申请/专利权人：清华大学

申请日：2019-06-20

公开（公告）日：2020-07-28

公开（公告）号：CN110132520B

主分类号：G01M7/08(20060101)

分类号：G01M7/08(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.07.28#授权;2019.09.10#实质审查的生效;2019.08.16#公开

摘要：一种火工冲击模拟装置，包括：试验板，试验板包括滤波区、放大区和安装区，安装区用于安装被测试件，放大区位于滤波区和安装区之间；波形发生器，波形发生器安装于滤波区；以及激光发射装置，用于发射激光，激光作用于波形发生器上以产生冲击响应，进而产生的冲击响应传递至试验板上以及被测试件上。本发明提供的火工冲击模拟装置为单板式的结构，波形发生器直接固定在试验板上，具有结构简单、操作方便等优点，且试验板包括滤波区、放大区和安装区，能够配合激光冲击较好地模拟火工冲击环境。

主权项：1.一种火工冲击模拟装置，其特征在于，所述火工冲击模拟装置包括：试验板，所述试验板包括滤波区、放大区和安装区，所述安装区用于安装被测试件，所述放大区位于所述滤波区和所述安装区之间；波形发生器，所述波形发生器安装于所述滤波区；以及激光发射装置，用于发射激光，所述激光作用于所述波形发生器上以产生冲击响应，进而产生的冲击响应传递至所述试验板上以及所述被测试件上；所述放大区包括第一端和第二端，所述放大区的第一端的厚度大于所述放大区的第二端的厚度，调节所述放大区的两端面面积比对所述冲击响应量级进行控制；所述波形发生器包括锥形杆，所述锥形杆包括第一端和第二端，所述锥形杆的第一端的截面积大于所述锥形杆的第二端的截面积，所述锥形杆的第二端固定于所述滤波区。

全文数据：一种火工冲击模拟装置技术领域本发明涉及航天器火工冲击环境模拟技术领域，具体涉及一种火工冲击模拟装置。背景技术航天器火工冲击响应是由星箭分离、部组件展开等工作过程中的火工品起爆引起的作用于结构上的瞬态冲击响应，具有瞬态、高频、高量级的特点，航天器火工冲击环境是航天器在全生命周期内经历的最苛刻的力学环境之一。火工冲击的加速度响应幅值可高达200000g，作用持续时间小于20ms，主要频率在100Hz～100kHz范围。火工冲击能够对航天器上含有晶振、脆性材料等的精密电子设备造成致命损伤，甚至可能造成提前终止航天任务。为了提高航天器的工作性能和可靠性，需要开展地面火工冲击模拟试验，精确模拟火工冲击环境，从而考核航天产品对火工冲击的耐受性。目前，在地面火工冲击模拟试验中，传统的方法具有成本高、周期长、难以很好地模拟火工冲击源、存在较大的安全隐患等问题。近年来，激光冲击逐渐被采用来模拟火工冲击环境，其具有可控性好、重复性好等优点，同时具有与火工冲击相似的高频特性，能够克服传统火工冲击模拟方法的不足，同时不会对结构本身产生破坏。例如，现有技术中存在一种双板式的采用激光冲击来模拟火工冲击环境的装置，该装置中包括加载板与谐振板，激光直接作用于加载板上产生冲击波，冲击波通过传递块传递至谐振板，引起谐振板的冲击响应，并作用于被测试件。但是，现有的采用激光冲击来模拟火工冲击环境的装置的结构依然较复杂，且体积、质量较大，操作不方便。因此，亟需研制一种适合激光冲击且便于工程实际应用的火工冲击模拟试验谐振装置，从而实现冲击响应谱的方便可调。发明内容为了解决上述技术问题中的至少一个方面，本发明的实施例提供了一种火工冲击模拟装置，其特征在于，所述火工冲击模拟装置包括：试验板，所述试验板包括滤波区、放大区和安装区，所述安装区用于安装被测试件，所述放大区位于所述滤波区和所述安装区之间；波形发生器，所述波形发生器安装于所述滤波区；以及激光发射装置，用于发射激光，所述激光作用于所述波形发生器上以产生冲击响应，进而产生的冲击响应传递至所述试验板上以及所述被测试件上。在一些实施例中，所述火工冲击模拟装置还包括与所述试验板的上端连接的连接部，所述连接部用于悬挂所述试验板并使所述试验板与水平面垂直。在一些实施例中，所述波形发生器可拆卸地固定于所述滤波区，所述试验板可拆卸地与所述连接部连接。在一些实施例中，所述试验板的滤波区包括第一表面、第二表面和板芯，所述板芯为蜂窝结构，位于所述第一表面与所述第二表面之间。在一些实施例中，所述滤波区由铝合金材料或复合材料制成；所述板芯的蜂窝结构由多个正六边形结构组成。在一些实施例中，所述试验板的放大区由金属材料制成，所述放大区包括第一端和第二端，所述放大区的第一端的厚度大于所述放大区的第二端的厚度。在一些实施例中，所述放大区的第一端与所述滤波区通过焊接、胶接或螺栓连接的方式连接；所述放大区的第二端与所述安装区通过焊接、胶接或螺栓连接的方式连接。在一些实施例中，所述安装区用于可拆卸地固定所述被测试件，且使得所述被测试件能够固定于所述安装区的不同位置。在一些实施例中，所述波形发生器包括：锥形杆，所述锥形杆包括第一端和第二端，所述锥形杆的第一端的截面积大于所述锥形杆的第二端的截面积，所述锥形杆的第二端固定于所述滤波区；吸收层，所述吸收层覆盖于所述锥形杆的第一端的表面上；以及约束层，所述约束层覆盖于所述吸收层上。在一些实施例中，所述锥形杆由金属材料制成；所述吸收层为黑漆层、黑胶带或者铝箔；所述约束层为去离子流动水层或者玻璃层。基于上述技术方案可知，本发明提供的火工冲击模拟装置为单板式的结构，波形发生器直接固定在试验板上，且试验板的板芯为蜂窝结构，具有质量轻、体积小、强度大、操作简单等优点，且具备优良的高频滤波特性，且试验板包括滤波区、放大区和安装区，能够配合激光冲击较好地模拟火工冲击环境。附图说明通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。图1根据本发明实施例的火工冲击模拟装置的结构示意图；图2为图1中的试验板的左视图；图3为本发明实施例中的试验板在不同测试点位置处的冲击响应谱图；图4为图3中第一测试点位置处的功率谱密度图；图5为图3中第二测试点位置处的功率谱密度图；需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。图1为根据本发明示例性实施例的火工冲击模拟装置的结构示意图，参照图1，火工冲击模拟装置包括试验板1、波形发生器2以及激光发射装置6。本实施例中，试验板1包括滤波区11、放大区12和安装区13，放大区12位于滤波区11和安装区13之间。波形发生器2固定于试验板1的滤波区11，被测试件4固定于试验板1的安装区13。该火工冲击模拟装置进行模拟试验时，激光发射装置6发射激光3，激光3作用于波形发射器2上以产生冲击响应，进而产生的冲击响应传递至试验板1上以及被测试件4上。本发明实施例提供的火工冲击模拟装置为单板式的结构，波形发生器2直接固定在试验板1上，具有结构简单、操作方便等优点，能够配合激光冲击较好地模拟火工冲击环境。根据一些实施例，火工冲击模拟装置还包括与试验板1的上端连接的连接部5，连接部5用于悬挂试验板1并使试验板1与水平面垂直。优选地，连接部5为柔性索。本发明实施例中，因为火工冲击模拟装置为单板式的结构，故只需通过连接部5便能设置好试验板1的位置，相比于现有的双板式的结构更加方便。可以理解的是，本发明实施例中的试验板1同样可应用于双板式的结构中，并与加载板配合使用。优选地，激光发射装置发射6的激光3的方向与试验板1垂直。当试验板1与水平面垂直时，只需调节激光发射装置6，使激光3的方向与水平面平行，并正对着波形发生器2即可。根据一些实施例，如图1所示，波形发生器2包括锥形杆21、吸收层22和约束层23。其中锥形杆21截面积较小的一端固定于滤波区11；吸收层22覆盖于锥形杆21截面积较大的一端的表面上；约束层23覆盖于吸收层22上。本发明的实施例中采用锥形杆21，具有应力波放大的功能，有助于使激光3作用于波形发生器2后产生更大量级的冲击响应。其中，锥形杆21可以由钛合金、不锈钢等金属材料制成；吸收层22可以为黑漆层、黑胶带、铝箔等；约束层22可为去离子流动水层或者玻璃层，例如由K9玻璃制成。进一步参照图2，为图1中的试验板1的左视图，结合图1和图2可见，试验板1的滤波区11包括两个表面以及板芯111，板芯111为蜂窝结构，位于两个表面之间。本发明的实施例中，滤波区11可以由铝合金材料或复合材料制成；板芯111的蜂窝结构由多个正六边形结构组成。例如滤波区11的两个表面为由铝合金制成的薄膜，板芯111为由铝合金制成的蜂窝结构。本发明的实施例中，滤波区11的板芯111为蜂窝结构，其作用是滤除高频成分，使冲击响应谱拐点前移。根据一些实施例，如图1所示，放大区12包括第一端和第二端，第一端的厚度大于第二端的厚度。放大区12的第一端与滤波区11通过焊接、胶接或螺栓连接的方式连接；放大区12的第二端与安装区13通过焊接、胶接或螺栓连接的方式连接。放大区12可由金属材料制成。本发明的实施例中，滤波区11的蜂窝结构在滤波的同时会使冲击响应的量级快速降低，为保证既能有效滤除高频成份，又使得量级不至于降到太低，通过采用上述结构的放大区12，能够对冲击响应幅值进行放大，并传递至安装区13，从而实现被测试件的加载，弥补了由于滤波区11滤波造成的冲击响应幅值降低。通过调节放大区12的两端面面积比可以对冲击响应量级进行有效的控制，从而适应于不同冲击环境的技术要求。本发明的实施例中，波形发生器2可拆卸地固定于试验板1的安装区13，试验板1可拆卸地与连接部5连接。优选地，波形发生器2的锥形杆21固定于试验板1的滤波区11的中心位置处。被测试件4可拆卸地固定于安装区13，且被测试件4能够固定于安装区13的不同位置。例如，试验板1的表面上均可设有按阵列排布的贯穿的螺纹孔，使得锥形杆21的面积较小端通过螺栓连接固定于试验板1的滤波区11，被测试件4通过螺栓连接固定于试验板1的安装区13。改变螺栓连接的位置，即可调整被测试件4的固定位置。根据一些实施例，火工冲击模拟装置还包括处理模块图中未示出，该处理模块用于获取被测试件4处的冲击响应谱。本发明实施例中，通过上述设置，火工冲击模拟装置的试验板1与波形发生器2均是可更换的。通过更换不同性能的波形发生器2或试验板1，或者调整被测试件4的位置，或者调整激光3的强度，均能调整被测试件4处的冲击响应谱。从而本发明实施例中的火工冲击模拟装置的调试非常方便，且能较好地模拟火工冲击环境。具体地，调试过程中，可通过更换不同的试验板1，改变试验板1的几何参数，从而实现冲击响应谱拐点的调节。试验板1的几何参数包括其不同区的长、宽、厚，板芯111的厚度，板芯111中的正六边形结构的边长等。可通过更换不同刚度的锥形杆21，来调节冲击响应谱斜率。可通过更换吸收层22的材料、厚度，来调节激光作用的强度。可通过更换约束层23的材料、厚度，来调节激光作用的时间。参照图3，为本发明实施例中的试验板1在不同测试点位置处的冲击响应谱图。3个测试点均位于试验板1的背面即与激光入射面相反的一面上，其中点1位于冲击位置即激光3垂直入射的位置的正背面，点2和点3与点1的距离分别为125mm和215mm。可见，因为点1位于冲击位置的正背面，其冲击响应未经过滤波区11中具有高频滤波特性的蜂窝结构的传递，故点1处的冲击响应谱未出现拐点；而点2和点3处的冲击响应谱则出现了明显拐点。进一步参照图4和图5，分别为点1和点2位置处的功率谱密度图。可见，点1处具有0-10000Hz的宽频带；而点2处在5000Hz以上的频率被滤除，只存在0-5000Hz的频率成分。这同样是因为点1处的冲击响应未经过蜂窝结构的传递的缘故。因此，本发明实施例中通过采用具有蜂窝结构的板芯111的滤波区11的试验板1，结合放大区12和安装区13，不仅能减轻火工冲击模拟装置的整体质量，且蜂窝结构具备优良的高频滤波特性，可实现冲击响应谱拐点的调节，该试验板1结合具有高频特性的激光冲击源，能够很好地模拟火工冲击环境。相对于传统的双板式结构，该试验板1结构简单，方便可调，对激光能量要求相对较低，降低了整体制造成本；相对于单纯的蜂窝板结构，能够有效提升冲击响应量级，提高了该装置对冲击环境的可操作性和控制性，能够适应各种不同的冲击环境。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种火工冲击模拟装置，其特征在于，所述火工冲击模拟装置包括：试验板，所述试验板包括滤波区、放大区和安装区，所述安装区用于安装被测试件，所述放大区位于所述滤波区和所述安装区之间；波形发生器，所述波形发生器安装于所述滤波区；以及激光发射装置，用于发射激光，所述激光作用于所述波形发生器上以产生冲击响应，进而产生的冲击响应传递至所述试验板上以及所述被测试件上。2.根据权利要求1所述的火工冲击模拟装置，其特征在于，所述火工冲击模拟装置还包括与所述试验板的上端连接的连接部，所述连接部用于悬挂所述试验板并使所述试验板与水平面垂直。3.根据权利要求2所述的火工冲击模拟装置，其特征在于，所述波形发生器可拆卸地固定于所述滤波区，所述试验板可拆卸地与所述连接部连接。4.根据权利要求1所述的火工冲击模拟装置，其特征在于，所述试验板的滤波区包括第一表面、第二表面和板芯，所述板芯为蜂窝结构，位于所述第一表面与所述第二表面之间。5.根据权利要求4所述的火工冲击模拟装置，其特征在于，所述滤波区由铝合金材料或复合材料制成；所述板芯的蜂窝结构由多个正六边形结构组成。6.根据权利要求1所述的火工冲击模拟装置，其特征在于，所述试验板的放大区由金属材料制成，所述放大区包括第一端和第二端，所述放大区的第一端的厚度大于所述放大区的第二端的厚度。7.根据权利要求6所述的火工冲击模拟装置，其特征在于，所述放大区的第一端与所述滤波区通过焊接、胶接或螺栓连接的方式连接；所述放大区的第二端与所述安装区通过焊接、胶接或螺栓连接的方式连接。8.根据权利要求1所述的火工冲击模拟装置，其特征在于，所述安装区用于可拆卸地固定所述被测试件，且使得所述被测试件能够固定于所述安装区的不同位置。9.根据权利要求1所述的火工冲击模拟装置，其特征在于，所述波形发生器包括：锥形杆，所述锥形杆包括第一端和第二端，所述锥形杆的第一端的截面积大于所述锥形杆的第二端的截面积，所述锥形杆的第二端固定于所述滤波区；吸收层，所述吸收层覆盖于所述锥形杆的第一端的表面上；以及约束层，所述约束层覆盖于所述吸收层上。10.根据权利要求9所述的火工冲击模拟装置，其特征在于，所述锥形杆由金属材料制成；所述吸收层为黑漆层、黑胶带或者铝箔；所述约束层为去离子流动水层或者玻璃层。

百度查询： 清华大学 一种火工冲击模拟装置

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