基于最大响应峰值加速度的冲击试验能力验证设计

张宗取，廖国清，陈宇军，郑子迎，胡凯，苏淑华（威凯检测技术有限公司，广州 510663）

引言

能力验证是利用实验室间的比对，按照预先制定的准则评价参加者能力的一项活动[1]。参加能力验证活动可帮助实验室发现日常测试存在的问题，是实验室提高技术能力和水平并维持其有效性的重要途径，是实验室内部质量控制程序的重要补充，有着不可替代的作用。

目前，环境试验领域国内能力验证开展较多的是高低温、盐雾试验等项目，冲击试验能力验证在国内外未有开展，主要是存在能力验证方法的选择、能力验证样品的设计等方面的难点有待攻克。

冲击试验的目的主要是通过模拟产品经受规定的试验严酷等级，评估产品结构和功能承受冲击的能力[2]。冲击试验的模式是在一个极短时间（ms级）内将外力脉冲通过规定的安装路径施加到产品上，产品经受冲击激励后，系统状态会发生突变并产生冲击响应，冲击响应的最大加速度发生在极短的某一时刻点，产品系统内部的构件在这一时刻将承受最大的机械应力，故冲击响应的最大加速度是诱发产品结构和功能失效的根本原因。本文创新性的提供了基于最大冲击响应峰值加速度的冲击试验能力验证方法及能力验证样品设计思路，通过定量结果能客观地评价实验室的水平，进而对试验过程进行改进，提升行业水平。

1 冲击试验能力验证设计原理

可以认为加速度冲击响应谱是对一个给定的无阻尼质量-弹簧系统进行规定冲击激励下作为该系统共振频率的函数对应下的最大响应加速度，不同的共振频率会导致不同的冲击响应特性。如图1所示，质量m决定了共振频率（f1、f2、f3等），系统经受一个规定的脉冲波形的冲击激励，会产生不同的冲击响应加速度。

图1 包含振荡系统的框架或盒子，其中f1、f2、f3为共振频率

GB/T 2423.5-2019《环境试验第2部分：试验方法试验Ea和导则：冲击》包括了半正弦波、后峰锯齿波和梯形波三种波形，实际试验中，电工电子产品最常用的是半正弦波，半正弦脉冲适用于“线性系统”产品的冲击模拟，如电工电子元器件型弹性结构的撞击。因此，本次能力验证设计采取的冲击脉冲波形为半正弦波。冲击脉冲的峰值加速度（A）表示施加给产品冲击应力的大小，由于产品的结构大都是线性系统，产品受冲击激励后所产生的响应加速度与激励加速度是成比例的。一般峰值加速度越大，对产品的破坏强度越大。冲击脉冲的持续时间（D）对产品的影响较复杂，它对冲击试验结果的影响程度与被试系统的固有频率（fn）有关。如图2所示，对半正弦波，当fn·D<0.3时，冲击响应加速度随着fn·D的增大而增大，但最大冲击响应加速度不大于冲击激励的峰值加速度；当0.3≤fn·D<3时，冲击响应加速度将超过冲击激励的峰值加速度。而且，在fn·D＝0.7附近，会出现冲击响应的最大加速度Amax，理论上对半正弦冲击脉冲在无阻尼时为冲击激励峰值加速度的1.78倍；当fn·D>3时，冲击响应加速度与冲击激励的峰值加速度相同。可见，对同一种脉冲，如脉冲持续时间不同，对相同的产品所造成的冲击影响也不相同[3]。

图2 对称半正弦脉冲的冲击响应谱图

综上所述，本次能力验证设计确定输入的条件为半正弦波，规定的峰值加速度（A）及持续时间（D），以“最大冲击响应峰值加速度”作为检测参数，以此评价参加实验室的能力。

2 冲击试验能力验证样品设计及制备

样品设计与制备是能力验证的关键环节之一，实施机构要确保每个参加者都收到具有可比性的能力验证样品，并且这些能力验证样品在整个能力验证过程中应保持稳定。

2.1 冲击试验能力验证样品设计所考虑的关键点

2）样品在指定点应具有唯一的共振频率fn，当按照规定的试验条件在垂直方向上进行冲击时，通过传感器可监测到最大的峰值冲击响应加速度。

3）样品结构应简单稳定，在实验室间循环往复寄送时运输环境对其结构影响小。为确保量值准确传递到样品，应尽可能减少样品与试验台之间转接，考虑与试验台通过足够数量螺栓直接连接紧固。

4）样品表面有能紧固安装传感器的位置，对粘贴的监测传感器位置和质量偏差敏感度较低。

基于上述考虑，设计结构图如图3所示。

图3 冲击试验能力验证样品设计图

2.2 冲击试验能力验证样品制备的技术要求

1）材料选择

样品支座采用重量轻、刚度好、不生锈、易于加工的铝合金材料。支撑杆和砝码采用不锈钢材料，主要考虑样品反复使用时不易变形和不生锈的要求，且比重大可以减小样品体积；硬度高可以防止运输和使用过程中的碰撞变形。

2）精准加工

支撑杆和砝码是影响样品共振频率的关键部件，样品加工工艺要求如下：

支撑杆加工尺寸精度：+0.02 mm；

砝码的重量误差控制+2 g之内。

以上两者的加工误差均设计为正偏差，目的是根据样品实测结果便于修正。

3）安装控制

样品部件的所有连接均采用螺钉连接，没有采用焊接工艺，这样可有效的防止部件变形和有害应力。

如图4所示，冲击试验样品通过对样品的整体设计、材料选择、精准加工、安装控制，竭力保证样品反复使用并具有一致性和稳定性的技术要求。且样品结构设计巧妙，可方便的通过更换配重改变样品的共振频率fn，从而改变输出的冲击响应峰值加速度的大小。实施能力验证活动时可提供不同特性值的两种样品，防止实验室间串通或以历史记录作为测试结果的弄虚作假行为。

图4 冲击试验能力验证样品图

3 冲击试验条件选择及结果验证

本次能力验证设计依据GB/T 2423.5-2019 《环境试验第2部分：试验方法试验Ea和导则：冲击》选择了合适的试验严酷等级，确定峰值加速度A为15 g，脉冲持续时间D为11 ms，如果选用太大的试验量级则会给样品累积疲劳损伤，不利于试验样品多次使用。

从上述叙述可见：当系统的阻尼为“0”时，冲击激励将使样品产生最大冲击响应应力。在对产品进行抗冲击设计时，可以将此作为抗冲击设计要求的上限。但是实际的系统都有阻尼，阻尼能够降低脉冲持续时间内的响应，衰减系统内部部件的响应峰值[4]。如图5所示，从测量结果可以看出，实际响应峰值加速度（21.6 g）为激励脉冲峰值加速度（15 g）的1.44倍。冲击试验样品监测只出现1个峰值，避免了多个峰值的相互影响，有利于实验室间的测量结果比较，因此，本次冲击试验能力验证样品符合设计的要求。

图5 冲击试验结果图谱

4 结术语

能力验证对于提高实验室技术能力具有重要作用，目前已得到各行业的广泛重视。因此，需要开发更多新领域的能力验证计划以满足实验室、管理机构的需求。本文结合冲击试验的特点，重点对冲击试验的设计原理及样品设计要点进行了分析和探讨，提出了创新的设计方案，并对设计方案进行了验证，表明基于最大冲击响应峰值加速度的冲击试验能力验证设计是合理、有效的。希望能为同行开展冲击试验能力验证提供参考，促进冲击试验能力验证的开展，持续提升实验室的检测水平。