CN103604537B - 一种高速动态试验力测量环节的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高速动态试验力测量环节的设计方法，包括以下步骤：(1)、对预测试试件的材料进行准静态试验，取得试件材料的屈服极限并得到准静态试验的力-时间载荷历程曲线，根据力-时间载荷历程曲线确定试件的材料屈服时所对应的力，在此称为屈服点力；(2)、根据屈服点力及试件材料的屈服极限来设计测力传感器，测力传感器包括用于安装应变片的测力部和用于安装试件的连接部；(3)、选择制造测力传感器的材料并估算测力传感器的固有频率 f0 ；(4)、确定测力系统的信号最大频率 fmax ，测力系统的信号最大频率为试件进行动态试验测试时由测力传感器和试件这个测力系统输出的信号的最大频率；(5)、校核固有频率 f0 ，当 f0 ≧4 fmax 时，完成设计，否则回到步骤(2)~(4)。
Description
技术领域
本发明主要涉及一种高速动态试验力测量环节的设计方法，属于传感器设计领域，应用于材料力学测试。
背景技术
高速动态试验载荷信号的准确测量是一个关键的问题。由于连接环节质量和刚度匹配不好，使用传统方法测得的力信号常呈现较大震荡，这类震荡信号属于包括测量连接环节在内的测试系统的整体响应，而非被测材料本身的力学响应。
相比被测材料试件，现有的商用传感器质量和体积偏大，导致测试系统固有频率偏低，不适用于金属材料的高应变率动态试验。另一种业界常用的方法是直接在材料试件上靠近测量段的弹性区域上粘贴应变片测量载荷信号，其缺点是操作复杂，应变片不可重复使用，效率低，且对不同试件的测试不是同一应变片，测量条件一致性差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种高速动态试验力测量环节的设计方法。
为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种高速动态试验力测量环节的设计方法，所述设计方法包括以下步骤：
(1)、对预测试试件的材料进行准静态试验，取得所述试件材料的屈服极限并得到准静态试验的力-时间载荷历程曲线，根据所述力-时间载荷历程曲线确定所述试件的材料屈服时所对应的力，在此称为屈服点力；
(2)、根据所述屈服点力及所述试件材料的屈服极限来设计测力传感器，所述测力传感器包括用于安装应变片的测力部和用于安装所述试件的连接部；
(3)、选择制造测力传感器的材料并估算所述测力传感器的固有频率f0；
(4)、确定所述测力系统的信号最大频率fmax，所述测力系统的信号最大频率为所述试件进行动态试验测试时由所述测力传感器和所述试件这个测力系统输出的信号的最大频率；
(5)、校核固有频率f0，当f0≧4fmax时，完成设计，否则回到步骤(2)～(4)。
本发明的一种具体实施方案，所述步骤(2)中，所述测力传感器的设计方法包括以下步骤：
a、确定所述测力传感器的力的量程，所述测力传感器的力的量程根据所述屈服点力来确定，所述屈服点力为所述测力传感器的力的量程的0.3～0.8倍；
b、确定所述测力传感器材料的屈服极限，所述测力传感器材料的屈服极限根据所述试件材料的屈服极限来确定，所述试件材料的屈服极限为所述测力传感器材料的屈服极限的0.3～0.8倍；
c、根据公式F=σ×A，确定所述测力传感器的测力部的粘贴所述应变片处的横向截面面积A，其中，F为所述测力传感器的力的量程，σ为制造所述测力传感器的材料的屈服极限，A为所述测力传感器的测力部的粘贴所述应变片处的横向截面面积。
本发明的一种具体实施方案，所述步骤(3)中，所述固有频率f0的计算方法包括以下步骤：
a、根据公式k=EA/l计算所述测力部的刚度k，其中，E为制造所述测力传感器的材料的弹性模量，A为所述测力部的粘贴所述应变片处的横向截面面积，l为所述测力部的长度，且取所述测力部的长度l大于所述应变片的长度；所述测力部的长度l具体取值时，取方便所述应变片测量的最小值，以增大所述测力部的刚度k，增大系统自由振荡频率；
b、根据公式计算所述固有频率f0，其中，k为所述测力部的刚度，m为所述连接部的质量和用于将所述试件和所述连接部相连的辅助连接器件的质量的总质量。
本发明的一种具体实施方案，所述步骤(4)中，所述信号最大频率fmax通过测定所述测力系统的自由振荡频率的试验来确定。
本发明的另一种具体实施方案，所述步骤(4)中，所述信号最大频率fmax的计算方法包括以下步骤：
a、将步骤(1)得到力-时间载荷历程曲线的时间轴坐标缩小一定倍数，得到近似动态力响应曲线，而所述屈服点力的力值保持不变，其中，所述一定倍数的数值为目标应变率与所述准静态试验应变率的比值；
b、根据公式来确定所述信号最大频率fmax，其中，Δt为上述步骤中得到的所述近似动态力响应曲线中的从原点到所述屈服点力时对应的时间点的时间值。
由于上述技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明的设计方法设计出的测量传感器响应频率高，成本低，质量轻，刚度匹配好，且测试结果震荡小，可靠性高。本发明的设计方法可提前预测试验结果是否会出现震荡，并可根据不同材料设计不同的测力传感器，使用更灵活。本发明的设计方法设计出的测力传感器，效率高，测量条件一致性好。
附图说明
图1为本发明的设计方法的设计流程图。
图2为具体实施例的铝板材料的准静态试验曲线图。
图3为图2的准静态试验曲线的时间轴坐标缩小后的曲线图。
图4为本发明的设计方法所设计出的一种测力传感器与试件连接的结构示意图。
图中数字所示的相应部件名称分别为：
1、测力部；2、连接部；3、应变片；4、试件。
图5为具体实施例中铝板试件的高速动态试验曲线图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。
以材料为某铝板的试件4为研究对象，设计方法为：
（1）对某铝板进行准静态拉伸试验，该准静态试验的应变率为0.01s-1，试件4的材料的屈服极限为200MPa，其线弹性范围取屈服极限的2/3（即为133MPa），试件4的材料通过准静态拉伸试验得到准静态拉伸试验的力-时间载荷历程曲线，如图2所示，得到该试件4的材料的屈服时所对应的力（即屈服点力）为2750N；
（2）设计测力传感器，如图4所示，测力传感器包括用于安装试件4的测力部1及用于安装应变片3的连接部2，测力传感器还包括其他用于将试件4和连接部2相连的辅助连接器件。
测力传感器的力的量程和测力传感器材料的屈服极限按下列规则来取：试件4的材料的屈服点力为测力传感器力的量程的0.3～0.8倍；试件4的材料的屈服极限为测力传感器的材料的屈服极限的0.3～0.8倍。
由此，可取测力传感器力的量程F为8000N，屈服极限σ为400MPa，然后根据公式F=σ×A，计算得到测力部2的粘贴应变片3处的横向截面面积A为20mm2。
（3）选择铝合金材料来制造测力传感器，并计算测力传感器的固有频率f0：铝合金材料的弹性模量E为70GPa，密度为2.8×103kg/m3，取测力部1的长度l为40mm，计算连接部2的质量和用于将试件4和连接部2相连的辅助连接器件的质量的总质量m为10g，然后根据公式k=EA/l、计算测力传感器的固有频率f0为9.42kHz。
（4）计算测力系统的信号最大频率fmax，计算方法为：
a、因图2中的屈服点力对应的时间约为8.2s，而目标应变率为100s-1的动态试验，故将步骤(1)得到力-时间载荷历程曲线的时间轴坐标缩小10000倍数，得到近似动态力响应曲线，如图3所示，而屈服点力的力值保持不变，所以在图3中屈服点力的力值对应的时间约为8.2×10-4s；
b、根据公式计算得到信号最大频率fmax为609.76Hz，其中，Δt为上述步骤中得到的近似动态力响应曲线中的从原点到所述屈服点力时对应的时间点的时间值，且由图3可知Δt为8.2×10-4s。
（5）校核固有频率f0，由步骤（4）和（5）可知，固有频率f0为信号最大频率fmax的15.4倍，满足f0≧4fmax的要求，完成设计。
采用本实施例设计出的测力传感器，对铝板试件进行高速动态试验，得到高速动态试验曲线如图5所示，从图5中可以看出，除随机噪声，力信号没有发生其他动态试验中常见的振荡，测量效果较好。
本实施例只是本发明的设计方法中的一种，本发明的设计方法也适用于材料拉伸、压缩、剪切、穿孔、三点弯曲等多种动态测试过程。
以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，且本发明不限于上述的实施例，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种高速动态试验力测量环节的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：
(1)、对预测试试件的材料进行准静态试验，取得所述试件材料的屈服极限并得到准静态试验的力-时间载荷历程曲线，根据所述力-时间载荷历程曲线确定所述试件的材料屈服时所对应的力，在此称为屈服点力；
(2)、根据所述屈服点力及所述试件材料的屈服极限来设计测力传感器，所述测力传感器包括用于安装应变片的测力部和用于安装所述试件的连接部；
(3)、选择制造测力传感器的材料并估算所述测力传感器的固有频率f0；
(4)、确定测力系统的信号最大频率fmax，所述测力系统由所述测力传感器和所述试件组成，所述测力系统的信号最大频率为所述试件进行动态试验测试时由所述测力系统输出的信号的最大频率；
(5)、校核固有频率f0，当f0≧4fmax时，完成设计，否则回到步骤(2)～(4)。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述测力传感器的设计方法包括以下步骤：
a、确定所述测力传感器的力的量程，所述测力传感器的力的量程根据所述屈服点力来确定，所述屈服点力为所述测力传感器的力的量程的0.3～0.8倍；
b、确定所述测力传感器材料的屈服极限，所述测力传感器材料的屈服极限根据所述试件材料的屈服极限来确定，所述试件材料的屈服极限为所述测力传感器材料的屈服极限的0.3～0.8倍；
c、根据公式F＝σ×A，确定所述测力传感器的测力部的粘贴所述应变片处的横向截面面积A，其中，F为所述测力传感器的力的量程，σ为制造所述测力传感器的材料的屈服极限，A为所述测力传感器的测力部的粘贴所述应变片处的横向截面面积。
3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述固有频率f0的计算方法包括以下步骤：
a、根据公式k＝EA/l计算所述测力部的刚度k，其中，E为制造所述测力传感器的材料的弹性模量，A为所述测力部的粘贴所述应变片处的横向截面面积，l为所述测力部的长度，且取所述测力部的长度l大于所述应变片的长度；
b、根据公式计算所述固有频率f0，其中，k为所述测力部的刚度，m为所述连接部的质量和用于将所述试件和所述连接部相连的辅助连接器件的质量的总质量。
4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述信号最大频率fmax通过测定所述测力系统的自由振荡频率的试验来确定。
5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述信号最大频率fmax的计算方法包括以下步骤：
a、将步骤(1)得到力-时间载荷历程曲线的时间轴坐标缩小一定倍数，得到近似动态力响应曲线，而所述屈服点力的力值保持不变，其中，所述一定倍数的数值为目标应变率与所述准静态试验应变率的比值；
b、根据公式来确定所述信号最大频率fmax，其中，Δt为上述步骤中得到的所述近似动态力响应曲线中的从原点到所述屈服点力时对应的时间点的时间值。
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