冲击、碰撞试验条件及其标准内容

gaoshengdianzi

冲击是骤然的、剧烈的能量释放、能量转换和能量传递，冲击的持续时间短暂：冲击的过程次性完成而不呈现周期性。冲击具有的这些特点，决定了产品在流通过程和使用过程中无处不存在着冲击环境源。

任意机械系统、电子装置、生物体或者由他们的不同组合形成的系统，因受冲击作用而导致的影响，必须认真考虑。有不少例证说明这种影响具有相当的危害性。如对航天飞行器中的有效负载（弹头、卫星、电源装置等），就必须考虑到因为火箭发动机点火、关机以及级间分离，导致系统的能量发生突变而引起的有害影响，它不仅能损害导弹、卫星等小系统的运行性能，常常还会危及飞行器整个结构的强度。

通常，冲击环境来自弹性体之间的机械撞击。如散装货物在车辆运输中出现的随机性弹跳冲击，产品在粗糙搬运和操作中受到的意外敲击、震摇、跌落，为了利用冲击能加工而造成受控冲击环境等。化学能、核能的突然释放，将会引起波及范围更加广泛的严酷冲击环境。此外工程中还会遇到一些随时间历程呈现随机性变化的多次重复冲击即碰撞等。从物理概念上讲，产品受冲击后所产生的冲击响应的大小反映了产品实际所受到的冲击强度，若产品的瞬时响应幅值超过了产品本身的结构强度所允许的响应时，将导致产品破损。这种损伤是极限应力的峰值破坏，而不是累积疲劳损伤。这种峰值破坏会造成结构变形，安装松动产生裂纹甚至断裂，还会使电气连接松动，接触不良，造成时断时通，使产品工作性能不稳定，还可使产品内部各单元的相对位置发生变化，造成性能下降或超差，甚至会使元器件或部件破裂，使其无法工作。

实际的冲击环境的波形是复杂的并很少有重复；也难以用数学表达式描述；无确定的冲击持续时间；波形呈多峰值等等。所以，真实环境的冲击波形一般是不能直接利用的。即使是同类环境的冲击波形，其重复性并不好，难以找到代表性波形，所以，试验室一般不采用模拟真实波形的方法，而是采用模拟冲击环境对产品造成的影响的方法。

一、冲击试验的等效损伤原则

在试验室对试验样品进行冲击试验时，应使试验样品造成的损伤及故障与冲击环境的影响相当.称之等效损伤模拟。目前，大多数的冲击试验标准均是采用等效损伤的概念制定的，IEC的冲击、碰撞标准属于此类，国家标准冲击、碰撞试验方法等效于IEC标准，情况类同。因此，如何评价产品的损伤及故障就成为等效模拟试验的技术关键问题。损伤及故障的概念包含了两种含义：一是考核产品在冲击作用条件下的结构完好性，又称产品的结构强度试验；二是考核产品性能在冲击作用下是否合格，又称产品功能稳定性试验。也就是说，电工电子产品等效损伤模拟是与产品的结构强度和性能稳定性评价相联系的。

由于试验样品的损伤及故障与它受激励下产生的最大应力直接相关，因此，冲击试验的等效关系是以冲击响应谱作为依据的，并用最大响应加速度相等来实现。

电工电子产品的结构强度与性能稳定性与产品响应的应力直接相关。对单自由度系统来说，在弹性极限内，产品所受的应力相同，其变形相同，所以表现的故障也是相同的。广义来说，所谓等效损伤原则就是指“试验样品因承受激励而产生的应力是相当的，因而对试验样品造成的损伤也是相当的”。

二、简单冲击环境的试验脉冲标准化

设计冲击试验的时候，要考虑两个方面，一是冲击环境特性，二是试验样品的特性。就是说，在试验室里重现冲击环境对产品的影响时，必须将冲击环境特性和试验样品特性综合考虑，才能有合理、满意的结果。

三、碰撞试验脉冲的标准化

产品在生产、运输、使用和维修过程中，会遇到各种各样的冲击环境，产品在寿命期间受到了随机冲击，所谓随机冲击就是冲击发生的时刻、持续时间的长短、量值的大小、冲击作用的时间历程以及冲击的重复频率等都是随机变化的。

重复脉冲对产品的作用是否相关，要视脉冲持续时间的长短、重复周期的大小以及产品固有频率的高低而定。如果产品在第二次冲击前其物理状态已经恢复，可以认为两次冲击之间互不相关：或者说，第二次冲击是在第一次冲击对产品的影响已经结束以后才发生的.否则是相关的。显然，单脉冲对产品的作用是互不相关的。

对于单次冲击，主要考虑的是冲击强度对产品的损伤，对于重复冲击，除了考虑强度以外，还要考虑产品的疲劳损伤。在冲击类的环境试验方法中单纯考核产品耐冲击强度的试验归属于冲击试验；互不相关的重复冲击归属于碰撞试验：相关的重复冲击归属于弹跳试验，在IEC和国家标准中的冲击、碰撞以及在后面要介绍的倾倒、翻滚、自由跌落等方法均属不相关的冲击试验。理论上，它们的冲击损伤机理是一样的，只是由于倾倒、翻滚、自由跌落等冲击环境，形式较为简单，易于采用状态模拟技术。

四、冲击、碰撞试验条件及严酷等级

前面介绍了真实冲击环境在试验室模拟的原理和原则，它从理论上解决了从冲击环境条件中选取冲击参数及其严酷等级的方法。但这还不够，还需要对试验的条件以及试验结果再现性的许多技术细节等进行严格的规定，这样才能保证冲击、碰撞试验参数的同一性和试验条件的再现性，才能保证在不同的试验室，在不同的试验设备上，不同的操作人员之间，按相同的技术条件要求，对同一种产品进行冲击、碰撞试验时有相同的结果。

目前，国内外对冲击、碰撞试验方法的规定，主要有三种形式：

（1）规定一种冲击运动。这种方法是事先确定一种冲击脉冲（如半正弦脉冲、后峰锯齿脉冲、梯形脉冲等）并规定其容差限，然后按照该冲击脉冲的加速度时间历程、冲击和碰撞次数、冲击重复频率等进行各种严酷等级的冲击或碰撞试验。由于这种冲击脉冲在试验室内较容易产生并此方法对产品进行试验能较好地进行机理性模拟，因此，目前国内外在环境试验中广泛采用，同时试验方法标准主要也是依据该方法制定的。

（2）规定一种冲击谱。这种方法是用冲击响应谱表达冲击运动对结构的影响，是衡量冲击运动对设备作用力大小的一种方法，较为科学合理，冲击谱在研究冲击运动对结构的损坏能力方面以及确定结构强度标准是非常有用的。在实际情况中没有两个冲击完全相同，按照损伤度来定义冲击是很重要的。目前，国内正在积极推广这种试验方法。

（3）规定一种冲击机及其操作方法。这种方法也称试验机规范，是将冲击机结构、图纸、技术要求以及被试产品在其上的安装方法、冲击机的操作运行方式等都以规范的形式确定下来。这种方法目前主要用于对舰船使用的电机、电器及电子设备的冲击试验上。应该指出的是这种冲击机规范实际上仍然是以一定的冲击谱为标准来验收该冲击机为依据的。

1．冲击试验条件及严酷等级

冲击试验条件包含了基本脉冲波形、峰值加速度、相应的标称脉冲持续时间，相应的速度变化量以及这些参数的容差范围，另外还有施加冲击的次数及冲击方向等。

基本脉冲波形。GB／T 2423.5-95标准中规定了当冲击试验机及夹具装上试验样品时，在检测点上所施加的冲击脉冲应为以下三种基本脉冲波形。

1）半正弦脉冲：即正弦波的半个周期。半正弦波脉冲适用于模拟线性系统的撞击或线性系统的减速所引起的冲击效应，例如弹性结构的撞击等，这种波形在冲击试验中最为常用。

2）梯形脉冲：即具有短的上升和下降时间的对称四边形。梯形脉冲能在较宽的频谱上比半正弦脉冲产生更高的响应。如果试验的目的是为了模拟诸如空间探测器或卫星发射阶段爆炸螺栓所引起的冲击环境的效应，便可采用这种冲击波形。

3）后峰锯齿形脉冲：即具有短的下降时间的不对称三角形。后峰锯齿形脉冲与半正弦和梯形脉冲相比更具有均匀的响应谱。

国家军用标准GJB150.18规定了半正弦波和后峰锯齿波两种基本脉冲波形。GJB360.23也同样规定了两种冲击试验时的两种基本波形。

脉冲波形和严酷等级的应用。当工作或运输环境的冲击谱已知时，以便选择最接近这种冲击谱的脉冲波形，当工作或运输环境的冲击谱未知时，可参考适用于各类运输和各种工作方式的样品的严酷等级和脉冲波形，对有包装的样品在装卸运输过程中所经受的冲击，其特性是简单的，所以可以使用通过观察速度变化而得出的半正弦脉冲。

2．碰撞试验条件及严酷等级

碰撞试验条件包括了碰撞试验的基本脉冲波形，峰值加速度，相应标称脉冲持续时间.相应的速度变化量以及试验方向和碰撞次数等。

（1）基本脉冲波形。GB／T 2423.6-95标准中规定了当碰撞试验机和（或）夹具装上样品时，在检测点上所施加的碰撞的基本脉冲波形为半正弦脉冲波形，每一半正弦脉冲的真值应在容差范围内。

（2）碰撞试验条件及严酷等级。GB／T 2423.6-95中规定的碰撞试验严酷等级，应在样品的三个互相垂直轴线的每个方向上施加规定的碰撞次数。每方向的碰撞次数为：100±5；1000±10；4000±10。

国家军用标准GJB4.8《舰船电子设备环境试验》碰撞试验中规定：根据该类设备所安装的舰船类型将试验样品的试验分为1.2.3级。1级主要适用于安装在快艇（包括鱼雷快艇，导弹快艇、水翼艇、高速炮艇以及特种工作快艇）上的设备：2级主要适用于其他水面舰船以及安装在潜艇上的设备；对某些特定产品经有关方面协商同意后可按3级要求进行试验。

该标准中规定的冲击脉冲波形应为比较光滑的近似半正弦波，除有关标准另有规定外，试验样品一般只进行垂直试验。

（3）碰撞试验严酷等级的应用。在进行元器件的碰撞试验时，可允许用最少的碰撞次数来满足规范中的要求，这主要取决于可用于试验的同一种样品的数量和安装排列。如果有六个样品可用于试验，它们可以按六个不同的方向安装，从而使碰撞台仅在一个方向上施加碰撞就可以满足规范的要求。如果有3～5个样品，则只需在两个方向上对安装样品施加碰撞。同样，如果有两个样品，则应在三个方向上对样品施加碰撞。对只有一个样品，则需在六个方向上施加碰撞。

对于设备型样品，总是按它们的正常安装底座安装在车辆上使用或运输的，因此仅需在该基座上安装的情况下经受碰撞试验。在运输期间，可能有一个以上安置面的样品，应在有关规范规定的每轴线和方向上进行试验。根据试验经验，进行三个互相垂直方向的试验通常就足够了。为了保证试验的再现性，要求在两次碰撞之间内部的任何相对运动基本上为零。否则在样品共振衰减的不同阶段上会产生共振的再激振，以致会使相同的样品得出不同的试验结果。

五、冲击、碰撞试验方法标准

GB／T 2423.5《电工电子产品环境试验》第2部分中试验方法的试验Ea和导则：冲击和GB／T 2423.6电工《电子产品环境试验》第2部分中试验方法的试验Eb和导则：碰撞这两部国家标准等效采用了IEC国际标电工委员会相应的标准。标准内容包括了以下部分：

（1）目的：表述了制定标准目的，即提供一种确定样品承受规定严酷等级冲击能力和经受规定的峰值加速度和脉冲持续时间的标准脉冲的重复冲击的标准方法。

（2）一般说明：表述了标准制定的原则，试验的目的、试验的对象、试验的效应及试验的状态条件等。

标准是根据规定脉冲波形的原则，试验的目的是通过冲击或碰撞来揭露机械的弱点或（和）性能的下降情况，结合有关规范，来决定样品是否可以接收，在某些情况下，可用来确定样品的结构完好性或作为质量控制的手段。试验主要针对非包装样品以及在运输条件下其包装可看做产品本身一部分的样品。标准中的冲击和碰撞不是用来模拟实际经受的冲击和碰撞，而是加于试验样品的试验严酷等级应能模拟样品将要经受的实际运输和工作环境的效应、如果试验的目的是为了评价结构完好性，则应满足设计要求。在条件试验期间，试验样品应始终紧固在试验机台面上或通过夹具紧固在试验机台面上。