高加速度（高g值，1g＝9.8m/s2）沖擊過載是一種極端條件下的物理現(xiàn)象，其產(chǎn)生的加速度往往達數(shù)百g，甚至高達驚人的20萬g以上。這種極端沖擊環(huán)境主要出現(xiàn)在一系列高能量、高速度的場景中，諸如火工品爆炸、發(fā)動機點火、高速氣動與大氣再入過程，以及汽車和高速列車的劇烈碰撞、沖壓鍛造、沖模沖孔、沖擊鉆探等過程。更為關鍵的是，它在軍事領域也扮演著至關重要的角色，如火箭彈、導彈、巡航導彈、穿甲彈、半穿甲彈和侵徹彈等高速侵徹硬目標的過程中。這些領域不僅關系到國家的科技進步，更是航空、航天、武器裝備及國防科技等核心領域的重要支撐。因此，對高加速度沖擊激勵與試驗技術的深入研究是沖擊動力學的研究方向之一，也始終占據(jù)著該領域的科研前沿，這對于推動我國在相關領域的發(fā)展具有極其重要的戰(zhàn)略意義。
高加速度沖擊過載環(huán)境的獨特特征是過載加速度峰值驚人、脈沖作用時間短暫、破壞力巨大且響應機制極為復雜，對置身其中的元器件及其系統(tǒng)的結構可靠性與安全性、性能穩(wěn)定與持久性等方面提出了嚴苛的要求。這對科研人員開發(fā)和優(yōu)化此類元器件及系統(tǒng)構成了巨大的挑戰(zhàn)。以硬目標侵徹武器的研發(fā)為例，為確保侵徹武器的結構設計合理、性能達標、可靠性經(jīng)受住考驗，需對炸藥的效能進行精確檢測，確保炸點控制系統(tǒng)符合戰(zhàn)術技術要求，并驗證炸藥在高過載環(huán)境中的安全性和可靠性。這一過程中，選擇合適的試驗裝置、確定有效的試驗方法、研究先進的測試技術及校準系統(tǒng)等，進行多種類、多批次、重復性的模擬試驗變得至關重要。因此，通過實驗室模擬高加速度沖擊過載環(huán)境成為了科研人員不可或缺的研究手段。
經(jīng)過多年的深入研究和實踐探索，高加速度沖擊過載激勵與試驗技術已取得了顯著的進步。然而，仍有一些關鍵技術環(huán)節(jié)需要進一步研究和突破，比如如何研發(fā)出試驗范圍更廣、可靠性更高、成本更低的沖擊加速度脈沖環(huán)境激勵技術。這不僅是科研領域的重要課題，更是推動相關領域技術發(fā)展的關鍵所在。
本書是在綜合作者多年實踐成果的基礎上，結合最新書籍和期刊論文的研究成果精心編寫而成的。我們期望本書能為高加速度沖擊領域的科研人員、高校師生提供有價值的參考與幫助，推動該領域的進一步發(fā)展。本書共分7章：
第1章為緒論，引領讀者踏入高加速度沖擊過載環(huán)境激勵與試驗技術的廣闊領域，全面勾勒其基本概念、發(fā)展歷程、研究意義及當前面臨的挑戰(zhàn)。通過深入淺出的介紹，為后續(xù)章節(jié)奠定堅實的理論基礎與探索框架。
第2章聚焦于沖擊過程的時域特征，系統(tǒng)剖析了多種理想沖擊加速度波形函數(shù)的數(shù)學表達與物理含義。通過嚴謹?shù)睦碚撏茖�，深入探討了沖擊過程中的位移、速度、加速度、脈寬及速度變化量的動態(tài)變化規(guī)律，輔以實際高加速度沖擊案例，直觀展示沖擊信號的時域特性。同時，引入時域矩分析方法，為深入理解沖擊響應特性提供新視角。
第3章深入高加速度沖擊信號的頻域世界，全面解析傅里葉譜、能量譜、沖擊響應譜及獨特的偽速度譜等關鍵概念。通過對比分析常見理想高加速度沖擊加速度信號的頻譜特性，揭示了沖擊響應譜的計算精髓與數(shù)值處理的微妙之處。尤為值得一提的是，本章深入探討了偽速度譜在評估被試件失效機理中的應用價值，以及影響其精度的多種因素，為優(yōu)化沖擊試驗設計提供了科學依據(jù)。
第4章系統(tǒng)性地梳理了高加速度沖擊試驗的國際、國內標準及其發(fā)展歷程，展示了當前主流的高加速度沖擊試驗設備與技術方法。通過對比分析不同試驗設備的特點與應用范圍，為讀者選擇適合的試驗方案提供了實用指南。
第5章針對輕小被試件的特殊需求，創(chuàng)新性地提出了基于多物體碰撞速度放大原理的高加速度沖擊激勵技術。詳細闡述了基于一級速度放大器的試驗方案設計、設備研制及成功案例，展示了該技術在提升沖擊效能、降低試驗成本方面的顯著優(yōu)勢。
第6章則聚焦于大質量、大體積被試件的高加速度沖擊激勵挑戰(zhàn)，介紹了氣體炮技術、沖擊氣缸技術等傳統(tǒng)方法在大負載場景下的應用。更為重要的是，基于空氣炮原理，創(chuàng)新性地提出了一種新型大負載高加速度沖擊激勵技術，并成功研制出相應試驗設備，取得了很好的實際效果。
第7章深入探討了高加速度沖擊試驗中的波形調整技術，包括Hopkinson壓桿與跌落沖擊激勵中的波形整形方法。特別地，詳細闡述了橡膠型波形整形器的設計思路，為解決高加速度、長脈寬激勵技術難題提供了新思路。
本書的第1、2、4三章主要由重慶城市職業(yè)學院李陽博士執(zhí)筆，其余章節(jié)均由重慶文理學院段正勇博士執(zhí)筆，并完成統(tǒng)稿工作。在本書的仿真分析中，得到了段正勇博士的研究生馬健程碩士的大力支持。同時，在漫長的研究歷程中，我們得到了多方的大力幫助和支持。西安交通大學趙玉龍教授以其深厚的學術造詣和獨到的見解，為我們提供了寶貴的指導和建議。南陽理工學院、蘇州東菱振動試驗儀器有限公司以及重慶文理學院等單位的領導和同事們也給予了熱情的幫助和支持，為本書的完成提供了諸多便利，在此表示衷心的感謝。
特別值得一提的是，我們的家人也給予了極大的支持和理解。在繁忙的工作之余，她們承擔了更多的家庭勞動和孩子的教育任務，讓我們能夠全身心地投入研究和寫作中。她們的付出和犧牲，是我們能夠順利完成本書的重要保障。在此，我們向所有給予支持和幫助的家人表示衷心的感謝和深深的敬意。
由于作者學識和能力所限，本書中的某些內容可能尚顯稚嫩，甚至可能存在疏漏或謬誤。我們深知學術研究的道路永無止境，真誠地希望廣大讀者能夠不吝賜教，對書中的不足之處提出寶貴的批評和建議。您的賜教將是我們不斷進步的重要動力，也是我們不斷完善和提高的寶貴財富。在此，我們衷心感謝每一位讀者的關注和支持，期待與您共同推動相關領域的研究和發(fā)展。
段正勇
2024.10
段正勇，工學博士，重慶文理學院高級工程師、碩士生導師，四川蓬溪人。本碩畢業(yè)于西安石油大學，博士畢業(yè)于西安交通大學。歷任西安石油大學、南陽理工學院教師，曾在蘇州東菱振動試驗設備有限公司博士后工作站工作。長期從事信號分析處理、控制工程等課程教學，主要研究領域為沖擊動力學，聚焦高加速度沖擊激勵與試驗技術，同時開展石油鉆采設備及機械創(chuàng)新設計研究。累計發(fā)表論文40余篇（SCI收錄10余篇），獲授權專利10余項，出版教材、譯著、專著各1部�？蒲许椖拷�(jīng)驗豐富，參與國家863計劃、重大專項子課題，主持/參與省部級縱向項目十余項，承擔企業(yè)橫向課題多項，累計科研經(jīng)費逾600萬元。研究成果在高加速度沖擊試驗技術領域具有較高應用價值，學術與實踐成果兼?zhèn)洹?/p>
第1章 緒論 1
1.1 高加速度沖擊的基本概念 1
1.2 常見的高加速度沖擊現(xiàn)象 3
1.3 高加速度沖擊的利用與防護 5
1.3.1 高加速度沖擊的利用 6
1.3.2 高加速度沖擊的緩沖或隔離 8
1.4 高加速度沖擊的重要性及其研究方法 9
1.4.1 理論研究 9
1.4.2 仿真分析 13
1.4.3 試驗研究 15
第2章 高加速度沖擊過程時域描述與分析 18
2.1 基本概念與參數(shù)定義 18
2.2 常用理想沖擊加速度波形函數(shù)與近似表達 22
2.2.1 沖擊加速度函數(shù)與波形 23
2.2.2 沖擊過程分析 29
2.2.3 無量綱速度表達 32
2.2.4 無量綱位移表達 33
2.3 沖擊脈沖的速度變化量 39
2.3.1 理想沖擊加速度脈沖的速度變化量 40
2.3.2 實測沖擊加速度脈沖速度變化量的獲取 41
2.4 時域矩分析 42
第3章 高加速度沖擊過程的頻域描述與分析 45
3.1 傅里葉頻譜與能量譜分析 45
3.1.1 半正弦理想沖擊加速度脈沖的頻譜 45
3.1.2 常見理想沖擊加速度脈沖的傅里葉幅值譜特性 46
3.1.3 實測高加速度沖擊加速度及傅里葉幅值譜特性 50
3.1.4 能量譜密度分析 52
3.2 沖擊響應譜 52
3.2.1 沖擊響應譜的引入 52
3.2.2 SRS 定義 53
3.2.3 SRS 基本理論 55
3.3 SRS 的數(shù)值計算方法 57
3.3.1 Smallwood 方法簡介 57
3.3.2 基于二次插值的遞歸算法 58
3.3.3 SRS 計算中的參數(shù)選擇 60
3.3.4 SRS 計算的數(shù)據(jù)準備合理性檢測及注意事項 61
3.3.5 SRS 的非唯一性 62
3.4 SRS 的形式及無量綱表達 63
3.4.1 不同形式的SRS 63
3.4.2 理想沖擊加速度脈沖SRS 的無量綱表達 64
3.5 常見沖擊信號無量綱AASRS 及特征 64
3.5.1 理想沖擊加速度脈沖的無量綱AASRS 及特征 64
3.5.2 理想沖擊加速度脈沖的無量綱SRS 比較 69
3.5.3 沖擊加速度幅值與脈寬對最大正SRS 的影響 70
3.5.4 實測沖擊加速度脈沖的AASRS 72
3.6 偽速度譜 73
3.6.1 偽速度譜的計算 73
3.6.2 PVSRS 的4CP 圖 74
3.6.3 經(jīng)典沖擊加速度脈沖的4CP PVSRS 74
3.6.4 4CP PVSRS 與被試件損傷機理 78
3.6.5 沖擊加速度脈沖峰值與脈寬對4CP PVSRS 的影響 81
3.6.6 阻尼對4CP PVSRS 的影響 83
3.6.7 實測高加速度信號的PVSRS 84
第4章 高加速度沖擊試驗規(guī)范 86
4.1 標稱沖擊加速度脈沖與試驗規(guī)范 86
4.1.1 GB/T 2423.52019、IEC 60068-2-27：2008 標稱沖擊脈沖 87
4.1.2 GJB 150.18A2009 標稱沖擊脈沖 89
4.1.3 GJB 360B2009 的標稱沖擊加速度脈沖及容差 90
4.1.4 波形參數(shù)及嚴酷等級的選擇 91
4.2 等效損傷原則 92
4.3 基于SRS 的試驗規(guī)范 93
4.4 沖擊試驗規(guī)范制定的注意事項 94
4.4.1 鑒定試驗與驗收試驗 94
4.4.2 多次、多方向試驗問題 95
4.4.3 關于加速沖擊試驗問題 95
4.5 高加速度沖擊試驗設備 96
4.5.1 跌落沖擊 96
4.5.2 擺錘沖擊 99
4.5.3 Hopkinson 壓桿沖擊 99
4.5.4 諧振模擬沖擊 106
4.5.5 靶場侵徹試驗 107
4.5.6 各種沖擊試驗對比 108
第5章 輕小器件高加速度沖擊激勵技術 110
5.1 碰撞速度放大器原理 111
5.1.1 常見的碰撞接觸力學理論 111
5.1.2 基于Newton 經(jīng)典接觸理論的物體碰撞 117
5.2 基于一級速度放大器的輕小器件高加速度沖擊加速度脈沖激勵技術 123
5.2.1 組成與原理 123
5.2.2 沖擊動力學分析 125
5.2.3 典型設計 132
5.2.4 理論驗證 140
5.2.5 仿真研究 141
5.2.6 樣機實測 144
5.2.7 驗證測試 144
5.3 理想和實測脈沖的比較 152
5.4 用于高加速度沖擊加速度脈沖激勵的二級速度放大器 156
第6章 大負載高加速度沖擊激勵技術 159
6.1 氣體炮高加速度沖擊激勵 159
6.1.1 一級氣體炮組成與原理 159
6.1.2 一級氣體炮關鍵參數(shù)設計與分析 160
6.1.3 氣體炮高加速度沖擊激勵技術應用特點 170
6.2 基于沖擊氣缸的高加速度垂直沖擊激勵 170
6.2.1 沖擊氣缸原理 170
6.2.2 關鍵參數(shù)估算與分析 175
6.2.3 基于氣缸的氣動高加速度沖擊激勵 177
6.3 空氣炮技術 179
6.3.1 空氣炮的工作原理 180
6.3.2 空氣炮基本參數(shù)分析 182
6.3.3 空氣炮快排閥門 187
6.3.4 中間貫通型空氣炮 188
6.4 基于空氣炮的高加速度沖擊激勵 190
6.4.1 驅動能量估算 192
6.4.2 空氣炮驅動系統(tǒng)重要參數(shù)分析 192
6.4.3 基于空氣炮的高加速度沖擊激勵工程設計 197
6.4.4 樣機實測 197
第7章 高加速度沖擊加速度波形整形技術 202
7.1 Hopkinson 壓桿中的高加速度脈沖波形整形技術 203
7.1.1 波形整形器的理論基礎 203
7.1.2 ANSYS LS-DYNA 的仿真分析設置 207
7.1.3 基于波形整形器的整形仿真 209
7.1.4 基于撞擊桿的整形仿真 211
7.1.5 Hopkinson 壓桿的沖擊脈沖整形總結 214
7.2 跌落沖擊激勵中的脈沖波形整形 214
7.3 橡膠通用波形整形器設計基礎 219
7.4 高加速度長脈寬激勵技術探討 221
7.4.1 等壓式大負載長脈寬沖擊緩沖器 222
7.4.2 液壓爆炸模擬器 223
7.4.3 基于彈性繩或尼龍帶的長脈沖激勵技術 224
7.5 高加速度沖擊加速度波形整形實例 225
參考文獻 227
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