CN103983307A - 一种可变冲击参数的小质量冲击试验测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可变冲击参数的小质量冲击试验测试系统，包括冲头发射组件、试验件夹持及角度调节组件、支撑组件、试验数据测试及处理系统；所述的冲头发射组件、试验件夹持及角度调节组件和试验数据测试及处理系统均安装在支撑组件上，所述的试验件夹持及角度调节组件位于冲头发射组件的正下方，本装置实现了小质量物体的多角度冲击，获取了冲头接触力矢量以及位移矢量实时数据。与现有技术相比，本发明具有测试精度高、应用范围广、方便高效等优点。

Description

一种可变冲击参数的小质量冲击试验测试系统

技术领域

本发明涉及一种小质量冲击试验测试系统，尤其是涉及一种可变冲击角度、速度以及冲头类型等冲击参数的小质量冲击试验测试系统。

背景技术

相比传统的金属材料，树脂基纤维增强复合材料高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、阻尼减震性好、破损安全性好、性能可设计、各向异性、多功能性和可设计性等优势，广泛应用于航空、航天、车辆、船舶、建筑、石油、桥梁、风电、医学和建筑等领域。提高复合材料用量对结构轻量化以及节能减耗具有至关重要的意义，而其用量也成为衡量航天、航空结构先进性的重要标志。然而，由于复合材料的脆性力学特征，其抗冲击性能较差，冲击后会造成其力学性能大幅下降。这些冲击源包括工具掉落、跑道碎石、冰雹和鸟撞等。复合材料应用于飞机结构以来，其冲击损伤问题一直是国内外研究的热点。过去关于复合材料冲击方面的研究主要集中在层压板受到以工具掉落等为背景的低速、高能量冲击时的损伤容限和损伤阻抗。但碎石和冰雹等小质量冲击也会对飞机的正常飞行造成影响。碎石和冰雹等小质量冲击与工具掉落等大质量、低速冲击的不同之处在于，前者冲头质量更小、冲击速度更快，而且冲击方向多样，冲击角度和冲击过程中的动态响应对损伤模式和损伤程度往往有较大影响。

由于复合材料的材料非线性、几何非线性以及冲击过程的复杂性，其建立准确而可靠的理论分析方法非常困难。因此，实验手段仍然是研究复合材料在冲击载荷作用下损伤情况的最直接方法。按冲头发射方法，目前冲击试验有落锤式、摆锤式、鼠夹式、气枪和火枪等方法。其中落锤式冲击试验方法的技术以及比较成熟，但其只适用于大质量、低速冲击，不适合模拟小质量、高速冲击过程。摆锤式则要求受冲击表面垂直，而且受摆臂长度限制，冲击速度较低。鼠夹式适用于低速冲击，冲击角度难以改变。而气枪和火枪适用于高速冲击，但这两种方法所产生的冲击速度往往变化幅值较大，试验结果的一致性较差，而且难以做到对冲击接触力以及冲头位移的实时数据测量。

因此设计一套高可靠性的适用于模拟冰雹和碎石等小质量冲击物可变冲击角度、速度以及冲头类型的冲击试验测试系统十分有必要。此试验系统应不但可以按照不同的冲击速度和冲击角度对冲头进行发射，而且具分析试验结果所必需的测量系统，包括冲头位移、速度、加速度的测量，被冲击复合材料板的动态响应测量，以及被冲击复合材料失效过程的测量等。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种测试精度高、应用范围广、方便高效的可变冲击参数的冲击试验测试系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种可变冲击参数的小质量冲击试验测试系统，其中冲击参数包括冲击角度、速度、冲头质量及形状，其特征在于，所述的测试系统包括冲头发射组件、试验件夹持及角度调节组件、支撑组件和试验数据测试及处理系统；所述的冲头发射组件、试验件夹持及角度调节组件和试验数据测试及处理系统均安装在支撑组件上；所述的试验件夹持及角度调节组件位于冲头发射组件的下方，所述的试验件夹持及角度调节组件与试验数据测试及处理系统连接。

所述的冲头发射组件包括弹簧拉杆、发射器固定板、冲头发射弹簧、发射器基座、冲头固定弹簧、冲头和冲头导膛；所述的发射器固定板分别与发射器基座和滑动支臂连接，所述的冲头导膛与发射器基座连接，所述的冲头固定弹簧设在发射器基座内并夹住冲头，所述的冲头设在冲头导膛内，所述的弹簧拉杆下端依次穿过发射器固定板和冲头发射弹簧后与冲头紧贴，通过向上拉动弹簧拉杆压缩冲头发射弹簧，释放时将撞击冲头弹出冲头导膛。

所述的试验件夹持及角度调节组件包括试验件锁扣、试验件固定板、立柱、夹具底板和角度调节垫块；所述的试验件锁扣固定在试验件固定板上，所述的试验件固定板通过立柱与夹具底板连接，所述的夹具底板与角度调节垫块连接，试验件通过试验件锁扣固定在试验件固定板上。

所述的支撑组件包括上固定板、右导柱、左导柱、滑动支臂、摄像机升降杆和支撑试验台；所述的上固定板分别通过右导柱和左导柱与支撑试验台连接，所述的滑动支臂分别设在右导柱和左导柱上，所述的摄像机升降杆设在支撑试验台上。

所述的试验数据测试及处理系统包括摄像机、声发射模块、应变片、三轴力传感器和图像数据处理器；所述的声发射模块和应变片均设置在实验件上，所述的三轴力传感器设置在夹具底板与角度调节垫块之间，所述的摄像机安装在摄像机升降杆上，所述的图像数据处理器分别与摄像机、声发射模块、应变片和三轴力传感器连接。

所述的冲头发射组件通过支撑组件上的左导柱和右导柱进行上下移动。

所述的冲头发射组件上的冲头发射弹簧调节发射冲头速度，可实现冲击速度从低速到中高速的较大范围的变化，对于研究低速冲击以及高速冲击均使用。

所述的角度调节垫块可调节角度，试验时选择不同倾斜角度的调节块来实现不同冲击角度。

所述的冲头发射弹簧可选择不同的刚度和压缩程度来满足不同的冲击要求。

所述的摄像机为高速摄像机，数量为多个，通过实时记录冲头路径来计算冲击过程中的冲头速度和加速度。

所述的冲头为多种形状，可以进行不同参数的冲击实验。

所述的应变片粘贴在试验件的表面来获取实验件的应变数据。

所述的声发射模块获取冲击试验过程中的声发射信号，用以复合材料层压板的冲击分层阈值识别和观察试验件受冲击后的振动响应。

所述的三轴力传感器来测量冲击接触力，图像数据处理器通过摄像机、应变片、声发射模块和三轴力传感器计算出各种冲击参数。

与现有技术相比，本发明实现了小质量物体的多角度矢量冲击，并解决了冲头接触力矢量以及位移矢量实时数据的获取问题。本发明通过试验机的模块化组合实现了对层板的变参数化冲击，实现了从低速到中高速冲击的一机多用，同时本套试验测试装置还通过改变试验件的放置角度来实现冲击角度变化，对于冲击接触力测量，本试验测试装置通过安装在试验件夹具底部的三轴力传感器来获得多角度冲击接触力的各方向分量，又通过高速摄像机来记录冲头的冲击路径获得冲头的位移，进而计算出各方向冲击速度，这对研究冲击角度对试验件冲击响应及损伤情况的影响十分方便。并且通过以上的接触力以及位移数据来了解冲击各阶段能量的变化，这对研究小质量冲击物冲击层板时能量的吸收规律十分有效。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为冲头发射组件的结构示意图；

图3为试验件夹持及角度调节组件的结构示意图；

图4为本发明的试验流程。

其中，A为冲头发射组件、B为试验件夹持及角度调节组件、C为支撑组件、D为试验观测与数据处理组件、1为上固定板、2为右导柱、3为左导柱、4为滑动安装支臂、5为摄像机、6为摄像机升降杆、7为支撑试验台、8为弹簧拉杆、9为发射器固定板、10为冲头发射弹簧、11为发射器基座、12冲头固定弹簧、13为冲头、14为冲头导膛、13为冲头、15为试验件锁扣、16为试验件固定板、17为试验件、18为声发射组件、19为应变片、20为立柱、21为夹具底板、22为三轴力传感器、23为角度调节垫块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

如图1所示，一种可变冲击参数的小质量冲击试验测试系统，包括冲头发射组件A、试验件夹持及角度调节组件B、支撑组件C和试验数据测试及处理系统D；所述的冲头发射组件A、试验件夹持及角度调节组件B和试验数据测试及处理系统D均安装在支撑组件C上；所述的试验件夹持及角度调节组件B位于冲头发射组件A的下方，所述的试验件夹持及角度调节组件B与试验数据测试及处理系统D连接。

所述的冲头发射组件A包括弹簧拉杆8、发射器固定板9、冲头发射弹簧10、发射器基座11、冲头固定弹簧12、冲头13和冲头导膛14；所述的发射器固定板9分别与发射器基座11和滑动支臂4连接，所述的冲头导膛14与发射器基座11连接，所述的冲头固定弹簧12设在发射器基座11内并夹住冲头13，所述的冲头13设在冲头导膛14内，所述的弹簧拉杆8下端依次穿过发射器固定板9和冲头发射弹簧10后与冲头13紧贴，通过向上拉动弹簧拉杆8压缩冲头发射弹簧10，释放时将撞击冲头13弹出冲头导膛14。

所述的试验件夹持及角度调节组件B包括试验件锁扣15、试验件固定板16、立柱20、夹具底板21和角度调节垫块23；所述的试验件锁扣15固定在试验件固定板16上，所述的试验件固定板16通过立柱20与夹具底板21连接，所述的夹具底板21与角度调节垫块23连接，试验件17通过试验件锁扣15固定在试验件固定板16上。

所述的支撑组件C包括上固定板1、右导柱2、左导柱3、滑动支臂4、摄像机升降杆6和支撑试验台7；所述的上固定板1分别通过右导柱2和左导柱3与支撑试验台7连接，所述的滑动支臂4分别设在右导柱2和左导柱3上，所述的摄像机升降杆6设在支撑试验台7上。

所述的试验数据测试及处理系统D包括摄像机5、声发射模块18、应变片19、三轴力传感器22和图像数据处理器24；所述的声发射模块18和应变片19均设置在实验件17上，所述的三轴力传感器22设置在夹具底板21与角度调节垫块23之间，所述的摄像机5安装在摄像机升降杆6上，所述的图像数据处理器24分别与摄像机5、声发射模块18、应变片19和三轴力传感器22连接。

如图2所示，冲头发射组件A通过弹簧拉杆8使冲头发射弹簧10压缩存贮能量，将冲头13放置发射器内部后，通过左右两个固定弹簧12顶住冲头13，防止冲头13掉落，再安装上发射器导膛14。释放弹簧拉杆8则弹簧恢复释放能量，冲头沿导膛14射出。冲头的射出时能量的不同可通过选择弹簧压缩刚度或者改变弹簧的压缩程度来获得。此组件可通过配置不同刚度的弹簧来实现多种冲击能量，此外此组件的冲头13形状不受限制，适用于研究不同形状的冲头对冲击响应的影响。

如图3所示，本发明通过选择不同的角度调节垫块23使试验件放置的角度不同来实现冲头冲击角度的改变。安装试验件时，将其放置在试验件固定板16通过实验件锁扣15来固定试验件17，并通过四根立柱20固定在夹具底板21上。夹具底板21与角度调节垫块23之间通过螺栓安装有三轴力传感器22。当要实现直冲时(即冲击方向与试验件表面法线方向一致)，选择矩形的角度调节垫块23即可。

本发明的冲头13与试验件17的接触时的冲击能量为弹簧的压缩势能与冲头的重力势能之和。当冲头与试验件接触时，三轴力传感器22将记录试验件表面法向接触力以及面内力，对于某些正交各向异性的试验件17，如蜂窝夹层复合材料，还可获得蜂窝面内x及y方向上的力的分量。

试验时可通过安装多个高速摄像机5，如图2所示，摄像机5用于记录冲头的位移以及使用数字图像相关(DIC，Digital Image Correlation)法获取试验件17表面的全局变形数据。并可在试验件17下表面贴应变片19的方式来获得某些关心部位的应变情况。还可在接近试验件下表面处安装声发射组件18来获得试验件受冲击时的振动频率响应等数据。

如图4所示，此套试验测试系统可对板材进行包括冲头类型，冲击速度，冲击角度等多种可变冲击参数的冲击试验，并可通过此套设备所包含的数据观测设备来获知冲头与试验件接触力、接触位移以及试验件变形等数据。并通过以上数据来获知冲击过程中冲头速度及能量的变化，试验件各阶段的损伤情况等内容。

本套测试系统还可在试验件的上下表面安装声发射装置来获取冲击试验过程中的声发射信号，此方法对于研究复合材料层压板的冲击失效过程以及冲击过程中的动态响应有重要实用意义。

Claims (9)

1.一种可变冲击参数的小质量冲击试验测试系统，其中冲击参数包括冲击角度、速度、冲头质量及形状，其特征在于，所述的测试系统包括冲头发射组件(A)、试验件夹持及角度调节组件(B)、支撑组件(C)和试验数据测试及处理系统(D)；所述的冲头发射组件(A)、试验件夹持及角度调节组件(B)和试验数据测试及处理系统(D)均安装在支撑组件(C)上；所述的试验件夹持及角度调节组件(B)位于冲头发射组件(A)的下方，所述的试验件夹持及角度调节组件(B)与试验数据测试及处理系统(D)连接。

2.根据权利要求1所述的一种可变冲击参数的小质量冲击试验测试系统，其特征在于，所述的冲头发射组件(A)包括弹簧拉杆(8)、发射器固定板(9)、冲头发射弹簧(10)、发射器基座(11)、冲头固定弹簧(12)、冲头(13)和冲头导膛(14)；所述的发射器固定板(9)分别与发射器基座(11)和滑动支臂(4)连接，所述的冲头导膛(14)与发射器基座(11)连接，所述的冲头固定弹簧(12)设在发射器基座(11)内并夹住冲头(13)，所述的冲头(13)设在冲头导膛(14)内，所述的弹簧拉杆(8)下端依次穿过发射器固定板(9)和冲头发射弹簧(10)后与冲头(13)紧贴，通过向上拉动弹簧拉杆(8)压缩冲头发射弹簧(10)，释放时将撞击冲头(13)弹出冲头导膛(14)。

3.根据权利要求2所述的一种可变冲击参数的小质量冲击试验系统，其特征在于，所述的试验件夹持及角度调节组件(B)包括试验件锁扣(15)、试验件固定板(16)、立柱(20)、夹具底板(21)和角度调节垫块(23)；所述的试验件锁扣(15)固定在试验件固定板(16)上，所述的试验件固定板(16)通过立柱(20)与夹具底板(21)连接，所述的夹具底板(21)与角度调节垫块(23)连接，试验件(17)通过试验件锁扣(15)固定在试验件固定板(16)上。

4.根据权利要求3所述的一种可变冲击参数的小质量冲击试验测试系统，其特征在于，所述的支撑组件(C)包括上固定板(1)、右导柱(2)、左导柱(3)、滑动支臂(4)、摄像机升降杆(6)和支撑试验台(7)；所述的上固定板(1)分别通过右导柱(2)和左导柱(3)与支撑试验台(7)连接，所述的滑动支臂(4)分别设在右导柱(2)和左导柱(3)上，所述的摄像机升降杆(6)设在支撑试验台(7)上。

5.根据权利要求4所述的一种可变冲击参数的小质量冲击试验测试系统，其特征在于，所述的试验数据测试及处理系统(D)包括摄像机(5)、声发射模块(18)、应变片(19)、三轴力传感器(22)和图像数据处理器(24)；所述的声发射模块(18)和应变片(19)均设置在实验件(17)上，所述的三轴力传感器(22)设置在夹具底板(21)与角度调节垫块(23)之间，所述的摄像机(5)安装在摄像机升降杆(6)上，所述的图像数据处理器(24)分别与摄像机(5)、声发射模块(18)、应变片(19)和三轴力传感器(22)连接。

6.根据权利要求4所述的一种可变冲击参数的小质量冲击试验测试系统，其特征在于，所述的冲头发射组件(A)通过支撑组件(C)上的右导柱(2)和左导柱(3)进行上下移动。

7.根据权利要求5所述的一种可变冲击参数的小质量冲击试验测试系统，其特征在于，所述的冲头发射组件(A)上的冲头发射弹簧(10)用于调节发射冲头(13)速度。

8.根据权利要求5所述的一种可变冲击参数的小质量冲击试验测试系统，其特征在于，所述的摄像机(5)为高速摄像机，数量为3个。

9.根据权利要求3所述的一种可变冲击参数的小质量冲击试验测试系统，其特征在于，所述的试验件锁扣(15)数量为4个。