CN108918074A - 一种基于智能材料阻尼器的冲击载荷模拟设备及应用方法 - Google Patents

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    • G01M7/08—Shock-testing

Abstract

本发明公开了一种基于智能材料阻尼器的冲击加载设备。该冲击加载设备，包括碰撞组件；碰撞组件包括碰撞头、缓冲器、配重组件和智能材料阻尼器；所述碰撞头上设置有垫片；所述缓冲器位于所述碰撞头和所述配重组件之间；所述碰撞头和所述配重组件通过导杆和导向管相连，所述导向管设置在所述配重组件上，所述导杆的第一端部通过固定螺母固定在所述碰撞头上，所述导杆的第二端部穿过所述导向管，通过调节螺母使得所述导杆不会从第二端部脱离所述导向管；所述配重组件包括配重箱和放置在所述配重箱内的配重；所述智能材料阻尼器与所述配重箱固定；另外公开了该加载设备的应用方法。本发明冲击过程中设备不易破坏，可以重复使用，降低试验成本。

Description

一种基于智能材料阻尼器的冲击载荷模拟设备及应用方法
技术领域
本发明涉及冲击测试领域，具体为一种基于智能材料阻尼器的冲击载荷模拟设备。
背景技术
物体的碰撞是现代日常生活、工作中经常遇到的现象。经常要评价物体碰撞时的性能。因此，要进行很多碰撞实验，例如文献(肖岩，陈林，肖果等，防撞柱实车碰撞性能研究[J]，振动与冲击，2013，32(11):1-6)中介绍了使用真实汽车的对防撞柱实施冲击的工作。汽车本身属性不同，导致侵入的距离不同，因此产生的碰撞载荷也不同。而且每一次测试都要用一辆汽车，因此试验费用很高。另外通过测量汽车的加速度计算防撞柱受到冲击载荷，其精度很差。
发明内容
本发明就是针对上述冲击测试方法冲击过程不易控制、费用高、重复性差、测量困难等不足提出的。
为实现上述目的，根据本发明的一方面，提供了一种基于智能材料阻尼器的冲击载荷模拟设备及应用方法，包括碰撞组件；碰撞组件包括碰撞头、缓冲器、配重组件和智能材料阻尼器；所述碰撞头上设置有垫片；所述缓冲器位于所述碰撞头和所述配重组件之间；所述碰撞头和所述配重组件通过导杆和导向管相连，所述导向管设置在所述配重组件上，所述导杆的第一端部通过固定螺母固定在所述碰撞头上，所述导杆的第二端部穿过所述导向管，通过调节螺母使得所述导杆不会从第二端部脱离所述导向管；所述配重组件包括配重箱和放置在所述配重箱内的配重；所述智能材料阻尼器与所述配重箱固定。
进一步地，所述碰撞头上设置有第一加速度计，用于测量碰撞头的加速度。
进一步地，所述导杆的数量是4个，分设在所述碰撞头的四周。
进一步地，还包括引导组件；所述引导组件包括第一立柱、第一导轨和底座；所述第一立柱立于所述底座上，所述第一导轨轴向设置在所述第一立柱上；所述碰撞组件还包括第一滑块；所述第一滑块的一端设置在所述配重组件上，另一端滑动设置在所述第一导轨上。
进一步地，还包括测速传感器支架；所述测速传感器支架设置在所述第一立柱上，用于放置测速传感器；所述配重组件上设置有测速板，所述测速板包括第一测速板和第二测速板；在所述第一测速板和所述第二测速板之间有缺口；所述测速板被设置为，工作时，所述第一测速板、所述缺口和所述第二测速板依次通过测速传感器；所述第一测速板和所述第二测速板通过所述缺口下方的连接板连接；所述测速传感器为光电传感器。
进一步地，所述配重组件上设置有第二加速度计，用于测量所述配重组件的加速度；所述缓冲器的材料为聚氨酯。
进一步地，还包括横梁，所述智能材料阻尼器包括活塞杆，所述导杆与所述横梁连接，所述横梁与所述活塞杆连接，所述智能材料阻尼器的活塞杆将阻尼力通过所述导杆传递给所述碰撞头。
进一步地，所述智能材料阻尼器可以为电流变液体或磁流变液阻尼器，通过控制电路可以调节所述智能材料阻尼器阻尼力的大小。
根据本发明的另一方面，还提供了一种如上所述基于智能材料阻尼器的冲击载荷模拟设备的应用方法，所述模拟设备水平放置，所述碰撞组件通过马达或者牵引加速，对试验件进行水平冲击。
根据本发明的又一方面，还提供了一种如上所述基于智能材料阻尼器的冲击载荷模拟设备的应用方法，所述模拟设备垂直放置，所述碰撞组件进行落重冲击；使用时，将所述碰撞组件提升至设定的高度，沿着所述第一导轨下落，对试验件产生垂直冲击，这时的所述碰撞组件相当于落锤。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1为本发明所涉及的带缓冲功能的冲击设备的一个具体实施例的结构示意图；
图2为图1中的缓冲器被压缩后碰撞组件的结构示意图；
图3为本发明提供的碰撞组件冲击过程的动力学模型；
图4为本发明提供的测速原理图；
其中，10-智能材料阻尼器，11-智能材料阻尼器活塞杆，12-横梁，21-第一滑块，22-第二加速度计，23-缓冲器，24-碰撞头，25-固定螺母，26-导杆，27-测速板，28-调节螺母，29-导向管，30-配重组件，31-第一加速度计，32-垫板，271-第一测速板，272-连接板，273-缺口，274-第二测速板，41-测速传感器支架，42-光电传感器。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
实施例1
图1示出了本发明提供的带缓冲装置的冲击设备的一个具体实施例。在该实施例中带缓冲装置的冲击设备包括碰撞组件、引导组件、测速传感器支架41和光电传感器42。
如图1所示，碰撞组件包括碰撞头24、垫板32、缓冲器23、配重组件30、导杆26、导向管29、测速板27、滑块21、第一加速度计31和第二加速度计22。缓冲器23位于碰撞头24和配重组件30之间。导杆26的第一端部通过固定螺母25固定在碰撞头24上；导杆26的第二端部穿过导向管29，通过调节螺母28使得导杆26不会从其第二端部脱离导向管29。导杆26的数量是4个，分设在碰撞头24的四周。
缓冲器23位于碰撞头24和配重组件30之间，导杆26一端(第一端部)通过固定螺母25与碰撞头24固定，另一端(第二端部)穿过导向管29，用调节螺母28与导向管29单向连接，通过调节螺母28使得导杆26不会从第二端部脱离导向管29。导向管29设置在配重组件30上。智能材料阻尼器10与配重箱固定，导杆26与横梁12连接，横梁12与智能材料阻尼器活塞杆11连接。
当碰撞头24与物体发生碰撞时，配重组件30在惯性作用下使得缓冲器23从图1所示的第一状态转换为图2所示的第二状态；在第一状态下缓冲器23的长度比在第二状态下缓冲器23的长度长，配重组件30在惯性作用下压缩缓冲器23，碰撞头24推动导杆26沿导向管29相对配重组件30向后滑动，导杆26推动横梁12，横梁12将智能材料阻尼器活塞杆11拉出，智能材料阻尼器的活塞杆11将阻尼力通过导杆26传递给碰撞头24。智能材料阻尼器10可以为电流变液体和磁流变液阻尼器，通过控制电路可以调节智能材料阻尼器10阻尼力的大小，进而可以模拟碰撞体发生多种破坏情况下产生的冲击力。冲击结束后，设备可能发生反弹，而此时智能材料阻尼器仍然产生阻尼力，可以降低反弹速度，易于防止二次撞击。
配重组件30包括配重箱和配重，配重设置在配重箱内，可根据需要调节配重的重量大小。导向管29设置在配重组件30的配重箱上。调节螺母28与固定螺母25之间的距离控制缓冲器23在第一状态下的长度。
在碰撞头24上设置有第一加速度计31，用于测量碰撞头的加速度，得到其给物体的冲击载荷，并通过积分可得碰撞头24的位移，从而得到试验件的位移。
在配重组件30上设置有第二加速度计22，用于测量配重组件30的加速度，得到其间接作用于物体的冲击载荷。缓冲器23的材料可以为聚氨酯。
引导组件包括第一立柱、第一导轨和底座。第一立柱立于底座上，第一导轨轴向设置在第一立柱上。引导组件通过第一滑块与碰撞组件连接，具体是：第一滑块的一端设置在配重组件30上，另一端滑动设置在第一导轨上，使得碰撞组件能够沿第一导轨滑动。在本实施例中第一滑块有4个，两两分设在配重组件30的两侧。
如图4所示，测速传感器支架41设置在第一立柱上，用于放置测速传感器(在本实施例中为光电传感器42)。配重组件30上设置有测速板。测速板包括第一测速板271和第二测速板274，且在第一测速板271和第二测速板274之间有缺口273。第一测速板271和第二测速板274通过缺口273下方的连接板272连接。第一测速板271、第二测速板274和连接板272一体成型，结合缺口273形成U字形结构。测速板27的工作原理为：工作时，第一测速板271、缺口273和第二测速板274依次通过光电传感器42，形成通-断信号，根据通-断信号的时间差可以计算出碰撞组件下落或前进的速度。
如图2所示，导杆26可以沿着导向管29滑动。使用时，整个装置具有一定的初速度，对被撞物体产生冲击。配重组件30上设置有测速板27，光电传感器固定于地面，测速板27通过光电传感器时，测速板27上面的两块板先后产生通-断信号，通过通断信号的时间差，可得到冲击速度。碰撞头24首先与被撞物体接触。碰撞头24上设置有第一加速度计31，可以测量碰撞头24的加速度，得到其给物体的冲击载荷，并通过积分可得碰撞头24的位移，从而得到被撞物体的位移。配重组件30在惯性的作用下压缩缓冲器23，并沿着导杆26运动。缓冲器23将载荷传递给碰撞头24后，实现对被撞物体的冲击。配重组件30上设置有第二加速度计22，可以测量配重组件30的加速度，得到其间接作用于物体的冲击载荷。
改变缓冲器23的长度，可调整缓冲距离，这样，在同样冲击能量下，可调节作用于被撞物体的载荷大小和作用时间，结合智能材料阻尼器10的调节，可模拟多种冲击情况。同时可以通过调整导杆26上的调节螺母28的位置，改变导杆26上固定螺母25与调节螺母28之间的距离，从而改变导杆26沿导向管29的滑动长度，给缓冲器23施加预紧力，即调节螺母28与固定螺母25之间的距离控制缓冲器23在第一状态下的长度，也可调整缓冲器23的缓冲距离和接触刚度(即接触力/缓冲距离)，同样可以实现对冲击载荷大小和作用时间的调节。
图3示出了本实施例的冲击装置动力学模型，可用图3所示的集中参数系统来描述，碰撞头和配重箱各为一个集中质量，缓冲器简化为非线性弹簧k2，智能材料阻尼器用可调的阻尼力FD来表示。测试对象的刚度可用k0来表示。该系统为3自由度系统，给定初始速度、各个质量和刚度，可根据载荷输出的需要确定FD，也就是智能材料阻尼器应该输出的载荷，这是可通过调节电路来实现的。
实施例2
该实施例提供了一种基于智能材料阻尼器的冲击载荷模拟设备的应用方法，模拟设备水平放置，碰撞组件通过马达或者牵引加速，对试验件进行水平冲击。
实施例3
该实施例提供了另一种基于智能材料阻尼器的冲击载荷模拟设备的应用方法，模拟设备垂直放置，碰撞组件进行落重冲击；使用时，将碰撞组件提升至设定的高度，沿着第一导轨下落，对试验件产生垂直冲击，这时的碰撞组件相当于落锤。
本发明采用了缓冲器，冲击过程中设备不会破坏，可以重复使用，降低试验成本。并且改变缓冲器的长度，可调整缓冲距离，这样，在同样冲击能量下，作用于被撞物体的载荷大小和时间就不同。同时，通过调整导杆上的调节螺母的位置，可以改变其调节螺母与固定螺母之间的距离(即位于固定螺母到调节螺母之间的导杆长度)，给缓冲器施加预紧力，也可调整缓冲器的缓冲距离和缓冲器刚度，同样可以实现对冲击载荷大小和作用时间的调节。使用控制电路对智能材料阻尼器的阻尼力实时调节，也可以模拟多种冲击情况，控制冲击过程，并防止反弹。测速传感器支架、测速传感器、测速板之间的配合，尤其是测速板的结构有利于产生通-断信号，通过通断信号的时间差，可得到冲击速度。以下落过程为例，在碰撞组件下落过程中，测速板通过光电传感器时，其缺口会产生光电传感器的通断信号，根据信号的时间差可以计算出碰撞组件下落或前进的速度。配重箱和配重有利于根据需要设置不同的配重重量。该冲击设备的碰撞组件可以在地面进行水平冲击，也可以作为落锤进行落重冲击，模拟含有结构破坏或内容物移动的冲击，例如汽车对物体的碰撞等。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于智能材料阻尼器的冲击载荷模拟设备及应用方法，其特征在于，包括碰撞组件；碰撞组件包括碰撞头、缓冲器、配重组件和智能材料阻尼器；所述碰撞头上设置有垫片；所述缓冲器位于所述碰撞头和所述配重组件之间；所述碰撞头和所述配重组件通过导杆和导向管相连，所述导向管设置在所述配重组件上，所述导杆的第一端部通过固定螺母固定在所述碰撞头上，所述导杆的第二端部穿过所述导向管，通过调节螺母使得所述导杆不会从第二端部脱离所述导向管；所述配重组件包括配重箱和放置在所述配重箱内的配重；所述智能材料阻尼器与所述配重箱固定。
2.如权利要求1所述的基于智能材料阻尼器的冲击载荷模拟设备，其特征在于，所述碰撞头上设置有第一加速度计，用于测量碰撞头的加速度。
3.如权利要求1所述的基于智能材料阻尼器的冲击载荷模拟设备，其特征在于，所述导杆的数量是4个，分设在所述碰撞头的四周。
4.如权利要求1所述的基于智能材料阻尼器的冲击载荷模拟设备，其特征在于，还包括引导组件；所述引导组件包括第一立柱、第一导轨和底座；所述第一立柱立于所述底座上，所述第一导轨轴向设置在所述第一立柱上；所述碰撞组件还包括第一滑块；所述第一滑块的一端设置在所述配重组件上，另一端滑动设置在所述第一导轨上。
5.如权利要求4所述的基于智能材料阻尼器的冲击载荷模拟设备，其特征在于，还包括测速传感器支架；所述测速传感器支架设置在所述第一立柱上，用于放置测速传感器；所述配重组件上设置有测速板，所述测速板包括第一测速板和第二测速板；在所述第一测速板和所述第二测速板之间有缺口；所述测速板被设置为，工作时，所述第一测速板、所述缺口和所述第二测速板依次通过测速传感器；所述第一测速板和所述第二测速板通过所述缺口下方的连接板连接；所述测速传感器为光电传感器。
6.如权利要求1所述的基于智能材料阻尼器的冲击载荷模拟设备，其特征在于，所述配重组件上设置有第二加速度计，用于测量所述配重组件的加速度；所述缓冲器的材料为聚氨酯。
7.如权利要求1所述的基于智能材料阻尼器的冲击载荷模拟设备，其特征在于，还包括横梁，所述智能材料阻尼器包括活塞杆，所述导杆与所述横梁连接，所述横梁与所述活塞杆连接，所述智能材料阻尼器的活塞杆将阻尼力通过所述导杆传递给所述碰撞头。
8.如权利要求1所述的基于智能材料阻尼器的冲击载荷模拟设备，其特征在于，所述智能材料阻尼器可以为电流变液体或磁流变液阻尼器，通过控制电路可以调节所述智能材料阻尼器阻尼力的大小。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的基于智能材料阻尼器的冲击载荷模拟设备的应用方法，其特征在于，所述模拟设备水平放置，所述碰撞组件通过马达或者牵引加速，对试验件进行水平冲击。
10.一种如权利要求1-8任一项所述的基于智能材料阻尼器的冲击载荷模拟设备的应用方法，其特征在于，所述模拟设备垂直放置，所述碰撞组件进行落重冲击；使用时，将所述碰撞组件提升至设定的高度，沿着所述第一导轨下落，对试验件产生垂直冲击，这时的所述碰撞组件相当于落锤。
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