水平?jīng)_擊實施方案2012-9-5[1][1]分析解析

1、附錄B09.1-02編號:實施方案報告項目名稱：結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng)校準(zhǔn)技術(shù)研究編制:年月日校對：年月日審核：年月日標(biāo)審：_年月日批準(zhǔn)：年月日編制時間：2012年07月06日北京長城計量測試技術(shù)研究所一、技術(shù)方案策劃1. 任務(wù)書或合同對科研內(nèi)容和主要技術(shù)指標(biāo)的要求及其說明1.1 主要研究內(nèi)容 結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng)校準(zhǔn)技術(shù)研究課題來源于大飛機專項科研課題。 結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng)主要用于中國民用航空規(guī)章第 25 部運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)CCAR-25規(guī)定的應(yīng)急著陸情況下的結(jié)構(gòu)試驗。此類試驗通過檢驗飛機結(jié)構(gòu)和座椅及相 關(guān)安全設(shè)備在飛機陸上或水上應(yīng)急著陸時對乘員的保護能力， 檢驗飛機的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否 能夠在

2、輕度撞損著陸過程中，通過座椅、安全保障設(shè)備給每一乘員提供以避免嚴重受傷 的一切合理機會。結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng)屬于大型專用試驗設(shè)備， 目前沒有與之相對應(yīng)的校準(zhǔn)規(guī)范和 校準(zhǔn)裝置能夠?qū)ζ湫阅苤笜?biāo)進行校準(zhǔn)。本項目的研究目的：通過對該試驗系統(tǒng)校準(zhǔn)方法 的研究和校準(zhǔn)裝置的研制，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng)的校準(zhǔn)，保證試驗數(shù)據(jù)和試驗 結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，以滿足CCAR-25勺要求，對運輸類飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計提供可靠的保障。本項目主要研究內(nèi)容如下：1）結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗臺校準(zhǔn)技術(shù)研究根據(jù)試驗臺計量特性確定需要進行的校準(zhǔn)項目、 各個校準(zhǔn)項目的校準(zhǔn)用儀器設(shè)備的 選擇、校準(zhǔn)方法、校準(zhǔn)過程及校準(zhǔn)結(jié)果不確定度評定等。主要計量特性包括

3、加速度、急 推率等技術(shù)指標(biāo)。2）結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗臺測量系統(tǒng)校準(zhǔn)技術(shù)研究試驗臺測量系統(tǒng)主要包括沖擊加速度測量系統(tǒng)和六軸力測量系統(tǒng)。 其校準(zhǔn)技術(shù)的主 要研究內(nèi)容包括：沖擊加速度傳感器的校準(zhǔn)和六軸力傳感器的校準(zhǔn)。3）結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置的研究由于結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗臺設(shè)備龐大，只能進行現(xiàn)場校準(zhǔn)；其測量系統(tǒng)則可根據(jù)其精 度要求和使用情況分別進行現(xiàn)場校準(zhǔn)和實驗室校準(zhǔn)。本項目對試驗臺的范圍、計量特性 進行現(xiàn)場校準(zhǔn)； 測量系統(tǒng)中的傳感器將在實驗室依據(jù)其使用范圍研制校準(zhǔn)裝置對其計量 特性進行校準(zhǔn)。4）編寫結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng)的校準(zhǔn)規(guī)范1.2主要技術(shù)指標(biāo)要求及說明本項目主要技術(shù)指標(biāo)如下：加速度峰值校準(zhǔn)范圍：

4、w 200g；加速度脈沖持續(xù)時間：w 200ms；加速度上升時間：w 90ms；加速度校準(zhǔn)結(jié)果的相對擴展不確定度：Urel二5%點二2）；1.3成果形式及考核方式成果形式：結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗臺校準(zhǔn)裝置；結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng)校準(zhǔn)技術(shù)研究報告及全套技術(shù)資料；結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范初稿；驗收方式：由專家組按任務(wù)書技術(shù)要求進行試驗和資料文檔驗收。2總體技術(shù)方案設(shè)計結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng)是先進的民機安全設(shè)施的試驗設(shè)備，國內(nèi)目前沒有針對該試驗系統(tǒng)的校準(zhǔn)裝置和校準(zhǔn)規(guī)范，沒有生產(chǎn)此類設(shè)備的單位，只能依賴進口，對該類設(shè)備 目前國內(nèi)沒有具體的檢測校準(zhǔn)方法進行驗收，無法保障試驗單位的利益。因此本項目研 究的內(nèi)容在

5、國內(nèi)是首次提出，具有先進性。該試驗系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置由傳感器、適調(diào)器和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成。目前國內(nèi)沖擊試驗系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置的適用范圍：沖擊加速度峰值：w 2000g；脈沖持續(xù)時間：0.5ms40ms 而結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗臺產(chǎn)生的沖擊加速度脈沖持續(xù)時間100ms由于沖擊加速度脈沖持續(xù)時間長，因此要求校準(zhǔn)裝置的頻率響應(yīng)需從直流開始，國內(nèi)目前只有我所于90年代建立的彈射激光多普勒沖擊加速度標(biāo)準(zhǔn)裝置可以滿足，但其加速度校準(zhǔn)范圍相對較 小。并且其一些特殊的沖擊載荷、沖擊速度、急推率等性能指標(biāo)目前國內(nèi)也沒有相應(yīng)的 校準(zhǔn)裝置。因此本項目基于我所彈射激光多普勒標(biāo)準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)技術(shù)，根據(jù)該試驗系統(tǒng) 的實際校準(zhǔn)范圍構(gòu)建適用的

6、校準(zhǔn)裝置，具有一定的可行性。3.系統(tǒng)設(shè)計方案及技術(shù)指標(biāo)根據(jù)CCAR-25標(biāo)準(zhǔn)的要求，其主要試驗為沖擊加速度載荷。因此本項目的主要研究 領(lǐng)域為動態(tài)加速度校準(zhǔn)，通過對試驗系統(tǒng)橫向運動比、臺面加速度幅值不均勻度及沖擊 能量等性能進行校準(zhǔn)技術(shù)的研究，提出能夠滿足試驗標(biāo)準(zhǔn)要求的結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng) 的計量技術(shù)指標(biāo)。同時還需整合動態(tài)速度校準(zhǔn)、動態(tài)力校準(zhǔn)、動態(tài)位移校準(zhǔn)等相關(guān)專業(yè), 以滿足結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng)整體的校準(zhǔn)要求。主要研究內(nèi)容分為四部分：結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗臺校準(zhǔn)技術(shù)的研究、結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗臺測量系統(tǒng)校準(zhǔn)技術(shù)的研究、校準(zhǔn)裝置的研制、結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范的編 寫。技術(shù)方案總體框架如圖1:圖1總體技

7、術(shù)方案框圖結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng)是大型專用試驗設(shè)備，包括試驗臺體、測量系統(tǒng)，其測量系 統(tǒng)中包括加速度、速度等多種設(shè)備。本項目的主要校準(zhǔn)對象包括試驗臺及其測量系統(tǒng)， 本項目需要分別對其測量范圍、計量特性的校準(zhǔn)原理、校準(zhǔn)方法及校準(zhǔn)用儀器設(shè)備進行 研究。這其中一些重要技術(shù)指標(biāo)，例如長持續(xù)時間沖擊加速度脈沖峰值、急推率、試驗 臺面試驗量級分布不均勻、運動臺面橫向運動比等校準(zhǔn)方法及校準(zhǔn)用儀器設(shè)備是需要解 決的關(guān)鍵技術(shù)。3.1分系統(tǒng)設(shè)計方案及技術(shù)指標(biāo)3.1.1結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗臺校準(zhǔn)技術(shù)研究主要設(shè)計指標(biāo)：包括確定試驗臺校準(zhǔn)參數(shù)、校準(zhǔn)范圍、校準(zhǔn)用儀器設(shè)備、校準(zhǔn)方法。試驗系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)校準(zhǔn)技術(shù)研究的詳細說明如下

8、：1）試驗臺輸出的沖擊加速度本項目采用沖擊加速度測量系統(tǒng)實時采集沖擊加速度時間信號， 得到?jīng)_擊加速度 峰值及重復(fù)性和沖擊加速度脈沖的上升時間等技術(shù)參數(shù)； 通過對沖擊加速度時間歷程 進行時域積分即可得到該試驗系統(tǒng)的速度變化量。2）試驗臺急推率 急推率是指試驗臺輸出的加速度的時間變化率，該項指標(biāo)多用在沖擊、乘座舒適性 曲線等應(yīng)用中。在該試驗系統(tǒng)中是用來評估沖擊加速度變化過快時，形成的沖擊過載對 人體的傷害，以及人體所承受的過載的范圍。該項指標(biāo)可以通過對沖擊加速度時間歷 程進行微分獲得，其中微分算法的選擇是技術(shù)難點之一。3）試驗臺臺面橫向運動比、臺面加速度幅值不均勻度 由于試驗時將在沖擊臺面上安裝假

9、人試驗系統(tǒng)，這將對激勵的負載、試驗臺面的重 心位置以及試驗臺面的諧振頻率造成一定的影響， 這些影響將導(dǎo)致試驗控制量級的測量 誤差，試驗臺整個臺面量級分布的不均、試驗臺傾覆力矩的增加、試驗臺輸出波形上機 械噪聲的疊加。這些影響在試驗過程中，表現(xiàn)為試驗臺測量系統(tǒng)與樣件實際承受的試驗 量級的差異。這兩項指標(biāo)是所有沖擊、碰撞試驗臺都需要關(guān)注的兩項基本指標(biāo)。臺面橫 向運動比通過測量試驗臺面同一測量位置點三個相互垂直方向的加速度峰值。 其主運動 方向的加速度峰值和與其相互垂直的另兩個運動方向的加速度峰值進行比較， 得到與主 運動方向相垂直的另兩個運動方向的加速度對主運動方向的影響。 臺面加速度峰值不均 勻

10、度則通過分別測量試驗臺面上試驗控制點及其它位置試驗點的加速度峰值， 獲得試驗 臺面不同點的加速度峰值相對控制點的偏差。試驗臺結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在安裝上假人試驗系統(tǒng)后，整個試驗臺的固有特性會受到假 人試驗系統(tǒng)自身載荷及安裝位置的影響而發(fā)生變化， 導(dǎo)致整個試驗臺在承受過載的過程 中加速度在臺面各個位置產(chǎn)生較大差異，以及橫向加速度對主運動方向影響的增加。因 此在校準(zhǔn)技術(shù)研究中測量傳感器安裝位置的確定是技術(shù)難點之一。3.1.2 結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗臺測量系統(tǒng)校準(zhǔn)技術(shù)研究 試驗系統(tǒng)配套的測量傳感器包括沖擊加速度傳感器、力傳感器、角度傳感器、位移 傳感器。為了保證試驗過程中試驗系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，需要對這些設(shè)

11、備進行相應(yīng) 的校準(zhǔn)。對于加速度傳感器、力傳感器、角度傳感器、動態(tài)位移傳感器，試驗現(xiàn)場無法提供 標(biāo)準(zhǔn)激勵源，需要通過實驗室相應(yīng)的校準(zhǔn)裝置進行校準(zhǔn)。目前角度傳感器的測量范圍和 計量特性已經(jīng)在我所相應(yīng)專業(yè)的計量覆蓋范圍之內(nèi)，具備相應(yīng)的校準(zhǔn)能力。加速度傳感 器由于其脈沖持續(xù)時間較長，需要研制新的校準(zhǔn)裝置，滿足其校準(zhǔn)需求。3.1.3結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置研制校準(zhǔn)裝置包括試驗臺的現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置及測量系統(tǒng)的實驗室校準(zhǔn)裝置。其中試驗臺的現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置包括沖擊加速度現(xiàn)場校準(zhǔn)系統(tǒng)，本項目擬采用虛擬儀器技術(shù)研制便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，通過處理得到校準(zhǔn)結(jié)果。而實驗室校準(zhǔn)裝置，需要根據(jù) 其測量系統(tǒng)的測量范

12、圍及技術(shù)指標(biāo)等特點使用適合的測量儀器。試驗臺測量系統(tǒng)包含了動態(tài)加速度、動態(tài)載荷等多項參數(shù)，校準(zhǔn)裝置需要結(jié)合多個測量專業(yè)，分別對試驗系統(tǒng) 的整體性能指標(biāo)進行檢驗。1）現(xiàn)場校準(zhǔn)系統(tǒng)沖擊加速度現(xiàn)場校準(zhǔn)系統(tǒng)本項目擬采用虛擬儀器技術(shù)研制便攜式?jīng)_擊加速度采集 系統(tǒng)進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，并現(xiàn)場處理得到整個試驗系統(tǒng)的校準(zhǔn)結(jié)果。其中后續(xù)數(shù)據(jù)處理 過程中急推率的計算是技術(shù)難點之一。主要技術(shù)指標(biāo)：加速度峰值校準(zhǔn)范圍：w 200g；加速度脈沖持續(xù)時間：w 200ms；加速度上升時間：w 90ms；加速度校準(zhǔn)結(jié)果的相對擴展不確定度：Urel二5%很二2）;2）沖擊加速度傳感器校準(zhǔn)裝置由于試驗臺體在撞擊過程，沖擊加速度變化持

13、續(xù)時間較長，沖擊加速度信號的低頻 響應(yīng)接近于直流，通用的壓電式?jīng)_擊加速度測量系統(tǒng)低頻響應(yīng)無法滿足，在測量時會產(chǎn) 生加速度波形的低頻失真，影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。因此本項目擬采用壓阻式加速度傳感器及適調(diào)儀進行測量，此類傳感器測量系統(tǒng)具有零頻響應(yīng)，能夠更加準(zhǔn)確的反映試 驗臺的整個速度變化過程。我所目前擁有的彈射加速度激光多普勒校準(zhǔn)裝置所能提供的 校準(zhǔn)加速度范圍和校準(zhǔn)持續(xù)時間范圍不能完全滿足該測量系統(tǒng)校準(zhǔn)范圍的要求，需要研制新的沖擊源，為沖擊加速度測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)提供沖擊激勵。主要技術(shù)指標(biāo)：加速度峰值校準(zhǔn)范圍：w 200g；加速度脈沖持續(xù)時間：w 200ms；加速度上升時間：w 90ms； 加速度校準(zhǔn)

14、結(jié)果的相對擴展不確定度：二5%(k二2)；3.1.4結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范的編寫本項目研制的最終目的期望可以為結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng)提供量值溯源可靠的校 準(zhǔn)依據(jù)，滿足其校準(zhǔn)需求。本項目將通過驗證試驗和校準(zhǔn)技術(shù)方法研究，依據(jù)國內(nèi)外試 驗標(biāo)準(zhǔn)，編制試驗系統(tǒng)的校準(zhǔn)規(guī)范，保證我國民機工業(yè)及國防科技工業(yè)中該項試驗設(shè)備 的正常使用。校準(zhǔn)規(guī)范中包括：試驗系統(tǒng)的校準(zhǔn)項目、校準(zhǔn)條件、校準(zhǔn)用儀器設(shè)備技術(shù) 要求、校準(zhǔn)方法、校準(zhǔn)結(jié)果及校準(zhǔn)周期等。3.2本課題的關(guān)鍵技術(shù)及實施途徑3.2.1結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗臺校準(zhǔn)技術(shù)研究1) 急推率的校準(zhǔn)由于該試驗系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)中的急推率，實際是對加速度時域信號的再次微分，可 通過軟

15、件設(shè)計來實現(xiàn)。即對實時測量的加速度-時間歷程進行微分，其微分方程如公式(1)：Uo(t)=dUi(t)dt(1)式中：ui(t)微分器的輸入信號;Uo(t)微分器的輸出信號微分器的頻率響應(yīng)函數(shù)為:H(j )Uo()UiC-)由于微分器的帶寬是無限的，其增益是隨頻率線性增加的，微分后的信噪比會明顯 變差，因此本項目擬采用線性相位有限帶寬的數(shù)字微分方法，以保證微分過程不附加相 位失真。2) 校準(zhǔn)時傳感器安裝位置的確定由于該試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在安裝上假人試驗系統(tǒng)后，整個試驗臺面的固有特 性會受到假人試驗系統(tǒng)自身載荷及安裝位置的影響而發(fā)生變化，導(dǎo)致整個試驗系統(tǒng)在運 動過程中臺面各個位置的加速度差異

16、較大，且增加了橫向加速度對主運動方向的影響。本項目擬根據(jù)試驗臺面和假人試驗系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)以及安裝方式，對整個試驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型進行合理簡化，并通過分析找到臺面上的一些關(guān)鍵點，通過試驗以確定臺面 上加速度分布差別最大的位置及橫向運動比最大的位置，并將其作為橫向運動比及不均勻度校準(zhǔn)時傳感器的安裝位置。3）校準(zhǔn)結(jié)果的計算方法針對重復(fù)性、橫向運動比和臺面不均勻度等項目校準(zhǔn)結(jié)果的處理方法，本項目擬參 照國家關(guān)于沖擊試驗臺的相關(guān)計算方法，以試驗控制點為基準(zhǔn)分別進行處理評定。并通 過試驗驗證。3.2.2結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置研究目前國內(nèi)的沖擊加速度校準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)頻率范圍能夠從直流開始的只有我所的彈射激光

17、多普勒沖擊加速度標(biāo)準(zhǔn)裝置，其加速度范圍：4g20g；脈沖持續(xù)時間：140m240ms校準(zhǔn)范圍不能覆蓋，需要研制新的沖擊源。本項目擬依據(jù)校準(zhǔn)需求，采用落體 沖擊源實現(xiàn)傳感器校準(zhǔn)。3.3不確定度分配及評估/4.關(guān)鍵因素和薄弱環(huán)節(jié)4.1薄弱環(huán)節(jié)及解決措施/4.2重大保障條件及其解決方案/二、設(shè)計和開發(fā)計劃1. 設(shè)計開發(fā)階段劃分階段進度計劃設(shè)計內(nèi)容成果形式（例如：裝置套數(shù)、論文、報告、規(guī) 范等份數(shù)）方案階段2012年1月-2012年8月實施方案編與及論證實施方案報告1份設(shè)計階段2012年9月-2012年12月結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗系 統(tǒng)校準(zhǔn)方案設(shè)計結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng)校準(zhǔn)方案設(shè)計 說明書1份樣機階段2013

18、年1月-2013年12月結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗臺校準(zhǔn)裝置研制結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗臺校準(zhǔn)裝置1套確認階段2014年1月-2014年9月校準(zhǔn)方法研究，試驗數(shù) 據(jù)驗證研究報告1份、校準(zhǔn)規(guī)范1份2014 年 10 月-2014 年 12 月整理資料，提交驗收。驗收資料1套2. 設(shè)計開發(fā)階段的評審、驗證和確認活動1）設(shè)計階段評審校準(zhǔn)方案的完成情況；2）樣機階段評審校準(zhǔn)裝置的完成情況；試驗大綱;3）確認階段進行試驗驗證、項目驗收測試。3. 人員職責(zé)和權(quán)限姓名職稱專業(yè)項目分工工作量簽字李善明咼工沖擊總體設(shè)計、試驗設(shè)計15個月曾吾研究員沖擊、振動結(jié)構(gòu)設(shè)計、試驗設(shè)計12個月曹亦慶咼工沖擊軟件設(shè)計12個月商一奇工程師沖擊試驗設(shè)計12個月4. 外協(xié)計劃1）技術(shù)合作方案 2）外協(xié)方案應(yīng)包括：a.外協(xié)任務(wù)名稱和技術(shù)指標(biāo)要求b. 外協(xié)任務(wù)的時間節(jié)點和經(jīng)費預(yù)算c. 外協(xié)供方名稱和資質(zhì)介紹例：外協(xié)供方單位主要有兩個：驗收指標(biāo)：預(yù)算費用：萬元。完成時間：年 月 日）5. 經(jīng)費預(yù)算1）經(jīng)費預(yù)算統(tǒng)計表年度設(shè)計費外協(xié)費材料費設(shè)備專用費試驗費差旅費直接經(jīng)費合計201361.523589.520145.5510.5合計6723101002）材料費所包含的具體內(nèi)容:名稱牌號/型號單價數(shù)量預(yù)計購置時建議采購廠家壓阻式加速度計/0.6萬元1020