破损速度测试

第十四课产品脆值测试方法就像产品的重量可以用天平来测量,产品的强度也可以通过动态输入来测量.
一个冲击试验机可以用来测量破损边界曲线.
一个振动系统可以用来测得产品的固有频率.
冲击:破损边界曲线产品的振动破损是由过度的内应力引起的惯性力造成的.
因为惯性力和加速度成正比(F=ma),冲击脆值的特点是由可以承受的最大加速度值决定的,也就是说可以承受多少个重力加速度.
当一个包装件撞击地板时,包装容器表面与地板接触的瞬间重力加速度可以达到几百个重力加速度.
包装材料可以改变传递到产品的冲击脉冲,以便尽可能大的减小最大加速度(脉冲持续的时间要比这长许多倍).
包装设计者的目标是确定通过缓冲衬垫传给产品的加速度要比使产品破损的加速度更低.

破损边界理论是一个决定工程意义的测试协议,通过输入冲击的大小决定是否会造成产品的破损.
有两个冲击因素可能会造成破损:加速度的等级和速度的变化.
速度的变化或者随时间推移的加速度可以被认为是能量冲击的区域.
速度的变化越高所包含的能量也越高.
但在产品破损发生之前可达到一个最小的速度变化.
这个等级被称为临界速度改变量().
在临界速度改变量以下无论输入多大的加速度都不会产生破损.
实质上是,在破损边界区域没有足够的能量去造成产品的损坏.
然而,超过临界速度也并不一定意味着会破损.
如果速度在产品能够允许的加速度范围内发生变化,那么速度的变化可以非常大,而不会造成损坏.
但是,如果临界速度和临界加速度()都超过,那么破损必然发生.

图14.
1典型的破损边界曲线一种典型的破损边界曲线如图14.
1所示.
这是一个由冲击脉冲的参数和区域边界定义的图,这个区域是由加速度和破损区域以外的速度改变量结合成的,在这个区域内没有破损.
例如,如果输入的速度改变量在产品的临界速度以下,那么加速度的输入值可以为100个重力加速度,1000个重力加速度,10000个重力加速度或没有造成破损的无限大的加速度值.
事实上,达到这么高的加速度意味着冲击时间要非常短.
如果我们单从图形意义上考虑它,我们就有相当大的区域或速度改变量可以重新设定产生一个时间很短的冲击脉冲.
如果我们想使脉冲非常高,也就是说非常大的加速度,那么因为区域的限制,脉冲也必须作用非常短的时间.
事实上,由于作用时间太短产品在这个加速度等级上还没有做出响应而只有能量输入.
因为输入的速度改变量没有超过产品的临界速度,所以没有破损产生.

然而,当输入的速度变化量超过产品的临界速度时,防止破损的唯一的办法就是限制输入的加速度值要低于产品的临界加速度.
这通常表现在包装中的缓冲作用上.
它可以将包装容器外的较高的加速度转变为包装容器内部件经历的较小的加速度值.

在这个图中低速度的区域部分(图的左侧)即使加速度值很大也不会破损.
在这里由于速度改变量(跌落高度)太低,所以产品自身就可以隔振.
图形中加速度边界以下的部分(曲线下方),即使有很大的速度改变量(跌落高度)破损也不会发生.
这是因为形成的力()在该产品的强度极限以内.

图14.
2显示了速度改变量的边界(垂直边界线)与脉冲波形相独立的情况.
然而,破损边界曲线中对半正弦和锯齿脉冲的加速度的值(垂直直线的右侧)取决于速度的改变量.
用这个破损边界需要对跌落高度和包装容器或缓冲恢复系数有一个较准确的预测.
因为一般情况下不好预测,所以常常使用矩形脉冲.

图14.
2相同峰值的脉冲加速度和速度改变量的破损边界用矩形脉冲形成的破损边界可以包含所有其它波形形成的破损边界.
这是一个很大的优势,因为我们通常都不清楚通过缓冲垫传递的波形.
通过用矩形波创建加速度破损边界率,包装设计者将可以确定实际上通过缓冲垫传递的冲击会等于或小于所测试的脉冲.
另一方面,应该注意的是矩形波所决定的临界加速度值通常是保守的结果.

脆值的测试是用来建立产品破损边界曲线的过程.
这个测试通常由冲击试验机完成.
这个程序的几个标准被纳入标准化中,如ASTMD3332,产品的机械冲击脆值,如何使用冲击台.
使用冲击机械可以提供一个方便的方式去形成各种各样的速度改变量、一致并且可控制的加速度值和波形.
典型的是,通常将被测试的项目固定在冲击试验台的顶部,并且给试验台控制好速度改变量和冲击波形.
让冲击试验台上升到一个预先设置好的跌落高度.
然后释放,让其自由下落并且与机构的底部相冲击;又从底部反弹回去并且被一个刹车系统固定住以保证只有一次冲击发生.
负责冲击的程序人员需要在冲击台和底部之间控制冲击波形的类型,并且保证整个冲击过程在冲击台(含有安装好的测试产品)上完成.

因为矩形波被用在脆值的测试上,程序相当于一个可以产生恒定力的气压缸.
矩形波加速度的值是通过调整气缸内气体的压力进行简单的控制的.
速度的变化量是通过调整跌落高度进行控制的.
1、脆值测试决定一个破损边界需要进行两个测试设置.
一个是速度的测试,用来决定产品的临界速度变化量;另一个是加速度的测试,用来决定临界加速度.
2、阶跃速度测试运行速度测试的步骤,冲击试验机的跌落高度设施在一个非常低的位置以便产生一个较低的速度改变量,以保证产品跌落到试验台时是安全的.
不论是半正弦波还是矩形波都可以用来完成这个测试,因为临界速度是相同的.
一般来说一个半正弦的冲击波形用起来比较简单.
第一次跌落时应该保证不能发生破损,然后增加跌落高度以便提高速度改变量;第二次跌落时再次检测样品;逐渐增加跌落次数直到破损发生.
记录每一次冲击的速度改变量和加速度的峰值.
一旦破损发生,速度边界测试即可停止,因为确定破损的最小的速度值就可以确定了,同样也就确定了破损边界曲线的速度改变量(图14.
3).
破损边界线发生在最后一次没有破损和第一次破损之间.

在一些例子中,要充分测试这个破损边界的垂直线.
如果速度改变量需要产品的破损将不会遇到正常的跌落除非在特定的环境中,也就不需要缓冲衬垫.
然而,如果产品在这样的等级下破损,即需要遇到特定的环境,产品得到改善或有缓冲衬垫作为保护.
这就表明需要建立一个破损边界的水平直线.

图14.
3速度改变边界的形成3、阶跃加速度测试决定加速度的边界直线需要一个新的故定在冲击台上的样品.
跌落高度要设置在这样一个等级,即产生的速度改变量至少为临界速度的1.
57倍.
实验人员调整压缩气体的压力,直到产生一个较低的冲击加速度,这个加速度要比你所期望的能够造成产品破损的加速度值小.
然后,开始第一次跌落并且检查样品是否有破损.
如果没有破损,实验员要增加压力,以提供一个在相同跌落高度时更大的冲击加速度.
开始这一次的跌落并再次检验样品是否破损.
程序就这样重复着使加速度逐渐增加直到破损发生.
这个值就可以确定破损边界曲线的水平直线.
破损边界线发生在最后一次没有破损和第一次破损之间.

你可以通过连接垂直的速度边界线和水平的加速度边界线绘制破损边界曲线.
两直线相交的地方必须是圆的,而不是方的.
在许多例子中,这个圆角并不是被经常应用,而是常用方形的拐角.
然而,如果这个角用的范围比较重要,那么这个角的形状可以通过计算或在这个区域中多做一个附加实验测出.
图14.
4通过这种方法给出了一个典型的破损边界曲线图.

图14.
4破损边界线的形成在严格的测试程序中,破损边界曲线由每个单元的方向生成.
在这个测试中,每个方向需要2个点的破损,一个是速度测试步骤一个是加速度测试步骤.
很少有这么多的单元在产品的原型阶段可以用来做破坏性的测试,而原型阶段是做这种测试的最佳时间.
折中往往使必须受到损害的单元的数量受到限制.
在特定的情况下仅仅通过三个正交轴也是可以实现的.
另外,这个单元可以在测试中得到恢复,所以一个单元和一些空闲的部分可以被用来完成所有的测试.

振动:共振扫描和停留这是普遍认为的稳态振动的环境中如此低的加速度幅值的故障是不会因为非共振惯性载荷出现的.
破损最有可能发生在产品的某个部分或组件中由环境激发的固有频率处.
如果这个激力作用足够的时间,部件的加速度和唯一就会被放大到破损值.
因此这些频率识别变为包装设计系统中的关键.
对这种没有包装的产品进行振动测试的目的是确定产品关键件的自然频率或共振频率.

一个产品或组件输入振动的反应可以由一个近似的曲线来表示,如图14.
5所示.
图14.
5典型的共振频率传递率曲线可以看到在很低的频率时,响应加速度与输入值相等;频率很大时,响应比输入的低很多.
但是在中间时,响应加速度可以达到输入的很多倍,这时是最有可能造成损坏发生的频率范围.
实际上测试一个产品的振动脆值还要涉及许多误差以及一些不易测试的结果.
如产品测试的方法,还有产品的特性,以及关键件的共振频率等.
测试的方法常常根据ASTM标准中关于产品的振动(垂直正弦运动)D3580方法.

共振的研究是在一个振动试验机(振动器)上进行的.
将被测试的产品固定在振动台上并确保产品在受到最低的正弦输入时仍然有频率范围,随着频率在较低和较高极限之间变化时,被测试的产品可以达到共振.
有时,如果非关键产品面板等等或其他屏蔽外部元件被移除,共振效应就可以被看见或直接听到.
另外还有时候,也有必要用闪频观测仪或各种传感器,以及记录一些关键的频率值和对应的部件.