动态环境下铝蜂窝压缩冲击试验方法研究

陈爱军，赵 翔，廖良全

(中航工业直升机设计研究所，江西景德镇 333001)

0 引言

铝蜂窝材料是某登陆缓冲器内部构成的关键吸能部件，通过受压缩变形做功来吸收能量，从而有效地减少某登陆主体装置受到的冲击载荷。铝蜂窝结构具有质量轻、平压受载平稳、缓冲吸能性能好等优点［1-2］。在国内，一些学者已开展了冲击压缩试验研究，如陈金宝博士使用高空冲击平台自由落体，撞击固定在试验台下方的铝蜂窝试样，从而测试铝蜂窝的缓冲性能［3］，该试验方法中的试验件是在静止状态下获得冲击载荷(见图1)，没有能够模拟试验件在登陆的动态环境获得冲击载荷的实际工况。本文提出一种新型试验方法，实现了对试验件在模拟运动环境中进行冲击压缩。本文对试验原理和相关重要参数设计等方面进行了说明，并对吸能铝蜂窝进行了实测，试验获得满意的结果。

1 试验方法设计

本试验模拟了铝蜂窝在运动的缓冲器里面受压吸能的动态环境，试验件为“活塞筒”型式的缓冲器，活塞筒内装有2～4个铝蜂窝材料试件。整个试验系统(参见图2)由运动环境装置、加载载荷配重、缓冲装置和测量记录仪器设备四个部分组成。运动环境装置包括吊篮(吊篮由可移动式挂耳、炸弹挂钩和电动葫芦组成)、运动导轨、起吊装置(起吊之前必须将可移动式挂耳移到吊篮重心处，调整投放姿态，可以保证试验件在起吊后处于垂直安装状态)，加载载荷配重包括缓冲器及配重块，缓冲装置指橡胶板和液压吸能装置，测量记录仪器设备包括ICP加速度传感器、位移传感器、调制解调器、应变片、数据采集设备、高速摄像机等。

根据试验要求，在满足加载配重质量为m=310.2kg，在速度 v0=4.4m/s 时铝蜂窝受到规定的冲击载荷(要求冲击加速度波形为三角波，输入载荷设计为10.71±0.51G，脉宽设计为 80 ～100ms，参见图3)等条件下研究铝蜂窝的压缩吸能性能，试验装置具体如图1所示(缓冲器下端固定在冲击平台的吊篮上)。

图1 静态环境铝蜂窝冲击试验图［3］

试验过程模拟某设备登陆时的真实情况，最后通过对比输出加速峰值与输出加速度均值大小和曲线的形状等数据判断铝蜂窝的压缩吸能性能，从而为铝蜂窝规格的选择提供依据。

图2 动态环境铝蜂窝冲击试验示意图

2 试验方法对试验结果的影响及数据分析

2.1 液压吸能装置调节对试验的影响

液压阻尼吸能装置是冲击环境中的重要部分，在冲击动力学领域具有极其重要的地位。该装置利用液压吸能原理，将试验件按照实际装机的情况安装在刚性试验吊篮上，根据要求的坠落速度，提升到一定高度后释放，使试验件及吊篮一起自由坠落，吊篮下部的活塞杆进入液压吸能系统。通过液压吸能系统内节流孔的开孔面积及位置调节阻尼，达到铝蜂窝材料试件吸收能量的目的，用吸能过程产生的要求的波形来考核试验件的各项性能。通过调整液压吸能装置侧面开孔面积和开孔位置，系统能产生半正弦、三角波、梯形波等各种波形，可以提供最大80g的加速度，波形脉冲时间宽度30ms至300ms。

试验重点是要求试验件受到的冲击加速度波形为三角波，输入载荷设计为10.71±0.51G，脉宽设计为80～100ms，液压吸能装置能够通过调节侧面开孔面积和开孔位置满足试验的要求，x轴与y轴相互关联可由液压系统调节控制，且总三角波积分面积相等。

图3 冲击脉冲图

图4 第一组冲击试验输入加速度曲线

根据试验冲击载荷的需要，通过活塞杆头截面和直径、液体吸能系统侧面开孔面积等参数的控制，在试验总装置重量M和投放高度H计算确定的情况下，以加速度为测量对象，可调得图4中的冲击脉冲图，输入加速度峰值为 10.42G，脉宽为 0.09s，完全满足要求冲击加速度三角波，精度在5%以内。

2.2 吊篮的高度和配重调节对试验的影响

吊篮的投放高度和吊篮配重是该试验的重要参数，影响试验件在冲击环境下配重吊篮的瞬时速度v0和施加于试验件上的冲击载荷大小［4］。因为试验件数量有限且不能重复利用，所以必须将整个吊篮的配重计算和称量准确，而且在投放之前调节好重心位置，准确计算好投放高度。

根据能量守恒定律可推导出:

式1中，v表示铝蜂窝受载压缩时吊篮的瞬时下沉速度，模拟真实工作状态所要求的在指定速度v0下进行缓冲器受载的配重吊篮的瞬时速度，a为吸能过程中瞬时垂直加速度;式2中H为吊篮的投放高度;式3中S为吸能过程中吊篮的瞬时位移。

2.3 试验数据测试采集和处理方法对试验的影响

试验中的数据采集和处理方法也是试验极其重要的一部分。输入冲击加速度峰值及脉宽由两个加速度传感器测得的数据经平均和时域光滑后得到，输出加速度由配重平台上两个加速度传感器测得的数据平均，然后对数据进行歧异点检查并剔除后得到，试验台缓冲行程由位移传感器测得的数据进行负向压缩量置零后得到。

吸收功量由下面的公式算出:

平均输出加速度为:

式中:a(t)为试验台输出加速度;s(t)为缓冲行程;m为配重重量。

2.4 试验数据结果分析

本次试验选用四组铝蜂窝按照上述方法进行动态压缩冲击试验。铝蜂窝材料是直径为100mm，高度为90～100mm的圆柱状试件，环形加载配重为310.2kg，投放高度H为1m。由于试验装置重复性好，误差小，因此本文列出4组铝蜂窝试验数据如表1所示。

以其中的一组铝蜂窝实测数据图做典型分析。其输入加速度曲线、输出加速度曲线、压缩量曲线和压缩量与输出加速度关系曲线分别如图5、图6、图7所示，图8是试验总体照片。

图5 典型的冲击试验输出加速度曲线

图6 典型的冲击试验压缩量曲线

表1 铝蜂窝冲击试验数据结果

图7 典型的冲击试验压缩量与输出加速度关系曲线

图8 试验总体照片

图5表明铝蜂窝受到载荷后开始压缩，输出加速度大小比较稳定，且从表1中的数据可知输出加速度峰值与输出加速度均值接近，由式(4)和式(5)说明此时铝蜂窝压缩变形吸能效果良好，达到预期目标。从图6可以看出，铝蜂窝从受载荷开始压缩变形，压缩量与时间几乎成线性关系，表明铝蜂窝受压变形量平稳，没有突变，这样的好处是保证设备在登陆时不会受到冲击造成仪器损坏，从图中可以看出铝蜂窝的最大的压缩量达到204.49mm。图7能够直观反映冲击试验压缩量与输出加速度关系曲线，压缩量从开始到最后，输出加速度变化不大，表明铝蜂窝受压后变形平稳，有利于设备仪器着陆时的安全。

从表1中的数据和时域曲线可知试验结果与预期设想相吻合，试验成功。

3 结论

通过试验研究及结果分析可以得知:

1)通过原理性的分析和对试验结果的分析，验证了本文所设计的试验方法和试验原理的正确性;

2)针对吸能铝蜂窝设计的动态压缩冲击试验方法满足了模拟冲击环境的要求，通过对冲击过程全程实测，反映出吸能铝蜂窝实际工作时的冲击压缩情况;

3)在国内首次运用液压装置成功实现了动态环境中对铝蜂窝施加特定波形冲击载荷的压缩吸能试验，为以后类似的试验提供了依据。

［1］Kolsjy H.The propagation of longitudinal elastic waves along a cylindrical bar［J］.Phil Mag Ser，1954，7(45):712-713.

［2］Zhang Baoping，Zheng Yuliu，Feng Xichun.Approximate analysis to the stress status of sample in Hopkinson bar test and its correction of inertia［J］.Journal of Beijing Institute of Technology(in Chinese)，1994，14(S1):23-29.

［3］陈金宝.月球着落条件对铝蜂窝材料缓冲性能的影响［D］.南京:南京航空航天大学航空宇航学院，2008.

［4］马晓青.冲击动力学［M］.北京:北京理工大学出版社，1992.204-207.