基于冲击振动信号的响应谱分析研究

　　近年来由于工业化程度的提高,技术手段不断更新,各种产品系统结构日益复杂且更加精密,一个完整的独立系统,往往由数千个零部件以及数万电子元器件所组成,如果系统在运行中,由于外部环境变化而造成损坏或电子元器件连接处脱落,轻则导致系统部分功能的丧失,重则造成整个系统功能的瘫痪,将造成不可预期的严重后果。

　　产品出厂前,一般都必须经过振动测试或者高低温试验,特别是用于机载(舰载)仪器设备、军用器材、运输工具等可能遭受冲击负荷的产品,必须取得相应的合格证书才能用于实际工程。因此,有关冲击试验研究对于国防事业、国家经济的发展将具有非常重要和积极的现实意义^[1-2]。

　　1　基本原理

　　冲击试验技术经过百年的发展基本可以分为两类实验:其中一种是采用经典波形控制试验,此方法主要是利用跌落式冲击机,产生简单的冲击脉冲如半正弦波、矩形波、梯形波及后峰锯齿波等[3-4],见图1。这种模拟方法相对简单而且可重复性好,局限性是不能准确的模拟实际工程环境;另一种是冲击响应谱试验,见图2,冲击响应谱是一系列固有频率不同的单自

　　由度线性系统受到同一冲击激励响应的总结果,产品受冲击作用,其冲击响应的最大值意味着产品出现最大应力。因此冲击响应谱试验机,能更好地模拟真实环境中所遭受的冲击波及冲击能量。同时此类仪器包括冲击谐振仪器和冲击分析软件两部分,这样就致使仪器成本的提升。

　　冲击响应谱(简称冲击谱)描述了频率和响应峰值的关系曲线,根据响应情况可分为位移响应、速度响应和加速度响应,一般常用的是最大绝对加速度谱和最大相对位移谱,前者多用于规范冲击环境,后者多用于考核冲击强度及设计减震装置。而速度谱则多于舰船冲击,因为对舰船来说冲击速度与损伤效果的相关性最好[5]。按照响应峰值取法可将冲击谱分为以下3类,同时这也是绘制冲击谱的理论依据[6]。

　　1)初始响应谱,简称“主谱”。它是取冲击作用时间内的响应峰值求得的冲击响应谱。初始响应谱有正负之分,正向指与激励同方向的响应峰值,负向则正好相反。

　　2)剩余响应谱,简称“余谱”。它是取冲击激励结束后的响应峰值求得的冲击响应谱。剩余响应谱亦有正负之分,正负向的定义与前面的相同。

　　3)最大响应谱,即主谱及余谱的包络谱。它是正负初始响应谱和正负剩余响应谱的一个基本曲线,正负残余响应谱的最大响应值基本上一致,而正初始响应谱的最大响应值则较负初始响应谱大得多,因此一般以最大响应谱线作为试验规范谱线。通过谐振仪器获得的冲击数据,必须经过相关的数学运算才能获得主谱、余谱以及最大响应谱,测试人员只有通过谱线才能对于产品或产品壳体做出可靠性评价。通过文献检索可知,对于谱线的计算和绘制代码实现有MATLAB和TurboPascal程序:文献[5]中使用MATLAB分析数据,但是MAT-LAB软件安装文件相对庞大,计算机必须安装MATLAB软件后才能使用其提供的程序;文献[7]中使用Turbo Pascal 5.5分析数据,但是Borland公司于1992年发布Turbo Pascal 7.0版本后再未作此软件更新,导致通用性较差。因此针对上述情况使用通用性较好的C语言实现冲击谱分析过程。