CN105181491A - 一种测试材料冲击应力波的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试材料冲击应力波的方法及装置。所述方法是通过装有加速度传感器的冲击落锤对待测试材料进行正面冲击，在待测试材料正面和背面形成应力波，使背面的应力波信号被设于待测试材料背面的压力传感器采集，正面的应力波信号被设于待测试材料正面的阵列传感器以及加速度传感器采集，并使采集到的信号输送到信号采集分析组件中进行分析处理，从而获得待测试材料的冲击应力波传播参量。本发明可以同时获知复合材料在低速冲击载荷下的应力波平面传递和吸收能量的情况。

Description

一种测试材料冲击应力波的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种测试材料冲击应力波的方法及装置，属于材料分析技术领域。

背景技术

应力波无损检测技术在工程中应用广泛，具有很好的应用前景。现有的应力波测试方法是采用应力波测试仪进行测试，而现有的应力波测试仪是通过测定传感器间应力波传递时间，计算应力波传递速度进而判断材料破损位置和程度。目前传统的测试仪仅针对材料应力波中横波和瑞利表面波两种传播形式，即：应力波平面传递进行测定，不能准确反映材料的能量吸收情况——纵波传播。而对材料的耐冲击性能进行评价时需要同时关注材料的能量扩散传递和能量吸收两项指标，因此，为了更准确地对材料的耐冲击性能进行评定，就需要在应力波测试过程中能同时测定出材料的应力波平面传递和吸收能量情况，而现有的测试方法和测试仪无法同时测定，因此也就对材料的耐冲击性能不能进行准确的评定。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种可以同时获知待测试材料在低速冲击载荷下的应力波平面传递和吸收能量情况的测试材料冲击应力波的方法及装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种测试材料冲击应力波的方法，是通过装有加速度传感器的冲击落锤对待测试材料进行正面冲击，在待测试材料正面和背面形成应力波，使背面的应力波信号被设于待测试材料背面的压力传感器采集，正面的应力波信号被加速度传感器以及设于待测试材料正面的阵列传感器采集，并使采集到的信号输送到信号采集分析组件中进行分析处理，从而获得待测试材料的冲击应力波传播参量。

作为一种实施方案，所述方法包括以下步骤：

a)将装有加速度传感器的冲击落锤设于待测试材料的上方，将压力传感器设于待测试材料的背面，将阵列传感器设于待测试材料的正面，然后将加速度传感器、压力传感器和阵列传感器均连接于信号采集分析组件；

b)使装有加速度传感器的冲击落锤冲击待测试材料正面，形成冲击应力波，加速度传感器采集冲击落锤作用于待测试材料正面冲击点处的冲击加速度信号，阵列传感器和压力传感器分别采集在冲击载荷下待测试材料的正面距冲击点不同距离处接收的信号和垂直于冲击点处背面接收的信号；并使加速度传感器、压力传感器和阵列传感器将采集到的信号传输给信号采集分析组件；

c)信号采集分析组件对信号进行处理分析后，输出待测试材料的冲击应力波传播参量。

本发明在测试材料冲击应力波的过程中，其待测试材料的能量吸收的计算流程如下：

忽略空气阻力、冲击落锤碰撞与摩擦等因素，根据自由落体能量计算公式(1-1)，计算冲击落锤的能量：

E＝mgh(1-1)

式中：E为冲击能量，单位为J；m为冲击落锤重量，单位为kg；g为重力加速度，9.8m/s²；h为冲击落锤下落的高度，单位为m；

冲击过程中，冲击载荷的计算公式如下：

F(t)＝Ma(t)(1-2)

式中：a(t)在理想状态下为g，考虑摩擦等误差，取自加速度对时间记录的曲线斜率；

冲击落锤接触待测试材料的瞬时速度，计算公式如下：

$V\left(t\right)=V_0+{\∫}_0^{t}a\left(t\right)dt---(1-3)$

式中：v(t)为t时刻冲击落锤的速度，冲击落锤开始接触待测试材料时t＝0；V₀为冲击落锤开始接触待测试材料时的速度，由公式可知：

V₀＝2gh(1-4)

在冲击行为过程中，待测试材料所吸收消耗的冲击能量E_材料的计算公式如下：

E_材料＝mgh-E₀或者E_材料＝E-E₀(1-5)

式中：E₀为待测试材料底部的压力传感器接收到的冲击待测试材料剩余能量。

本发明在材料冲击应力波的测试过程中，其待测试材料的应力波平面传递情况，主要考察应力波平面传递率，在对应力波平面传递进行分析时，以冲击点与阵列传感器的距离为横坐标X，以冲击应力波传递率为纵坐标Y，用数据统计软件(SPSS软件)进行曲线拟合，得出待测试材料在低速冲击下的应力波传递率方程；其中所述的冲击应力波传递率是阵列传感器获得的冲击应力波峰值和加速度传感器的信号峰值两者之间的比值。

一种实现上述方法的装置，包括冲击载荷系统、阵列传感器、信号采集分析组件和信号传输通道，所述冲击载荷系统包括冲击落锤、加速度传感器、压力传感器，所述冲击落锤设于待测试材料的上方，所述加速度传感器设于冲击落锤的顶部，所述压力传感器设于待测试材料的背面，所述阵列传感器设于待测试材料的正面，所述加速度传感器、压力传感器和阵列传感器均通过所述信号传输通道连接于所述信号采集分析组件。

作为一种实施方案，所述信号采集分析组件包括通过所述信号传输通道依次串联连接的信号放大器、信号采集卡和中央处理器。

作为一种实施方案，所述加速度传感器、压力传感器和阵列传感器分别与所述信号放大器通过信号传输通道相连接。

作为一种优选方案，所述信号传输通道为低噪声信号传输电缆。

作为一种优选方案，所述加速度传感器通过螺纹固定设于冲击落锤的顶部。所述加速度传感器用于测试冲击落锤在冲击待测试材料时获得的连续加速度值。

作为一种优选方案，所述加速度传感器为压电加速度传感器。

作为一种优选方案，所述冲击落锤下落释放的位置与压力传感器所固定的待测试材料的冲击点位置处于同一垂直线。

作为一种优选方案，所述压力传感器粘附固定于待测试材料的背面。所述压力传感器用于测试低速冲击过程中，冲击能量经待测试材料吸收扩散以及其他损耗后传递到待测试材料背面接收的剩余冲击力，冲击行为发生后，压力传感器将接收到的电压信号，转化为力的值。

作为一种优选方案，所述阵列传感器等距或者辐射状平铺于待测试材料的正面，采用粘附固定。

作为一种优选方案，所述阵列传感器为PVDF压电薄膜传感器。

作为一种优选方案，所述阵列传感器的数量至少为三个。

本发明所述的测试材料冲击应力波的方法，适用于柔性材料的冲击应力波测试，特别适用于纺织复合材料低速冲击应力波的测试。

本发明中所述的待测试材料，其形状不限，可以为方形、长方形、圆形或其他各种形状。

相较于现有技术，本发明的有益技术效果在于：

本发明所述方法和装置，不仅可获取传递速度、传递率等应力波平面传递的特征参数，同时还能准确获得应力波纵向传递情况即能量吸收参量，为深入研究复合材料能量吸收与扩散的传递机理、防护产品的开发设计可提供精准的理论依据，具有显著的应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例提供的测试装置的结构示意图；

图2为本发明所述测试装置的工作原理框图。

图中标号示意如下：1、冲击载荷系统；11、冲击落锤；12、加速度传感器；13、压力传感器；2、阵列传感器；3、信号采集分析组件；31、信号放大器；32、信号采集卡；33、中央处理器；4、信号传输通道；5、待测试材料。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步清楚、详细地描述。

实施例

结合图1和图2所示，本实施例提供的一种测试材料冲击应力波的方法，包括以下步骤：

a)将装有加速度传感器12的冲击落锤11设于待测试材料5的上方，将压力传感器13设于待测试材料5的背面，将阵列传感器2设于待测试材料5的正面，然后将加速度传感器12、压力传感器13和阵列传感器2均连接于信号采集分析组件3；

b)使装有加速度传感器12的冲击落锤11冲击待测试材料5正面，形成冲击应力波，加速度传感器12采集冲击落锤11作用于待测试材料5正面冲击点处的冲击加速度信号，阵列传感器2和压力传感器13分别采集在冲击载荷下待测试材料5的正面距冲击点不同距离处接收的信号和垂直于冲击点处背面接收的信号；并使加速度传感器12、压力传感器13和阵列传感器2将采集到的信号传输给信号采集分析组件3；

c)信号采集分析组件3对信号处理分析后，输出待测试材料5的冲击应力波传播参量。

信号采集分析组件3对柔性材料的应力波平面传递和能量吸收情况具体计算分析过程如下：

待测试材料5的能量吸收的计算流程如下：

忽略空气阻力、冲击落锤碰撞与摩擦等因素，根据自由落体能量计算公式，计算冲击落锤的能量：

E＝mgh(1-1)

式中：E为冲击能量，单位为J；m为冲击落锤重量，单位为kg；g为重力加速度，9.8m/s²；h为冲击落锤下落的高度，单位为m；

冲击过程中，冲击载荷的计算公式如下：

F(t)＝Ma(t)(1-2)

式中：a(t)在理想状态下为g，考虑摩擦等误差，取自加速度对时间记录的曲线斜率；

冲击落锤接触待测试材料的瞬时速度，计算公式如下：

$V\left(t\right)=V_0+{\∫}_0^{t}a\left(t\right)dt---\left(1-3\right)$

式中：v(t)为t时刻冲击落锤的速度，冲击落锤开始接触待测试材料时t＝0；V₀为冲击落锤开始接触待测试材料时的速度，由公式可知：

V₀＝2gh(1-4)

在冲击行为过程中，待测试材料所吸收消耗的冲击能量E_材料的计算公式如下：

E_材料＝mgh-E₀或者E_材料＝E-E₀(1-5)

式中：E₀为待测试材料底部的压力传感器接收到的冲击待测试材料剩余能量；

待测试材料5的应力波平面传递情况分析过程如下：

以柔性材料碳纤维机织物、玄武岩机织物以及UHMWPE机织物为例：

首先，获取加速度传感器的信号峰值，获取距冲击点不同距离处的阵列传感器的冲击应力波峰值；将阵列传感器的冲击应力波峰值与加速度传感器的信号峰值两者之间的比值作为纵坐标Y，以冲击点与阵列传感器的距离为横坐标X(距离单位为cm)，通过SPSS软件进行曲线拟合；

然后，SPSS软件曲线拟合后得到不同的待测试材料——碳纤维机织物、玄武岩机织物以及UHMWPE机织物在低速冲击下的应力波传递率方程，具体为：

碳纤维机织物：Y＝-6.607E-5X³+0.005X²-0.104X+0.912

玄武岩机织物：Y＝-3.001E-5X³+0.002X²-0.043X+0.387

UHMWPE机织物：Y＝-4.635E-5X³+0.003X²-0.061X+0.557

最后，对得到的应力波传递率方程进行分析：

从三个方程中可知，三个方程中的常数项由小到大依次是玄武岩机织物、UHMWPE机织物和碳纤维机织物增强复合材料，反映出对应材料的冲击应力波初始传递率由低到高，材料的应力波传播能力由弱到强，传递率高的材料受冲击后，能量传递过程中损耗小，列阵传感器接收的信号值大；从而说明UHMWPE机织物的应力波传递率最大，抗冲击性能最强，更有利于应力波的平面传播；这也为具有抗冲击性能的防护产品的开发提供了理论依据。

实现上述测试方法的装置，包括冲击载荷系统1、阵列传感器2、信号采集分析组件3和信号传输通道4，所述冲击载荷系统1包括冲击落锤11、加速度传感器12、压力传感器13，所述冲击落锤11设于待测试材料5的上方，所述加速度传感器12设于冲击落锤11的顶部，所述压力传感器13设于待测试材料5的背面，所述阵列传感器2设于待测试材料5的正面，所述加速度传感器12、压力传感器13和阵列传感器2均通过所述信号传输通道4连接于所述信号采集分析组件3。所述信号采集分析组件3包括通过所述信号传输通道4依次串联连接的信号放大器31、信号采集卡32和中央处理器33，所述加速度传感器12、压力传感器13、阵列传感器2分别与所述信号放大器31通过信号传输通道4相连接。

所述冲击落锤11下落释放的位置与压力传感器13所固定的待测试材料5的冲击点位置处于同一垂直线，以使待测试材料受冲击面可以有效、及时的将冲击应力进行扩散。

所述加速度传感器12采用压电加速度传感器(例如IEPE压电加速度传感器)，压电加速度传感器具有很强的耐冲击性能和较大的量程，可以满足冲击测试过程中，瞬间冲击时对传感器的耐冲击性要求；所述加速度传感器12通过螺纹以螺旋方式固定设于冲击落锤11的顶部，以提高安装面的接触刚度，改善传感器的高频响应的性能。

所述阵列传感器2采用高灵敏度的PVDF压电薄膜传感器，等距或者辐射状平铺于待测试材5的正面，采用粘附固定，数量可根据测试情况，设置为3-5个，以有利于低速冲击载荷下应力波的信号采集。

其中，所述信号传输通道4采用低噪声信号传输电缆，以提高采集信号的信噪比。

总之，相较于现有的应力波测试方法而言，本发明的冲击应力波测试方法，在材料冲击应力波测试过程中可以同时获知待测试的复合材料在低速冲击载荷下的应力波平面传递和吸收能量的情况，为深入研究复合材料能量吸收与扩散的传递机理、防护产品的开发设计可提供精准的理论依据，具有显著的应用价值。

最后有必要在此指出的是：以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测试材料冲击应力波的方法，其特征在于：是通过装有加速度传感器的冲击落锤对待测试材料进行正面冲击，在待测试材料正面和背面形成应力波，使背面的应力波信号被设于待测试材料背面的压力传感器采集，正面的应力波信号被加速度传感器以及设于待测试材料正面的阵列传感器采集，并使采集到的信号输送到信号采集分析组件中进行分析处理，从而获得待测试材料的冲击应力波传播参量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)将装有加速度传感器的冲击落锤设于待测试材料的上方，将压力传感器设于待测试材料的背面，将阵列传感器设于待测试材料的正面，然后将加速度传感器、压力传感器和阵列传感器均连接于信号采集分析组件；

b)使装有加速度传感器的冲击落锤冲击待测试材料正面，形成冲击应力波，加速度传感器采集冲击落锤作用于待测试材料正面冲击点处的冲击加速度信号，阵列传感器和压力传感器分别采集在冲击载荷下待测试材料的正面距冲击点不同距离处接收的信号和垂直于冲击点处背面接收的信号；并使加速度传感器、压力传感器和阵列传感器将采集到的信号传输给信号采集分析组件；

c)信号采集分析组件对信号处理分析后，从而获得待测试材料的冲击应力波传播参量。

3.一种实现权利要求1或2所述方法的装置，其特征在于：包括冲击载荷系统、阵列传感器、信号采集分析组件和信号传输通道，所述冲击载荷系统包括冲击落锤、加速度传感器和压力传感器，所述冲击落锤设于待测试材料的上方，所述加速度传感器设于冲击落锤的顶部，所述压力传感器设于待测试材料的背面，所述阵列传感器设于待测试材料的正面，所述加速度传感器、压力传感器和阵列传感器均通过所述信号传输通道连接于所述信号采集分析组件。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述信号采集分析组件包括通过所述信号传输通道依次串联连接的信号放大器、信号采集卡和中央处理器。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述信号放大器通过信号传输通道分别与加速度传感器、压力传感器和阵列传感器相连接。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述信号传输通道为信号传输电缆。

7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述加速度传感器为压电加速度传感器。

8.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述冲击落锤下落释放的位置与压力传感器所固定的待测试材料的冲击点位置处于同一垂直线。

9.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述阵列传感器等距或者辐射状平铺于待测试材料的正面。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：所述阵列传感器为PVDF压电薄膜传感器。