高加速度冲击激励与试验技术

高加速度冲击过载是一种极端条件下的物理现象，主要出现在一系列高能量、高速度的场景中，在机械、航空、航天、车辆、高铁以及军事等领域有重要应用。本书以高加速度冲击激励的测试与仿真为核心，介绍了冲击过程的时域特征、频域特征、多种试验方案以及相关波形调制技术。 本书适宜机械、航空、航天、车辆、高铁以及军事等领域的技术人员参考。

段正勇，工学博士，重庆文理学院高级工程师、硕士生导师，四川蓬溪人。本硕毕业于西安石油大学，博士毕业于西安交通大学。历任西安石油大学、南阳理工学院教师，曾在苏州东菱振动试验设备有限公司博士后工作站工作。长期从事信号分析处理、控制工程等课程教学，主要研究领域为冲击动力学，聚焦高加速度冲击激励与试验技术，同时开展石油钻采设备及机械创新设计研究。累计发表论文40余篇（SCI收录10余篇），获授权专利10余项，出版教材、译著、专著各1部。科研项目经验丰富，参与国家863计划、重大专项子课题，主持/参与省部级纵向项目十余项，承担企业横向课题多项，累计科研经费逾600万元。研究成果在高加速度冲击试验技术领域具有较高应用价值，学术与实践成果兼备。

第1章 绪论 1 1.1 高加速度冲击的基本概念 1 1.2 常见的高加速度冲击现象 3 1.3 高加速度冲击的利用与防护 5 1.3.1 高加速度冲击的利用 6 1.3.2 高加速度冲击的缓冲或隔离 8 1.4 高加速度冲击的重要性及其研究方法 9 1.4.1 理论研究 9 1.4.2 仿真分析 13 1.4.3 试验研究 15 第2章 高加速度冲击过程时域描述与分析 18 2.1 基本概念与参数定义 18 2.2 常用理想冲击加速度波形函数与近似表达 22 2.2.1 冲击加速度函数与波形 23 2.2.2 冲击过程分析 29 2.2.3 无量纲速度表达 32 2.2.4 无量纲位移表达 33 2.3 冲击脉冲的速度变化量 39 2.3.1 理想冲击加速度脉冲的速度变化量 40 2.3.2 实测冲击加速度脉冲速度变化量的获取 41 2.4 时域矩分析 42 第3章 高加速度冲击过程的频域描述与分析 45 3.1 傅里叶频谱与能量谱分析 45 3.1.1 半正弦理想冲击加速度脉冲的频谱 45 3.1.2 常见理想冲击加速度脉冲的傅里叶幅值谱特性 46 3.1.3 实测高加速度冲击加速度及傅里叶幅值谱特性 50 3.1.4 能量谱密度分析 52 3.2 冲击响应谱 52 3.2.1 冲击响应谱的引入 52 3.2.2 SRS 定义 53 3.2.3 SRS 基本理论 55 3.3 SRS 的数值计算方法 57 3.3.1 Smallwood 方法简介 57 3.3.2 基于二次插值的递归算法 58 3.3.3 SRS 计算中的参数选择 60 3.3.4 SRS 计算的数据准备合理性检测及注意事项 61 3.3.5 SRS 的非唯一性 62 3.4 SRS 的形式及无量纲表达 63 3.4.1 不同形式的SRS 63 3.4.2 理想冲击加速度脉冲SRS 的无量纲表达 64 3.5 常见冲击信号无量纲AASRS 及特征 64 3.5.1 理想冲击加速度脉冲的无量纲AASRS 及特征 64 3.5.2 理想冲击加速度脉冲的无量纲SRS 比较 69 3.5.3 冲击加速度幅值与脉宽对最大正SRS 的影响 70 3.5.4 实测冲击加速度脉冲的AASRS 72 3.6 伪速度谱 73 3.6.1 伪速度谱的计算 73 3.6.2 PVSRS 的4CP 图 74 3.6.3 经典冲击加速度脉冲的4CP PVSRS 74 3.6.4 4CP PVSRS 与被试件损伤机理 78 3.6.5 冲击加速度脉冲峰值与脉宽对4CP PVSRS 的影响 81 3.6.6 阻尼对4CP PVSRS 的影响 83 3.6.7 实测高加速度信号的PVSRS 84 第4章 高加速度冲击试验规范 86 4.1 标称冲击加速度脉冲与试验规范 86 4.1.1 GB/T 2423.5—2019、IEC 60068-2-27：2008 标称冲击脉冲 87 4.1.2 GJB 150.18A—2009 标称冲击脉冲 89 4.1.3 GJB 360B—2009 的标称冲击加速度脉冲及容差 90 4.1.4 波形参数及严酷等级的选择 91 4.2 等效损伤原则 92 4.3 基于SRS 的试验规范 93 4.4 冲击试验规范制定的注意事项 94 4.4.1 鉴定试验与验收试验 94 4.4.2 多次、多方向试验问题 95 4.4.3 关于加速冲击试验问题 95 4.5 高加速度冲击试验设备 96 4.5.1 跌落冲击 96 4.5.2 摆锤冲击 99 4.5.3 Hopkinson 压杆冲击 99 4.5.4 谐振模拟冲击 106 4.5.5 靶场侵彻试验 107 4.5.6 各种冲击试验对比 108 第5章 轻小器件高加速度冲击激励技术 110 5.1 碰撞速度放大器原理 111 5.1.1 常见的碰撞接触力学理论 111 5.1.2 基于Newton 经典接触理论的物体碰撞 117 5.2 基于一级速度放大器的轻小器件高加速度冲击加速度脉冲激励技术 123 5.2.1 组成与原理 123 5.2.2 冲击动力学分析 125 5.2.3 典型设计 132 5.2.4 理论验证 140 5.2.5 仿真研究 141 5.2.6 样机实测 144 5.2.7 验证测试 144 5.3 理想和实测脉冲的比较 152 5.4 用于高加速度冲击加速度脉冲激励的二级速度放大器 156 第6章 大负载高加速度冲击激励技术 159 6.1 气体炮高加速度冲击激励 159 6.1.1 一级气体炮组成与原理 159 6.1.2 一级气体炮关键参数设计与分析 160 6.1.3 气体炮高加速度冲击激励技术应用特点 170 6.2 基于冲击气缸的高加速度垂直冲击激励 170 6.2.1 冲击气缸原理 170 6.2.2 关键参数估算与分析 175 6.2.3 基于气缸的气动高加速度冲击激励 177 6.3 空气炮技术 179 6.3.1 空气炮的工作原理 180 6.3.2 空气炮基本参数分析 182 6.3.3 空气炮快排阀门 187 6.3.4 中间贯通型空气炮 188 6.4 基于空气炮的高加速度冲击激励 190 6.4.1 驱动能量估算 192 6.4.2 空气炮驱动系统重要参数分析 192 6.4.3 基于空气炮的高加速度冲击激励工程设计 197 6.4.4 样机实测 197 第7章 高加速度冲击加速度波形整形技术 202 7.1 Hopkinson 压杆中的高加速度脉冲波形整形技术 203 7.1.1 波形整形器的理论基础 203 7.1.2 ANSYS LS-DYNA 的仿真分析设置 207 7.1.3 基于波形整形器的整形仿真 209 7.1.4 基于撞击杆的整形仿真 211 7.1.5 Hopkinson 压杆的冲击脉冲整形总结 214 7.2 跌落冲击激励中的脉冲波形整形 214 7.3 橡胶通用波形整形器设计基础 219 7.4 高加速度长脉宽激励技术探讨 221 7.4.1 等压式大负载长脉宽冲击缓冲器 222 7.4.2 液压爆炸模拟器 223 7.4.3 基于弹性绳或尼龙带的长脉冲激励技术 224 7.5 高加速度冲击加速度波形整形实例 225 参考文献 227