杨强 白春玉 刘小川 常选仓 刘冲冲

摘要：针对航空武器装备特种冲击波形加载需求，基于小孔节流阻尼原理设计了一款具有30×45个可调节小孔的冲击波形发生器，建立了该波形发生器动力学方程，采用四阶龙格库塔法对加载波形进行了仿真，并进行试验验证。结果表明，该波形发生器性能达到了模拟12g/200ms标准半正弦波指标要求，并在某舰载外挂物弹射拦阻冲击试验和直升机座椅垂向冲击试验中进行了应用，为航空武器装备的特种冲击试验提供了一种验证装置和试验方法。

关键词：冲击波形发生器；冲击试验；小孔阻尼；试验方法；波形容差

中图分类号：V216.5+5文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.12.006

航空装备在服役过程中难免遭受冲击载荷环境，如飞机的起降、外物冲击、武器发射、舰载机弹射起飞与拦阻着舰等，这些冲击载荷不但会影响机载设备正常运行，如电子设备在瞬态冲击载荷作用下易导致焊点松动脱落，致使设备出现失灵故障，而且可能导致飞机结构损伤甚至破坏，影响飞机结构安全性。因此必须对易遭受冲击环境的机载产品和典型结构进行冲击试验考核，以保证其装机使用的安全。

飞机设计标准/规范中已明确提出了系列的冲击试验的要求，如GJB 150.18规定了机载产品和结构承受功能性冲击、坠撞安全冲击和弹射拦阻冲击的要求；GJB 3838规定了直升机座椅抗坠毁冲击的要求；CCAR-25对航空座椅提出了抗坠撞冲击的要求。随着冲击试验技术的发展，大部分冲击试验可以在标准电磁振动台或液压冲击试验台上完成，但对于一些特殊的高量值、大脉宽、长行程冲击波形，如舰载机弹射拦阻、机载外挂物冲击、武器发射和爆炸冲击等，现有标准试验台无法满足，只能研制专用的特种冲击波形发生器。特种冲击波形发生器主要采用小孔油液阻尼类[1-9]或黏弹性橡胶阻尼类。

对于油液阻尼波形发生器，季馨[1]首先根据小孔阻尼原理，建立了小孔阻尼波形发生器半正弦波形的特征方程，但没给出波形发生器阻尼小孔数量与冲击加载位移的对应关系。徐刚[2]基于等压式缓冲原理研制了一套满足大中型构件的大脉宽冲击试验的波形发生器，但其波形调节比较困难。胡勇[3]提出一种适用于冲击碰撞试验的锥形间隙小孔组合节流液压脉冲发生器。王贡献[4-5]基于液压耗能和节流阻尼原理，提出了一种垂向被动式液压波形发生器，实现加速度峰值和脉宽分别在10～70g和10～30ms的范围内波形模拟。焦素娟[6]提出一种环形缝隙和阻尼孔并联结构的液压波形发生器。Thomas M. Hessburg[7]采用非线性动力学模型对一种大能量液压冲击波形器性能进行预测，但此波形器结构复杂而且成本高。丁凡[8]建立了短笛型緩冲装置的数学模型，分析了短笛缓冲柱塞结构参数对缓冲速度及缓冲腔压力的影响，但未对缓冲产生的加速度波形进一步研究。李强[9]提出了模拟汽车碰撞的吸能装置，但加载波形依赖节制杆形状，波形调节不方便，成本高。

对于橡胶波形发生器，黄德东[10]和Jingjing Wen[11]建立了橡胶半正弦波形发生器非线性动力学模型，给出了该波形发生器的测量和计算方法。但该模型仅对较小脉宽的波形发生器模拟精度较高。吕剑等[12]建立橡胶波形发生器生成半正弦冲击波的理论计算模型，有效模拟和预测冲击试验机台面的近似半正弦冲击波形。吴斌[13]基于橡胶波形发生器设计了一种全气压驱动的垂直冲击试验台，但该波形发生器受橡胶硬度和外形影响较大，对不同质量被试物体及波形需要设计不同的橡胶缓冲垫。而不适于大变形冲击波形模拟。于治会[14]研究发现，橡胶非线性对产生波形有较大影响，易形成上尖下宽加速度波形，冲击力越大，上尖下宽现象越严重。杨玉良[15]、高挺[16]和乔梁[17]等研制了一种用于模拟火炮射击后坐冲击载荷橡胶冲击波形发生器。橡胶类波形发生器因其作用原理很难实现较大行程和脉宽的波形。

此外，还有以金属圆管扩张变形原理来模拟冲击波形，实现梯形波形加载[18]；有以板类结构的冲击响应模拟爆炸冲击波形加载[19]。但这些方法波形模拟难度大，成本高，可重复差。针对舰载机弹射拦阻、机载外挂物和直升机抗坠毁座椅的大脉宽、长行程的特种冲击波形，以小孔节流阻尼原理，设计一套小孔可调的冲击波形发生器，通过试验验证其设计性能，并应用于某舰载外挂物和直升机座椅的垂向冲击。

1冲击波形发生器设计

1.1小孔油液阻尼原理

由此可知，活塞受到阻尼力F与小孔面积的平方成反比，与小孔个数的平方成反比，与小孔流量系数的平方成反比，与活塞下移速度平方成正比，与活塞缸横截面面积的三次方成正比。

1.2冲击波形发生器设计

设计目标：满足航空装备大脉宽长行程冲击试验。设计指标：加载波形形式可调（三角波、半正弦等）、波形量值可调（最大脉冲宽度不小于200ms、幅值不小于12g等）。应用对象：航空机载外挂物、舰载机机载设备、民用运输类飞机座椅、直升机抗坠毁座椅等。设计参数：冲击波形发生器采用小孔油液阻尼形式，液压油缸内径D0=360mm，小孔直径d0=16mm，沿油缸周向均匀布置30个小孔，沿径向间隔35mm设置一排小孔，共设置45排，可调节油孔数量为1350个。油液选用昆仑L-HM46号抗磨液压油，密度ρ为0.853g/cm3。

油液阻尼波形发生器由内缸、外缸、活塞杆、小孔等组成，如图1所示。其运行原理是在波形发生器内注入一定高度的油液，根据所需加载波形计算调整内缸上小孔开孔数量及分布，活塞以一定速度压入内缸中，油液流经小孔产生阻尼力对活塞施加反向作用力，从而实现加速度波形加载。该波形发生器是一个减加速度加载装置。

假设负载总质量为M，在重力作用下，以速度u挤压油液，可将波形发生器简化为质量-弹簧-阻尼系统，如图2所示，因此，整个系统的动力学方程表示为：

对于标准半正弦波A=12g，D=200ms，根据参考文献[1]中公式计算可得冲击最大速度为14.97m/s，最大行程为1.479m。根据公式（2）计算可知，小孔面积和小孔个数随着活塞行程增大而逐渐减少，如图3所示。由图3可知，小孔个数随活塞行程在初始时刻变化最快，然后逐渐变化缓慢，最后变化速度又加快，这与加载波形的斜率有关。由此可以得到波形发生器每排小孔的初步调节方案，用aa矢量表示，aa=[30 30 30 25 25 25 20 17 14 12 11 10 9 8 8 7 7 6 6 6 6 5 5 5 5 5 5 5 4 5 5 5 5 5 5 6 6 7 7 9 10 3 0 1]，其中aa（i）表示波形发生器第i排有效小孔的数量。得到加速度波形仿真结果如图4所示，从图4可知，大部分加速度波形在容差范围内，只有下降沿小部分超出下容差。

2垂向冲击试验方法及应用

2.1垂向冲击试验方法

垂向冲击试验主要基于本文设计的波形发生器，在垂直落塔上，将被试产品无偏心地安装到落塔吊篮中，吊篮上部与落塔提升投放系统连接，吊篮下部与波形发生器活塞杆固接，吊篮由落塔提升系统提升至指定高度投放，在重力作用下自由落体，获得初始速度，活塞杆进入波形发生器内挤压油液，从而产生反向阻尼力，将加速度载荷间接施加到被试产品上，完成一次冲击试验加载。落塔试验系统如图5所示。

该试验过程中，被试产品与吊篮和活塞杆的总质量为M，在被试产品及吊篮上布置加速度传感器，用于测量施加在被试产品中的加速度载荷。用激光位移传感器测量吊篮提升的高度，用高速摄像测量吊篮下落的速度。当被试产品对初始速度要求不高时，可以由能量守恒，估计出吊篮提升的高度；当被试产品对初始速度要求严格时，由于吊篮滑轮与导轨间的摩擦、空气阻力等因素存在，导致最终速度偏小，此时，需要在正式试验前，通过多次投放调试，获得精确的提升高度。

油液式波形发生器产生的波形相对比较平滑，不会产生次波形，但高速数采在采集过程中难免有一些噪声或其他杂波信号，导致直接采集的信号不能反映真实加载量值，因此，在采集到数据后需要进行数据滤波处理，滤波基本原则是低通频率不小于加载波形频率的10倍。

2.2典型应用案例

（1）舰载外挂物弹射拦阻冲击试验

某舰载外挂物的弹射拦阻冲击试验要求是加载波形为12g/200ms半正弦波，容差为±15%。在垂直落塔试验系统中，将外挂物通过专用夹具安装到吊篮中，并安装一定质量配重块，将整个吊篮的重心调至中心位置，如图6所示。为了使外挂物获得14.97m/s的初始速度，将吊篮提升至11.43m的高度；通过调节波形发生器小孔个数和分布，获得了满足试验要求加载波形，如图7所示，其中目标谱是指标准的12g/200ms半正弦波，容差±15%是指加载谱误差带范围，测试谱是指某舰载外挂物冲击试验中实测加速度响应曲线。从图7可以看出，测试谱的峰值和脉冲宽度均在容差带内，测试谱的上升沿也在容差带范围内，测试谱的下降沿有部分超出下容差，这与测试谱型“偏瘦”问题有关，于治会[14]指出加载波形“偏瘦”主要是非线性问题导致的，在第3節将对该超差问题进行评估。完成了某舰载外挂物耐弹射拦阻冲击性能的考核。

（2）直升机座椅垂向冲击试验

按照GJB 3838《直升机抗坠毁座椅通用规范》相关要求，某直升机座椅设计垂向需要满足峰值在23～28g的三角波，加载速度不小于10.2m/s的抗坠毁冲击试验考核，还要对乘员具有一定保护作用。在垂直落塔试验系统中，将直升机座椅通过专用夹具安装到吊篮中，座椅上加装90kg标准假人，假人采用座椅安全带约束，如图8所示。为了使座椅获得不小于10.2m/s的初速度，将吊篮提升至大于5.3m的高度，通过调节波形发生器小孔个数和分布，获得了满足试验要求的加载波形，如图9所示，其中实测谱是指座椅冲击试验中实测加速度响应曲线；Gmax是指冲击加载最大加速度时的响应曲线；Gmin是指冲击加载最小加速度时的响应曲线。从图9可以看出，实测谱的峰值为25.21g，在23～28g范围内，实测谱的上升斜率也在Gmax和Gmin曲线中间，满足标准要求。吊篮速度通过整个加速过程积分计算获得，如图10所示，本次加载最大速度为11.14m/s，满足相关技术要求。

3冲击波形影响评估

针对某飞机外挂物试验波形下降沿超差问题，结合有限元仿真分析结果进行评估。首先，在HyperMesh软件中将外挂物三维数模各部件简化为壳单元，各部分连接采用tie约束，内部减振器简化为弹簧k和阻尼c单元，忽略产品内部线路及无关细节结构，建立外挂物有限元模型。然后在ABAQUS软件中采用模态分析法获得外挂物的特征频率和特征振型。最后基于模态动力学原理仿真了外挂物在标准12g/200ms半正弦冲击波形、不同冲击峰值、不同冲击脉宽、不同畸变波形（下降沿超差）等载荷工况加载下的动态响应，输出与试验测试对应部位的加速度响应，将仿真分析加速度曲线与试验测试作对比，如图11所示，加速度响应峰值误差见表1，发现冲击峰值和脉宽对结构影响较大，峰值越高，结构响应越大，脉宽越长，结构收到冲击能量大，响应也越大；而加载下降沿超差对结构影响不大。

4结论

基于小孔节流阻尼原理研制了一款具有可调小孔的冲击波形发生器，并进行应用，得出结论如下：

（1）基于小孔节流原理设计了一套垂向冲击试验系统，能够实现三角波形、半正弦波加载，最大加载行程为1.5m，最大脉宽不小于200ms，承载能力不小于2000kg。

（2）建立了面向航空特种波形的垂向冲击的试验方法，进行了某舰载外挂物冲击和直升机座椅垂向冲击的应用。

（3）进行了波形超差因素评估，得到了冲击载荷峰值、脉宽对结构影响较大，而下降沿的小范围超差对结构影响较小。

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（責任编辑陈东晓）

作者简介

杨强（1987-）男，硕士，工程师。主要研究方向：结构冲击动力学。

Tel：15929485119E-mail：yqiang1230@163.com

白春玉（1984-）男，硕士，高级工程师。主要研究方向：结构冲击动力学。

刘小川（1983-）男，博士，研究员。主要研究方向：结构冲击动力学。

常选仓（1980-）男，硕士，高级工程师。主要研究方向：机械电子工程。

刘冲冲（1985-）男，硕士，高级工程师。主要研究方向：结构冲击动力学。

Design and Application of Special Shock Wave Generator

Yang Qiang1，*，Bai Chunyu1，Liu Xiaochuan1，Chang Xuancang2，Liu Chongchong1

1. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Structures Impact Dynamics，AVIC Aircraft Strength Research Institute，Xian 710065，China 2. The 29th Research Institute CETC，Chengdu 610036，China

Abstract： According to the requirements of special shock test for aviation weapon equipment， a shock wave generator with 30×45 adjustable small holes was designed based on the principle of orifice throttling and damping. The dynamic equation of the waveform generator was established. The loading waveform was simulated by the fourthorder Runge Kutta method， and the experimental verification was carried out. The results show that the performance of the waveform generator can meet the requirements of simulating 12g / 200ms standard half sine waveform， and has been applied in the shock test of an aircraft external store and the vertical impact test of helicopter seat， which provides a verification device and test method for the special impact test of aviation weapon equipment.

Key Words： shock wave generator； shock test； small hole damping； test method； waveform tolerance