成的试验系统进行构建试验系统模型和仿真分析，以此来验证该试验系统的可行性，对不符合要求的试验系统进行所述弹簧优化修正，根据修正后的得到的数据关系能够确定需要试验的数据，从而进行有效的试验，通过前期大量的仿真计算，能够降低对试验设备的要求，同时能够提高试验的成功率，减少不必要的财力、物力消耗。

2、本发明所提供的试验件容器采用的结构为长方体结构，考虑到包装件在运输的过程中多放置在车厢内，因此选择长方体结构的容器，使用长方体结构的容器进行模拟具有较好的普遍性和实用性。

3、本发明所提供的弹簧为四个高度相同、刚度不同的弹簧，通过四个高度相同、刚度不同的弹簧能够更使振动模拟得更准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种单轴振动台模拟碰撞试验方法的流程图；

图2是本发明的试验系统的结构示意图；

图3是本发明的实施例1的弹簧的位置示意图；

图4是本发明的实施例1的位移激励与角加速度响应关系图；

其中：1-试验件容器，2-弹簧，3-夹具。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明所提供的单轴振动台模拟碰撞试验方法包括以下步骤：

S1、根据试验件的包装件尺寸、运输放置方式、试验件数量确定试验件容器1的大小，考虑到包装件(即试验件)在运输的过程中多放置在车厢、船舱及机舱内，因此选择长方体结构的试验件容器1进行试验。

S2、根据试验件和试验件容器1的质量选择四个高度相同、刚度不同的弹簧2，四个弹簧2的一端分别对称设置在试验件容器1的底部四角(如图3所示)，四个弹簧2的另一端分别设置在单轴振动台的夹具3上(如图2所示)。

S3、在试验件容器1的底部边缘和外侧安装多个线加速度计，用于测量试验件容器1的角加速度。例如安装9个线加速度计，9个线加速度计放置的位置如图2所示，试验件容器1的底端的一个底角设有3个与该底角的三条棱方向(分别为X轴方向、Y轴方向和Z轴方向)一致的线加速度计，沿着该底角的X轴方向上的的棱角的Y轴方向和Z轴方向上均设有一个线加速度计，沿着该底角的Y轴方向上的的棱角的X轴方向和Z轴方向上均设有一个线加速度计，沿着该底角的Z轴方向上的的棱角的X轴方向和Y轴方向上均设有一个线加速度计。

S4、采用有限元分析软件对试验件容器1、弹簧2和夹具3构成的试验系统进行构建试验系统模型和仿真分析，通过对试验系统模型仿真分析能够验证试验系统的可行性，即验证该试验系统是否具有摇摆振动的特征，如不符合要求，能够对弹簧2的刚度进行优化修正；通过仿真分析得到试验系统的前六阶振动模态，对于振动试验来说，研究对象多为前六阶振动模态，之后的模态不容易激发，而且在实际中影响较小，可以忽略，不具备太多研究价值，通过振动模态能够更直观的观察试验系统的试验情况。

S5、因包装件运输的碰撞为低频随机冲击，前六阶振动模态中的高阶振型模态对其影响能够忽略不计，不具有研究价值，且需要使试验系统产生摇摆运动使容器内物体产生碰撞，因此在从前六阶振动模态的仿真的结果中提取低频段、振型为椭球形的模态和该阶对应的固有频率ω_n，然后将固有频率ω_n、幅值d为激励，对弹簧2、试验件容器1和夹具3构成的试验系统做正弦定频振动仿真；

通过仿真得到，该试验系统的固有频率较小，因此试验件容器1的变形极小，这里假设试验件容器1为刚体，忽略其变形，则能够根据线加速度计计算试验系统中容器的角加速度，即为容器内产品的角加速度。

S6、将试验件放置在试验件容器1中，通过单轴振动台对试验件容器1施加S5正弦定频振动仿真使用的激励(即幅值d的激励)，引发试验件模拟碰撞，通过对单轴振动台给予激励，使模拟碰撞的过程中产生不均衡的位移，最终形成椭球形摆动，引发容器内试验件的碰撞，通过弹簧2能够使试验件不仅除了与试验件容器壁发生碰撞，还能够模拟弹跳碰撞，从而减少了包装件在模拟碰撞试验时对试验设备的要求，从而解决了单轴振动台模拟碰撞试验局限大的缺点。在模拟碰撞过程中通过9个线加速度计测量得到各个加速度，并通过各加速度计算得容器角加速度；计算容器角加速度公式如下：

式(1)、式(2)和式(3)中，为底角X轴方向的角加速度，为底角Y轴方向的角加速度，为底角Z轴方向的角加速度，a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8、a9为所安装的线加速度计的加速度测量值(图2)，ρ₁、ρ₂、ρ₃为三条边长度(图2)。

S7、对S5正弦定频振动仿真使用的激励和S6计算得到的容器角加速度数据处理，得到激励幅值(激励位移值)与角加速度响应的线性关系。

S8、通过S7的线性关系和实验要求的响应幅值，得到实验要求的激励。

实施例1

S1、本实施例采用的试验件容器1为长方体容器，试验件容器1的外尺寸的长宽高为300mm*300mm*150mm，长方体的壁厚为5mm，长方体由结构钢材料制成。

S2、四个弹簧2采用材料直径为5mm、节径为10mm、高度为75mm的弹簧，四个弹簧2的有效中径分别为45mm、50mm、55mm与60mm，弹簧2的中轴线距离试验件容器的邻边的距离均为50mm，如图3所示，四个弹簧2的一端分别对称的固定设置在长方体容器的底部四角，四个弹簧2的另一端分别设置在单轴振动台的夹具3上，如图2所示。

S3、在长方体容器的底部边缘和外侧安装9个线加速度计，用于测量长方体容器的角加速度；9个线加速度计放置的位置如图2所示，长方体容器的底端的一个底角设有3个与该底角的三条棱方向(分别为X轴方向、Y轴方向和Z轴方向)一致的线加速度计，沿着该底角的X轴方向上的的棱角的Y轴方向和Z轴方向上均设有一个线加速度计，沿着该底角的Y轴方向上的的棱角的X轴方向和Z轴方向上均设有一个线加速度计，沿着该底角的Z轴方向上的的棱角的X轴方向和Y轴方向上均设有一个线加速度计。

S4、本实施例的仿真采用CATIA建模，将CATIA仿真模型导入ANSYS中，通过ANSYS对试验系统进行分析，并使用MATLAB对数据进行处理。

S5、通过ANSYS计算其前六阶振动模态，在计算结果中，比较各阶模态振型，从计算结果中提取模态振型为椭球形振动的4阶模态，得到其频率值约为50Hz。通过对仿真的试验系统施加轴向为Z轴正向、幅值为0.002m的正弦位移激励，得到总位移云图，通过ANSYS能够直观的看到摇摆运动的方式，有助于试验的理解和试验的进行。

S6、将试验件放置在长方体容器中，通过单轴振动台对长方体容器施加Z轴正向、幅值为0.002m的正弦位移激励，引发试验件模拟碰撞，并通过9个线加速度计测量得到各个加速度，并通过各加速度计算得容器角加速度，如表1所示。

表1：50Hz、0.002m激励下的线加速度与角加速度值

S7、将表1中角加速度值导入MATLAB进行处理，对数据进行拟合，得到角加速度响应与激励位移值呈线性关系，如图4所示。

S8、通过ANSYS仿真分析得到响应与激励的线性方程，根据所需要实验的响应量值代入线性方程，能够得到相对应的激励。

S9、采用步骤S8得到的实验要求的激励进行单轴振动台模拟碰撞试验。通过前期大量的仿真计算，能够得到符合试验要求的数据，从而选择合适的装置进行试验，有效的降低了对试验设备的要求，同时能够提高试验的成功率，减少不必要的财力、物力消耗。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种单轴振动台模拟碰撞试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、选择试验件容器；

S2、在所述试验件容器的底部与单轴振动台的夹具之间设置高度相同、不同刚度的弹簧；

S3、在所述试验件容器的底部边缘和外侧安装多个加速度传感器；

S4、对所述试验件容器、弹簧和单轴振动台的夹具构成的试验系统进行构建试验系统模型和仿真分析，并对所述弹簧进行优化修正，通过仿真分析得到所述试验系统的振动模态；

S5、从所述振动模态仿真的结果中提取该阶低频段、振型为椭球形的模态和该阶对应的固有频率ω_n，然后以所述固有频率ω_n、幅值d的激励为激励，对所述试验系统做仿真正弦定频试验；

S6、将试验件放置在所述试验件容器中，通过所述单轴振动台对试验件容器施加所述激励，引发所述试验件模拟碰撞，多个所述加速度传感器测得各处的线加速度，根据线加速度得到测量位置的角加速度；

S7、对所述激励和角加速度处理得到激励幅值与角加速度响应的线性关系；

S8、通过所述线性关系和实验要求的响应幅值，得到实验要求的激励。

2.根据权利要求1所述的单轴振动台模拟碰撞试验方法，其特征在于：所述试验件容器为长方体结构。

3.根据权利要求2所述的单轴振动台模拟碰撞试验方法，其特征在于：所述试验件容器的底部四角分别设有一个所述弹簧。

4.根据权利要求2所述的单轴振动台模拟碰撞试验方法，其特征在于：多个所述弹簧为高度相同、刚度不同的弹簧。

5.根据权利要求2所述的单轴振动台模拟碰撞试验方法，其特征在于：所述加速度传感器采用线加速度计。

6.根据权利要求5所述的单轴振动台模拟碰撞试验方法，其特征在于：所述加速度传感器的个数为9个，其中，所述试验件容器的底端的一个底角设有3个与所述底角的三条棱方向一致的所述加速度传感器，沿着所述底角的三条棱方向上的三个棱角上分别设有2个与所述沿着的方向垂直的所述加速度传感器。

7.根据权利要求1所述的单轴振动台模拟碰撞试验方法，其特征在于：所述S5采用有限元分析软件进行建模和仿真分析。

8.根据权利要求1所述的单轴振动台模拟碰撞试验方法，其特征在于：所述振动模态为前六阶振动模态。