高加速度（高g值，1g＝9.8m/s2）冲击过载是一种极端条件下的物理现象，其产生的加速度往往达数百g，甚至高达惊人的20万g以上。这种极端冲击环境主要出现在一系列高能量、高速度的场景中，诸如火工品爆炸、发动机点火、高速气动与大气再入过程，以及汽车和高速列车的剧烈碰撞、冲压锻造、冲模冲孔、冲击钻探等过程。更为关键的是，它在军事领域也扮演着至关重要的角色，如火箭弹、导弹、巡航导弹、穿甲弹、半穿甲弹和侵彻弹等高速侵彻硬目标的过程中。这些领域不仅关系到国家的科技进步，更是航空、航天、武器装备及国防科技等核心领域的重要支撑。因此，对高加速度冲击激励与试验技术的深入研究是冲击动力学的研究方向之一，也始终占据着该领域的科研前沿，这对于推动我国在相关领域的发展具有极其重要的战略意义。
高加速度冲击过载环境的独特特征是过载加速度峰值惊人、脉冲作用时间短暂、破坏力巨大且响应机制极为复杂，对置身其中的元器件及其系统的结构可靠性与安全性、性能稳定与持久性等方面提出了严苛的要求。这对科研人员开发和优化此类元器件及系统构成了巨大的挑战。以硬目标侵彻武器的研发为例，为确保侵彻武器的结构设计合理、性能达标、可靠性经受住考验，需对炸药的效能进行精确检测，确保炸点控制系统符合战术技术要求，并验证炸药在高过载环境中的安全性和可靠性。这一过程中，选择合适的试验装置、确定有效的试验方法、研究先进的测试技术及校准系统等，进行多种类、多批次、重复性的模拟试验变得至关重要。因此，通过实验室模拟高加速度冲击过载环境成为了科研人员不可或缺的研究手段。
经过多年的深入研究和实践探索，高加速度冲击过载激励与试验技术已取得了显著的进步。然而，仍有一些关键技术环节需要进一步研究和突破，比如如何研发出试验范围更广、可靠性更高、成本更低的冲击加速度脉冲环境激励技术。这不仅是科研领域的重要课题，更是推动相关领域技术发展的关键所在。
本书是在综合作者多年实践成果的基础上，结合最新书籍和期刊论文的研究成果精心编写而成的。我们期望本书能为高加速度冲击领域的科研人员、高校师生提供有价值的参考与帮助，推动该领域的进一步发展。本书共分7章：
第1章为绪论，引领读者踏入高加速度冲击过载环境激励与试验技术的广阔领域，全面勾勒其基本概念、发展历程、研究意义及当前面临的挑战。通过深入浅出的介绍，为后续章节奠定坚实的理论基础与探索框架。
第2章聚焦于冲击过程的时域特征，系统剖析了多种理想冲击加速度波形函数的数学表达与物理含义。通过严谨的理论推导，深入探讨了冲击过程中的位移、速度、加速度、脉宽及速度变化量的动态变化规律，辅以实际高加速度冲击案例，直观展示冲击信号的时域特性。同时，引入时域矩分析方法，为深入理解冲击响应特性提供新视角。
第3章深入高加速度冲击信号的频域世界，全面解析傅里叶谱、能量谱、冲击响应谱及独特的伪速度谱等关键概念。通过对比分析常见理想高加速度冲击加速度信号的频谱特性，揭示了冲击响应谱的计算精髓与数值处理的微妙之处。尤为值得一提的是，本章深入探讨了伪速度谱在评估被试件失效机理中的应用价值，以及影响其精度的多种因素，为优化冲击试验设计提供了科学依据。
第4章系统性地梳理了高加速度冲击试验的国际、国内标准及其发展历程，展示了当前主流的高加速度冲击试验设备与技术方法。通过对比分析不同试验设备的特点与应用范围，为读者选择适合的试验方案提供了实用指南。
第5章针对轻小被试件的特殊需求，创新性地提出了基于多物体碰撞速度放大原理的高加速度冲击激励技术。详细阐述了基于一级速度放大器的试验方案设计、设备研制及成功案例，展示了该技术在提升冲击效能、降低试验成本方面的显著优势。
第6章则聚焦于大质量、大体积被试件的高加速度冲击激励挑战，介绍了气体炮技术、冲击气缸技术等传统方法在大负载场景下的应用。更为重要的是，基于空气炮原理，创新性地提出了一种新型大负载高加速度冲击激励技术，并成功研制出相应试验设备，取得了很好的实际效果。
第7章深入探讨了高加速度冲击试验中的波形调整技术，包括Hopkinson压杆与跌落冲击激励中的波形整形方法。特别地，详细阐述了橡胶型波形整形器的设计思路，为解决高加速度、长脉宽激励技术难题提供了新思路。
本书的第1、2、4三章主要由重庆城市职业学院李阳博士执笔，其余章节均由重庆文理学院段正勇博士执笔，并完成统稿工作。在本书的仿真分析中，得到了段正勇博士的研究生马健程硕士的大力支持。同时，在漫长的研究历程中，我们得到了多方的大力帮助和支持。西安交通大学赵玉龙教授以其深厚的学术造诣和独到的见解，为我们提供了宝贵的指导和建议。南阳理工学院、苏州东菱振动试验仪器有限公司以及重庆文理学院等单位的领导和同事们也给予了热情的帮助和支持，为本书的完成提供了诸多便利，在此表示衷心的感谢。
特别值得一提的是，我们的家人也给予了极大的支持和理解。在繁忙的工作之余，她们承担了更多的家庭劳动和孩子的教育任务，让我们能够全身心地投入研究和写作中。她们的付出和牺牲，是我们能够顺利完成本书的重要保障。在此，我们向所有给予支持和帮助的家人表示衷心的感谢和深深的敬意。
由于作者学识和能力所限，本书中的某些内容可能尚显稚嫩，甚至可能存在疏漏或谬误。我们深知学术研究的道路永无止境，真诚地希望广大读者能够不吝赐教，对书中的不足之处提出宝贵的批评和建议。您的赐教将是我们不断进步的重要动力，也是我们不断完善和提高的宝贵财富。在此，我们衷心感谢每一位读者的关注和支持，期待与您共同推动相关领域的研究和发展。
段正勇
2024.10
段正勇，工学博士，重庆文理学院高级工程师、硕士生导师，四川蓬溪人。本硕毕业于西安石油大学，博士毕业于西安交通大学。历任西安石油大学、南阳理工学院教师，曾在苏州东菱振动试验设备有限公司博士后工作站工作。长期从事信号分析处理、控制工程等课程教学，主要研究领域为冲击动力学，聚焦高加速度冲击激励与试验技术，同时开展石油钻采设备及机械创新设计研究。累计发表论文40余篇（SCI收录10余篇），获授权专利10余项，出版教材、译著、专著各1部。科研项目经验丰富，参与国家863计划、重大专项子课题，主持/参与省部级纵向项目十余项，承担企业横向课题多项，累计科研经费逾600万元。研究成果在高加速度冲击试验技术领域具有较高应用价值，学术与实践成果兼备。
第1章 绪论 1
1.1 高加速度冲击的基本概念 1
1.2 常见的高加速度冲击现象 3
1.3 高加速度冲击的利用与防护 5
1.3.1 高加速度冲击的利用 6
1.3.2 高加速度冲击的缓冲或隔离 8
1.4 高加速度冲击的重要性及其研究方法 9
1.4.1 理论研究 9
1.4.2 仿真分析 13
1.4.3 试验研究 15
第2章 高加速度冲击过程时域描述与分析 18
2.1 基本概念与参数定义 18
2.2 常用理想冲击加速度波形函数与近似表达 22
2.2.1 冲击加速度函数与波形 23
2.2.2 冲击过程分析 29
2.2.3 无量纲速度表达 32
2.2.4 无量纲位移表达 33
2.3 冲击脉冲的速度变化量 39
2.3.1 理想冲击加速度脉冲的速度变化量 40
2.3.2 实测冲击加速度脉冲速度变化量的获取 41
2.4 时域矩分析 42
第3章 高加速度冲击过程的频域描述与分析 45
3.1 傅里叶频谱与能量谱分析 45
3.1.1 半正弦理想冲击加速度脉冲的频谱 45
3.1.2 常见理想冲击加速度脉冲的傅里叶幅值谱特性 46
3.1.3 实测高加速度冲击加速度及傅里叶幅值谱特性 50
3.1.4 能量谱密度分析 52
3.2 冲击响应谱 52
3.2.1 冲击响应谱的引入 52
3.2.2 SRS 定义 53
3.2.3 SRS 基本理论 55
3.3 SRS 的数值计算方法 57
3.3.1 Smallwood 方法简介 57
3.3.2 基于二次插值的递归算法 58
3.3.3 SRS 计算中的参数选择 60
3.3.4 SRS 计算的数据准备合理性检测及注意事项 61
3.3.5 SRS 的非唯一性 62
3.4 SRS 的形式及无量纲表达 63
3.4.1 不同形式的SRS 63
3.4.2 理想冲击加速度脉冲SRS 的无量纲表达 64
3.5 常见冲击信号无量纲AASRS 及特征 64
3.5.1 理想冲击加速度脉冲的无量纲AASRS 及特征 64
3.5.2 理想冲击加速度脉冲的无量纲SRS 比较 69
3.5.3 冲击加速度幅值与脉宽对最大正SRS 的影响 70
3.5.4 实测冲击加速度脉冲的AASRS 72
3.6 伪速度谱 73
3.6.1 伪速度谱的计算 73
3.6.2 PVSRS 的4CP 图 74
3.6.3 经典冲击加速度脉冲的4CP PVSRS 74
3.6.4 4CP PVSRS 与被试件损伤机理 78
3.6.5 冲击加速度脉冲峰值与脉宽对4CP PVSRS 的影响 81
3.6.6 阻尼对4CP PVSRS 的影响 83
3.6.7 实测高加速度信号的PVSRS 84
第4章 高加速度冲击试验规范 86
4.1 标称冲击加速度脉冲与试验规范 86
4.1.1 GB/T 2423.52019、IEC 60068-2-27：2008 标称冲击脉冲 87
4.1.2 GJB 150.18A2009 标称冲击脉冲 89
4.1.3 GJB 360B2009 的标称冲击加速度脉冲及容差 90
4.1.4 波形参数及严酷等级的选择 91
4.2 等效损伤原则 92
4.3 基于SRS 的试验规范 93
4.4 冲击试验规范制定的注意事项 94
4.4.1 鉴定试验与验收试验 94
4.4.2 多次、多方向试验问题 95
4.4.3 关于加速冲击试验问题 95
4.5 高加速度冲击试验设备 96
4.5.1 跌落冲击 96
4.5.2 摆锤冲击 99
4.5.3 Hopkinson 压杆冲击 99
4.5.4 谐振模拟冲击 106
4.5.5 靶场侵彻试验 107
4.5.6 各种冲击试验对比 108
第5章 轻小器件高加速度冲击激励技术 110
5.1 碰撞速度放大器原理 111
5.1.1 常见的碰撞接触力学理论 111
5.1.2 基于Newton 经典接触理论的物体碰撞 117
5.2 基于一级速度放大器的轻小器件高加速度冲击加速度脉冲激励技术 123
5.2.1 组成与原理 123
5.2.2 冲击动力学分析 125
5.2.3 典型设计 132
5.2.4 理论验证 140
5.2.5 仿真研究 141
5.2.6 样机实测 144
5.2.7 验证测试 144
5.3 理想和实测脉冲的比较 152
5.4 用于高加速度冲击加速度脉冲激励的二级速度放大器 156
第6章 大负载高加速度冲击激励技术 159
6.1 气体炮高加速度冲击激励 159
6.1.1 一级气体炮组成与原理 159
6.1.2 一级气体炮关键参数设计与分析 160
6.1.3 气体炮高加速度冲击激励技术应用特点 170
6.2 基于冲击气缸的高加速度垂直冲击激励 170
6.2.1 冲击气缸原理 170
6.2.2 关键参数估算与分析 175
6.2.3 基于气缸的气动高加速度冲击激励 177
6.3 空气炮技术 179
6.3.1 空气炮的工作原理 180
6.3.2 空气炮基本参数分析 182
6.3.3 空气炮快排阀门 187
6.3.4 中间贯通型空气炮 188
6.4 基于空气炮的高加速度冲击激励 190
6.4.1 驱动能量估算 192
6.4.2 空气炮驱动系统重要参数分析 192
6.4.3 基于空气炮的高加速度冲击激励工程设计 197
6.4.4 样机实测 197
第7章 高加速度冲击加速度波形整形技术 202
7.1 Hopkinson 压杆中的高加速度脉冲波形整形技术 203
7.1.1 波形整形器的理论基础 203
7.1.2 ANSYS LS-DYNA 的仿真分析设置 207
7.1.3 基于波形整形器的整形仿真 209
7.1.4 基于撞击杆的整形仿真 211
7.1.5 Hopkinson 压杆的冲击脉冲整形总结 214
7.2 跌落冲击激励中的脉冲波形整形 214
7.3 橡胶通用波形整形器设计基础 219
7.4 高加速度长脉宽激励技术探讨 221
7.4.1 等压式大负载长脉宽冲击缓冲器 222
7.4.2 液压爆炸模拟器 223
7.4.3 基于弹性绳或尼龙带的长脉冲激励技术 224
7.5 高加速度冲击加速度波形整形实例 225
参考文献 227
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