The Equivalent Static Accelerations

16
00  IN  C O  in  < i  O  < i  PHOTOGRAPH  THIS  SHEET  LEVEL  INVENTORY  ^M».  NKL-330JL  DOCUMENT  IDENTIFICATION  MJm:¥S  DgmBimON  TATEMEWT  K  Appmd  ot  public  alMMf  Dirtribotioa  unlimited  DISTRIBUTION  STATEMENT  ACCESSION  FOR  OTIS  RAftI  DTK  AB  UNANNOUNCED  JUSTIFICATION  ^ D  D  BY  DISTRIBUTION  /  AVAILABILmf CODES  DIST  f i  AVAIL  AND/OR  SPECIAL  fc DATE  ACCESSIONED  DISTRIBUTION  STAMP  UNANNOUNCED  DATE  RETURNED  04 08  3l  048  DATE  RECEIVED  IN  DTIC  REGISTERED  OR  CERTIFIED  NO.  PHOTOGRAPH  THIS  SHEET  AND  RETURN TO  DTICDDAC  m^^irmmrm  DOCUMOfT  PnOCDDfllHG  GIICET  i w Y   CCr>  

Transcript of The Equivalent Static Accelerations

Page 1: The Equivalent Static Accelerations

8/12/2019 The Equivalent Static Accelerations

http://slidepdf.com/reader/full/the-equivalent-static-accelerations 1/19

00 IN  

C O  in 

<

i O <

P H O T O G R A P H  TH I S S H E E T 

L E V E L   I N V E N T O R Y

M».  NKL-330JL D O C U M E N T  IDENTIFICATION  

MJm:¥S 

DgmBimON TATEMEWT K Appmd ot public a lMM f 

Dirtribotioa unlimited 

DISTRIBUTION S T A T E M E N T  ACCESS ION FOR  

OTIS RAftI DT K A B  UNANNOUNCED  

JUSTIFICATION  

^

D  D  

B Y  

DISTRIBUTION / 

AVAILABILmf CODES DIST  

f i  AVAIL AND/OR  SPECIAL  fc

D A T E ACCESSIONED  

DISTRIBUTION  STAMP U N A N N O U N C E D  

D A T E R E TU R N E D  

04  08  3l  048 D A T E RECEIVED  IN  DTIC   REGISTERED  O R  CERTIFIED NO . 

PHOTOGRAPH  THIS S H E E T A ND R E TU R N TO D T I C D D A C  

Page 2: The Equivalent Static Accelerations

8/12/2019 The Equivalent Static Accelerations

http://slidepdf.com/reader/full/the-equivalent-static-accelerations 2/19

C 3 0  

O  in  <

i Q 

( I ; i>

1 4  #KPÖRf NO . #-3302  ^  ^

.  ••>< '   Jr  /.  ,  ... .-N

• .r'  .-'.>  '. ''

 . .. :-T H E E Q U I V A L E N T S T A T I C A C C E L E R A T I O N S  

O F S H O C K M O T I O N S i; S  

*  i7  •-

SPV

m  DISTPIPirnCN TA  Appioved let '.:'' 

NAVAL  RESEARCH   LABORATORY  WASHINGTON, .C . 

Page 3: The Equivalent Static Accelerations

8/12/2019 The Equivalent Static Accelerations

http://slidepdf.com/reader/full/the-equivalent-static-accelerations 3/19

NRL REPORT  N O . 0-3302 

T H E E Q U I V A L E N T S T A T I C A C C E L E R A T I O N S  O F S H O C K M O T I O N S  J . P . W alsh and R. . Blake 

June 21, 1948 

n  V O R P  BEI Approved by : 

O r. H. M . Trent, Head, Applied M athematics Section O r. E . B . Stephenson, Superintendent, M echanics Division  

sS< 

NAVAL  RESEARCH  LABORATORY  CAPTAIN  A SCHADE,  SN DIRECTOR  WASHINGTON, .C . 

Page 4: The Equivalent Static Accelerations

8/12/2019 The Equivalent Static Accelerations

http://slidepdf.com/reader/full/the-equivalent-static-accelerations 4/19

DISTR IBUT ION  

CNOAttn:  Capt . G . W . tott 2) 

BuShips  

Attn:  Cap t . W . R . Millis 20) 

BuOrdAttn: apt. K. H. Noble 20) BuAe r Attn:  CodeAer-24 2) 

Attn:  Code TD-4 1) 

BuDocks

Attn:  Cap t . J. C . Gebhard , Des. M gr . 2) 

O NR  

Attn: Dr. R. M . Robertson 2) 

Attn: CodeN-482 2) 

C O , NOL , W hit e Oak , Silver Spring, M d .Attn: echnical Director 4) 

Attn:  Capt . . Taylor, Aviation Ord . Group 4) 

Medical O i nC , NMR I 

Attn:  Lt. Comdr . D. . Goldman 1) 

Dir., U S N EL , an Diego 4) 

C O , U SNOT S , China Lake  

Attn:  Reports Unit  (2 ) 

Dir., U S N E E S , Annapolis 

Attn:  M r. G . W ohlberg 

Supt., GS , Annapolis 

Attn:  Prof. G . H. Lee 

(1) 

(1) 

CO , U . . Naval Shipyard , New York  

Attn: Comdr. H. B. Blackwood, Material Lab.  (4 ) 

ii 

m w    

Page 5: The Equivalent Static Accelerations

8/12/2019 The Equivalent Static Accelerations

http://slidepdf.com/reader/full/the-equivalent-static-accelerations 5/19

DISTRIBUTION (Cont.) 

CO , U . S . Naval Shipyard, Philadelphia  Attn: M r. Botta, Ship Design Section 2) Attn:  Library, Code 26 3 2 )  

CO , MAMC , hiladelphia  Attn: r. D. E . Weiss, Aeronautical M ateria l Lab. 2) 

CO , NADS, Johnsville Attn:  M r. D. R. W heeler 2 )  

OinC , USRL, Orlando Attn* eports and Analys i s Section 1) 

Comdt . , U . S . M arine Corps Headquarters, W ash . , D. C . 

2) 

Dir., DTMB , W ash., D. . Attn:  Capt. R . A . Hinners 4) 

Dir., NBS , W ash ., D. C . Attns r. C . D. Ramberg 1) 

CG, Aberdeen Proving Grounds, M d. Attn: M r. C . W . Lampson, Ballistics Res. Labs. 2) 

OCSigO  Attni  Ch. Eng . and Tech. Div., S IGTM-S 2) 

CO , SCEL , ort M onmouth 4) Attn: r. rank K. riebe Attn:  Evan s Signal Laboratory  Attn: oles Signal Laboratory  Attn:  Squier Signal Laboratory  

CG, AMC , W right -Pat terson A ir orce Base Attn:  Chief Engineering Division 1) Attn:  Chief M aterial Laboratory 1) Attn:  Chief E lectronics Subdivision, MCREEO - 2 1) 

RDB  Attn:  Library 2) Attn: av y Secretary 1) 

Science and Technology Project Attn:  M r. J . H. Heald 2) 

iii 

Page 6: The Equivalent Static Accelerations

8/12/2019 The Equivalent Static Accelerations

http://slidepdf.com/reader/full/the-equivalent-static-accelerations 6/19

C ON T E N T S  

Abstract i 

Problem Status i 

Authorization i 

I N TRODUCT ION

R E S P ON S E O F SINGLE-DEGREE-OF-FREEDOM SY S T EM S T O  SHOCK MOT IONS   1  

THE DERIVAT ION  O F SHOCK S P E C T R A ROM  R EED - G AG E  DATA EX AM P L E S O F SHOCK S P E C T R AS IGNIF ICANCE O F HOCK S P E C T R A

NAVY SHOCK -MACH INE P E C T R A

S U MM A R Y

A P P END IX I NO T E S O N T HE R E ED GAGE 0 

Page 7: The Equivalent Static Accelerations

8/12/2019 The Equivalent Static Accelerations

http://slidepdf.com/reader/full/the-equivalent-static-accelerations 7/19

A BS T RA CT  T he use of the reed gage as a method of determining important char- 

acteristics o f a shock motion is discussed. t is shown that he'shock spectrum," erived rom th e reed-gage record, provides design condi- t ions for "shockproof" equipment in th e form o f equivalent static accel- erations  f he hock motion, an d a rational method for comparing th e severity

 

o f different

 shock

 motions .

 Shock spectra are presented for certain theoretical motions as well 

as for th e motions of Navy shock-testing machines. ifferences between jthe machines are pointed  o ut  an d it is noted that th e predominant charac- teristic o f th e shock-machine motion is a sudden velocity change. 

P R O B L EM  S T A T U S  

This is an interim report o n this problem^ wor k is continuing. 

AUTHOR I ZATI ON N R L Problem No . F 03-06 R . 

vi 

Page 8: The Equivalent Static Accelerations

8/12/2019 The Equivalent Static Accelerations

http://slidepdf.com/reader/full/the-equivalent-static-accelerations 8/19

THE QUIVALENT  STAT IC ACCELERAT IONS OF SHOCK MOTIONS 

INTRODUCTION 

When contemplating th e design of a structure which must be  shock-proof," he designer seeks design conditions which can be used to calculate th e sizes of th e members of th e structure.  Because ot training and past experience, t s ikely that he will ttempt to  transform he ynamic nertia oads cting n he tructure, nto equivalent tatic loads oads which, f polied tatically, will roduce imilar eflections, tresses, ana lailures. n th e reports of investigations on laboratory shock machines and aboard  ship, ecords of th e acceleration imparted  to various parts of  these tructures under shock conditions are found. n general, these records show that th e acceleration reached peak values many  times the acceleration due to gravity - in some cases thousands of times as much. nowing that systems can no t be designed  to carry several thousand times their own weight, the designer chooses some arbitrary number (say 50, 00 , or 50) and proceeds on  the assumption  that the equivalent static load acting on th e structure is its tatic weight multiplied  by  this arbitrary number. 

It is th e purpose of this paper to point out:  a) that th e effect of a given shock motion  is not th e ame fo r all structures and b), that th e load fo r which a structure should be  designed depends not only upon th e hock motion to which it is to be subjected, but also upon its natural frequencies; and to present data useful in th e design of structures. 

RESPONSE OF S INGLE -DEGREE -OF -FREEDOM

 SYSTEMS

 TO SHOCK

 MOT IONS

 

T he concept of the response of a single-degree-of-freedom system to th e hock motion under consideration is of fundamental importance.  That this is true will be apparent later. A single-degree-of-freedom-system (Figure ) is defined as a rigid mass (M ) supported by  a massless linear spring. he motion or response of th e ystem can be completely de- scribed  by th e displacement  of  the mass in a direction  parallel with  th e axis of th e spring. 

X  =  x 1-x 6  Fig.  A single-degree-of-freedom system 

Page 9: The Equivalent Static Accelerations

8/12/2019 The Equivalent Static Accelerations

http://slidepdf.com/reader/full/the-equivalent-static-accelerations 9/19

NAVAL RESEARCH LABORATORY single-degree-of-freedom system has o ne natural frequency. t is often described as a "simple system "and will be so designated in th e remainder o f this report.  necessary assumption throughout this report is that the motion (Xj) o f th e foundation is unaffected by  th e motion o f the structure which it supports. 

There are several methods o f finding th e response o f a simple system (Figure ) to shock excitations. f an analytic expression for the shock excitation is known, the response o f th e simple system ca n be obtained by Duhamel's integral.

1 or each natural frequency assigned to th e simple system, a response to the excitation ca n be computed. 

Wh en th e excitation is given only in graphical form (an acceleration time curve taken aboard ship for example) there are tw o convenient methods of determining th e response o f simple systems to such excitations. he first is a graphical method of evaluating Duhamel's integral, described in detail in reference

 .  B y this method, th e maximum value of the 

acceleration o f th e mass (M ) can be found for an y natural frequency o f th e system when X j, th e acceleration o f th e base o f the simple system, s given as a graphical record or an  analytical expression which ca n be plotted. 

T he econd method is by  use o f a torsion pendulum. Blot* has sho wn that if th e support o f a torsion pendulum (Figure 2) s given an angular displacement d proportional to X j (the acceleration o f the base o f th e simple system (Figure  then t th e absolute angular dis- placement of th e bo b o f th e torsion pendulum) is proportional to the relative displacement (X ) in  the simple system. In th e discussion o f th e design o f earthquake-proof buildings. Blot found the maximum value o f th e acceleration o f th e mass o f a simple system (x max) 

subjected to a given earthquake acceleration-time record. his maximum acceleration w as plotted against th e natural frequency of th e simple system, an d this p l o t w as called an  "earthquake spectrum." 

Fig. 2 - Diagram o f  torsion pendulum  

If a series o f simple systems could be constructed an d subjected to an actual shock motion, an d if th e relative motions (X ) were recorded,  «shock spec- trum  could be plotted similar to th e earthquake spectrum. T he reed gage Figure 3) , designed at the David Taylor M o d e l Basin approximates such an in- strument. he reed gage, as its name implies, is composed o f a series of cantilevers carrying masses at their

 free ends.

 Each

 cantilever

 has a different

 natural frequency in th e first m od e . he maximum  value o f th e displacement o f th e free end, elative to th e fixed end, s recorded by scribing on waxed paper, TH E DE R I VATI ON O F SHOCK S P E C T R A FR OM  R E E D - G A G E DATA  

In order to obtain th e shock spectrum of a given  shock by  us   e of th e  reed-gage, th e excitation is applied to  th e  

1 T. V on Karman nd M . A. Blot , Mathematical methods in engineering, McGraw Hill, 1940),  . 403. 

2 G . E. Hudson, A method of estimating equivalent static loads in simple elastic structures, David W . Taylor M o d e l Basin Report N o.  07 , June 1943. 3 M . A. Blot, Bulletin o f th e seismological society of America, 31 : 151-171, (1941)  

Page 10: The Equivalent Static Accelerations

8/12/2019 The Equivalent Static Accelerations

http://slidepdf.com/reader/full/the-equivalent-static-accelerations 10/19

NAVAL RESEARCH LABORATORY

base f he age, nd he maximum eflections  of he eeds elative o he ase re recorded.  

If th e e « > d s are considered to be simp'e systems, fo r each reed there is a static deflec-  tion ös(due to th e action of gravity alone) whicnis related to th e natural frequency  fn of th e reed by  th e amiliar equation 

f  = .1 3  n 

l/fcps  (1)  

Let X be th e deflection of a reed tip relative to th e base of th e instrument under shock. 

Then max 5 . 

=  N   (2 ) W here N is th e "equivalent static acceleration." T he equivalent static acceleration is th e gradually applied acceleration, expressed as a multiple of th e acceleration due to  gravity, to which th e reed must be subjected in order to  produce th e same deflection of th e tip as was produced under shock. 

Th i s value of N is plotted against th e primary natural frequency of th e reed. his plot of N against fn is called  th e shock spectrum" of th e shock to which th e reed gage was sub- jected. 

EXAMPLES O F SHOCK S P ECTRA  

Figures 4 and 5 show th e shock spectra for some simple motions which can be expressed and analyzed mathematically. hese and  many  other imilar curves have been published by  several writers. 

«a-  Curve , igure 4 , is th e shock spectrum  fo r a half-sine pulse of acceleration defined  by equations (3). 

a sin  

2 T r t 

fo r 

fo r  

oS.S-I  and 

t< 0 andt>Y  (3 ) N/a is th e atio of th e peak acceleration of th e mass of a simple system to peak acceleration,  a, of th e applied shock motion nd  fn is th e natural frequency of th e simple system. A ss igning values to a and T reduces th e coor- dinates to th e conventional ones (i.e., N and fn). 

Curve n shows th e effect on th e shock spectrum of having th e in e pulse of curve I 

Fig.  Reed gage, (cover removed), show- in g reeds and records scribed on wax paper 

Page 11: The Equivalent Static Accelerations

8/12/2019 The Equivalent Static Accelerations

http://slidepdf.com/reader/full/the-equivalent-static-accelerations 11/19

NAVAL  RESEARCH LABORATORY 

s i li. 

i -   * A -in

 e  «  

ft r ^   n  -li W   u  

+  f  •  | \  4 - 1  \ 

\   * \ r C

Y  -<  ^==  *.

/Y  \  __  = — . J   1  

V  1  

» .1   «i MA L   FMO  XI 1  MRUV • I OMO I  MILK  

continue on as a damped transient vibration.  Thi s motion is defined by  

xj = 0 

and x e -bt 

fo r t<0 

a sin y) fort O  (4 ) 

In th e curve shown, b is appropriate fo r 0.5  

percent of critical damping and th e phase angle y is practically zero. h is curve is very similar to a steady-state vibration trans- missibility curve. 

Curve in is th e shock spectrum fo r a "square"pulse of acceleration defined by  

Xj  or K0, t>|- 

" ^  or O^t^-y 

and 

(5 ) Figure 5 is th e shock spectrum  fo r a step 

velocity change defined by  

0 or <0  and  

Fig. 4 - Shock spectra fo r three simple hocks  

n  wtmti * • » * *  

Fig. 5 - Shock spectra fo r velocity  change 

^ V or > 0  (6 ) Various values of th e velocity change (V) 

have been used to obtain th e family of curves shown. T he equation of this family of curves is given by  

v{  V N= —  '  7) 

SIGNIFICANCE  O F SHOCK S P ECTRA  

Shock spectra are important because they can be  used  to calculate whether or no t a given shock will 

damage a specific strurture. n order to us e th e shock  spectra in designing a structure, it is necessary to  assume that th e structure is elastic and linear up to  th e point of failure, and is subject to th e same shock  motion as th e reed gage. 

T he kinds of damage to a structure which are predictable from th e us e of shock spectra are: he yielding  of  ductile  materials, the fracture  of  brittle mate-  rials, and  th e collision of  adjacent parts  through elastic distortion of their supports.  Types of failure not pre- dictable from shock spectra include: reaking of a friction  bond, as in th e loosening of screws or opening of knife witches; pilling of liquids; fracture of  

ductile materials; and collision of unsecured parts. 

When a structure can be assumed to be a simple system  (i. e., a single degree of freedom ys tem) and 

Page 12: The Equivalent Static Accelerations

8/12/2019 The Equivalent Static Accelerations

http://slidepdf.com/reader/full/the-equivalent-static-accelerations 12/19

NAVAL RESEARCH LABORATORY

th e shock spectrum is available, it is an easy matter to calculate its natural frequency and to determine th e stress and deflection which will be caused  by  th e shock. ld s  calculation  is simple because th e shock spectrum  gives th e equivalent static acceleratipn from  which  th e equivalent static load may  be computed. ince static stress is proportional to static load, th e shock spectrum enables on e to  predict stress, and hence damage .

Similar calculations of stress and deflection are possible fo r a multi-degree-of-freedom structure if th e flexible members of th e structure are linear and elastic. he method of  calculation s given in reference (4 ) and will be discussed in detail in a future report. he 

important parts of th e method are th e following: irst, t is necessary to  find th e shapes of th e modes of vibration of th e structuce, and  ihejiatural frequencies associated with them. T he amplitude of each mode excited by a shock motion is proportional to th e number of g in the shock spectrum corresponding to  th e natural frequency  of th e mode . ince each moae is nalogous to a simple system, th e total stress and deflection of th e structure can be  found by superposing th e response of th e various modes . 

T he hock spectrum is an excellent index of th e damaging capacity  of a shock, fo r if th e  vulnerability  of  a structure to two different shock motions is under consideration, th e spectrum  with th e greater value at th e natural frequency  of th e structure is th e on e which  will produce th e greater stress or likelihood  of damage . he shock spectrum is also an  excellent index of th e relative protective abilities of two or more shock mounts. ne hock mount is considered th e best of a lot in th e performance of its protective function, if th e motion of a mass mounted on  it  has , during shock, a lower shock spectrum than that of any  

of th e others.  I T he hock spectrum presents a shock motion in a graphical form which can be easily understood. nthe other  hand, by looking at th e velocity-meter records. igures 1 and 12 , on e can see that the motion at th e center of th e 4A plate is different from that at th e edge; but it s not apparent what the effect of this difference will be upon structures to  be tested. T he shock spectra Figures 6 through 10 show the significance of this difference, which  will be discussed in th e following section. 

NAVY SHOCK-MACHINE S P E C TRA  

Reed-gage records were obtained on th e Navy Light-W eight Shock M achine, prior to its modification in 94 7   ? by  mounting th e gage on  th e 4A plate and subjecting th e anvil plate to  1ft, 2  ft ,  ft , 4 ft , and ft back blows. he shock spectra obtained of th e motion of th e 

center of th e 4A  plate are shown as dotted lines in Figures 6 through 0.  T he reed gage 

was also placed at th e edge of the 4A plate directly  over th e channel support of th e A  plate. T he shock spectra of the motion at this location are shown in Figures 6 through 10 as solid  lines. hese spectra were obtained by connecting th e observed points with straight lines. T he motion at the two locations on th e 4A plate as recorded by British type velocity  meter  are shown in Figures 11 and 12 . eaks occurring in th e shock spectra are due to near- resonance of particular reeds with transient vibrations of th e anvil and  4  A  plate. he width and height of these peaks are no t well defined ecause of th e small number of reeds used. Since th e frequency of th e transient vibration probably d id not coincide with ny reed fre- quency, th e true peaks are probably higher than shown and resemble, in shape, th e peak of  Figure 4, urve ü. 

Reed-gage records obtained on  th e Navy M edium-W eight Shock M achine are shown in  Figures 13 through 15 he important features  of the motion of the anvil plate of this machine M . A . Blot , Natl. Acad . Sei. (U.S.) 9: 62-66 1933) 

Page 13: The Equivalent Static Accelerations

8/12/2019 The Equivalent Static Accelerations

http://slidepdf.com/reader/full/the-equivalent-static-accelerations 13/19

6   NAVAL RESEARCH  LABORATORY Figures 6 through 10 indicate shock spectra fo i he Navy Light-W eight  Shock M achine. 

Dotted line-center of 4A plate.  Solid line edge of 4A plate over channel. 

WOO 9

 

3  i ft   s 

/

A  r 

A  / f  s

y

h J s

\  i i  L  y y

200 00  •00 00 00 0 fn  Niturol » q. (eft) 

ttoo 

t*oo  J  f 

1   J  / / tN8  ..00

 

//

 

K  j  | y  i 

\  j *  

I  r  j i \

/ / 

/ s 

s y. y 

to o 00  fn ««ral n «. ( »M l 

Fig. 6 1-foot back blow  Fig. 7 - 2-foot back blow  

\ uoo  /

/

 

/ /1  ,  ' 1« 1   } f  s 

 —-

 

/  

hi j  i 

i  \ \   1  1   1  

1   i *00 

I f  \I  1  

I  j i 

f   A   \S   ; 

IO 0 00 00 00 000  

Fig. 8 - 3-foot back blow  Fig.  -foot back blow 

Page 14: The Equivalent Static Accelerations

8/12/2019 The Equivalent Static Accelerations

http://slidepdf.com/reader/full/the-equivalent-static-accelerations 14/19

NAVAL  RESEARCH  LABORATORY 

 

;/|  ^  1/  - J  

i  \   :/  i \  / 

/  i <   BO00  * - I  i  .   

j  t-

/r 

 r ~  7   / j  r 

J  i 

i a oo; i  /i   i KJ   i 

r i  — 

400-- v-/ h   A  v     

in   

Fig. 10  5-foot back blow  

are tw o successive velocity changes - o ne due to th e impact of the hammer, th e second to the impact o f th e  anvil plate against rigid stops. he effect o f tu e second  impact (velocity change) upon th e reeds (already vibrat- ing from the first impact) depends upon th e phase o f th e  reeds at th e m om e n t o f th e econd impact. he ampli- tudes o f some reeds are increased by  the econd velocity change while those o f other reeds m ay be unaffected or decreased; hence th e ecord shows some deviations from th e straight-line characteristic of an instantaneous ve- locity change. 

A comparison o f Figure 5 with th e hock spectra o f th e hock machines shows that th e predominate charac- teristic o f the shock-machine motion is an instantaneous velocity change. These records demonstrate that design- ing for some fixed value o f g without regard for the natural frequency o f th e structure being designed is no t correct an d cannot be justified. Wh en it is desired to reduce the description of a shock machine motion to a simple equivalent, this ca n be done with ess error by  finding the velocity change th e spectrum o f which lies just over the shock spectrum. 

The spectra o f th e motion of the center of th e 4A  plate  n the Navy Light-Weight Shock Machine shows clearly an important characteristic of th e motion at this point—the relatively high 

aequivalent-static-accelerations "to which  

th e 100 cp s systems are subjected. This high acceleration is a result of th e transient [^•dTCB  OF   4A  P. ATE

M iiin.auilHU titilU  

&"  lACK  BLOW t-'fipn iinwtMTii* , . 

imiuiituKitUuitiuMHbUiU iiiu RACiC 

J  9 * :«  I  0 •

Fig. 1  Velocity  time record o f motion o f center o f 4A plate Navy Light-Weight Shock Machine  

Page 15: The Equivalent Static Accelerations

8/12/2019 The Equivalent Static Accelerations

http://slidepdf.com/reader/full/the-equivalent-static-accelerations 15/19

VlLOC.TV NCTC«  »r   tD3E   Of  -iJiT-l 

C* ACH  »tO«

l«CK  BLOW

3  HACK  -.,.  :

5"  PACK  BL 0  .r  .a  ^r  .'.«««  -a 

TrMr   Ih'fflVJiL  BETWEEN  TPACF  IN'EHh 

Fig. 2 - Velocity t ime record of motion of 4A  plate over supporting channel Navy Light-W eight Shock M achine 

1  8   A 

HI  KOO 

f  \/

  v 

I IIOO  /

/

i ,r—  J  / 

40C 

y  i  : M  *  )   t *  

ihm f  1 0  66  

1 I oo  /- . 

A  N s 

/

 v X 

/ /

A  V  

/ /

 

100 00 00.  •00 00 0  Html r.,  I OM I 

Fig. 3 - ühock spectra of th e motion of th e ig . 4 - Shock spectra of th e motion of th e M edium-W eight Shock M achine, -inch table edium-W eight Shock M achine, -inch table travel -foot hammer crop, 00-pound load ravel, - foot hammer drop, 00-pound oad  on table n table 

Page 16: The Equivalent Static Accelerations

8/12/2019 The Equivalent Static Accelerations

http://slidepdf.com/reader/full/the-equivalent-static-accelerations 16/19

NAVAL  RESEARCH LABORATORY9  

/

ssoo  /

d *  8 400 £ S at 

/:

:/i 1  

N   1  i i, 

A   i 

/\J  V  

/ /  i  i /

/

 ; 

•00 000  NOlUrdl  rr»q   tcp») 

Fig. 15  Shock spectra o f th e motion o f the Medium-Weight Shock Machine, L54nch table travel, 1-foot hammer drop, 500-pound load o n table 

vibration o f the 4A plate, which is sho wn on the velocity-time curve o f this motion,(Fig- ure 2). It has been pointed o ut earlier that the maximum height o f the peak in the vicin- ity o f 100 cp s is no t known exactly. owever , this peak, if  found exactly, would have a shape similar to curve II o f Figure 4. It has been shown, then, that the Light-Weight Shock Machine, because

 o f the vibration

 o f th e 4A

 plate,  an cause systems having a natural frequency in the vicinity o f 100 cp s to be  subjected to at least f ive times the accelera- tion o f systems having a natural frequency o f 50 cps. T he shock spectra for locations at th e edges o f the 4 A plate over the channels do no t exhibit this peak at 100 cps; neither do the shock spectra for th e Medium-Weight Shock Machine. When the response o f systems having approximately 350-cps natural fre- quencies are examined, other marked differ- ences are seen. t the center o f the 4A plate o n th e Light-Weight Shock Machine, th e  equivalent static acceleration o f th e 350-cps system has about he same value as th e 5 0- cps system, several times less than that o f th e 100-cps system. However , th e equivalent- static-acceleration for the 350-cps system o n the Medium-Weight Shock Machine or over the channels o n the Light-Weight Shock Machine, has continued to rise from the value  for th e 100-cps system with the general characteristic o f an instantaneous velocity change. 

Now since the spectra are measures o f th e damaging effect o f a shock motion, they  demonstrate that different results from the shock test machines ca n be obtained, depending  no t only o n which type machine is used but, also, in th e case o f th e Light-Weight Shock Machine, where th e component is mounted. SU MMA RY 

T he importance o f th e shock spectrum," which ca n be derived from a reed gage record o f a shock motion, has been discussed. It has been pointed o ut that th e shock spectrum o f a shock motion gives th e gradually applied accelerations which will produce deflections and stresses in a simple system equal to those produced by th e shock. These equivalent static accelerations are a function o f th e natural frequency o f th e simple system an d are th e proper basis for design o f structures to withstand shock. T he practice o f designing struc- tures fo r a single, arbitrarily chosen, equivalent static acceleration, without regard to  natural frequency, s sho wn to be incorrect by presenting shock spectra obtained o n Navy High-Impact Shock Machines.  These spectra show that th e best approximation o f th e shock machine motion is a sudden e ocity change. 

Shock spectra give  unique basis ior comparing th e relative damge capacity o f differ- en t shock motions.  Shock spectra are being used to study th e performance o f shock mounts. 

Page 17: The Equivalent Static Accelerations

8/12/2019 The Equivalent Static Accelerations

http://slidepdf.com/reader/full/the-equivalent-static-accelerations 17/19

10 AVAL RESEARCH LABORATORYComparison o f the shock-machine spectra shows that the damage capacity o f the tw o types o f Navy Shock Machines differ an d that in th e case o f the Light-Weight Shock Machine signifi- cantly ifferent spectra are obtained for different locations o n the test-specimen mounting fixture. 

A PPENDIX I NOTE S ON TH E R E E D G A G E 

T he present reed gage (Figure 3) diverges from the theoretical ideal in several respects. Corrections ca n be made for some deviations o n a theoretical basis, bu t other errors are inherent in th e instrument. T he following observations are the result o f experience in  using and applying th e reed gage. 

1. he accuracy with which a deflection ca n be measured is no t satisfactory for the high frequency reeds. It is believed from experience, that reed deflections cannot be meas- ured closer than  0.01 inches. This ca n amount to an error o f the following number o f ~gdepending upon the frequency. 

Reed Natural Frequency rror ( in g 's )  20 40 40 .39  

100 .8 2  210 7.70 34 5 20 430 85  570 16  

These errors are du e largely to th e use o f rounded point styli o n waxed paper to record deflections. T he line scribed is broad an d poorly defined. Suggested improvements have no t yet obtained the desired simplicity, freedom from friction drag, an d ability to operate during shock. There is also an error because the scribed deilection mark is an arc rather than a straight line. This is no t important, since it predominates in the lo w frequency reeds an d is a small error in terms o f equivalent static acceleration. Deflection is customarily measured as th e perpendicular distance from the en d o f the arc to the zero-deflection line.

 Occasionally, shifting o f the recording paper, when it is removed from under th e reeds after a shock, makes the zero position o f the reeds difficult to locate. 

2 . he mass o f an actual reed is distributed rather than concentrated at th e tip. T he proper point at which to measure the deflection is no t thecenter o f the weight at thetip o f th e  reed, bu t some  effective center o f mass.  It is possible to find the ratio of th e deflection o f a reed at th e point measured, to th e deflection which a simple system o f the same frequency would undergo.

5 he following table gives numbers, corresponding to standard reeds o f th e gage, which should be multiplied by th e measured reed deflections to  find th e deflections which a simple system would have recorded. 

9  E. Z. Stowell,  t al. Bending and shear stresses developed by th e instantaneous arrest o f the root of a cantilever"beam with a mass at its tip. N ACA M R N o. 14K30 

Page 18: The Equivalent Static Accelerations

8/12/2019 The Equivalent Static Accelerations

http://slidepdf.com/reader/full/the-equivalent-static-accelerations 18/19

NAVAL RESEARCH LABORATORY

Reed Frequency orrection Factor  20 97  40 845  10 0 860  210 93  345 98  430 97  5 70 945  

T he above effect of distributed mass is quite different from th e effect of  higher modes of vibration of th e reeds.  T he deflection of th e reed tip due to th e second and higher modes is, except in rare cases of resonance, a negligibly small fraction of  th e tip deflection due to th e first mode. 

3 .  Friction of th e scribers on th e waxed paper causes damping of th e reeds .  Thi s is certainly no t th e same amount and type of  damping to be found in th e practical structures  which th e reed  gage is supposed  to represent, though it would be difficult to specify an  ideal damping characteristic.  Examination of th e transient, traced  upon a special moving paper, as a result of a velocity-change shock shows th e damping to be coulomb (rubbing) friction.  T he decrement of amplitude per cycle was uniform regardless of amplitude and  is tabulated  in th e following table. 

Reed   Decrement P er   Decrement P er  Frequency (cps)  Cycle (inches)  Cyc le (g) 

20   .132  5.28  40  .115   16.0 100  .014   12.4  210   .004   15.1 

F or shocks which  will build  up th e simple system  amplitude by  resonance, amping will cause a large error.  Except in such cases, th e error is negligible.  In th e case of resonant build-up of vibration, t is no t y et clear whether or no t a simple undamped system represents an actual structure any better than th e friction-damped reed. f a practical structure is to  fail by successive increases in its amplitude of motion because of resonance with a transient vibration in th e shock motion, it must, on some cycle, pass from wholly elastic deformation 

into a slight plastic deformation.  This orovides a considerable increase in th e damping an d  may  thus prevent th e deformation from exceeding an acceptable value. urther investigation of this important question is required.

4.  T he number of reeds which can be accommodated in th e reed gage frame is to o small to define satisfactorily a shock spectrum. he present gage is already too large fo r some applications.  T he difficulty is largely inherent in th e nature of th e gage since a large space is required  fo r otions of th e low- frequency reeds.  Shorter low-frequency  reeds would be more non-linear than th e present reeds since their deflection would be a larger fraction of their length, and since lighter  reeds are affected more by scriber friction. Perhaps th e solution lies I n having several reed gage designs - ach fo r a special type of application. 

 

n iKC   7»ai  »   i«  4i  1 B O  

Page 19: The Equivalent Static Accelerations

8/12/2019 The Equivalent Static Accelerations

http://slidepdf.com/reader/full/the-equivalent-static-accelerations 19/19

-C O Q > - <  

iß es  

C-  O  C  O )  0)   C D 

3  (H  

m  o c 

o _ N

h g  ass 05  e 3 « lS

t» '•S>',

o 2 it 'S *

2  £ 0»   _ - c

 S S E 2  S  h  g

fli  J- Jä m  So»«

3 ü 

Li 1  £« s  ä|

B  en   S3« 

a >   Oi U - A   .<H  

a Hcs- a   T3  ^  §  

^  <5  gmS »£ a   . SPÄo S 

Q  « 

.. j: .Sf u u 

a 3 IM 3  

n 2 o-o , 

Sill 

9 o  

10  

< D   W  

o  IS 

||||3

SE§2J="3 * is  8 In B  a 

Z '  B  B u  S

1  

|S8i£

to   ^  *^ s =« j  • u  l 

i U 

§-a  in Q 

£ 0 Q ^I   H «  ^  rT  3  -H

*£§M O  C  - 4 - 1  O t 3 u

II ..^ a  M  U G   O «-c , E ;  

I  IM 

e.2_hrt 

Wl 1 AS  . «  C  3 

2  B

 3 S s 

3  2 »a w «  a« i W a

1 o  2 t  

rt   u, -c  * * - < u 

»of g* C   11 0 £ 3  

V  O  0)  aJ  -3  

•o u f ^  s . 5 ' n  ' s *  

£  0  § § aß'S a rt «i S 2 s ^g-l E S  

h  , 

w  a ; b o  e n  Ü 

• • 

I •

fa  « -^ o <« is > •  8 Sa 

3 I

o • 

Is  i ä  

H «  <0 tJ   u  >  

l-'S O  

^ 2 c 5 |J5 I

c a >  6 v fa  3 0 1  ri 

E« o 

tß C Q  L  •  •  •  •

'.•*-..'«i'S

 ••••

d  n i 

tn  f0 

T 3  

«2S S ^ S  »E§2->  

—   0 m   O   « 

fa  0 ~  O   0) m  3 5? }  > t ^  3  

.c  3 

0

ui  0 1  

u o  I 

•  ••••

•  • •

E  

c o Q  • 1