冲击

因力、位置、速度和加速度等参量急剧变化而激起的系统的瞬态运动。其特点是冲击激励参量的幅值变化快,持续时间短(同系统的固有周期相比),频率范围宽。在物体碰撞、炸药爆炸、地震等过程中都会产生冲击。冲击作用在结构上会产生幅值很大的加速度、应力或应力波,可导致结构破坏或使仪器设备失效。冲击也会引起人体组织器官的损伤。因此,在系统设计时必须考虑冲击的影响,必要时可采取隔离或吸收冲击的措施。但冲击也有可以利用的一面,如机械中应用的高速锻锤和建筑工业中应用的气动打夯机,都是利用冲击在极短时间内传递能量并产生很大的冲击力。

冲击分类

按激励参量的时域波形特性可分为三种:

(1)脉冲型冲击。这种冲击的激励参量的瞬时值在极短时间内由平衡位置上升到最大值,然后又下降到平衡位置(图1a)。

图

可用数学式描述的理想化的脉冲型冲击的波形有半正弦波、梯形波、钟形波、三角波或锯齿波等。货物包装箱在运输、装卸过程中由于碰撞、跌落而受到的冲击多属脉冲型。

(2)阶跃型冲击。这是参量幅值由平衡位置急剧改变到新的位置所形成的冲击(图1b)。理想化的阶跃型冲击改变参量位置所需时间为零。实际阶跃型冲击所需时间多为微秒级到毫秒级。多级火箭在分级时,由于抛弃前级,质量突然减少,因而就会产生加速度阶跃。

(3)复杂冲击,又称瞬态振动。其波形是往复振荡型的,往往难以用数学式表达(图1c)。飞机、导弹和舰船内部的仪表设备所受到的间接的(经过蒙皮、隔框、支架等传递的)冲击多属此类。

冲击的描述

有两种方法:

(1)描述冲击波形本身的固有特性。可在时域内用波形的形状、峰值、脉冲宽度(即持续时间)等参量描述,这种描述适用于简单脉冲型冲击;也可在频域内用傅里叶谱求出冲击的主要频率分量和频率范围,这种描述既适用于简单脉冲型冲击也适用于复杂脉冲型冲击。图 2为半正弦脉冲及其傅里叶幅值谱。

(2)描述冲击对系统的作用效果。可采用冲击响应谱(简称冲击谱),即无阻尼的或有阻尼的单自由度系统对作用在系统基座上的冲击的响应峰值同该系统固有频率的函数关系。冲击谱又可细分为:仅在作用期间获得的冲击谱称为初始冲击谱(简称主谱);在冲击作用之后获得的冲击谱称为剩余冲击谱(简称余谱);主谱和余谱中取最大值后形成的冲击谱称为最大谱。图 3为半正弦脉冲作用于无阻尼单自由度系统后得到的冲击谱。

图2 图3

冲击谱的概念提出较早,由于它比较简单,而且很多系统在一定程度上可以当作单自由度系统,所以可以通过冲击谱了解机器设备因受冲击而破坏的程度,因此冲击谱至今仍是研究冲击的重要工具。但它没有考虑到相位因素,提供的只是一种不完整的信息。

参考书目
  1. C.M.Harris and C.E.Crede, Shock and Vibration Handbook,2nd ed., McGraw-Hill,New York,1976.
  2. C.T.Morrow, Shock and Vibration Engineering,Vol.1,John Wiley & Sons,New York,1963.

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