机械冲击试验：原理、方法与应用

一、引言

机械冲击试验是一项关键的环境可靠性测试技术，用于评估产品或材料在遭受短暂、高强度机械冲击载荷时的耐受能力和结构完整性。这类试验模拟产品在运输、使用或意外跌落过程中可能遇到的剧烈瞬时力，是保障产品可靠性与安全性的重要手段。

二、试验目的与意义

  • 评估结构强度与完整性： 检测产品结构、部件及其连接在冲击载荷下是否会发生断裂、塑性变形或功能失效。
  • 验证包装保护性能： 评估产品包装系统在装卸、运输过程中抵御跌落、碰撞等冲击的能力，保护内装物安全。
  • 暴露潜在设计缺陷： 发现产品在静载荷或振动载荷下不易暴露的薄弱环节和设计问题。
  • 满足标准与规范要求： 验证产品是否符合国内外行业标准、法规及合同中规定的抗冲击性能要求。
  • 优化产品设计： 为改进产品结构、材料选择和缓冲设计提供重要的试验数据依据。
 

三、主要试验类型

根据脉冲波形和产生方式，主要分为：

  1. 经典冲击（规定脉冲冲击）：

    • 定义： 通常指在试验台上精确复现特定脉冲形状（如半正弦波、后峰锯齿波、梯形波）和参数的瞬时冲击。
    • 核心参数：
      • 峰值加速度 (Peak Acceleration)： 冲击过程中达到的最大加速度值（单位：g）。
      • 脉冲持续时间 (Pulse Duration)： 冲击脉冲的主要作用时间（单位：ms）。
      • 速度变化量 (Velocity Change)： 冲击过程中速度的总变化量（单位：m/s），反映冲击动量。
    • 实现方式： 主要使用冲击试验台，通过编程控制冲击锤或台面运动生成所需波形（如半正弦波冲击）。

  2. 冲击响应谱 (SRS) 试验:

    • 定义： 不直接规定输入脉冲波形，而是规定一系列单自由度系统（不同固有频率）在经受冲击后产生的最大响应（通常是加速度）所构成的谱线。它描述了冲击对具有不同共振频率的结构的潜在破坏能力。
    • 特点： 更能反映冲击对复杂产品的潜在破坏效应（尤其对共振结构），常用于航天、军工等领域。
    • 实现方式： 可在振动台上通过时域波形复现法或频域幅值相位控制法实现。

  3. 自由跌落试验：

    • 定义： 将产品（带包装或不带包装）从规定高度自由释放，使其撞击刚性平面。
    • 核心参数： 跌落高度（单位：m 或 mm）。
    • 特点： 操作相对简单，更直观地模拟实际跌落场景（如搬运、运输中的意外跌落），常用于包装测试和消费电子产品测试。
 

四、关键要素与设备

  1. 冲击试验台： 核心设备，用于产生精确可控的冲击脉冲。常见类型包括：
    • 跌落式冲击台： 通过提升台面或砧板至预定高度后释放，撞击缓冲垫产生冲击脉冲（常用于经典冲击）。
    • 气动冲击台： 利用压缩空气驱动冲击锤撞击目标。
    • 电动振动台： 强大的振动台可以通过编程复现特定的冲击时域波形或实现SRS冲击（时域波形复现法）。
  2. 测量系统：
    • 加速度传感器： 安装在试件或台面上，精确测量冲击过程中的加速度响应。
    • 电荷放大器： 放大加速度传感器输出的微弱电荷信号。
    • 数据采集与分析系统： 记录冲击时域波形，计算峰值加速度、脉冲持续时间、速度变化量，绘制冲击响应谱等。
  3. 试验夹具： 用于安全、可靠地将试件固定在冲击台面上，需具有足够刚度和强度，避免自身动态特性干扰试验结果。
  4. 控制系统： 设定试验参数（波形类型、峰值加速度、脉宽、冲击次数、方向等），控制冲击台运行，记录试验数据。
 

五、试验流程简述

  1. 试验策划：
    • 明确试验目的和依据的标准规范。
    • 确定试验类型（经典冲击、SRS、自由跌落）。
    • 详细规定试验条件：冲击波形、峰值加速度、脉冲持续时间/跌落高度、冲击方向（X/Y/Z）、冲击次数、温度环境（若涉及）。
    • 定义试件状态（含包装或不含、工作状态或非工作状态）。
    • 确定性能检测要求（冲击前、冲击中、冲击后需进行的电性能、功能检查）。
  2. 试件准备与安装：
    • 按要求准备试件（状态、配线等）。
    • 设计、制造并验证试验夹具。
    • 将试件严格按照规定方式安装在夹具上，确保连接可靠。
    • 正确安装加速度传感器（通常在试件关键部位和台面控制点）。
  3. 试验执行与监控：
    • 连接好测试系统，进行通道校验。
    • 设置控制系统参数。
    • 执行预定方向和次数的冲击。
    • 实时监控冲击波形（确保实际冲击满足允差要求）和试件状态（尤其冲击中需通电测试时）。
    • 按要求进行冲击前后的功能性能检测记录。
  4. 结果分析与报告：
    • 详细记录所有试验条件、参数设置和实际测量数据（冲击波形图、峰值加速度、脉宽等）。
    • 记录试件在冲击中和冲击后的现象及功能性能检测结果。
    • 分析试件是否发生失效（结构损坏、功能失常、性能超差）。
    • 判断试验结果是否符合标准要求（通过/失败）。
    • 编制包含所有关键信息的试验报告。
 

六、应用领域

机械冲击试验广泛应用于对产品抗冲击性能有要求的各行各业：

  • 电子电气： 计算机、服务器、通信设备、家用电器、电路板、连接器等。
  • 交通运输： 汽车零部件（ECU、传感器、灯具）、航空航天器及部件、轨道交通设备及零部件。
  • 军工装备： 各类武器系统、雷达、通信设备、军用电子设备。
  • 包装运输： 工业产品包装、家电包装、物流运输包装件。
  • 能源电力： 电力设备、电池组、新能源设备部件。
  • 医疗器械： 诊断设备、便携式医疗设备、植入器械（包装测试）。
  • 精密仪器： 光学仪器、实验仪器、测量设备。
 

七、结论

机械冲击试验是评估产品在实际严酷环境中生存能力的关键环节。通过科学设定试验条件、精确执行试验过程并准确分析结果，能够有效暴露产品设计、材料选择、工艺制造和包装防护中的薄弱点，为提升产品的可靠性、耐用性和安全性提供强有力的数据支撑。随着产品复杂度和可靠性要求的不断提高，机械冲击试验技术也在持续发展（如更精确的SRS控制、多轴冲击等），以满足日益严苛的测试需求。遵循相关标准、精心设计和执行试验是获得真实有效结论的根本保障。