충격 시험기의 종류

이전 강의에서 설명한 것처럼 엔지니어가 일반적인 충격 펄스를 생성하기 위해 선택하는 기계 유형은 시험 중인 장치(DUT)의 질량과 원하는 펄스 진폭, 지속 시간 및 모양에 따라 달라집니다.

충격 시험에 대한 보다 심층적인 이해를 위해 여러 유형의 충격 시험 기계를 검토해 보겠습니다.

기계적 충격 기계

"기계적 충격 기계"는 DUT가 장착된 테이블을 자극하는 폐쇄 루프 제어기가 없는 시스템에 대한 일반적인 제목입니다. 기계적 충격 기계에는 정의된 형태의 과도 펄스로 DUT를 자극하도록 설계된 기계 시스템이 포함됩니다.

예

• 낙하 충격 기계
• 경량 충격 기계
• 중형 충격 기계
• 홉킨슨 바

기계 충격 기계의 펄스 모양, 지속 시간 및 진폭은 기계 이동 속도나 움직임이 DUT에 미치는 영향을 조정하여 변경할 수 있습니다.

대형 기계적 충격 기계

미국 해군이 최초로 경량 및 중형 충격 시험기를 개발했습니다. 이 기계는 DUT가 장착된 고정 테이블에 진자 해머를 구동합니다. MIL-S-901D는 시험 기계에 대한 요구 사항을 포함하여 "선상 기계, 장비, 시스템 및 구조"에 대한 요구 사항을 정의합니다.

시험 엔지니어는 대형 DUT를 위해 플로팅 쇼크 플랫폼을 사용합니다. 플랫폼을 사용하려면 채석장이나 호수에 떠 있는 바지선과 다양한 충격 수준을 생성하기 위한 폭발물이 필요합니다.

아래는 경량 및 중형 장비용 MIL-S-901D 표준 충격 시험기의 두 가지 복합재입니다.

낙하 충격 기계

낙하 충격 기계는 많은 고전적인 충격 펄스를 생성할 수 있습니다. 낙하 충격 기계는 테이블을 지진 덩어리 위에 떨어뜨리고 다양한 프로그래머를 사용하여 생성된 펄스의 모양을 변경합니다.

낙하 충격 기계는 DUT의 급속 감속을 사용하여 시험 사양에 정의된 기존 충격 펄스를 생성합니다. 낙하 충격 기계는 두 개의 평행 기둥에 장착된 테이블로 구성됩니다. 기계는 미리 계산된 높이까지 테이블을 올린 다음 "지면"에 떨어뜨립니다. 이러한 맥락에서 지면은 실제 지면과의 원치 않는 접촉을 방지하기 위해 충격의 일부를 흡수하는 반작용 질량입니다.

자유낙하 낙하 충격 시험

자유 낙하 충격 시험을 위해 DUT는 낙하 충격 기계의 테이블에 장착됩니다. 충격 펄스의 가속도와 모양은 두 가지 요소, 즉 DUT가 떨어지는 높이와 충격 표면의 재료에 의해 결정됩니다. 높이는 전체 최고 가속도를 결정합니다. 높이가 높을수록 DUT가 반응 질량에 부딪힐 때 가속도가 더 커집니다.

중력을 통해 원하는 양의 가속도를 생성할 만큼 기계의 높이가 충분하지 않은 경우 탄성 밴드 또는 공압 실린더를 추가하여 프로그래머의 충격 속도를 높일 수 있습니다. 프로그래머는 낙하 테이블이 영향을 미치는 위치의 반력 질량 위에 위치합니다. 프로그래머의 동적 응답에 따라 펄스 모양이 결정됩니다.

반사인 펄스

반사인은 가장 일반적인 클래식 펄스 형태 중 하나입니다. 충격 표면에 고무 재료나 다른 엘라스토머를 배치하여 낙하 충격 기계에서 반사인 충격 펄스를 복제할 수 있습니다. 기계는 반사인 펄스의 가속도를 달성하는 데 필요한 높이까지 테이블을 올립니다. 그런 다음 테이블을 해제합니다. 테이블이 고무 표면에 부딪혀 튀어 나옵니다.

가속도 파형 그래프에서 사인파의 절반에 의해 생성된 펄스 형태를 보려면 테이블이 충격 표면에 부딪힐 때부터 DUT 속도의 변화를 고려해야 합니다.

예

스프링 프로그래머로 반사인 펄스 생성

반사인 펄스를 더 자세히 설명하기 위해 다음을 고려해 보겠습니다.

반력체 위에는 조밀한 고무 패드 대신 스프링이 배치되어 있습니다. DUT는 스프링과 접촉하기 직전에 높은 속도를 가집니다. 테이블이 스프링과 접촉하여 압축되면 DUT의 속도가 감소합니다.

처음에는 속도가 천천히 감소합니다. 가속도는 상대적으로 낮으며 가속도는 속도의 변화입니다. 그러나 스프링이 압축에 더 강해지면 가속도 변화가 더 크기 때문에 DUT의 속도는 더 빨리 감소합니다.

결국 스프링의 압축력은 한계에 도달하고 가속도는 최대치에 도달하게 됩니다. 정지된 DUT는 반대 방향으로 움직이기 시작합니다. 단단히 압축된 스프링은 가속도 변화가 높기 때문에 속도 변화가 높습니다.

DUT가 계속 위쪽으로 이동하고 스프링의 압축이 줄어들면 가속도가 감소함에 따라 테이블을 미는 힘도 감소합니다. 반사인 충격 펄스의 이상적인 그래프가 그림 1.7에 나와 있습니다.

DUT의 가속도는 충돌 직전에 -1G였습니다. 유일한 가속도는 중력 때문이었습니다. 테이블이 스프링에 부딪혀 스프링이 압축되면서 가속도가 100G까지 증가했습니다. 테이블이 스프링에서 튀어오르자 가속도가 감소했습니다. 결국 중력으로 인해 음의 가속도(하향)만 발생하게 되었습니다.

프로그래머 및 펄스 폭

위의 사고 실험에는 스프링이 사용되었지만 충격 표면의 재료가 고무 또는 다른 엘라스토머인 경우에도 유사한 원리가 적용됩니다. 스프링과 마찬가지로 고무도 압축된 다음 압축이 풀립니다.

"랜덤 진동 및 충격 시험의 기본에 대한 최소 수학 소개"에서 Wayne Tustin은 다음과 같이 썼습니다.

"반사인 펄스의 전반부 동안 캐리지가 고무 안으로 들어가고, 펄스의 후반부 동안 캐리지가 고무에서 빠져나갑니다."(360페이지)

프로그래머의 경도를 측정하는 데 사용되는 도구인 경도계는 펄스 폭(펄스의 지속 시간)을 결정합니다. 고무가 부드러울수록 펄스 폭이 커집니다. 마찬가지로, 고무가 더 많이 압축될수록 압축에 대한 저항도 더 커집니다. 최대 압축 지점에서 DUT가 반동하고 고무가 압축 해제됩니다(그림 1.8).

단자 피크 톱니파 펄스

터미널 피크 톱니파는 또 다른 일반적인 클래식 펄스입니다. 이러한 목적으로 설계된 납 주조를 사용하여 생성할 수 있습니다.

테이블이 넘어질 때 중력(-1G)에 의해서만 가속도가 발생합니다. 테이블이 납 주물에 닿으면 DUT는 양의 방향으로 가속을 경험합니다(힘은 가속도에 질량을 곱한 것과 같습니다). 충격 시 납이 압축되기 쉽기 때문에 힘은 거의 일정한 비율로 증가합니다.

결국 리드가 더 이상 압축되지 않고 DUT가 움직이지 않게 됩니다. 이 시점에서 가속도는 거의 즉시 0으로 떨어집니다. 아래는 최대 가속도가 100G이고 지속 시간이 10mS인 터미널 피크 충격 펄스의 이상적인 그래프입니다(그림 1.9).

이 맥락에서 가속도와 속도의 차이를 주목하는 것이 중요합니다. 가장 최근의 예에서는 펄스 지속 시간 동안 가속도가 증가했지만 속도는 급격히 감소했습니다. 리드 캐스팅과 접촉하기 직전, 테이블이 빠르게 움직이고 있었다. 10mS 동안 속도는 0으로 떨어졌습니다.

드롭을 일반 속도로 본다면 모션이 너무 빨리 발생하기 때문에 뾰족한 납 캐스팅이 압축되는 것을 알아차리지 못할 것입니다. 그러나 해당 시간 프레임에서는 리드 포인트가 압축되고 모션이 멈출 때까지 반대 방향으로 더 큰 힘(더 큰 가속도에 해당)이 테이블에 적용됩니다.

낙하 충격 테이블의 기존 충격 펄스에 대한 펄스 진폭은 테이블에서 프로그래머까지의 거리를 변경하여 조정할 수 있습니다. 어떤 경우에는 중력 이외의 속도를 생성하기 위해 스프링이나 고무 밴드가 지진 질량에서 테이블까지 연결됩니다.

공압 충격 기계

공압 충격 시험기는 압축 공기를 사용하여 테이블을 충격 표면으로 밀어 넣습니다. 충격 표면은 다양한 프로그래머를 사용하여 다양한 클래식 충격 펄스 모양을 만듭니다.

자유 낙하 충격 기계와 유사하게 고무 패드 또는 엘라스토머를 공압 충격 기계와 함께 사용하여 반사인 펄스를 생성할 수 있습니다. 납 펠릿은 최종 피크 펄스를 생성할 수 있고 공압 실린더는 사다리꼴 펄스를 생성할 수 있습니다.

공압 실린더는 중력에 의존하지 않고 충격력을 생성하므로 더 짧은 수직 거리에서 훨씬 더 높은 가속도 값을 생성할 수 있습니다.

결론

엔지니어가 고전적인 충격 펄스를 생성하기 위해 선택하는 기계 유형은 여러 요인에 따라 결정됩니다. 가장 일반적인 시험 장비 중 하나는 자유 낙하 충격 기계입니다. 낙하 충격 기계를 사용하면 프로그래머를 변경하여 원하는 펄스 모양을 얻을 수 있습니다.

다음 강의에서는 충격 시험을 생성하는 또 다른 장치인 가진기에 대해 알아보겠습니다.