龔偉建，張海英，于明明

（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司金城南京機(jī)電液壓工程研究中心，南京 211106）

引言

目前，我國(guó)某些機(jī)型的機(jī)載設(shè)備有兼顧軍機(jī)民用的需求，這些設(shè)備的環(huán)境試驗(yàn)大綱要求按照GJB 150A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》與RTCA/DO-160G《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)方法》兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，然而GJB 150A 與DO-160G 對(duì)沖擊試驗(yàn)有著不同的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求?；诖爽F(xiàn)狀，探討GJB 150.18A 與RTCA/DO-160G 第7 章沖擊試驗(yàn)的差異，深入分析沖擊試驗(yàn)的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的各自特點(diǎn)和實(shí)施細(xì)則，對(duì)于指導(dǎo)軍機(jī)民用機(jī)載設(shè)備設(shè)計(jì)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 軍機(jī)與民機(jī)的環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)介紹

環(huán)境試驗(yàn)是人們進(jìn)行科學(xué)研究和產(chǎn)品研制、生產(chǎn)及評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)用的眾多試驗(yàn)中的一種[1]。沖擊試驗(yàn)它是指在極其短暫的時(shí)間內(nèi)給被試產(chǎn)品施加一個(gè)高量級(jí)的外力脈沖，從而評(píng)估其在儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用的壽命周期內(nèi)對(duì)沖擊環(huán)境的適應(yīng)性和耐受程度。對(duì)于機(jī)載產(chǎn)品而言，沖擊試驗(yàn)是驗(yàn)證其性能指標(biāo)的重要手段之一，作為環(huán)境試驗(yàn)中的重要一環(huán)，不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)沖擊試驗(yàn)的規(guī)定也各不相同。

就軍機(jī)的機(jī)載產(chǎn)品而言，沖擊試驗(yàn)環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)GJB 150A《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》。該標(biāo)準(zhǔn)是我國(guó)軍品研制生產(chǎn)中最重要、應(yīng)用最為廣泛的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于民機(jī)的機(jī)載產(chǎn)品而言，環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)RTCA/DO-160G《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)方法》。

2 GJB 150A 與DO-160G 沖擊試驗(yàn)差異性分析

軍機(jī)沖擊試驗(yàn)環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為：GJB 150.18A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第18 部分：沖擊試驗(yàn)》，下面簡(jiǎn)稱GJB 150.18A；民機(jī)沖擊環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為：RTCA/DO-160G《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)程序 第7 章 工作沖擊和墜撞安全》，下面簡(jiǎn)稱DO-160G 第7 章。GJB 150.18A 包含八個(gè)試驗(yàn)程序，它們分別是功能性能沖擊、需包裝的裝備、易損性、運(yùn)輸?shù)洹嬜舶踩?、工作臺(tái)操作、鐵路撞擊和彈射起飛和攔阻著陸。DO-160G 第7 章包含工作沖擊和墜撞安全。本篇文章僅對(duì)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的相同部分進(jìn)行對(duì)比分析。即GJB 150.18A 的功能性能沖擊與DO-160G 第7 章的工作沖擊兩兩對(duì)比，GJB 150.18A 的墜撞安全沖擊與DO-160G 第7 章的墜撞沖擊兩兩對(duì)比。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容分析

GJB 150.18A 中給予了兩種沖擊選擇，一是使用沖擊響應(yīng)譜進(jìn)行試驗(yàn)，這也是推薦的沖擊方法，另外一種是使用經(jīng)典沖擊脈沖進(jìn)行試驗(yàn)。選擇經(jīng)典沖擊脈沖的要求為：其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在經(jīng)典沖擊脈沖的允差之內(nèi)，否則不予采用[2]。而DO-160G 第7 章中同樣給予了兩種沖擊選擇，分別是沖擊響應(yīng)譜和經(jīng)典沖擊脈沖。兩者具體異同詳見(jiàn)表1、表2[2,3]。

表1 GJB 150.18A 與DO-160G 第7 章經(jīng)典沖擊脈沖對(duì)比

表2 GJB 150.18A 與DO-160G 第7 章沖擊響應(yīng)譜SRS 對(duì)比

DO-160G 第7 章中規(guī)定：如果要進(jìn)行墜撞安全試驗(yàn)，那么沖擊試驗(yàn)程序和持續(xù)載荷試驗(yàn)程序都應(yīng)進(jìn)行[3]。這是跟GJB 150.18A 又一不同之處。

此外GJB 150.18A 中沒(méi)有類似DO-160G 第7 章中持續(xù)載荷的內(nèi)容。因此將DO-160G 第7 章中持續(xù)載荷的內(nèi)容與GJB 150.15A 的加速度作對(duì)比，兩者的異同點(diǎn)可以見(jiàn)表3[2,3]。

表3 GJB 150.15A 墜撞安全加速度與DO-160G 第7 章持續(xù)載荷

對(duì)比試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，民機(jī)的持續(xù)載荷與軍機(jī)的墜撞安全加速度類似，兩者最大的差異一是體現(xiàn)在加速度方向的不同，DO-160G 中規(guī)定試驗(yàn)量級(jí)方向?yàn)檩d荷方向，是飛機(jī)的主正交軸方向，若使用離心機(jī)進(jìn)行持續(xù)載荷試驗(yàn)，則安裝的方向?yàn)檠貜较蜻h(yuǎn)離離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸心，載荷方向是與加速度方向?yàn)閮蓚€(gè)不同的概念。GJB 150.15A 中加速度方向是沿徑向指向離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸心，即載荷方向向外，加速度方向指向離心機(jī)中心。

第二點(diǎn)是試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)不同，民機(jī)標(biāo)準(zhǔn)要求至少3 s，軍機(jī)標(biāo)準(zhǔn)要求至少1min。這是兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的又一顯著差異之處。

2.2 差異總結(jié)

總的來(lái)說(shuō)，兩標(biāo)準(zhǔn)區(qū)別如下：

1）試驗(yàn)程序選擇優(yōu)先級(jí)不同

軍機(jī)標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)先使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定試驗(yàn)條件，沒(méi)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)推薦的沖擊響應(yīng)譜作為試驗(yàn)條件。軍機(jī)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)使用經(jīng)典沖擊脈沖有著嚴(yán)格要求，即：如果不能證明外場(chǎng)沖擊環(huán)境近似于經(jīng)典沖擊脈沖，一般不可使用經(jīng)典沖擊脈沖[2]。

相對(duì)比之下，民機(jī)標(biāo)準(zhǔn)直接給出經(jīng)典沖擊脈沖要求，雖然民機(jī)標(biāo)準(zhǔn)亦有可使用等效的沖擊響應(yīng)譜進(jìn)行試驗(yàn)的描述，但他對(duì)沖擊響應(yīng)譜并無(wú)詳細(xì)說(shuō)明，并不像GJB 150.18A 中給出推薦的沖擊響應(yīng)譜。

2）經(jīng)典沖擊脈沖區(qū)別

在經(jīng)典沖擊脈沖試驗(yàn)中兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在1、脈沖持續(xù)時(shí)間2、試驗(yàn)量值3、墜撞安全沖擊次數(shù)等三個(gè)方面有很大差異。兩者最顯著的差異就是在脈沖持續(xù)時(shí)間上。在2.3節(jié)我們將會(huì)做詳細(xì)分析。

3）墜撞安全試驗(yàn)區(qū)別

民機(jī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了墜撞安全試驗(yàn)中沖擊試驗(yàn)程序和持續(xù)載荷試驗(yàn)程序必須同時(shí)進(jìn)行。而軍機(jī)標(biāo)準(zhǔn)在墜撞安全試驗(yàn)中只需要進(jìn)行沖擊試驗(yàn)程序。

2.3 軍民機(jī)沖擊試驗(yàn)中經(jīng)典沖擊脈沖寬度分析

對(duì)比兩者標(biāo)準(zhǔn)，民機(jī)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)脈沖持續(xù)時(shí)間有著詳細(xì)的分類標(biāo)準(zhǔn)，即通過(guò)產(chǎn)品的最低共振頻率來(lái)確定，根據(jù)物體的固有頻率計(jì)算公式：

式中：

k—物體的剛度系數(shù)；

m—物體的重量，當(dāng)產(chǎn)品的剛度系數(shù)一定時(shí)，產(chǎn)品重量越大，其固有頻率越低。

又根據(jù)頻率與周期之間的關(guān)系式：

得到固有頻率高的產(chǎn)品，適合選用脈沖寬度短的試驗(yàn)條件，因此就不難理解160 G 中所規(guī)定的脈沖持續(xù)時(shí)間：按最低共振頻率確定，標(biāo)準(zhǔn)脈沖11 ms，另外一個(gè)為低頻20 ms 的脈沖，對(duì)于最低共振頻率低于100 Hz 的設(shè)備，選用持續(xù)時(shí)間為100 ms 的脈寬。

在軍機(jī)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于飛行器設(shè)備，只給了一個(gè)脈沖寬度11 ms，這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)產(chǎn)品一階固有頻率均在49 Hz 左右，根據(jù)環(huán)境試驗(yàn)的極值原理，故取11 ms。

但隨著現(xiàn)階段軍機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜，一階固有頻率是否在49 Hz 左右則需要進(jìn)行驗(yàn)證，因此軍機(jī)標(biāo)準(zhǔn)中的11 ms 脈沖寬度可能不適用于某些特殊產(chǎn)品，因此帶來(lái)此脈沖寬度不能模擬機(jī)上實(shí)際情況的問(wèn)題。筆者認(rèn)為能否在即將頒布的GJB 150B 中提出GJB 150.18A 中經(jīng)典沖擊脈沖寬度只有11 ms 的問(wèn)題。

對(duì)比這兩種標(biāo)準(zhǔn)，各有優(yōu)劣。民機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)中，由于脈沖帶寬需要根據(jù)產(chǎn)品的最低共振頻率來(lái)確定，更具科學(xué)性。軍機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)中，脈沖帶寬只有一種選擇，在可操作性上來(lái)講，比民機(jī)標(biāo)準(zhǔn)更有優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)階段在進(jìn)行民機(jī)的沖擊試驗(yàn)時(shí)，有的產(chǎn)品最低共振頻率小于100 Hz，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，此時(shí)就需要選擇100 ms 的脈沖寬度進(jìn)行試驗(yàn)，但是目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有能夠進(jìn)行100 ms 的沖擊試驗(yàn)設(shè)備，此時(shí)提出一種解決思路，能否使用其他脈沖的脈沖寬度，脈沖量值來(lái)替換100 ms 的沖擊呢？

3 展望

1）針對(duì)民機(jī)標(biāo)準(zhǔn)中要求：最低共振頻率小于100 Hz時(shí)需要選擇100 ms 的脈沖寬度進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，提出兩種解決思路：①利用等效技術(shù)即：將大的脈沖寬度轉(zhuǎn)換成小的脈沖寬度進(jìn)行試驗(yàn)。由于試驗(yàn)樣品的損傷及故障與它受激勵(lì)下產(chǎn)生的最大應(yīng)力直接相關(guān)，在試驗(yàn)室對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)使試驗(yàn)樣品造成的損傷及故障與沖擊環(huán)境的影響相當(dāng)，稱之為等效損傷模擬[4]。因此，可以以沖擊響應(yīng)譜作為沖擊試驗(yàn)依據(jù)，用最大相應(yīng)加速度相等來(lái)實(shí)現(xiàn)的等效關(guān)系。該方法是否可以通過(guò)仿真分析加試驗(yàn)驗(yàn)證的手段去進(jìn)行評(píng)價(jià)②研發(fā)新型的沖擊試驗(yàn)設(shè)備，盡可能滿足試件的高量值大脈寬沖擊試驗(yàn)，這是今后的又一解決辦法。

2）對(duì)于軍機(jī)民用的機(jī)載產(chǎn)品，就沖擊試驗(yàn)而言，筆者認(rèn)為需要分以下幾種情況去安排補(bǔ)充試驗(yàn)：

①對(duì)于最低共振頻率為低頻的產(chǎn)品：目前試驗(yàn)室對(duì)民機(jī)標(biāo)準(zhǔn)中低頻段的定義為（100~500）Hz，即對(duì)于最低共振頻率為（100~500）Hz 的產(chǎn)品，按20 ms 沖擊寬度進(jìn)行試驗(yàn)；

②對(duì)于最低共振頻率大于500 Hz 的產(chǎn)品：直接采信軍機(jī)試驗(yàn)結(jié)果，若有墜撞安全試驗(yàn)，則增加持續(xù)載荷試驗(yàn)即可；

③對(duì)于最低共振頻率小于100 Hz 的產(chǎn)品：若有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可使用等效的沖擊響應(yīng)譜進(jìn)行試驗(yàn)，若無(wú)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，則需要利用等效技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。

4 總結(jié)

本文總結(jié)了軍機(jī)、民機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的沖擊試驗(yàn)中的具體差異，對(duì)軍民機(jī)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的脈沖帶寬作了分析，并對(duì)機(jī)載產(chǎn)品軍轉(zhuǎn)民用提供了思路。對(duì)于目前越來(lái)越多的軍機(jī)民用產(chǎn)品，應(yīng)盡快將軍機(jī)、民機(jī)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法作差異總結(jié)，為相關(guān)從業(yè)人員提供參考和指導(dǎo)。