CN110296806B - 一种适用于舰载电子设备的强冲击试验调节装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于舰载电子设备的强冲击试验调节装置及方法，包括调节模块、连接板；所述的调节模块包括钢丝绳减振器、橡胶板、钢板；在钢丝绳减振器长度方向安装有钢板，钢板上下均布置了橡胶板，钢板通过橡胶板与钢丝绳减振器相连，钢板和橡胶板填满钢丝绳减振器垂直方向；水平试验中，受试设备通过第一块连接板与调节模块相连，试验台通过第二块连接板与调节模块相连，且调节模块设置在第一块连接板和第二块连接板之间。解决了舰载电子设备强冲击试验中过试验或欠试验问题，并为系统中分系统设备抗强冲击指标分解和校核试验提供一种新的思路和技术途径，方便舰载电子设备，尤其复杂大型舰载电子设备开展抗强冲击结构设计和研究。

Description

一种适用于舰载电子设备的强冲击试验调节装置及方法

技术领域

本发明涉及一种冲击调节装置,特别适用于舰载电子设备安装于该调节装置上进行强冲击校核试验。

背景技术

舰船和舰载电子设备的抗冲击能力是决定舰船战时生命力强弱的重要因素，直接影响着舰艇战斗力的发挥，是一项影响全舰(艇)综合性能发挥的总体能力。为此西方海军强国通过长时间摸索，制订舰船设备抗冲击标准及舰船设备抗冲击设计和考核的技术体系，规范舰船设备的设计、制造和验收等全过程。我国关于舰船抗冲击的研究工作起步较晚，现有的船用设备的抗冲击设计和考核要求主要借用美国等国家的标准。

我国舰载电子设备抗强冲击设计要求主要来源于平台总体下发设计指标和GJB1060.1，对于不同安装部位和船型的舰载电子设备抗冲击设计指标是不同的，然而，目前我国舰载电子设备抗强冲击能力考核方法为摆锤试验(如图9所示)，相关标准为GJB150.18，主要借鉴上世纪60年代美国发布的冲击试验标准MIL-S-901C，

该试验标准要求所有设备试验考核时，受试设备放置于砧台上面，主要通过调节摆锤高度控制试验输入。该试验方法不考虑受试设备本身结构特点及受试设备在船上的安装形式和船型差异，试验量级只与受试设备重量相关。这就造成舰载电子设备抗强冲击设计指标和试验考核指标不相符，与此同时，类似雷达等舰载电子设备是复杂的多自由度系统，其在船上的安装部位、船型等参数对其抗冲击性能指标影响巨大，且其在设计之初，船总体会下达相关抗强冲击设计指标(包含幅值和频率信息)，但该指标往往与摆锤冲击台所对应试验的输入相差甚远，往往造成过试验或欠试验问题，因此，需研制设备的冲击考核的调节装置用来将摆锤台冲击输入转换为包含设备安装位置信息的设计输入。需要在摆锤冲击台的砧台与受试设备之间安装该发明装置，将摆锤试验台的砧台冲击量值转换为设计指标给定的冲击量值(包含幅值和频率信息)。

另一方面，对于雷达等大型复杂舰载电子设备，在进行结构设计时，若系统内所有的模块均采用同样的抗冲击设计条件，会出现模块冲击设计条件与真实工作状态的冲击条件差别较大的现象，往往造成过度设计或指标不足的情况。因此，在雷达系统结构设计时需要对冲击指标进行分解，得到包含每个模块安装信息的冲击指标作为其设计指标，因此，也需研制模块设备冲击考核的调节装置用来将摆锤台冲击量值转换为分解后的模块设计冲击量值，对模块设备抗冲击能力进行考核。

鉴于以上两点，进行合理的创新，设计研发适用于舰载电子设备的强冲击实验调节装置是十分必要的，实现舰载电子设备抗冲击指标的校核，并具备使用方便，适用范围广，调节精度高等特点，能广泛应用于各类舰载电子设备，尤其是大型复杂电子设备的强冲击校核试验。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种适用于舰载电子设备的强冲击试验调节装置及方法，通过该装置可将摆锤冲击试验台输出调节为给定频率和幅值的冲击输出，解决了设备抗冲击设计输入指标和冲击考核试验量值不一致而导致的设备过试验或欠试验问题，及大型复杂舰载电子系统内模块抗冲击指标分解和抗冲击能力的校核难题，并提供一种新的校核试验方法。该装置安装于摆锤试验台与受试设备之间，根据受试设备重量和冲击输出要求，通过理论计算得到相关动力学参数，通过改变调节模块的布置形式和调节模块结构来实现调节装置动力学性能。该装置装配灵活，适用面广，调节精度高

为了解决以上问题，本发明采用了如下技术方案：即提供了一种适用于舰载电子设备的强冲击试验调节装置，包括调节模块、连接板；所述的调节模块包括钢丝绳减振器、橡胶板、钢板；在钢丝绳减振器长度方向安装有钢板，钢板上下均布置了橡胶板，钢板通过橡胶板与钢丝绳减振器相连，钢板和橡胶板填满钢丝绳减振器垂直方向；水平试验中，受试设备通过第一块连接板与调节模块相连，试验台通过第二块连接板与调节模块相连，且调节模块设置在第一块连接板和第二块连接板之间。

倾斜30°试验中，为保证调节装置的稳定性和性能，在连接板与调节模块之间设有过渡支架，保证调节模块1垂向受力。所述的过渡支架包括上安装板、下安装板、竖板、紧固件Ⅰ、紧固件Ⅱ；竖板设置在上安装板与下安装板之间；上安装板通过紧固件Ⅰ与连接板相连，下安装板通过紧固件Ⅱ与调节模块相连。

所述的过渡支架包括上安装板、下安装板、竖板、紧固件Ⅰ、紧固件Ⅱ；竖板设置在上安装板与下安装板之间；上安装板通过紧固件Ⅰ与连接板相连，下安装板通过紧固件Ⅱ与调节模块相连。

所述的连接板上设有系列孔、安装孔、紧固件Ⅲ；连接板通过系列孔与调节模块或过渡支架相连，通过安装孔与试验台和受试设备相连。

还提供了一种适用于舰载电子设备的强冲击试验调节装置的方法，包括以下步骤：

步骤1：根据受试设备的抗冲击设计要求，明确受试设备的强冲击考核指标，即"所述调节装置"的输出指标；

步骤2；通过理论计算，得到"所述调节装置"的刚度参数k和阻尼参数f,具体过程如下:

已知摆锤冲击台的砧台冲击量值和需要调节到的冲击量值，即已知输入和输出，经过计算，求解到"所述调节装置"的需要的刚度和阻尼参数，继而开展"所述调节装置"的设计；具体如下：

假设摆锤冲击试验台的冲击激励形式为半周期正弦加速度脉冲函数；

脉冲函数如下表示：

式中，U，τ分别为脉冲加速度的峰值和脉宽；

则"所述调节装置"的动力学方程可写为：

式中，m表示负载(受试设备)质量，z表示相对位移,即"所述调节装置"与受试设备连接板相对于"所述调节装置"与试验台连接板的相对位移，f表示阻尼力，有

a₀、a₁为瑞利阻尼系数，

即摆锤冲击试验台的冲击激励

由杜哈美积分得到：

式中，

由初始条件求得：

得到脉冲阶段(0＜t＜τ)响应解析解为：

当冲击载荷阶段结束，进入残余振动阶段，相对位移一直在增大，

其微分方程形式为：

该方程的初始条件是冲击作用结束时的状态值。

由杜哈美积分得到残余振动阶(τ＜t)段响应解析为：

由初始条件求得：

由于

T为系统(系统：可以把所述调节装置看作一个带阻尼的弹簧，把安装在它上面的受试设备看作质量点，它们组成一个弹簧、阻尼、质量的一自由度系统)固有周期，因此响应的最大峰值发生在残余振动期间；令

得到

系统的输入参数U，τ，系统的输出t_m，z_m已知，便可以求得系统的刚度k和瑞利阻尼系数a₀、a₁。

步骤3：根据上装受试设备的安装接口面积，确定调节模块的数量：

设受试设备的安装接口面积为a,调节模块钢丝绳减振器安装面的面积为b,，则调节模块的数量c取不大于a/b的整数；

步骤4：再根据安装孔的限制，进一步确定调节模块的数量d；

步骤5：根据重心位置调节调节模块的布局：布局设计时应充分考虑布局方案的稳定性，并尽量保证"所述调节装置"的刚度中心与上装受试设备的重心重合；通过调节模块的布局设计，最终确定调节模块数量n；

步骤6：所述的调节模块均为并联关系，根据步骤2所得的刚度参数K、阻尼参数f，及步骤5得到的调节模块数量n，确定单个调节模块的刚度参数和阻尼参数分别为：K/n、f/n；

步骤7：根据单个调节模块的刚度参数指标要求选择使用的钢丝绳减震器种类，钢丝绳减震器的刚度值选取为调节模块刚度指标要求的三分之一；接着通过调节橡胶板的材料和厚度来满足调节模块的刚度和阻尼参数指标要求：

单个调节模块包含2个橡胶板和1个钢板，设金属板的刚度无穷大，阻尼为0，在调节模块中只用来连接2块橡胶板起支撑作用；橡胶板材料确定后，单个橡胶板沿板面法线方向刚度确定；接着根据阻尼参数指标，确定橡胶板的厚度；最终根据钢丝绳减震器垂直方向距离与橡胶板的厚度和的差值、橡胶板的数量，确定钢板的厚度；

由于橡胶板材料不同，其刚度和阻尼力学性能差异较大，因此每次橡胶板材料选定，调节模块设计完成后需制作样件，对调节模块的刚度、阻尼参数进行校核，校核合格后再进行组装得到"所述调节装置"；

步骤8：当受试设备相对于地面平行时，所述的调节模块通过连接板安装在受试设备与试验台之间，试验台与受试设备平行设置；

当受试设备相对于地面倾斜时，在调节模块与连接板之间增设有过渡支架，试验台与受试设备平行设置，同时保证调节模块支撑面法向为主受力方向。

所述的橡胶板厚度尺寸取10～20mm。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：本发明装置及方法根据舰载电子设备强冲击试验的具体需求设计，解决了舰载电子设备强冲击试验中过试验或欠试验问题，并为系统中分系统设备抗强冲击指标分解和校核试验提供一种新的思路和技术途径，方便舰载电子设备，尤其复杂大型舰载电子设备开展抗强冲击结构设计和研究，提高设备强冲击校核试验的一次通过率，节约设计、试验成本，同时，该装置改装灵活、适用面广、调节精度高、可靠性好。该装置为舰载电子设备强冲击试验提供了一种冲击调节装置，根据其特点，也可广泛适用于各类舰载设备的强冲击试验和振动试验。

附图说明

图1是本发明装置(水平试验)应用示意图。

图2是本发明装置(倾斜30°试验)应用示意图。

图3是摆锤冲击台输出与本发明装置要求输出图。

图4-1是调节模块布局示意图Ⅰ。

图4-2是调节模块布局示意图Ⅱ。

图5是调节模块的结构示意图。

图6-1是过渡支架的结构示意图。

图6-2是图6-1的侧视图。

图7-1是连接板的结构示意图。

图7-2是图7-1的俯视图。

图8-1是本饭装置设计要求输出与实测输出对比(频域对比)图。

图8-2是本饭装置设计要求输出与实测输出对比(时域对比)图。

图9为现有技术中摆锤试验图。

其中，1-调节模块，2-过渡支架，3-连接，4-受试设备，5-试验台；

10-钢丝绳减振器，11-橡胶板，12-钢板；

21—上安装板，22—下安装板，23—竖板，24—紧固件Ⅰ，25—紧固件Ⅱ；

31—系列孔，32—安装孔，33—紧固件Ⅲ；

41—提摆状态，42—砧台，43—撞击位置。

具体实施方式

下面对本发明做进一步阐述。

如图1至7-2所示，本发明提供了一种适用于舰载电子设备的强冲击试验调节装置，包括调节模块1、过渡支架2、连接板3。所述的调节模块1包括钢丝绳减振器10、橡胶板11、钢板12。在钢丝绳减振器10长度方向安装有钢板12，钢板12上下均布置了橡胶板11，钢板12通过橡胶板11与钢丝绳减振器相连，钢板12和橡胶板11填满钢丝绳减振器10垂直方向。受试设备通过连接板3与过渡支架2相连，试验台通过另一块连接板3与另一个过渡支架2相连；在过渡支架2之间连接有调节模块1。

所述的过渡支架2包括上安装板21、下安装板22、竖板23、紧固件24、紧固件25；竖板23设置在上安装板21与下安装板22之间；上安装板21通过紧固件24与连接板3相连，下安装板22通过紧固件25与调节模块1相连。过渡支架2主要作用是保证倾斜30°试验中调节模块1垂向受力。

所述的连接板3上设有系列孔31、安装孔32、紧固件33；连接板3通过系列孔31与调节模块1或过渡支架2相连，通过安装孔32与试验台和受试设备(或夹具)相连。

一种适用于舰载电子设备的强冲击试验调节方法，包括以下步骤：

步骤1：根据受试设备的抗冲击设计要求，明确受试设备的强冲击考核指标，即本发明装置的输出指标；

步骤2；通过理论计算，得到本发明装置的刚度参数k和阻尼参数f,具体过程如下:

已知摆锤冲击台的砧台冲击量值(该量级是标准确定的)和需要调节到的冲击量值(设计指标给定的冲击量值)，即已知输入和输出，经过理论计算，求解到本发明装置的需要的刚度和阻尼参数，继而开展本发明装置的设计。相关理论如下：

假设摆锤冲击试验台的冲击激励形式为半周期正弦加速度脉冲函数。

脉冲函数如下表示：

式中，U，τ分别为脉冲加速度的峰值和脉宽。

则本发明装置的动力学方程可写为：

式中，m表示负载(受试设备)质量，z表示相对位移(本发明装置与受试设备连接板相对于本发明装置与试验台连接板的相对位移)，f表示阻尼力，有

a₀、a₁为瑞利阻尼系数，

即摆锤冲击试验台的冲击激励

由杜哈美积分得到：

式中，

由初始条件求得：

得到脉冲阶段(0＜t＜τ)响应解析解为：

当冲击载荷阶段结束，进入残余振动阶段，相对位移一直在增大，

其微分方程形式为：

该方程的初始条件是冲击作用结束时的状态值。

由杜哈美积分得到残余振动阶(τ＜t)段响应解析为：

由初始条件求得：

由于

T为系统(系统：可以把所述调节装置看作一个带阻尼的弹簧，把安装在它上面的受试设备看作质量点，它们组成一个弹簧、阻尼、质量的一自由度系统。)固有周期，因此响应的最大峰值发生在残余振动期间。令

得到

系统的输入参数U，τ，系统的输出t_m，z_m已知，便可以求得系统的刚度k和瑞利阻尼系数a₀、a₁。

步骤3：根据上装受试设备的安装接口面积，确定调节模块的数量：

设受试设备的安装接口面积为a,调节模块钢丝绳减振器10安装面的面积为b，则调节模块的数量c取不大于a/b的整数；

步骤4：再根据安装孔的限制，进一步确定调节模块的数量d；

步骤5：根据重心位置调节调节模块的布局：布局设计时应充分考虑布局方案的稳定性，并尽量保证本发明装置的刚度中心与上装受试设备的重心重合；通过调节模块的布局设计，最终确定调节模块数量n；

步骤6：所述的调节模块均为并联关系，根据步骤2所得的刚度参数K、阻尼参数f，及步骤5得到的调节模块数量n，确定单个调节模块的刚度参数和阻尼参数分别为：K/n、f/n；例如实例中根据步骤2通过理论计算得到本发明装置总刚度k＝88000N/mm,瑞利阻尼系数a₀＝75.36、a₁＝0；根据步骤5得到的调节模块数量n＝8，则单个调节模块的刚度k_调节模块＝11000N/mm,瑞利阻尼系数a_{0调节模块}＝9.42、a_{1调节模块}＝0；

步骤7：根据单个调节模块的刚度参数指标要求选择使用的钢丝绳减震器种类，钢丝绳减震器的刚度值宜选取为调节模块刚度指标要求的三分之一左右，例如实例中单个调节模块的刚度k_调节模块＝11000N/mm,则选取刚度值k_{钢丝绳减震器}＝3500N/mm的钢丝绳减震器，钢丝绳减震器的瑞利阻尼系数a_{0钢丝绳减震器}＝3.6也既确定。接着通过调节橡胶板11的材料(配方)和厚度(因为钢丝绳减震器10的选型已选定，则橡胶板11和钢板12的截面方向已确定)来满足调节模块的刚度和阻尼参数指标要求：

单个调节模块包含2个橡胶板和1个钢板，近似认为金属板的刚度无穷大，阻尼为0，在调节模块中只用来连接2块橡胶板起支撑作用。橡胶板材料(配方)确定后，单个橡胶板沿板面法线方向(垂向)刚度确定。接着根据阻尼参数指标，确定橡胶板的厚度，橡胶板不宜太薄，厚度尺寸取10～20mm为宜，最终根据钢丝绳减震器10垂直方向距离与橡胶板的厚度和的差值、橡胶板的数量，确定钢板的厚度。例如实例中改变橡胶材料保证橡胶板的刚度k_橡胶板＝7500N/mm，取橡胶板厚度为20mm保证a_0橡胶板＝5.82，钢丝绳减震器10垂直方向距离70，则钢板厚30mm。最终保证单个调节模块的刚度k_调节模块＝11000N/mm,瑞利阻尼系数a_{0调节模块}＝9.42的指标要求。

由于橡胶板材料不同，其刚度和阻尼力学性能差异较大，因此每次橡胶板材料选定，调节模块设计完成后需制作样件，对调节模块的刚度、阻尼参数进行校核，校核合格后按照技术方案进行组装得到本发明装置。

步骤8：当受试设备相对于地面平行时，所述的调节模块通过连接板安装在受试设备与试验台之间，试验台与受试设备平行设置；

当受试设备相对于地面倾斜时，在调节模块1与连接板3之间增设有过渡支架2，试验台与受试设备平行设置，同时保证调节模块支撑面法向为主受力方向。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种适用于舰载电子设备的强冲击试验调节装置，其特征在于，包括调节模块(1)、连接板(3)；

所述的调节模块(1)包括钢丝绳减振器(10)、橡胶板(11)、钢板(12)；

通过调节橡胶板的材料和厚度来满足调节模块的刚度和阻尼参数指标要求；

在钢丝绳减振器(10)长度方向安装有钢板(12)，钢板(12)上下均布置了橡胶板(11)，钢板(12)通过橡胶板(11)与钢丝绳减振器相连，钢板(12)和橡胶板(11)填满钢丝绳减振器(10)垂直方向；

受试设备通过第一块连接板(3)与调节模块(1)相连，试验台通过第二块连接板(3)与调节模块(1)相连，且调节模块(1)设置在第一块连接板(3)和第二块连接板(3)之间。

2.根据权利要求1所述的一种适用于舰载电子设备的强冲击试验调节装置，其特征在于，还包括过渡支架(2)、所述的过渡支架(2)包括上安装板(21)、下安装板(22)、竖板(23)、紧固件Ⅰ(24)、紧固件Ⅱ(25)；竖板(23)设置在上安装板(21)与下安装板(22)之间；上安装板(21)通过紧固件Ⅰ(24)与连接板(3)相连，下安装板(22)通过紧固件Ⅱ(25)与调节模块(1)相连。

3.根据权利要求1所述的一种适用于舰载电子设备的强冲击试验调节装置，其特征在于，所述的连接板(3)上设有系列孔(31)、安装孔(32)、紧固件Ⅲ(33)；连接板(3)通过系列孔(31)与调节模块(1)或过渡支架(2)相连，通过安装孔(32)与试验台和受试设备相连。

4.根据权利要求1所述调节装置的一种适用于舰载电子设备的强冲击试验调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据受试设备的抗冲击设计要求，明确受试设备的强冲击考核指标，即"所述调节装置"的输出指标；

步骤2；通过理论计算，得到"所述调节装置"的刚度参数k和阻尼参数f，具体过程如下:

已知摆锤冲击台的砧台冲击量值和需要调节到的冲击量值，即已知输入和输出，经过计算，求解到"所述调节装置"的需要的刚度和阻尼参数，继而开展"所述调节装置"的设计；具体如下：

假设摆锤冲击试验台的冲击激励形式为半周期正弦加速度脉冲函数；

脉冲函数如下表示：

式中，U，τ分别为脉冲加速度的峰值和脉宽；

则″所述调节装置″的动力学方程写为：

式中，m表示负载质量，z表示相对位移，即″所述调节装置″与受试设备连接板相对于″所述调节装置″与试验台连接板的相对位移，f表示阻尼力，有

a₀、a₁为瑞利阻尼系数，

即摆锤冲击试验台的冲击激励

由杜哈美积分得到：

式中，

由初始条件求得：

得到脉冲阶段0＜t＜τ响应解析解为：

当冲击载荷阶段结束，进入残余振动阶段，相对位移一直在增大，

其微分方程形式为：

该方程的初始条件是冲击作用结束时的状态值；

由杜哈美积分得到残余振动阶段τ＜t响应解析为：

由初始条件求得：

由于

T为系统固有周期，因此响应的最大峰值发生在残余振动期间；令

得到

系统的输入参数U，τ，系统的输出t_m，z_m已知，便可以求得系统的刚度k和瑞利阻尼系数a₀、a₁；

所述系统：把所述调节装置看作一个带阻尼的弹簧，把安装在它上面的受试设备看作质量点，它们组成一个弹簧、阻尼、质量的一自由度系统；

步骤3：根据上装受试设备的安装接口面积，确定调节模块的数量：

设受试设备的安装接口面积为a，调节模块钢丝绳减振器(10)安装面的面积为b，则调节模块的数量c取不大于a/b的整数；

步骤4：再根据安装孔的限制，进一步确定调节模块的数量d；

步骤5：根据重心位置调节调节模块的布局：布局设计时应充分考虑布局方案的稳定性，并尽量保证″所述调节装置″的刚度中心与上装受试设备的重心重合；通过调节模块的布局设计，最终确定调节模块数量n；

步骤6：所述的调节模块均为并联关系，根据步骤2所得的刚度参数K、阻尼参数f，及步骤5得到的调节模块数量n，确定单个调节模块的刚度参数和阻尼参数分别为：K/n、f/n；

步骤7：根据单个调节模块的刚度参数指标要求选择使用的钢丝绳减震器种类，钢丝绳减震器的刚度值选取为调节模块刚度指标要求的三分之一；接着通过调节橡胶板(11)的材料和厚度来满足调节模块的刚度和阻尼参数指标要求：

单个调节模块包含2个橡胶板和1个钢板，设金属板的刚度无穷大，阻尼为0，在调节模块中只用来连接2块橡胶板起支撑作用；橡胶板材料确定后，单个橡胶板沿板面法线方向刚度确定；接着根据阻尼参数指标，确定橡胶板的厚度；最终根据钢丝绳减振器(10)垂直方向距离与橡胶板的厚度和的差值、橡胶板的数量，确定钢板的厚度；

由于橡胶板材料不同，其刚度和阻尼力学性能差异较大，因此每次橡胶板材料选定，调节模块设计完成后需制作样件，对调节模块的刚度、阻尼参数进行校核，校核合格后再进行组装得到"所述调节装置"；

步骤8：当受试设备相对于地面平行时，所述的调节模块通过连接板安装在受试设备与试验台之间，试验台与受试设备平行设置；

当受试设备相对于地面倾斜时，在调节模块(1)与连接板(3)之间增设有过渡支架(2)，试验台与受试设备平行设置，同时保证调节模块支撑面法向为主受力方向。

5.根据权利要求4所述的一种适用于舰载电子设备的强冲击试验调节方法，其特征在于，所述的橡胶板厚度尺寸取10～20mm。

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