CN104913893A - 一种模拟车辆碰撞的落锤冲击试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟车辆碰撞的落锤冲击试验装置，包括可模拟车辆溃缩的落锤，落锤包括可溃缩锤头和配重承台，其中可溃缩锤头用于撞击试件并传递撞击力，配重承台用于设置配重块；可溃缩锤头通过滑移结构与配重承台同轴装配，并在可溃缩锤头和配重承台之间设有溃缩弹簧，溃缩弹簧端部通过力传感器与可溃缩锤头或配重承台连接；模拟撞击的试验柱两端分别在试验承台上根据需要的边界条件约束固定，落锤整体通过升降机构起吊，并对试验柱待冲击部位进行自由落体冲击加载。本发明通过落锤试验加载模拟车辆撞击，受力模拟真实，试验精度高，安全可靠，成本远低于常规的实车碰撞试验，可在结构试验以及车辆生产及研发领域进行推广。

Description

一种模拟车辆碰撞的落锤冲击试验装置

技术领域

本发明属于车辆碰撞测试技术领域，具体涉及一种针对试件施加模拟车辆撞击的落锤冲击试验装置。

背景技术

工程结构在服役过程中，不可避免的会遭受各种可能的偶然性冲击荷载作用，如车辆的碰撞。地下车库、多层停车场以及车流量大的临街建筑底层的承重柱易遭受车辆撞击(事故性碰撞或恶意撞击)，城市立交桥及高速公路跨线桥桥墩遭受车辆撞击的事件更是屡见报道。这些荷载在一些重要的和有特殊要求的结构设计中需要加以考虑。在研究结构构件抗车辆冲击动态力学性能中，实车碰撞试验成本高昂，获取的信息有限，而落锤冲击加载安全可控，重复性好，故在实验室条件下对试件进行落锤冲击加载试验是研究其抗冲击动力响应很好的选择。

不过常规的落锤冲击加载试验往往是刚性冲击，采用刚性锤头模拟车辆碰撞，接触刚度过大，与实际车辆碰撞过程中车身会产生变形及溃缩现象不符。此外，在刚性冲击接触瞬间，试件碰撞接触区域的应变率过高，相对于实际车辆碰撞时，试件材料处于非真实的受力状态，局部的损伤破坏与动态受力特性均与实际情况不符。

发明内容

本发明解决的技术问题在于：针对常规的落锤冲击加载试验装置不能有效模拟车辆碰撞荷载的缺陷，提供一种新型的模拟车辆碰撞的落锤冲击试验装置，能够实现车辆在碰撞过程中的溃缩变形及有效模拟试件和材料真实的受力状态。

本发明采用如下技术方案实现：一种模拟车辆碰撞的落锤冲击试验装置，包括可模拟车辆碰撞溃缩的落锤2；所述落锤2包括可溃缩锤头20和配重承台23，其中可溃缩锤头20用于撞击试件并传递撞击力，所述配重承台23用于设置配重块24；所述可溃缩锤头20通过滑移结构与配重承台23同轴装配，并在所述可溃缩锤头20和配重承台23之间设有溃缩弹簧22，所述溃缩弹簧22端部通过力传感器21与可溃缩锤头20或配重承台23连接；模拟撞击的试验柱5两端分别在试验承台3上根据需要的边界条件约束固定，所述落锤2整体通过升降机构起吊，并对试验柱5的待加载部位进行自由落体撞击试验。

进一步的，所述可溃缩锤头20和配重承台23之间的滑移结构为滑槽23a以及滑动插装在滑槽内的滑动凸起20a，所述配重承台23底部或可溃缩锤头20的顶部开设轴向的盲孔作为滑槽23a，滑动连接的另一部件上通过力传感器21刚性连接柱体作为滑动凸起20a。

进一步的，所述溃缩弹簧22套装在滑动凸起20a上，溃缩弹簧22一端与滑动凸起上刚性固定的力传感器21接触，另一端与滑槽23a端面抵接。

进一步的，所述落锤2还包括有自锁机构27，所述自锁机构27包括两个自锁块，所述自锁块中间位置分别通过转动销27c实现可转动设置，自锁块的一端分别连接至一压缩的预紧弹簧28两端，将自锁块的另一端压紧抵接在一起；所述自锁机构27对称设置在可溃缩锤头20和配重承台23之间的滑移结构两侧，其中，所述滑动凸起20a上设有限位销钉26，所述滑槽23a的侧面设有轴向的限位槽29，所述限位销钉26嵌装在限位槽29内并部分伸出限位槽，所述自锁机构27的自锁块对称设置在限位槽29的两侧，两个自锁块构成“V”形，其尖端朝向锤头溃缩方向，自锁块的顶端抵接位置位于限位槽的中线上，与限位槽29内滑动的限位销钉26接触。

在本发明中，所述配重块24通过拉紧螺栓叠加固定在配重承台23上，最上方的配重块24设有活动吊环25，用于起吊落锤整体。

在本发明中，所述落锤2配有导轨架1，所述导轨架1内侧设有竖直方向的锤头导轨10，所述落锤2的配重承台23、配重块24及可溃缩锤头的侧边均具有限位块，所述限位块嵌装在锤头导轨10中沿导轨下落。所述配重块、配重承台以及可溃缩锤头均卡入所述锤头导轨中，确保滑落过程安全可控。

进一步的，所述锤头导轨10的底部为可拆卸的活动导轨11，对活动导轨11进行拆卸，可对落锤进行调整。

进一步的，所述导轨架1的顶部设有固定吊环12，钢索绕过固定吊环与配重块上方的活动吊环25吊挂，通过固定吊环对落锤整体进行升降。

在本发明中，所述试验柱5端部通过支座约束装置4固支或铰支在试验承台3上，可根据具体的试验需要采用固支或铰支或固支/铰支组合使用。

进一步的，所述支座约束装置4包括支座盖板41和支座紧固螺栓42，所述支座盖板41通过支座紧固螺栓42将试验柱5的端部与试验承台3拉紧固定。

可溃缩锤头、力传感器、配重承台、配重块、溃缩弹簧及自锁机构共同组成本发明的落锤，通过提升机构提升落锤，实现了将额定配重的落锤提升至指定高度，通过落锤上的可溃缩锤头实现锤头溃缩功能，模拟车辆碰撞过程中发生的变形，利用自锁机构的动作，实现可溃缩锤头在冲击发生后的限位，避免溃缩过后，弹簧的弹性势能不可控释放对试验测试的影响，提高试验精度。

落锤做自由落体下落，当可溃缩锤头接触到试验柱后，可溃缩锤头和配重承台之间的滑移结构发生相对滑动，结合溃缩弹簧的压缩过程，模拟汽车碰撞过程保险杠的溃缩变形过程，随着锤头冲击力的进一步增长，溃缩量的不断增长，可溃缩锤头上部滑动凸起与配重承台的滑槽顶面刚性触底后，模拟车辆碰撞过程中底盘与发动机对试验柱的刚性碰撞，滑移结构在相对滑移过程中，限位销钉沿限位槽将自锁机构的自锁块抵接端顶开，限位销钉越过自锁块的抵接位置后，自锁块在预紧弹簧的弹力作用下，重新抵接锁紧，并将限位销钉顶在自锁块上方，防止压缩后的溃缩弹簧回弹，此时溃缩弹簧上存储的弹性势能不能释放，避免了因弹性势能不可控的释放对测试数据产生干扰。在整个测试过程中，锤头冲击力由力传感器测得，试验柱的扰度、加速度等信息由外部传感器测得。

由上所述，本发明针对常规的落锤试验机进行改进，配置可溃缩的锤头，实现了通过落锤试验模拟车辆撞击的测试，试验过程中能真实模拟车辆冲击荷载，试验精度高，试验过程安全可靠，并且试验锤头可重复测试，成本远低于常规的实车碰撞试验，可在结构抗车辆冲击试验以及车辆生产及研发领域进行推广。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明的落锤冲击试验装置的整体示意图。

图2为本发明中的导轨架和落锤的安装示意图。

图3为图2中的A向剖视图，为导轨架与锤头导轨的示意图。

图4为本发明中的落锤正视图。

图5为本发明中的落锤分解示意图。

图6为本发明中的自锁机构示意图。

图7为本发明的可溃缩锤头的刚度曲线示意图。

图中标号：

1-导轨架，10-锤头导轨，11-活动导轨，12-固定吊环，

2-落锤，20-可溃缩锤头，20a-滑动凸起，21-力传感器，22-溃缩弹簧，23-配重承台，23a-滑槽，23b-承台限位块，24-配重块，24a-配重限位块，25-活动吊环，26-限位销钉，27-自锁机构，27a-第一自锁块，27b-第二自锁块，27c-转动销，28-预紧弹簧，29-限位槽，

3-试验承台，

4-支座约束装置，41-支座盖板，42-支座紧固螺栓，43-支座辊轴，

5-试验柱。

具体实施方式

实施例

参见图1和图2，一种模拟车辆碰撞的落锤冲击试验装置，包括导轨架1、落锤2、配重承台3、支座约束装置4，落锤2与升降机构连接，通过导轨架1提升，结合参见图3，导轨架的内侧设有竖直的锤头导轨10，混凝土的试验柱5两端通过支座约束装置4支撑在试验承台3上，试验柱5的中间段架设与落锤2的正下方，通过落锤2沿锤头导轨10做自由落体与试验柱5中部发生碰撞进行试验。

具体参见图4和图5，落锤2可模拟车辆碰撞溃缩的过程，包括可溃缩锤头20和配重承台23，其中可溃缩锤头20用于撞击试件并传递撞击力，配重承台23用于设置配重块24，配重块24通过拉紧螺栓叠加固定在配重承台23上，最上方的配重块24设有活动吊环25，用于起吊落锤整体，对应的，导轨架1的顶部设有固定吊环12，升降机构连接的钢索绕过固定吊环与配重块上方的活动吊环25吊挂，通过固定吊环对落锤整体进行升降。可溃缩锤头20通过滑移结构与配重承台23同轴装配，并在可溃缩锤头20和配重承台23之间设有溃缩弹簧22，溃缩弹簧22端部通过力传感器21与可溃缩锤头20或配重承台23连接；模拟撞击的试验柱5两端分别固定支撑在试验承台3上并约束固定，落锤2整体通过升降机构起吊，并对试验柱5的中间部位进行自由落体撞击试验。

对应图3中的导轨架的锤头导轨10，落锤2的配重承台23侧边设有承台限位块23b，配重块24的侧边设有配重限位块24b，可溃缩锤头20的侧边也设置成限位块状的扁长型，所有限位块均嵌装在锤头导轨10中沿导轨下落，配重块、配重承台以及可溃缩锤头均卡入锤头导轨中，确保滑落过程安全可控。锤头导轨10的底部为可拆卸的活动导轨11，对活动导轨11进行拆卸，可对落锤进行调整。

具体的，可溃缩锤头20和配重承台23之间的滑移结构为滑槽23a以及滑动插装在滑槽内的滑动凸起20a，配重承台23底部开设轴向的盲孔作为滑槽23a，可溃缩锤头20的顶部设置对应的柱体作为滑动凸起20a。溃缩弹簧22套装在滑动凸起20a上，溃缩弹簧22一端与滑动凸起上固定的力传感器21接触，另一端与滑槽23a端面抵接。

落锤2还包括有自锁机构27，具体参见图6，自锁机构27包括第一自锁块27a和第二自锁块27b，两个自锁块中间位置分别通过转动销27c实现可转动设置，两个自锁块的一端分别连接至一压缩的预紧弹簧28两端，将自锁块的另一端压紧抵接在一起。自锁机构27配合可溃缩锤头20和配重承台23之间的滑移结构设置，其中，滑动凸起20a上设有限位销钉26，滑槽23a的侧面设有轴向的限位槽29，限位销钉26嵌装在限位槽29内并部分伸出限位槽，第一自锁块27a和第二自锁块27b对称设置在限位槽29的两侧，两个自锁块构成“V”形，其尖端朝向锤头溃缩方向，即在本实施例中朝上设置，两个自锁块的顶端抵接位置位于限位槽的中线上，与限位槽29内滑动的限位销钉26接触。限位销钉26滑动嵌装于限位槽29内，不仅实现自锁机构27的触发，同时还可对可溃缩锤头20与配重承台23之间滑移的限位，限位槽29的最低位可防止可溃缩锤头20从配重承台23之间的滑移结构分离。

为了实现自锁机构的稳定性，配重承台23两侧对称设有限位槽29，所述自锁机构对称设于配重承台23两侧的限位槽旁。

实际应用中，滑槽也可设置在可溃缩锤头20的顶部，滑动凸起对应设置在配重承台23底部，对应的自锁机构27则反过来设置。滑动凸起和滑槽采用圆柱形，也可采用其余截面的柱状体。

再一次参见图1，根据试验碰撞的需要，本实施例的试验柱5一端通过支座约束装置4固定支撑在试验承台3上，实现试验柱一端固支边界，另一端与试验承台3之间设有支座辊轴43，并通过支座约束装置4实现试验柱另一端活动铰支边界，实现碰撞过程中试验柱的自适应移位。支座约束装置4包括支座盖板41和支座紧固螺栓42，支座盖板41通过支座紧固螺栓42将试验柱5的端部拉紧固定在试验承台3上。在其他试验中，根据需要可采用试验柱5两端固支或两端铰支的方式。

本实施例中，落锤整体的升降机构可采用卷扬机或其余带卷扬功能的起重设备，卷扬机的钢索可通过脱钩器与落锤的活动吊环连接，便于释放落锤进行冲击试验。

本实施例的工作过程为：

1，通过电动卷扬机，利用钢索绕导轨架1上部的固定吊环12，通过脱钩器连接落锤2上的活动吊环25将落锤沿锤头导轨10提升至指定高度。

2，将试验柱5的端部至于试验承台3上，通过支座约束装置4实现特定的边界条件，本具体实施例中采用的是一端固支边界，一段活动铰支边界，活动铰支边界处通过支座盖板41和支座紧固螺栓与试验承台3连接，并在一端的试验承台与试验柱头之间设置支座辊轴43实现铰支座轴线方向的自由移动。

3，通过脱钩器释放落锤，实现落锤自由落下下落，当可溃缩锤头20接触到试验柱5后，可溃缩锤头20的柱状滑动凸起20a在配重承台23的滑槽23a内滑动，同时溃缩弹簧压缩，模拟汽车碰撞过程保险杠的变形溃缩过程，随着锤头冲击力的进一步增长，溃缩量的不断增长，可溃缩锤头的顶部与配重承台23上滑槽的盲孔底面刚性触底，模拟车辆碰撞过程中底盘与发动机对试验柱的刚性碰撞，可溃缩锤头表现出的刚度曲线如图7所示，可溃缩锤头20的滑动凸起在配重承台23的滑槽内滑动时，定位销钉26将自锁机构顶开，当定位销钉26顶开并通过自锁机构27中自锁块的抵接上端面后，自锁块在预紧弹簧28的作用下，重新抵住并锁紧定位销钉，防止定位销钉在溃缩弹簧的弹力作用下下移，同时通过定位销钉锁住溃缩弹簧，由于此时溃缩弹簧22上存储的弹性势能不能释放，避免了因弹性势能不可控的释放对测试数据产生的干扰，测试过程中，锤头冲击力由力传感器22测得，试验柱的扰度、加速度等信息由外部传感器测得。

4，碰撞结束后，卷扬机反向转动，通过脱钩器将落锤2提升，为方便运走测试后的试验柱。在不同的试验过程中，可以卸下导轨架底部的活动导轨11更换安装落锤，当需要调整落锤配重时，也可通过卸下活动导轨11，将落锤降下，从导轨中取出，调整配重块数量。

上述为本发明的优选实施方式，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利说明书所限定的本发明的精神和范围内，在形式和细节上对本发明所作出的各种变化，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种模拟车辆碰撞的落锤冲击试验装置，其特征在于，包括可模拟车辆碰撞溃缩的落锤(2)；

所述落锤(2)包括可溃缩锤头(20)和配重承台(23)，其中可溃缩锤头(20)用于撞击试件并传递撞击力，所述配重承台(23)用于设置配重块(24)；所述可溃缩锤头(20)通过滑移结构与配重承台(23)同轴装配，并在所述可溃缩锤头(20)和配重承台(23)之间设有溃缩弹簧(22)，所述溃缩弹簧(22)端部通过力传感器(21)与可溃缩锤头(20)或配重承台(23)连接；

模拟撞击的试验柱(5)两端分别在试验承台(3)上约束固定，所述落锤(2)整体通过升降机构起吊，并对试验柱(5)的待加载部位进行自由落体冲击试验。

2.根据权利要求1所述的一种模拟车辆碰撞的落锤冲击试验装置，所述可溃缩锤头(20)和配重承台(23)之间的滑移结构为滑槽(23a)以及滑动插装在滑槽内的滑动凸起(20a)，所述配重承台(23)底部或可溃缩锤头(20)的顶部开设轴向的盲孔作为滑槽(23a)，滑动连接的另一部件上通过力传感器(21)刚性连接柱体作为滑动凸起(20a)。

3.根据权利要求2所述的一种模拟车辆碰撞的落锤冲击试验装置，所述溃缩弹簧(22)套装在滑动凸起(20a)上，溃缩弹簧(22)一端与滑动凸起上刚性固定的力传感器(21)接触，另一端与滑槽(23a)端面抵接。

4.根据权利要求3所述的一种模拟车辆碰撞的落锤冲击试验装置，所述落锤(2)还包括有自锁机构(27)，所述自锁机构(27)包括两个自锁块，所述自锁块中间位置分别通过转动销(27c)实现可转动设置，自锁块的一端分别连接至一压缩的预紧弹簧(28)两端，将自锁块的另一端压紧抵接在一起；

所述自锁机构(27)对称设置在可溃缩锤头(20)和配重承台(23)之间的滑移结构两侧，其中，所述滑动凸起(20a)上设有限位销钉(26)，所述滑槽(23a)的侧面设有轴向的限位槽(29)，所述限位销钉(26)嵌装在限位槽(29)内并部分伸出限位槽，所述自锁机构(27)的自锁块对称设置在限位槽(29)的两侧，两个自锁块构成“V”形，其尖端朝向锤头溃缩方向，自锁块的顶端抵接位置位于限位槽的中线上，与限位槽(29)内滑动的限位销钉(26)接触。

5.根据权利要求1所述的一种模拟车辆碰撞的落锤冲击试验装置，所述配重块(24)通过拉紧螺栓叠加固定在配重承台(23)上，最上方的配重块(24)设有活动吊环(25)，用于起吊落锤整体。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种模拟车辆碰撞的落锤冲击试验装置，所述落锤(2)配有导轨架(1)，所述导轨架(1)内侧设有竖直方向的锤头导轨(10)，所述落锤(2)的配重承台(23)、配重块(24)及可溃缩锤头(20)的侧边均具有限位块，所述限位块嵌装在锤头导轨(10)中沿导轨下落。

7.根据权利要求6所述的一种模拟车辆碰撞的落锤冲击试验装置，所述锤头导轨(10)的底部为可拆卸的活动导轨(11)。

8.根据权利要求6所述的一种模拟车辆碰撞的落锤冲击试验装置，所述导轨架(1)的顶部设有固定吊环(12)。

9.根据权利要求1-5中任一项所述的一种模拟车辆碰撞的落锤冲击试验装置，所述试验柱(5)端部通过支座约束装置(4)固支或铰支在试验承台(3)上。

10.根据权利要求9所述的一种模拟车辆碰撞的落锤冲击试验装置，所述支座约束装置(4)包括支座盖板(41)和支座紧固螺栓(42)，所述支座盖板(41)通过支座紧固螺栓(42)将试验柱(5)的端部与试验承台(3)拉紧固定。