Introduction to shock-response spectra

Abstract

A shock is a sudden and violent event. There are many examples of shocks, from earth quakes and explosions to controlled mechanical transient processes. In this report, we discuss theory, modeling and analysis methods of shock response which is how objects respond to shocks. The topic shock response is applicable to buildings, vehicles and ships and a variety of objects that can be exposed to transient forces. It is also applicable to equipment attached to these objects. Engineers have been working with shocks and transient processes for many years, in particular within the international defence and space sector where the topic is mature and well understood. For example, equipment must be tested and qualified for certain shocks and vibrations before it is installed in a space vehicle and launched into space. The equipment must withstand tests defined according to a certain shock response spectrum. The same applies for equipment used in military vehicles. We experience that knowledge about shock response and shock response spectra in particular the theoretical side of it, is not so well established among Norwegian defence experts, which is the reason for writing this report. The capability to perform shock simulation and testing, shock analysis and interpretation is essential for and requested by the Armed Forces. Equipment in naval ships and vehicles must withstand certain defined impacts that should be verified and tested before the equipment is purchased and installed. The main focus of this report is to present and explain the shock response spectrum, why it is useful, how to calculate it and some examples of its use. We also explain how shock response spectrum can be used as design criteria and how they are used in the characterization of shocks. Finally, the “shock spectrum dip” is discussed.

Sjokk er en voldsom og plutselig hendelse. Det er mange eksempler på sjokk, fra jordskjelv og eksplosjoner til mer kontrollerte transiente mekaniske prosesser. I denne rapporten diskuterer vi teori, modellering og analysemetoder for sjokkrespons. Sjokkrespons angir hvordan objekter responderer på sjokk. Fagfeltet sjokkrespons kan anvendes på bygninger, kjøretøy, farkoster og skip og en mengde forskjellige objekter som kan bli utsatt for transiente krefter. Fagfeltet kan også anvendes på utstyr som er montert på slike objekter. Ingeniører har arbeidet med sjokk og transiente prosesser i mange år. Spesielt er det relevant for forsvars- og romteknologi. I de store internasjonale miljøene er feltet modent og godt forstått. Innen romfartssektoren må utstyr testes og kvalifiseres etter definerte sjokk- og vibrasjonskriterier før det installeres i romfartøy for å bli brakt ut i rommet. Utstyret må tåle tester som er definert ved gitte sjokkrespons-spektra. Det samme gjelder for militært utstyr. Vi erfarer at kunnskap om sjokkrespons og sjokkrespons-spektra, spesielt den teoretiske siden av dette, ikke er vel etablert blant norske forsvars-eksperter, hvilket er bakgrunnen for denne rapporten. Evnen til og muligheten for å foreta sjokksimulering og testing, sjokkanalyse og tolkning er essensiell for Forsvaret. Det burde være en grunnleggende ferdighet. Utstyr i marinefartøyer og militære kjøretøy må tåle visse definerte påkjenninger og dette burde være verifisert og testet før utstyret anskaffes og installeres. Hovedfokus i denne rapporten er å presentere og forklare sjokkrespons-spekteret, hvorfor det er nyttig; og hvordan det kan beregnes. Vi presenterer noen eksempler og vi forklarer hvordan et sjokkrespons-spekter kan brukes som design kriterium og hvordan det kan brukes til å karakterisere sjokkpåvirkning. Tilslutt diskuteres fenomenet “sjokkspektrum-dip”.