NTS.LAB沖擊響應(yīng)譜功能：

沖擊響應(yīng)譜根據(jù)響應(yīng)峰值取法的不同可以分為三類： 

1)初始響應(yīng)譜，簡稱“主譜”； 它是取沖擊作用時間內(nèi)的相應(yīng)峰值求得的沖擊響應(yīng)譜。 

2)剩余響應(yīng)譜，簡稱“余譜”； 它是取沖擊激勵結(jié)束后的相應(yīng)峰值做出的沖擊響應(yīng)譜。 

3)最大響應(yīng)譜，即主譜及余譜的包絡(luò)譜。 

根據(jù)所用的響應(yīng)參數(shù)不同可以分為以下幾類： 

1)絕對加速度譜 

2)等效加速度譜(也稱相對加速度譜) 

3)絕對速度譜 

4)等效速度譜(也稱相對速度譜) 

5)絕對位移譜 

6)相對位移譜

一般常用最大絕對加速度譜和最大相對位移譜，前者多用于規(guī)范沖擊環(huán)境，后者多用于考核沖擊強(qiáng)度及設(shè)計(jì)減震裝置。而速度譜則多用于艦船沖擊，對艦船來說沖擊速度與損傷趨勢的相關(guān)性最強(qiáng)。

1.什么是沖擊響應(yīng)譜

沖擊響應(yīng)譜(Shock Response Spectrum, SRS)，又稱“沖擊譜”，用于描述一系列單自由度質(zhì)量阻尼系統(tǒng)受沖擊時各單自由度系統(tǒng)的響應(yīng)最大值與單自由度系統(tǒng)的固有頻率的關(guān)系。一般來說，沖擊響應(yīng)譜是一個動態(tài)系統(tǒng)對給定瞬態(tài)輸入的峰值響應(yīng)與該動態(tài)系統(tǒng)固有頻率之間的函數(shù)關(guān)系圖。下圖所示為一系列單自由度“彈簧-質(zhì)量-阻尼”系統(tǒng)，這些單自由系統(tǒng)具有公共的基礎(chǔ)(基座)。當(dāng)其公共基礎(chǔ)受到?jīng)_擊激勵時，在笛卡爾坐標(biāo)系下各單自由度質(zhì)量阻尼系統(tǒng)產(chǎn)生的響應(yīng)峰值與其對應(yīng)固有頻率繪制成坐標(biāo)曲線，即為沖擊響應(yīng)譜。

SRS計(jì)算示意圖

計(jì)算沖擊響應(yīng)譜步驟：

A.測試公共基礎(chǔ)的輸入激勵，用于計(jì)算沖擊響應(yīng)譜的能量輸入。

B.建立一系列單自由度彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)，分別將激勵作用在該系統(tǒng)，求解系統(tǒng)的響應(yīng)，其解的形式可為位移、速度、加速度響應(yīng)。

C.各單自由度質(zhì)量阻尼系統(tǒng)產(chǎn)生的響應(yīng)峰值與其對應(yīng)固有頻率繪制成坐標(biāo)曲線，進(jìn)而得到?jīng)_擊響應(yīng)譜。

沖擊響應(yīng)譜

2沖擊響應(yīng)譜的用途

產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用過程中受力情況復(fù)雜，其中沖擊激勵會使設(shè)備激起強(qiáng)迫振動和固有頻率響應(yīng)，使產(chǎn)品性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受到不同程度的損害甚至失效。 航空、 航天、電子等行業(yè)產(chǎn)品在生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)冗^程中存在著各種沖擊，而這對產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性有著很大的負(fù)面影響。為了解決這一問題，產(chǎn)生并發(fā)展起了沖擊試驗(yàn)，如GJB150規(guī)定的半正弦、后鋸齒峰、梯形波等沖擊試驗(yàn)，其主要復(fù)現(xiàn)產(chǎn)品的時域沖擊環(huán)境。近年來，隨著對環(huán)境試驗(yàn)的認(rèn)識不斷提高，對沖擊環(huán)境的模擬也提出了更高的要求，產(chǎn)品在面對不同的沖擊時，工程師更關(guān)注產(chǎn)品的動力學(xué)響應(yīng)，沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)也越來越被關(guān)注。沖擊響應(yīng)譜(SRS)是一種基于頻率的函數(shù)，用于指示由于瞬態(tài)沖擊引起的振動的大小。SRS可以量化來自無數(shù)不同事件的瞬態(tài)振動：如地震、爆炸、導(dǎo)彈發(fā)射等沖擊環(huán)境。

以一艘戰(zhàn)艦為例，它受到附近爆炸的沖擊而產(chǎn)生瞬態(tài)振動。在沖擊事件發(fā)生時，可以在戰(zhàn)艦的關(guān)鍵部件上測量和捕獲沖擊響應(yīng)譜。使用沖擊響應(yīng)譜，然后可以設(shè)計(jì)環(huán)境試驗(yàn)來重現(xiàn)組件經(jīng)歷的瞬態(tài)沖擊振動，以確保它們能夠在沖擊中幸存下來。

受爆炸沖擊的戰(zhàn)艦

3 計(jì)算沖擊響應(yīng)譜

下面以單自由度彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)為例分析沖擊響應(yīng)函數(shù)，設(shè)單自由度系統(tǒng)的物理模型如下：

力學(xué)模型

該系統(tǒng)的物理運(yùn)動方程為：

(1)

其中m，c，k分別為系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼和剛度。

對上述方程進(jìn)行變量代換可得：

(2)

其中

由單位脈沖響應(yīng)的杜哈梅積分可得方程的解為：

(3)

這就是系統(tǒng)的位移響應(yīng)與時間、固有頻率的關(guān)系式。同樣的，可以求解系統(tǒng)的速度響應(yīng)和加速度響應(yīng)，并繪制相對應(yīng)的沖擊響應(yīng)譜曲線。

由單自由度系統(tǒng)的響應(yīng)公式可以發(fā)現(xiàn)，整個系統(tǒng)的響應(yīng)是時間的函數(shù)，因此系統(tǒng)響應(yīng)又分為沖擊作用時間內(nèi)的響應(yīng)和沖擊作用后的響應(yīng)，具體可有如下分類：

半正弦激勵輸入(紫線)所產(chǎn)生的瞬態(tài)響應(yīng)(藍(lán)線，包含主響應(yīng)與殘余響應(yīng))

(1)初始(主)響應(yīng)譜：在沖擊持續(xù)作用時間范圍內(nèi)出現(xiàn)的最大響應(yīng)峰值與系統(tǒng)固有頻率之間的關(guān)系，簡稱“主譜”。它存在著正、負(fù)之分，正向指的是與激勵同方向的響應(yīng)峰值，負(fù)向則是與激勵方向相反的響應(yīng)峰值，如上圖中的點(diǎn)2(正向)和3(負(fù)向)，點(diǎn)1為主響應(yīng)絕對值的峰值點(diǎn)。

(2)殘余響應(yīng)譜：在沖擊持續(xù)作用完結(jié)之后的時間范圍內(nèi)出現(xiàn)的最大響應(yīng)峰值與系統(tǒng)固有頻率之間的關(guān)系，簡稱“余譜”。它同樣存在著正、負(fù)之分，正、負(fù)方向與主譜的正、負(fù)向定義相同，如上圖中的點(diǎn)5(正向)和6(負(fù)向)，點(diǎn)4為殘余響應(yīng)絕對值的峰值點(diǎn)。

(3)最大響應(yīng)譜：在整個響應(yīng)過程中的最大響應(yīng)峰值(絕對值)與系統(tǒng)固有頻率之間的關(guān)系，亦為“主譜”和“余譜”的包絡(luò)譜。

最大響應(yīng)譜、初始響應(yīng)譜、殘余響應(yīng)譜包絡(luò)

4 NTS.LAB 沖擊響應(yīng)譜參數(shù)設(shè)置

在進(jìn)行沖擊響應(yīng)譜分析時，需要注意若干參數(shù)的正確選擇，如采樣頻率、觸發(fā)設(shè)置、阻尼比、倍頻程分析，以下為NTS.LAB的具體設(shè)置：

(1)采樣頻率：在振動分析中，根據(jù)采樣定理，采樣頻率取為分析頻率的上限的2.56倍即可。對沖擊響應(yīng)譜的計(jì)算，一般不得低于4倍，最好取6～10倍。采樣頻率過高并不好，一則是計(jì)算工作量加大，更重要的是在低頻分析時會導(dǎo)致結(jié)果不穩(wěn)定。

采樣頻率設(shè)置

(2)觸發(fā)設(shè)置：在進(jìn)行沖擊信號采集時，首先需要保證采集到完整的沖擊波形，因此需要設(shè)置合適的觸發(fā)量級和預(yù)觸發(fā)延遲占比，以保證采集到完整的瞬態(tài)沖擊信號。

觸發(fā)設(shè)置

設(shè)置觸發(fā)延遲占比采集到的完整沖擊信號

(3)阻尼比：該參數(shù)決定了系統(tǒng)的阻尼大小，在計(jì)算SRS時，系統(tǒng)的阻尼比由用戶設(shè)定。阻尼比決定了質(zhì)量-彈簧-阻尼器系統(tǒng)對給定輸入的響應(yīng)幅度。通過減少/增加其值的大小，質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)對相同的輸入激勵具有更高/更低的振幅。

不同的阻尼比的位移幅頻曲線(為共振工況)

阻尼越小，能量耗散越少，系統(tǒng)的響應(yīng)峰值越高；反之，系統(tǒng)的響應(yīng)峰值越低。由于力學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)中大多數(shù)是金屬材料結(jié)構(gòu)，所以通常情況下取ξ=0.05。

不同阻尼比下的沖擊響應(yīng)譜計(jì)算

(4)倍頻程分析：倍頻程分析參數(shù)決定了用于SRS計(jì)算的質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)的數(shù)量。倍頻程劃分的越細(xì)，參與計(jì)算的頻點(diǎn)數(shù)越高，使SRS中各點(diǎn)之間的頻率間隔更細(xì)或更窄。

NTS.LAB支持的倍頻程類型

可以發(fā)現(xiàn)，相對于1/3倍頻程，選擇1/6倍頻程分析，此時計(jì)算的頻點(diǎn)數(shù)會越多，響應(yīng)譜曲線也就越光滑，但任何相近的自然頻率的振幅都是相同的，如下圖所示。若選擇過細(xì)的倍頻程劃分，低頻時計(jì)算的點(diǎn)過于密集，浪費(fèi)時間且意義不大。在NTS.LAB中，用戶可選擇的倍頻程類型由1/1至1/48，在典型的SRS計(jì)算中，阻尼比的值選擇5%，倍頻程類型可選擇1/6倍頻程。

在同一瞬態(tài)事件，不同倍頻程計(jì)算SRS的振幅

5總結(jié)

爆炸沖擊環(huán)境是一種復(fù)雜振蕩型沖擊，能量分布在較寬的頻率范圍內(nèi)，經(jīng)典波形屬于簡單沖擊，低頻能量大、高頻能量小，二者對產(chǎn)品產(chǎn)生的破壞作用不同，不能用經(jīng)典沖擊完全等效復(fù)雜振蕩沖擊的作用效果。

沖擊響應(yīng)譜用瞬態(tài)沖擊引起的響應(yīng)大小衡量沖擊的破壞作用，可用于比較不同沖擊的嚴(yán)酷程度，且其計(jì)算不包含時域信息，從中得不到任何時域信號的相關(guān)信息，故一個沖擊響應(yīng)譜可能對應(yīng)著多個沖擊加速度信號，即不同的沖擊加速度信號可能具有相同的沖擊響應(yīng)峰值，意味著不同的沖擊加速度信號可能對系統(tǒng)造成相同的破壞損傷效果，進(jìn)而從頻域上更具有代表性。

NTS.LAB沖擊響應(yīng)譜分析模塊，提供瞬態(tài)沖擊數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)置、沖擊響應(yīng)譜計(jì)算整個試驗(yàn)流程，精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊時的響應(yīng)，工程師可以以此設(shè)計(jì)振動試驗(yàn)來復(fù)現(xiàn)產(chǎn)品經(jīng)歷的瞬態(tài)沖擊激勵，以確保它們能夠在沖擊中正常運(yùn)作。

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