冲击响应谱及冲击等效分析

根据冲击响应谱(SRS )确定产品冲击脆值新概念宋宝丰(株洲工学院湖南株洲　412008)[摘要]　实践证明,缓冲设计五步法存在保守因素,尤其在确定产品冲击脆值时更为突出,最终致使包装结构为过度包装。

现提出根据实际输入激励下冲击响应谱(SRS )确定新的产品冲击脆值概念,此概念可为缓冲包装设计克服上述弊端提供一个可行方法。

关键词:冲击响应谱;缓冲包装设计;产品冲击脆值中图分类号:TB487　文献标识码:B 文章编号:1001-3563(2004)01-0016-02The N e w Concept of Determining Product Shock Fragility B asedon Shock R esponse Spectra (SRS)SON G Bao -feng(Zhuzhou Institute of Technology ,Zhuzhou 412008,China )Abstract :It was demonstrated that cushioning design 5steps method has some conservative factors ,especially when used to decide the product shock fragility and led to overpackaging at last.The new concept of product Shock fragility determined by shock response spectra (SRS )according to practical input impulses was put forward and this concept can provide an available approach to overcome the malady.K ey w ords :SRS ;Cushioning packaging design ;Product shock fragility收稿日期:2003-12-04作者简介:宋宝丰(1940-),上海人,硕士,株洲工学院教授,主要研究方向为运输包装及结构设计等。

结构材料的冲击响应与耐久性分析结构材料是建筑、桥梁、飞机等工程领域中不可或缺的重要组成部分。

在实际应用中，结构材料必须具备足够的强度和耐久性，以应对各种冲击和外力的作用。

本文将重点讨论结构材料在冲击响应和耐久性方面的分析研究。

一、冲击响应分析冲击是指突然加在物体上的瞬时外力，它可能对结构材料造成严重的破坏。

因此，了解冲击响应是设计与评估结构材料性能的关键。

冲击响应分析通常通过模拟和实验来完成。

数值模拟方法是目前常用的手段之一，例如有限元法。

通过建立合适的数学模型，可以预测和评估冲击载荷下结构材料的位移、应力和应变分布情况。

这有助于工程师们对结构的冲击响应进行量化和优化设计。

另一种常用的冲击响应分析方法是实验测试。

通过在实验室中对材料进行冲击试验，可以直接观察和测量材料的变形和破坏情况。

实验测试提供了真实且可靠的数据，对于验证和修正数值模拟方法具有重要意义。

二、耐久性分析耐久性是指结构材料在长期使用和恶劣环境下的性能稳定性。

耐久性问题对于结构材料的可靠性和寿命具有重要影响。

在耐久性分析中，需要特别关注材料受氧化、腐蚀、湿度等因素的影响。

这些因素可能导致材料的劣化、损伤和失效。

因此，了解结构材料在不同环境条件下的耐久性是非常重要的。

耐久性分析通常包括实验室试验和现场监测两种方法。

实验室试验可以模拟和加速材料在不同环境条件下的老化过程，以评估其耐久性能。

现场监测则通过对实际结构进行长期观察和记录，以获得材料在真实环境中的耐久性数据。

三、结构材料的改进与优化为了提高结构材料的冲击响应和耐久性能，对其进行改进和优化是必要的。

在冲击响应方面，材料的强度和韧性是重要的指标。

通过优化材料的成分、结构和制备工艺，可以提高材料的抗冲击性能。

例如，添加适量的增韧剂和强化相，可以增强材料的抗冲击性能。

在耐久性方面，防腐蚀措施和涂层技术是常见的手段。

通过选择合适的防腐蚀材料和对结构进行防护性涂层处理，可以降低结构材料受腐蚀和湿度等因素影响的风险，提高其耐久性。

冲击响应谱1简介冲击响应谱通常简称“冲击谱”，它是工程中广泛应用的一个重要概念。

国家电工委员会（IEC）、国家标准化组织(ISO)所属的技术委员会以及我国的国家标准，都已经把冲击谱作为规定冲击环境的方法之一。

因此，冲击谱是对设备实施抗冲击设计的分析基础，也是控制产品冲击环境模拟实验的基本参数。

2冲击谱详解所谓冲击谱，是将冲击源施加于一系列线性、单自由度质量-弹簧系统时，将各单自由度系统的响应运动中的最大响应值，作为对应于系统固有频率的函数而绘制的曲线，即称为冲击谱。

由定义可知，冲击谱是单自由度系统受冲击作用后所产生的响应运动在频域中的特性描述。

它不同于冲击源的傅里叶频谱，其区别在于：傅里叶频谱仅仅研究冲击源本身在频域中的能量分布属性，只是冲击源函数在频域中的展开，它不涉及任何一个要研究的机械系统的响应。

虽然冲击频谱与傅里叶频谱两者都是频率的函数，但有着明显的区别。

换言之，冲击谱是一系列固有频率不同的单自由度线性系统受同一冲击激励响应的总结果。

产品受冲击作用，其冲击响应的最大值意味着产品出现最大应力，即试验样品有最大的变形。

因此，冲击响应的最大加速度Amax与产品受冲击作用造成的损伤及故障产生的原因直接相关，由此引出了最大冲击响应谱。

3最大冲击响应谱又可以作如下细分1.正初始冲击响应谱（+I）是指激励脉冲持续时间内，一系列被激励单自由度系统与激励脉冲同方向上出现的最大响应值。

Amax(+I)与相应系统的固有频率fn的关系曲线。

2.正残余冲击响应谱（+R）是指激励脉冲持续时间结束后，一系列被激单自由度系统与激励脉冲同方向上出现的最大响应值Amax（+R）与相应系统的固有频率fn的关系曲线。

3.负初始冲击响应谱（-I）是指激励脉冲持续时间内，一系列被激励单自由度系统与激励脉冲反方向上出现的最大值Amax（-I）与相应的系统固有频率fn的关系曲线。

4.负残余冲击响应谱(-R)是指激励脉冲持续时间结束后，一系列被激单自由度系统与激励脉冲反方向上出现的最大值Amax（-R）与相应的系统固有频率fn的关系曲线。

第53卷第5期2022年5月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.53No.5May 2022基于冲击响应谱高速列车设备冲击环境特性分析豆硕，刘志明，王文静，李强，毛立勇(北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京，100044)摘要：为准确描述列车设备受到的冲击环境，基于冲击响应谱模型将基础冲击加速度作用到一系列固有频率变化的单自由度系统上，采用系统的最大响应间接地描述冲击载荷。

首先，对半正弦、梯形、前峰锯齿和后峰锯齿等经典脉冲型冲击加速度进行响应谱分析；其次，对线路实测的高速列车车体、转向架和车轴装设备的加速度振动环境，与IEC61373规范对应的半正弦冲击加速度的响应谱进行对比；最后，提出一种冲击响应谱时域合成方法，通过优化小波的幅值和相位参数使合成的冲击加速度满足目标响应谱精度要求，并反映冲击环境的方向特征。

研究结果表明：脉冲型冲击加速度具有相同的响应谱特性，在低频区，加速度响应谱斜率为6dB/Oct ，速度响应谱为水平的恒速线；在高频区，正值和负值响应谱不等，在不同方向上具有不同的冲击效果；现有规范对于车体、转向架和车轴装设备存在低频过试验问题，转向架和车轴装设备同时存在高频欠试验问题，列车设备受到的均为对称冲击环境，脉冲型冲击加速度不能反映列车设备对冲击环境方向的要求；合成的冲击加速度能精确匹配目标响应谱，可以满足3dB 误差要求，更接近真实的冲击加速度瞬态波形。

关键词：高速列车设备；冲击环境；冲击响应谱；冲击加速度；时域合成中图分类号：U270.12文献标志码：A开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7207（2022）05-1843-12Analysis of shock environment characteristics of high-speed trainequipment based on shock response spectrumDOU Shuo,LIU Zhiming,WANG Wenjing,LI Qiang,MAO Liyong(School of Mechanical,Electronic and Control Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)Abstract:To accurately describe the shock environment of train equipment,the shock acceleration was applied to a number of single-degree-of-freedom (SDOF)systems with variation of natural frequency,and the maximum response of the SDOF systems was used to describe the shock load indirectly.Firstly,the shock response spectrum (SRS)characteristics of classical impulse accelerations were analyzed,such as half-sine,trapezoidal,initialpeak收稿日期：2021−09−08；修回日期：2021−12−05基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(11790281)；国铁集团科研计划课题资助项目(P2019J001)(Project(11790281)supported by the National Nature Science Foundation of China;Project(P2019J001)supported by China State Railway Group Co.,Ltd.)通信作者：刘志明，博士，教授，从事疲劳可靠性研究；E-mail:****************.cnDOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2022.05.029引用格式：豆硕,刘志明,王文静,等.基于冲击响应谱高速列车设备冲击环境特性分析[J].中南大学学报(自然科学版),2022,53(5):1843−1854.Citation:DOU Shuo,LIU Zhiming,W ANG Wenjing,et al.Analysis of shock environment characteristics of high-speed train equipment based on shock response spectrum[J].Journal of Central South University(Science and Technology),2022,53(5):1843−1854.第53卷中南大学学报(自然科学版)sawtooth and final peak sawtooth shock pulse.Secondly,the acceleration response spectrum of high-speed train body,bogie and axle mounted equipment measured on the line were compared with that of the half sine shock acceleration corresponding to IEC61373specification.Finally,a time domain synthesis method of SRS was proposed by optimizing the amplitude and phase parameters of wavelet,which can satisfy the precision of target SRS and reflect the direction characteristics of shock environment.The results show that the acceleration shock pulses have the same response spectrum characteristics.In the low frequency range,the slope of the acceleration response spectrum is6dB/Oct,and the velocity response spectrum is horizontal constant speed line.In the high frequency region,the positive and negative response spectrums show that the acceleration shock pulses have obviously different shock effect in different directions.Moreover,the existing shock resistant specification for car body,bogie and axle mounted equipment have the problems of over test in the low frequency range,and bogie and axle mounted equipment have the problems of fewer test in the high frequency range.The high-speed train equipment is subjected to symmetric shock environment and the specifications can't meet the requirements of shock direction.The synthesized shock acceleration can accurately match the target response spectrum,meet the requirement of3dB error,and is closer to the real acceleration shock waveform.Key words:high-speed train equipment;shock environment;shock response spectrum;shock acceleration;time domain synthesis高速列车在全寿命服役周期中，除了受到正常工况下的稳态激励，还会经历复杂的冲击环境，如列车高速通过道岔、轨缝、变坡点等时会产生超常的冲击载荷，从而引起设备故障[1]。

冲击响应谱试验参数的设置冲击响应谱试验是一种测试结构物在地震或爆炸等外力作用下的动态响应性能的方法，它可以用来确定结构物的耐震能力，提高设计的可靠性。

试验参数的设置是影响试验精度和测试结果的关键，本文就对冲击响应谱试验参数的设置进行一番探讨。

1.试验类型在进行冲击响应谱试验前，需要首先确定试验的类型，通常从谱形和谱宽两个角度来考虑。

谱形通常分为三种类型：平顶谱、斜坡谱和圆形谱。

平顶谱适用于需要保护设备的工程结构，如核电站、医院等；斜坡谱适用于需要长时间地运行的建筑结构或设备；圆形谱适用于需要容忍短时间的高强度地震或爆炸冲击的场所。

谱宽通常分为单峰式、双峰式和宽带式三种类型。

单峰式通常用于工程结构，如桥梁、建筑物等；双峰式通常用于某些条件下需要保护设备的建筑结构或设备；宽带式通常用于考虑一定的随机性因素的建筑物或设备。

2.试验量级试验量级是指试验中的冲击力或冲击加速度大小，通常会根据结构物的设计参数和环境因素来选择。

要保证试验量级不过大，否则会导致结构物损坏，试验不可用；也不要过小，否则测试结果会失真。

3.试验频率范围试验频率范围是指试验中的动态载荷频率，通常与结构物的自然频率相对应。

具体来说，试验频率应该覆盖结构物的自然频率的两倍以上，这样才能保证测试结果的准确性。

4.试验时长试验时长是指试验进行的时间，通常与结构物的振动方式和振动周期相关。

要根据结构物的实际情况来确定试验时长，通常可通过试验前的预测分析来确定。

5.试验观测点选择在试验中选择观测点是影响测试结果的一个重要因素。

观测点的位置和数量直接关系到测试结果的准确性和可靠性。

通常，应该在结构的固定支点处、承重墙、砖柱等重要部位设置观测点，同时应在结构的全寿命阶段随机选择若干点观测。

6.数据采集频率和精度在试验中，数据采集是很重要的一步，它对测试结果的准确性和有效性有直接影响。

通常，数据采集的频率应该与试验频率一致，同时还应该根据测试要求来选择采集精度。

专题讲座冲击响应谱试验技术西北工业大学航天学院吴斌2009年4月20日目录1 冲击响应谱概述 (2)1.1 引言 (2)1.2 冲击响应谱的定义 (3)1.3 冲击响应谱的特点及用途 (8)1.3.1 冲击响应谱的坐标系 (8)1.3.2 冲击响应谱特点分析 (9)1.3.3 冲击响应谱的用途 (10)1.4 冲击试验的等效损伤原则 (11)1.4.1 根据冲击响应谱进行试验确定 (11)1.4.2 等效损伤原则 (13)2 冲击响应谱的算法 (16)2.1冲击响应谱数字分析中的参数选择 (18)2.2 不同Q值间冲击响应谱的转换 (19)3 冲击试验规范 (21)4 冲击响应谱的试验方法 (24)4.1 振动台模拟 (25)4.2 机械式撞击试验装置 (26)4.2.1固定谐振频率试验装置 (27)4.2.2可调谐式试验装置 (28)4.2.3用跌落式冲击台进行冲击响应谱试验 (28)4.2.4水平摆锤式冲击响应谱试验机 (30)1 冲击响应谱概述1.1引言航空、航天、电子等行业产品在生产、运输等过程中存在着各种冲击，而这对产品的质量和可靠性有着很大的负面影响。

为了解决这一问题，在此基础上产生并发展起了冲击试验。

经过一百多年的发展，冲击试验技术已经相当成熟了，它也在国防、民生等行业发挥着不可替代的作用。

然而传统的冲击试验，主要是以简单脉冲产生的冲击效果来模拟实际的冲击环境，这种方法有很大的局限性，有被冲击响应谱规范试验技术所代替的趋势。

这主要表现在冲击响应谱较传统的冲击规范有如下几种合理性和优势：1)研究冲击的目的不是研究冲击波形本身，而更注重的是冲击作用于系统的效果，或者说研究冲击运动对系统的损伤势。

而用冲击的时间历程来描述损伤势不但困难，而且有时会得出错误的结论。

而冲击响应谱规范则能很好的避免这样的错误；2)传统的冲击规范严格规定脉冲的类型，而相应谱规范则对冲击脉冲的类型和产生冲击的方法不做严格要求，因此做实验的灵活性增大；3)冲击响应谱是响应等效的，对产品的作用效果也等效，因此冲击响应谱模拟比规定冲击脉冲来模拟更接近实际冲击环境；4)对于工程设计人员来说，通过冲击响应谱的分析，可以对设备各部件所承受的最大动力载荷能够有比较准确的把握，从而预测出冲击潜在的破坏；同时还能提供给工程设计人员一个比较灵活的技术，以确保试验的可重复性。

冲击响应谱及冲击等效分析冲击响应谱及冲击等效分析是结构工程中一种常用的动力分析方法，其主要用于评估结构在地震或其他冲击载荷作用下的响应情况。

在冲击响应谱分析中，将冲击载荷根据不同频率进行分解，得到不同频率下的响应加速度，再根据加速度与频率的关系，绘制出冲击响应谱图以评估结构的强度和稳定性。

1.冲击载荷分解：将冲击载荷根据频率进行分解，得到不同频率下的冲击加速度。

2.冲击响应求解：根据结构的动力特性，结合分解得到的冲击加速度，计算结构在不同频率下的响应加速度。

3.冲击响应谱计算：根据不同频率下的响应加速度，绘制冲击响应谱图。

4.改进的冲击响应谱方法：一般情况下，冲击响应谱分析是基于结构的最大响应来进行的。

但在一些特殊情况下，最大响应并不一定发生在与冲击载荷频率一致的情况下。

因此，一种改进的冲击响应谱方法被提出，即将冲击响应谱与结构频率的频谱进行叠加，得到改进的冲击响应谱。

冲击等效分析是一种简化的冲击响应谱方法，其主要目的是将冲击响应谱转化为等效静力载荷，以简化结构的分析。

冲击等效分析主要包括以下几个步骤：1.冲击载荷的等效：根据冲击响应谱图，选择一个代表性频率，计算当频率下的冲击加速度。

2.冲击响应的等效：根据冲击加速度和几何特性，计算结构在冲击载荷作用下的等效静力载荷。

3.结构静力分析：应用等效静力载荷对结构进行静力分析，计算结构的响应。

冲击等效分析的主要优点是简化了结构动力分析的复杂度，对于简化的结构或低频地震作用下的结构具有较好的适用性。

然而，冲击等效分析也存在一定的局限性，无法准确考虑结构的动力特性和频谱特性。

综上所述，冲击响应谱及冲击等效分析是结构工程中常用的动力分析方法，通过分析冲击载荷对结构的影响，评估结构的强度和稳定性。

通过冲击响应谱分析和冲击等效分析，可以得到结构在冲击载荷作用下的响应加速度和等效静力载荷，为结构设计和抗震设计提供参考依据。

冲击响应谱及冲击等效分析一、冲击响应谱的概念和计算方法冲击响应谱是一种以频率为自变量、结构响应加速度为因变量的函数关系图表。

它描述了结构在不同频率下的响应情况，能够反映出结构的固有振动特性和受到冲击载荷后的响应程度。

冲击响应谱是对输入冲击载荷进行频率分解并与结构的频率响应进行综合，可以提供结构的最大响应加速度、速度和位移等信息，对结构的抗震性能评估和设计起到重要作用。

冲击响应谱的计算方法主要有三种：双积分法、分析方法和快速傅里叶变换（FFT）法。

双积分法是最常用的计算方法，通过对输入冲击载荷进行二次积分得到结构的响应加速度，并采用数值积分的方法得到冲击响应谱。

分析方法则是通过对结构的动力特性和传递函数进行计算，得到冲击响应谱。

FFT法则是通过对输入和输出信号进行频谱分析，直接得到结构的冲击响应谱。

二、冲击等效分析的原理和应用冲击等效分析是指将复杂的冲击载荷转化为等效的方波或冲击响应谱，从而简化结构的分析和设计。

它的原理是通过选择适当的形状、幅值和冲击时间来描述实际的冲击载荷，使得等效载荷与实际载荷的结构响应相近。

冲击等效分析可以在结构设计、抗冲击能力评估和防护设计等方面发挥作用。

冲击等效分析在结构设计中的应用主要体现在以下几个方面：1.结构动力响应分析：通过将实际冲击载荷转化为等效载荷，可以对结构进行动力响应分析，得到结构的响应特性和抗冲击能力。

2.结构振动控制设计：通过对结构的冲击响应谱进行分析，可以确定结构的共振频率和固有振动特性，从而针对性地进行振动控制设计。

3.结构抗震设计：将地震载荷转化为冲击响应谱，可以评估结构在地震时的响应情况，进一步指导结构的抗震设计和加固策略。

4.防爆设计：将爆炸载荷转化为冲击响应谱，可以评估结构在爆炸时的响应情况，设计安全防护措施和爆炸安全系统。

总之，通过冲击响应谱和冲击等效分析方法，可以对结构在冲击载荷作用下的响应进行定量评估和研究，为结构设计和防护措施提供科学依据。

冲击响应谱与经典冲击试验等效计算方法杨博;陈立伟;冯伟;张冰【摘要】产品即使在试验室里通过了经典冲击试验环境,在实际使用环境中还有损坏.因此简单采用经典冲击作为检测条件的试验规范已经不能满足使用需求.另外,试验中,给定的波形量级与脉宽往往超出电动振动台或冲击台的性能范围,阻碍了试验的顺利进行.基于等效冲击试验原理,采用冲击响应谱(SRS)代替经典冲击.运用改进的递归数字滤波法编制经典脉冲的冲击响应谱计算程序,实现了经典冲击与冲击响应谱的等效计算.算例和试验表明,方法合理可行.【期刊名称】《环境技术》【年(卷),期】2016(000)004【总页数】5页(P11-15)【关键词】经典冲击;冲击响应谱;等效冲击【作者】杨博;陈立伟;冯伟;张冰【作者单位】北京强度环境研究所,北京100076;天津航天瑞莱科技有限公司,天津300462;北京强度环境研究所,北京100076;天津航天瑞莱科技有限公司,天津300462;北京强度环境研究所,北京100076;天津航天瑞莱科技有限公司,天津300462;北京强度环境研究所,北京100076;天津航天瑞莱科技有限公司,天津300462【正文语种】中文【中图分类】V216.5产品在使用过程中会受到冲击载荷的作用。

为了考核、评定产品在冲击作用下的电性能、机械性能及结构强度，进一步提高可靠性，须对产品进行冲击试验。

冲击试验一般分为经典冲击和冲击响应谱两种。

经典冲击一般有半正弦波、梯形波和锯齿波三种，实践证明,部分产品试件即使在试验室里通过了用经典冲击即半正弦、梯形波和锯齿波做的冲击试验,在野外和实际环境中还有损坏；或者在试验室里没有通过经典冲击试验环境,但在实际使用环境中却未见异常。

因此简单采用经典冲击作为检测条件的试验规范已经不能满足使用需求。

随着试验技术的发展，冲击响应谱试验规范在越来越多的被提及和使用。

目前在动力学环境试验中,用冲击响应谱试验代替经典冲击试验来模拟试验件遭受的各种冲击环境也是冲击试验技术的发展趋势，GJB 150A中明确规定只有证明测量数据在经典脉冲的容差内，才允许采用后峰锯齿脉冲与梯形脉冲，其他均以冲击响应谱作为瞬态冲击的试验标准。

冲击响应谱试验依据标准冲击响应谱试验是一种常用的结构动力学试验方法，用于评估结构在地震、爆炸等冲击载荷下的响应能力。

冲击响应谱试验依据标准主要包括试验方法、试验设备和试验要求等方面的规定。

本文将对冲击响应谱试验依据标准进行详细介绍。

冲击响应谱试验依据标准主要包括以下几个方面的内容。

首先是试验方法的规定。

试验方法是冲击响应谱试验的基本规程，包括试验的目的、试验的基本原理、试验的步骤和试验的数据处理等内容。

试验方法的规定旨在确保试验能够科学、准确地进行，从而得到可靠的试验结果。

其次是试验设备的规定。

试验设备是进行冲击响应谱试验所必需的设备和仪器，包括冲击台、振动台、传感器等。

试验设备的规定主要包括设备的要求、设备的安装和调试、设备的使用和维护等内容。

试验设备的规定旨在确保试验设备能够满足试验要求，保证试验的可靠性和准确性。

再次是试验要求的规定。

试验要求是对冲击响应谱试验所需满足的条件和要求进行规定，包括试验样品的选择、试验载荷的确定、试验环境的控制等。

试验要求的规定旨在确保试验能够真实地模拟实际工作环境，得到可靠的试验结果。

最后是试验结果的处理和评价。

试验结果的处理和评价是对试验数据进行分析和判断，得出结论和评价结构的响应能力。

试验结果的处理和评价主要包括数据处理方法、结果分析和结论评价等内容。

试验结果的处理和评价旨在为结构设计和改进提供科学依据。

冲击响应谱试验依据标准是对冲击响应谱试验进行规范和指导的重要依据，对于提高结构抗震能力，保障结构安全具有重要意义。

在进行冲击响应谱试验时，需要严格按照标准进行操作，确保试验结果的准确性和可靠性。

同时，还需要根据实际情况进行合理的选择和调整，以满足具体的试验要求。

总之，冲击响应谱试验依据标准是进行冲击响应谱试验所必需的规范和指导文件。

只有严格按照标准进行操作，才能得到可靠的试验结果，并为结构设计和改进提供科学依据。

因此，在进行冲击响应谱试验时，必须充分理解和遵守相关标准，确保试验能够顺利进行，取得满意的效果。