CN101509856B - 一种多功能柔性复合材料冲击试验装置 - Google Patents

一种多功能柔性复合材料冲击试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种落锤式多功能柔性复合材料冲击试验测量装置,包含冲击实验单元,该装置还设置有瞬态力和位移测试单元,包括传感器支持套,压电力传感器,光栅尺,光电传感器,稳压电源,电荷放大器和信号放大器,该测试单元可拆卸的安装于冲击试验单元内,压电力传感器位于传感器支持套内,其输出端与电荷放大器连接,传感器支持套被安装于锤头上端,光栅尺与传感器支持套位于同一水平线,且光栅尺可以随锤头同步运动,在底座上设有光电传感器,该光电传感器位于光栅尺下方,由稳压电源提供激励电压,光电传感器的信号输出端与信号放大器连接。该装置结构简单、集成度高,成本低,能提供复合材料在小能量测试中的实验数据。

Description

一种多功能柔性复合材料冲击试验装置
技术领域
[0001] 本发明属于一种冲击实验装置,特别是一种多功能柔性复合材料冲击试验装置。 背景技术
[0002] 暴露在可能遭受冲击环境或可能被滥用的设备、结构或材料的抗冲击性能对许多 工业来说是非常重要的,因此对材料受冲击后性能的变化进行研究具有重大意义。就目前 而言,对材料冲击响应的研究可以分为高速冲击和低速冲击两大类。低速冲击实验方法主 要有摆锤式冲击试验、落锤式冲击试验和拉冲试验。落锤式实验仪可以逼真的模拟常见的 碎片和落体冲击情况,更好的测定材料的第三维抗冲击性能;而且冲击头形状,尺寸,边界 条件,冲击速度等都可以根据实验设计要求而灵活改变,目前普遍使用的落锤式实验仪主 要是针对塑料、玻璃、陶瓷等非金属和金属制品的强度检验,到目前为止,都没有专门对柔 性复合材料进行小能量测试的试验设备。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种结构简单、功能集成度高,成本低廉、数据采集、显示 和保存方便,能可靠提供复合材料在小能量测试中实验数据的多功能柔性复合材料冲击试 验装置。
[0004] 实现本发明目的的技术解决方案为:一种落锤式多功能柔性复合材料冲击试验 测量装置,由底座、顶板、第一、第二导柱、定锤、落锤、锤头、衬底构成了冲击实验单元,第一 导柱、第二导柱设置于底座上,定锤设置于两导柱中上部位置,落锤位于定锤下方与锤头采 用可拆卸的固定连接,落锤可沿第一、第二导柱自由滑动,在底座上定锤的下方的位置处设 有衬底,该装置还设置有瞬态力和位移测试单元,它包括传感器支持套、压电力传感器、光 栅尺、光电传感器、稳压电源、电荷放大器和信号放大器,该瞬态力和位移测试单元可拆卸 的安装于冲击试验单元内,位于传感器支持套内的压电力传感器的输出端与电荷放大器连 接,传感器支持套被安装于锤头上端,光栅尺与传感器支持套位于同一水平线,且光栅尺可 以随锤头同步运动,在底座上设有光电传感器,该光电传感器位于光栅尺下方,由稳压电源 提供激励电压,光电传感器的信号输出端与信号放大器连接。
[0005] 本发明与现有技术相比,其显著优点:1、适应于小能量(< 60J)针对柔性复合 材料的冲击试验,可以直接测量不同高度和不同重量的物体,以不同的锤头对材料的冲击, 从而模拟实际中不同的冲击方式,评估材料的抗冲吸能特性;2、该装置可以对复合材料进 行拉伸、压缩和准静态侵彻试验,对所设计复合材料的性能进行定量的评估和机理上的分 析;3、可进行试验数据的采集和实时显示,通过数据处理,可以获得位移-时间、力-位移、 力_时间、加速度-位移等多种曲线;4、试验装置为普通立式,零部件的设计模块化,结构简 单、易加工,设备造价经济实用,易根据对所测参数精度和方式的要求扩展设备性能便。附图说明
[0006] 图1是本发明的正面结构示意图。
[0007] 图2是本发明的侧面结构示意图。
[0008] 图3是本发明的手动开关的结构示意图。
[0009] 图4是本发明中上夹具的结构示意图。
[0010] 图5是本发明中传感器支持套的结构示意图。
[0011] 图6是本发明中下夹具的结构示意图。
[0012] 图7是本发明系统组成结构示意图。
[0013] 图8是本发明系统实际所测得的冲击曲线图
[0014] 图9是本发明经数据处理后得到的时间_冲击力_位移曲线图。
[0015] 图10是本发明经数据处理后得到的力-位移曲线图。
[0016] 图11是本发明经数据处理后得到的位移-吸收能曲线图。
[0017] 图12是本发明系统实际所测得的拉伸曲线图。
[0018] 图13是本发明经数据处理后的拉伸曲线图。
具体实施方式
[0019] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
[0020] 结合图1,一种落锤式多功能柔性复合材料冲击试验测量装置,由底座[11]、顶板 1、第一、第二导柱2、37、定锤3,落锤4、锤头7、衬底9构成了冲击实验单元,第一导柱2、第 二导柱37设置于底座11上,定锤3设置于两导柱2中上部位置,落锤4位于定锤3下方与 锤头7采用可拆卸的固定连接,落锤4可沿第一、第二导柱2、37自由滑动,在底座11上定 锤3的下方的位置处设有衬底9,其特征在于:该装置还设置有瞬态力和位移测试单元,它 包括传感器支持套6、压电力传感器17、光栅尺5、光电传感器10、稳压电源、电荷放大器和 信号放大器,该瞬态力和位移测试单元可拆卸的安装于冲击试验单元内,位于传感器支持 套6内的压电力传感器17的输出端与电荷放大器连接,传感器支持套6被安装于锤头7上 端,光栅尺5与传感器支持套6位于同一水平线,结合图5,传感器支持套6包括三个部分, 分别为传感器支持套上部15,传感器支持套中部16,传感器支持套下部18,三个部分之间 由螺纹连接,压电力传感器17被安装在传感器支持套中部18内,保证压电力传感器17在 竖直方向上受力。光栅尺5可以随锤头7同步运动,在底座11上设有光电传感器10,该光 电传感器位10于光栅尺5下方,由稳压电源提供激励电压,光电传感器10的信号输出端与 信号放大器连接。
[0021] 定锤3上还设有手动开关36,结合图3,该手动开关36包括外罩31、滑套32、塔式 弹簧33和底座34,底座34的环壁上设有6个均勻分布和水平方向呈一定角度的通孔,通孔 内设有钢珠,底座34外设有滑套32,在滑套32上开有环型槽,该槽的位置与底座34上通孔 的位置相对应,塔式弹簧33位于底座34和滑套32之间,滑套32外部设有外罩31,外罩31 和底座34之间采用螺纹连接。
[0022] 该柔性复合材料冲击试验测量装置还设有纤维拔出和准静态侵彻单元,包括直线 电机12,支撑板8、直线导轨13,配套使用的上夹具和下夹具,在支撑板8中部设有直线电 机12,直线导轨13与直线电机12连接,上夹具安装在直线导轨13的下部,下夹具安装在底座11上位于上夹具的下方。在纤维拔出和准静态侵彻单元内可拆卸的安装有瞬态力和位 移测试单元,传感器支持套6安装在上夹具和直线导轨13之间,压电力传感器17安装在传 感器支持套6中。上夹具包括夹具支架20和夹头21,夹具支架20和传感器支持套由连接 螺栓19连接,夹头21两边设有手动旋钮23,可向内旋紧夹紧夹持物;下夹具包括支撑螺杆 24、张紧手柄25、支撑夹板26、夹板27、第一导轨28、第二导轨35、导轨底座29、滑块30,在 导轨底座29上设有两条平行的雁型槽,在第一导轨28,第二导轨35的下部也设有雁型槽, 滑块[30]置于导轨底座[29]和第一导轨[28],第二导轨[35]的下部的雁型槽内,将导轨 底座29和第一导轨28、第二导轨35连接,支撑螺杆24和支撑夹板26连接,支撑夹板26与 夹板27通过普通螺栓连接,位于第一导轨28和第二导轨35之间,张紧手柄25通过螺杆与 支撑夹板26连接。
[0023] 本发明装置的系统组成结构如图7所示,进行冲击试验时,将重量已调至所需要 求的落锤4用手托至位于所需高度的定锤3处,定锤3上有手动开关36可以嵌入固定落 锤4,并将试样在衬底9上固定夹好,开启电荷放大器,调整好放大倍数和低通频率、光电传 感器10电源和计算机中的测试软件,选择扫描频率;测试时按动手动开关的滑套32,手动 开关滑套32下滑至其本身凹槽与手动开关底座34的直孔相配合处,孔中的钢珠即受落锤 4重力所产生压力的影响向外凸出,落锤4即因没有了阻力而自由下落冲击试样,因塔式弹 簧33的回弹力作用手动开关滑套32回到原处;落锤4下落过程中,光栅尺5首先与光电传 感器10接触,从光电传感器10中间以0. 1-0. 3mm之间的间隔通过,此距离可以帮助采集到 足够的数据点,常用的间隔距离是0. 25mm。光电传感器10采集到的脉冲电压经信号放大器 放大后传输到到由数据采集卡和计算构成的数据采集系统,计算所得脉冲数即可以获得落 锤的实时位移,随后落锤4冲击试样及衬底9,此时可获得压电力传感器17所反馈的数据; 随后进行数据处理,可以得到平均速度、加速度等有效参数的数据,这样可以获得冲击试验 时的力-位移、力_时间、复合材料的比吸能等多种数据或曲线。
[0024] 进行拉伸或准静态侵彻试验时,将试样夹持在所设计的上夹具和下夹具之间,调 整直线电机12到所需的速率、高度,将电荷放大器调至所需放大倍数,即可按动直线电机 12的开关,直线导轨13在直线电机12的带动下运动,位于直线导轨13和上夹具之间的瞬 态力和位移测试单元进行工作,通过对压电力传感器17反馈的数据进行处理后,可以获得 试验时的力_位移、力_时间等多种数据或曲线。
[0025] 在实验室中测试Kevlar复合材材料时,将电荷放大器的低通频率调至10k,放大 倍数(增益)调至10倍,将光电传感器的稳压电源输出电压选择5v;将测试软件调至模拟 参量测量模式,频率选择30k,通道选择1,数量选择2,并选择数据存储模式,将直线电机12 调整到至300转/min(100mm/min),开始进行测试。经测试得到如图8所示的实际冲击曲 线,经数据处理后得到时间-冲击力-位移曲线,如图9所示;力-位移曲线,如图10所示; 位移-吸收能曲线,如图11所示;所测拉伸曲线,如图12所示;经数据处理后的拉伸曲线如 图13所示。

Claims (4)

  1. 一种落锤式多功能柔性复合材料冲击试验测量装置,由底座[11]、顶板[1]、第一、第二导柱、定锤[3]、落锤[4]、锤头[7]、衬底[9]构成了冲击实验单元,第一导柱[2]、第二导柱[37]设置于底座[11]上,定锤[3]设置于两导柱[2]中上部位置,落锤[4]位于定锤[3]下方与锤头[7]采用可拆卸的固定连接,落锤[4]可沿第一、第二导柱自由滑动,在底座[11]上定锤[3]的下方的位置处设有衬底[9],其特征在于:该装置还设置有瞬态力和位移测试单元,它包括传感器支持套[6]、压电力传感器[17]、光栅尺[5]、光电传感器[10]、稳压电源、电荷放大器和信号放大器,该瞬态力和位移测试单元可拆卸的安装于冲击试验单元内,位于传感器支持套[6]内的压电力传感器[17]的输出端与电荷放大器连接,传感器支持套[6]被安装于锤头[7]上端,光栅尺[5]与传感器支持套[6]位于同一水平线,且光栅尺[5]可以随锤头[7]同步运动,在底座[11]上设有光电传感器[10],该光电传感器位于光栅尺[5]下方,由稳压电源提供激励电压,光电传感器[10]的信号输出端与信号放大器连接。
  2. 2.根据权利要求1所述的测量装置,其特征在于,所述的定锤[3]上还设有手动开关 [36],该手动开关[36]包括外罩[31]、滑套[32]、塔式弹簧[33]和底座[34],底座[34]的 环壁上设有6个均勻分布和水平方向呈一定角度的通孔,通孔内设有钢珠,底座[34]外设 有滑套[32],在滑套[32]上开有环型槽,该槽的位置与底座[34]上通孔的位置相对应,塔 式弹簧[33]位于底座[34]和滑套[32]之间,滑套[32]外部设有外罩[31],外罩[31]和 底座[34]之间采用螺纹连接。
  3. 3.根据权利要求1所述的测量装置,其特征在于:该测量装置还设有纤维拔出和准静 态侵彻单元,包括直线电机[12],支撑板[8]、直线导轨[13],配套使用的上夹具和下夹具, 在支撑板[8]中部设有直线电机[12],直线导轨[13]与直线电机[12]连接,上夹具安装在 直线导轨[13]的下部,下夹具安装在底座[11]上,位于上夹具的下方。
  4. 4.根据权利要求3所述的测量装置,其特征在于:所述的上夹具包括夹具支架[20]和 夹头[21],夹具支架[20]和传感器支持套由连接螺栓[19]连接,夹头[21]两边设有手动 旋钮[23],可向内旋紧夹紧夹持物;所述的下夹具包括支撑螺杆[24]、张紧手柄[25]、支撑 夹板[26]、夹板[27]、第一导轨[28]、第二导轨[35]、导轨底座[29]、滑块[30],在导轨底 座[29]上设有两条平行的雁型槽,在第一导轨[28],第二导轨[35]的下部也设有雁型槽, 滑块[30]置于导轨底座[29]和第一导轨[28],第二导轨[35]的下部的雁型槽内,将导轨 底座[29]和第一导轨[28]、第二导轨[35]连接,支撑螺杆[24]和支撑夹板[26]连接,支 撑夹板[26]与夹板[27]通过普通螺栓连接,位于第一导轨[28]和第二导轨[35]之间,张 紧手柄[25]通过螺杆与支撑夹板[26]连接。
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