CN109115597B - 一种中低速应变率材料动态压缩和拉伸力学性能测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种中低速应变率材料动态压缩和拉伸力学性能测试系统及方法，属于力学性能测试领域。该系统包括冲击机构、压缩机械机构或；拉伸机械机构、信号采集装置和图像采集装置。本发明测试中低速应变率下材料动态力学性能的装置和方法，能够进行应变率为100/s以下的材料压缩和拉伸力学性能和断裂行为的测试，利用高速相机拍摄喷漆的试件被测试表面可以实时测试低应变加载时材料的变形及失效过程。本测试装置结构简单，成本低，测试精度和测试效率高，被测试材料种类广泛，所设计的试件能够实现中低速应变率下材料的压缩和拉伸动态力学性能测试。
Description
技术领域
本发明属于力学性能测试领域，具体涉及一种中低速应变率材料动态压缩和拉伸力学性能测试系统及方法，用于材料中低速应变率下压缩和拉伸力学性能以及捕获材料实时变形及失效行为的技术。
背景技术
加载速率和应力状态是影响材料变形和失效性为的重要因素。材料在动态加载作用下发生不同于静载荷下的力学行为，理解与掌握材料的动态力学性能对合理控制材料变形与失效，实现工程中应用的趋利避害具有重要意义，比如爆炸和撞击、地震、工程爆破、核爆炸及其防护、微陨石和雨雪冰沙对飞行器的高速撞击、高速加工等均涉及材料动态力学性能的研究。
利用力学性能试验机测试材料静态(或准静态)变形行为时可以适用普通数码相机追踪其变形过程，材料失效后通过测试试件伸长率及断面收缩率即可确定材料断裂应变等力学参数。
有时需要在中低速应变率下表征复合材料的性能，例如低于100/s。在现有的动态测试技术中，分离霍普金森压杆(SHPB)是最常用的高应变率特性的方法，例如从102/s到104/s。然而，它对低于100/s的应变率无效。一种高速液压试验机可以适用于低应变率的测试，如英斯特朗的VHS 8800(英特朗，Norwood，MA，美国)。然而，为了实现高速加载速率，快速响应需要大的气动容量。还需要一个有效的反馈系统来实现恒定的加载速率。因此，高速液压试验机变得非常昂贵，并且不能供一般工程师使用。在传统的落锤冲击试验仪(DWIT)的基础上，本专利提出了一种造价便宜，适合于表征纤维复合材料应变率为100/s以内的动态特性测试技术。
发明内容
本发明的目的是为克服上述已有的材料动态力学性能测试装置价格昂贵、结构复杂和测试方法存在的不足，提供一种测试中低速应变率下材料动态力学性能的装置和方法，测试应变率为100/s以下，设计的材料力学性能测试试件能够实现压缩和拉伸加载，在被测试试件表面在试件被测试表面进行散斑喷涂，黑漆与白漆轮流喷涂，测试时利用高速相机追踪拍摄试件表面的油漆例子运动轨迹，通过粒子运动即可捕获被测试式样的高应变率变形和断裂行为。该装置和方法可以测试低应变率加载下材料的力学性能，测试精度和测试效率高，适用于塑性材料和脆性材料的动态力学性能测试。
本发明的技术方案：
一种中低速应变率材料动态压缩力学性能测试系统，所述的中低速应变率材料动态压缩力学性能测试系统包括冲击机构、压缩机械机构、信号采集装置和图像采集装置；
所述的冲击机构包括落锤机和控制台；
所述的信号采集装置包括信号采集卡和信号显示装置；
所述的图像采集装置包括高速摄像机和光源；
所述的压缩机械机构包括第一右固定板1、第一左活动板2、第二右固定板3、第二左活动板4、导轨5、上接触板6、下接触板7、第一传感器8、第一传感器外壳9、第二传感器10、第二传感器外壳11、试件12、传感器压头13和固定板14；所述固定板14固定于落锤机的工作台上，固定板14上方安装第二传感器10，第二传感器10外部设置第二传感器外壳11，第二传感器10上方固定下接触板7，下接触板7的四角分别固定导轨5，导轨5穿过上接触板6，确保上接触板6沿导轨5上下运动；所述第一左活动板2和第一右固定板1相对平行的设置于下接触板7的上表面，其中，第一右固定板1固定于下接触板7上，第一左活动板2在试验时与第一右固定板1通过螺栓实现固定；第二左活动板4和第二右固定板3相对平行的设置于上接触板6的下表面，其中，第二右固定板3固定于上接触板6上，第二左活动板4在试验时与第二右固定板3通过螺栓实现固定，第二左活动板4和第二右固定板3的位置分别与第一左活动板2和第一右固定板1对应，从而实现对试件12的加紧；试件12的一侧安装高速摄像机和光源，用于捕获被测试试件12的高应变率变形和断裂行为；上接触板6上方依次固定第一传感器8和传感器压头13；第一传感器8的外部设置第一传感器外壳9；所述的传感器压头13上放置缓冲块；
所述的第一传感器8与第二传感器10与信号采集卡相连，信号采集卡与信号显示装置相连；
所述试件12的被测试表面喷涂散斑，黑漆与白漆轮流喷涂，用于图像采集装置的追踪观察。
所述缓冲块的材料为聚氨酯、丁腈橡胶或胶乳橡胶。
所述的第二传感器外壳11与第二传感器10的侧面外形间隙配合；第一传感器外壳9和第一传感器8的侧面外形间隙配合。所述的传感器压头13与第二传感器10的顶部外形间隙配合，便于放置大尺寸的缓冲块。
所述高速相机的最高采样频率不低于100000Hz，在采样频率达到100000Hz时拍摄的图像分辨率不低于256*256像素。
一种中低速应变率材料动态拉伸力学性能测试系统，所述的中低速应变率材料动态拉伸力学性能测试系统包括冲击机构、拉伸机械机构、信号采集装置和图像采集装置；
所述的冲击机构包括落锤机和控制台；
所述的信号采集装置包括信号采集卡和信号显示装置；
所述的图像采集装置包括高速摄像机和光源；
所述的拉伸机械机构包括第一右固定板1、第一左活动板2、第二右固定板3、第二左活动板4、导轨5、上接触板6、下接触板7、第一传感器8、第一传感器外壳9、第二传感器10、第二传感器外壳11、试件12、上固定架15、上拉伸架16、第三导轨17、第二导轨18、下拉伸架19和下固定架20；第二传感器10外部设置第二传感器外壳11，第二传感器10上方固定下接触板7，下接触板7的四角分别固定导轨5，导轨5穿过上接触板6，确保上接触板6沿导轨5上下运动；所述第一左活动板2和第一右固定板1相对平行的设置于下接触板7的上表面，其中，第一右固定板1固定于下接触板7上，第一左活动板2在试验时与第一右固定板1通过螺栓实现固定；第二左活动板4和第二右固定板3相对平行的设置于上接触板6的下表面，其中，第二右固定板3固定于上接触板6上，第二左活动板4在试验时与第二右固定板3通过螺栓实现固定，第二左活动板4和第二右固定板3的位置分别与第一左活动板2和第一右固定板1对应，从而实现对试件12的加紧；试件12的一侧安装高速摄像机和光源，用于捕获被测试试样的高应变率变形和断裂行为；上接触板6上方固定第一传感器8；第一传感器8的外部设置第一传感器外壳9；
上固定架15与下固定架20之间通过第二导轨18实现固定，构成固定框；下拉伸架19与上拉伸架16之间通过第三导轨17实现固定，构成活动框；其中，所述的下固定架20固定于落锤机的工作台上，上固定架15下表面固定第一传感器8，第二导轨18穿过下拉伸架19，下拉伸架19位于下固定架20与上固定架15之间；第三导轨17穿过上固定架15，上拉伸架16位于上固定架15上方，下拉伸架19的上表面固定第二传感器10；上拉伸架16上放置缓冲块；活动框受压时向下运动，从而使压缩机械机构发生拉伸。
所述的第一传感器8与第二传感器10与信号采集卡相连，信号采集卡与信号显示装置相连；
所述试件12的被测试表面喷涂散斑，黑漆与白漆轮流喷涂，用于图像采集装置的追踪观察。
所述缓冲块的材料为聚氨酯、丁腈橡胶或胶乳橡胶。
所述的第二传感器外壳11与第二传感器10的侧面外形间隙配合；第一传感器外壳9和第一传感器8的侧面外形间隙配合。
所述高速相机的最高采样频率不低于100000Hz，在采样频率达到100000Hz时拍摄的图像分辨率不低于256*256像素。
一种中低速应变率材料动态压缩力学性能测试方法，步骤如下：
(1)搭建压缩机械机构主体：
确保导轨5与试件12，导轨5与第一传感器8和第二传感器10的同轴度小于3μm；确保第一右固定板1、第一左活动板2与下接触板7，第二右固定板3、第二左活动板4与上接触板6，第一传感器8分别与传感器压头13和上接触板6，第二传感器10与下接触板7的平行度小于0.02mm，试样12上下两端平行度小于0.01mm；
确保上接触板6、下接触板7与导轨5的轴线垂直；
确保与上接触板6、下接触板7相接触的试件12两端面粗糙度Ra小于0.8μm，其他部件之间接触表面的粗糙度为3.2μm以下；
(2)搭建信号采集装置：将第一传感器8与第二传感器10与信号采集卡相连，信号采集卡与信号显示装置相连；
(3)在对试件12进行测试之前，对搭建的机械机构主体进行“空压”测试，即在不装载试件12的情况下启动落锤机，当第一传感器8和第二传感器10采集出的数值一致，即可保证压力传输信号采集的准确性；
(4)加工试件12，在试件12被测试表面进行散斑喷涂，黑漆与白漆轮流喷涂，用于图像采集装置的追踪观察；
(5)搭建图像采集装置：将高速摄像机和光源安装于试件12的一侧；
(6)由控制台启动落锤机，落锤机的压头通过缓冲块作用于传感器压头13上，力传到上接触板6，上接触板6在导轨5上滑动，从而使试件12产生压缩；
(7)启动落锤机的同时开启高速摄像机，设置采样频率100000Hz使高速摄像机连续拍摄，光源正对经过油漆散斑喷涂后的试件12表面，当试件12承受压缩时，高速相机追踪拍摄试样表面的油漆粒子运动轨迹，通过粒子运动捕获被测试试件12的高应变率变形和断裂行为得到应变-时间曲线；
(8)启动落锤机的同时开启第一传感器8和第二传感器10，进行输出信号的采集，当锤头与传感器压头13接触时，即可采集到两个传感器的力-时间曲线；
(9)当两个传感器的力-时间曲线一致时，说明放置的弹性块的厚度、材料种类合适，实验结果可用；
(10)对应变-时间曲线和力-时间曲线进行处理，即可得到试件的应力-应变曲线，从而获得试件12的压缩动态力学性能。
一种中低速应变率材料动态拉伸力学性能测试方法，步骤如下：
(1)搭建拉伸机械机构主体：
确保第二导轨18、第三导轨17与试件12，第二导轨18、第三导轨17与第一传感器8和第二传感器10的同轴度小于3μm；第一传感器8与上固定架15，第二传感器10与下拉伸架19的平行度小于0.02mm；
确保上拉伸架16、下拉伸架19与第三导轨17的轴线垂直，上固定架15、下固定架20与第二导轨18的轴线垂直；
(2)搭建信号采集装置：将第一传感器8与第二传感器10与信号采集卡相连，信号采集卡与信号显示装置相连；
(3)在对试件12进行测试之前，对搭建的测试装置主体进行“空压”测试，即在不装载试件12的情况下启动落锤机，当第一传感器8和第二传感器10采集出的数值一致，即可保证压力传输信号采集的准确性；
(4)加工试件12，在试件12被测试表面进行散斑喷涂，黑漆与白漆轮流喷涂，用于图像采集装置的追踪观察；
(5)搭建图像采集装置：将高速摄像机和光源设置于试件12的一侧；
(6)由控制台启动落锤机，落锤机的压头通过缓冲块作用于上拉伸架16上，力通过第三导轨17传到下拉伸架19；下固定架20固定在落锤机的工作台上，通过第二导轨18使得上固定架15固定；上拉伸架16、第三导轨17与下拉伸架19向下滑动，使试件12产生拉伸；
(7)启动落锤机的同时开启高速摄像机，设置采样频率100000Hz使高速摄像机连续拍摄，光源正对经过油漆散斑喷涂后的试件12表面，当试件12承受拉伸时，高速相机追踪拍摄试样表面的油漆粒子运动轨迹，通过粒子运动捕获被测试试样的高应变率变形和断裂行为得到应变-时间曲线；
(8)启动落锤机的同时开启第一传感器8和第二传感器10，进行输出信号的采集，当锤头与上拉伸架16接触时，即可采集到两个传感器的力-时间曲线；
(9)当两个传感器的力-时间曲线一致时，说明放置的弹性块的厚度、材料种类合适，实验结果可用；
(10)对应变-时间曲线和力-时间曲线进行处理，即可得到试件的应力-应变曲线，从而获得试件12的拉伸动态力学性能。
本发明的有益效果：本发明测试中低速应变率下材料动态力学性能的装置和方法，能够进行应变率为100/s以下的材料压缩和拉伸力学性能和断裂行为的测试，利用高速相机拍摄喷漆的试件被测试表面可以实时测试低应变加载时材料的变形及失效过程。本测试装置结构简单，成本低，测试精度和测试效率高，被测试材料种类广泛，所设计的试件能够实现中低速应变率下材料的压缩和拉伸动态力学性能测试。
附图说明
图1为本发明测试中低速应变率下材料动态压缩力学性能的装置和方法模型图。
图2为本发明测试中低速应变率下材料动态压缩力学性能的装置和方法示意图。
图3为本发明测试中低速应变率下材料动态拉伸力学性能的装置和方法模型图。
图4为本发明测试中低速应变率下材料动态拉伸力学性能的装置和方法示意图。
图中：1第一右固定板；2第一左活动板；3第二右固定板；4第二左活动板；5导轨；6上接触板；7下接触板；8第一传感器；9第一传感器外壳；10第二传感器；11第二传感器外壳；12试件；13传感器压头；14固定板；15上固定架；16上拉伸架；17第三导轨；18第二导轨；19下拉伸架；20下固定架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步阐述。
如图1所示，本发明的测试中低速应变率下材料压缩动态力学性能的装置主体，
一种中低速应变率材料动态压缩力学性能测试装置，所述的中低速应变率材料动态压缩力学性能测试系统包括冲击机构、机械机构、信号采集装置和图像采集装置；
所述的冲击机构包括落锤机和控制台；
所述的信号采集装置包括信号采集卡和信号显示装置；
所述的图像采集装置包括高速摄像机和光源；
所述的压缩机械机构包括第一右固定板1、第一左活动板2、第二右固定板3、第二左活动板4、导轨5、上接触板6、下接触板7、第一传感器8、第一传感器外壳9、第二传感器10、第二传感器外壳11、试件12、传感器压头13和固定板14；所述固定板14固定于落锤机的工作台上，固定板14上方安装第二传感器10，第二传感器10外部设置第二传感器外壳11，第二传感器10上方固定下接触板7，下接触板7的四角分别固定导轨5，导轨5穿过上接触板6，确保上接触板6沿导轨5上下运动；所述第一左活动板2和第一右固定板1相对平行的设置于下接触板7的上表面，其中，第一右固定板1固定于下接触板7上，第一左活动板2在试验时与第一右固定板1通过螺栓实现固定；第二左活动板4和第二右固定板3相对平行的设置于上接触板6的下表面，其中，第二右固定板3固定于上接触板6上，第二左活动板4在试验时与第二右固定板3通过螺栓实现固定，第二左活动板4和第二右固定板3的位置分别与第一左活动板2和第一右固定板1对应，从而实现对试件12的加紧；试件12的一侧安装高速摄像机和光源，用于捕获被测试试件12的高应变率变形和断裂行为；上接触板6上方依次固定第一传感器8和传感器压头13；第一传感器8的外部设置第一传感器外壳9；所述的传感器压头13上放置缓冲块；
所述的第一传感器8与第二传感器10与信号采集卡相连，信号采集卡与信号显示装置相连。
所述的第二传感器外壳11与第二传感器10的侧面外形间隙配合；第一传感器外壳9和第一传感器8的侧面外形间隙配合。所述的传感器压头13与第二传感器10的顶部外形间隙配合，便于放置大尺寸的缓冲块。
所述缓冲块的材料为聚氨酯。
所述试件12的被测试表面喷涂散斑，黑漆与白漆轮流喷涂，用于图像采集装置的追踪观察。
所述高速相机的最高采样频率不低于100000Hz，在采样频率达到100000Hz时拍摄的图像分辨率不低于256*256像素。
所述的传感器压头13与第一传感器8上部形状配合，将传感器压头13底部加工出一圈圆槽，与第一传感器8上部间隙配合，增大与冲击机构的接触面积；
所述的两个传感器外壳与传感器配合，传感器外壳下部打通孔(6个)，侧边开竖槽，留出传感器的通讯通路。
所述的上接触板6的顶部打螺纹孔(6个)，使第一传感器8、第一传感器8外壳9与上接触板6的顶部通过螺栓连接固定；上接触板6的底部开两个螺纹孔；上接触板6的四周开四个通孔，使得导轨5能够穿过，孔与导轨5滑动配合。
所述的两个右固定板的顶部打两个通孔，使之分别与两个接触板用两个螺栓进行螺栓连接。
所述的下接触板7的顶部中间开两个螺纹孔，用来固定第一右固定板1，下接触板7顶部四周开四个孔(非通孔)，将导轨5置于四个孔中，导轨5底部用螺钉嵌入固定。下接触板7顶部以中心为一周开六个孔，用于放置内六角螺钉。
所述的固定板14以中心为一周开六个螺纹孔，螺栓通过下接触板7、第二传感器10、第二传感器外壳11与固定板14连接；固定板14两侧开通孔(两个)，用于将其固定在落锤机机床上。
如图3所示，本发明的测试中低速应变率下材料动态拉伸力学性能的装置主体，
一种中低速应变率材料动态拉伸力学性能测试装置，所述的中低速应变率材料动态拉伸力学性能测试系统同样包括冲击机构、机械机构、信号采集装置和图像采集装置，其中只有机械机构与上述中低速应变率材料动态压缩力学性能测试装置不同；
所述的机械机构包括第一右固定板1、第一左活动板2、第二右固定板3、第二左活动板4、导轨5、上接触板6、下接触板7、第一传感器8、第一传感器外壳9、第二传感器10、第二传感器外壳11、试件12、上固定架15、下固定架20、第二导轨18、上拉伸架16、下拉伸架19、第三导轨17；即将材料动态压缩力学性能测试装置中的传感器压头13和固定板14去掉之后，在下拉伸架19的上端固定第二传感器10，第二传感器10外部设置第二传感器外壳11，上固定架15下方固定第一传感器8，将下固定架20固定于落锤机的工作台上，下固定架20的四角分别固定第二导轨18的下端，下拉伸架19的四角穿过第二导轨18，下拉伸架19与第三导轨17的下端固定，第三导轨17的上端穿过上固定架15与拉伸架16固定，第二导轨18的上端与上固定架15固定；上拉伸架16上放置缓冲块。
所述的拉伸架16的顶部四周开四个孔(通孔)，将导轨5置于四个孔中，导轨5底部用螺钉嵌入固定。
所述的上固定架15的顶部打通孔(6个)，使第一传感器8、第一传感器8外壳9与上固定架15通过螺栓连接固定；上固定架15的四周开四个通孔，使得第三导轨17能够穿过，孔与第三导轨17滑动配合；上固定架15与导轨5的相对位置处开四个螺纹孔；
所述的下拉伸架19打螺纹孔(6个)，使第二传感器10、第二传感器外壳11与下拉伸架19的顶部通过螺栓连接固定；下拉伸架19四周开四个通孔，使得第二导轨18能够穿过，孔与第二导轨18滑动配合；下拉伸架19与第三导轨17的相对位置处开四个通孔，将第三导轨17置于四个孔中，第三导轨17底部用螺钉嵌入固定。
所述的下固定架20与第二导轨18的相对位置处开四个通孔，将第二导轨18置于四个孔中，第二导轨18底部用螺钉嵌入固定；下固定架20左右两端开两个通孔，通过两个螺栓与机器固定。
一种中低速应变率材料动态压缩力学性能测试方法，步骤如下：
(1)搭建机械机构主体：
首先，将下接触板7与导轨5固连，将所述的上接触板沿导轨5下落放置；将第二右固定板3和第一右固定板1分别与上接触板6、下接触板7进行螺栓连接；将第二传感器外壳11套于第二传感器10上，螺栓通过下接触板7、第二传感器10与第二传感器外壳11与固定板14连接；将第一传感器外壳9套在第一传感器8上，螺栓通过第一传感器8、第一传感器外壳9与上接触板6连接；将传感器压头13套在第一传感器8上。
确保导轨5与试件12，导轨5与第一传感器8和第二传感器10的同轴度小于3μm；确保第一右固定板1、第一左活动板2与下接触板7，第二右固定板3、第二左活动板4与上接触板6，第一传感器8分别与传感器压头13和上接触板6，第二传感器11与下接触板7的平行度小于0.02mm，试样12上下两端平行度小于0.01mm；
确保上接触板6、下接触板7与导轨5的轴线垂直；
确保与上接触板6、下接触板7相接触的试样12两端面粗糙度Ra小于0.8μm，其他部件之间接触表面的粗糙度为3.2μm以下；
(2)搭建信号采集装置：将第一传感器8与第二传感器11与信号采集卡相连，信号采集卡与信号显示装置相连；
(3)在对试件12进行测试之前，对搭建的测试装置主体进行“空压”测试，即在不装载试件的情况下启动落锤机，当第一传感器8和第二传感器10采集出的数值一致，即可保证压力传输信号采集的准确性；
(4)加工试件12，试件12尺寸为63mm*19mm*1.6mm；在试件12上部下部打圆孔，在试件12被测试表面进行散斑喷涂，黑漆与白漆轮流喷涂，用于图像采集装置的追踪观察；
将螺栓通过第一右固定板1、试件12与第一左活动板2通过螺栓固定，第二右固定板3、试件12与第二左活动板4通过螺栓固定。测试材料动态力学性能时将高速摄像机镜头正对试件12被测试表面，同时调节光源使其照射于试件12被测试表面。
(5)搭建图像采集装置：将高速摄像机和光源设置于试件12的一侧；
(6)启动落锤机，落锤机的压头通过缓冲块作用于传感器压头13上，力传到上接触板6，上接触板6在导轨5上滑动，从而使试件12产生压缩；
(7)启动落锤机的同时开启高速摄像机，设置采样频率100000Hz使高速摄像机连续拍摄，光源正对经过油漆散斑喷涂后的试件12表面，当试件12承受压缩时，高速相机追踪拍摄试样表面的油漆粒子运动轨迹，通过粒子运动捕获被测试试样的高应变率变形和断裂行为得到应变-时间曲线；
(8)启动落锤机的同时开启第一传感器8和第二传感器10，进行输出信号的采集，当锤头与传感器压头13接触时，即可采集到两个传感器的力-时间曲线；
(9)当两个传感器的力-时间曲线一致时，说明放置的弹性块的厚度、材料种类合适，实验结果可用；
(10)对应变-时间曲线和力-时间曲线进行处理，即可得到试件的应力-应变曲线，从而获得试件12的压缩动态力学性能。
一种中低速应变率材料动态拉伸力学性能测试方法，步骤如下：
(1)搭建机械机构主体：
首先，将下接触板7与导轨5固连，将所述的上接触板沿导轨5下落放置；将第二右固定板3和第一右固定板1分别与上接触板6、下接触板7进行螺栓连接；将第二传感器外壳11套在第二传感器10上，螺栓通过第二传感器10、第二传感器外壳11与下拉伸架19连接；下固定架20固定于落锤机的工作台上，下固定架20的四角与第二导轨18的下端固连；下拉伸架19(以及其上的材料动态压缩力学性能机械装置)与第三导轨17的下端固定后通过四角的四个通孔穿过第二导轨18；上固定架15通过四角的四个通孔穿过第三导轨17，与第二导轨18的上端固定；螺栓通过上固定架15与第一传感器8以及第一传感器外壳9连接；上拉伸架16与第三导轨17的上端固定；上拉伸架16上放置缓冲块。
确保第二导轨18、第三导轨17分别与试件12，第二导轨18、第三导轨17分别与第一传感器8和第二传感器10的同轴度小于3μm；确保第一传感器8与上固定架15，第二传感器11与下拉伸架19的平行度小于0.02mm；
确保上拉伸架16、下拉伸架19与第三导轨17的轴线垂直，上固定架15、下固定架20与第二导轨18的轴线垂直；
(2)搭建信号采集装置：将第一传感器8与第二传感器11与信号采集卡相连，信号采集卡与信号显示装置相连；
(3)在对试件12进行测试之前，对搭建的测试装置主体进行“空压”测试，即在不装载试件的情况下启动落锤机，当第一传感器8和第二传感器10采集出的数值一致，即可保证压力传输信号采集的准确性；
(4)加工试件12，试件12尺寸为63mm*19mm*1.6mm；在试件12上部下部打圆孔，在试件12被测试表面进行散斑喷涂，黑漆与白漆轮流喷涂，用于图像采集装置的追踪观察；
将螺栓通过第一右固定板1、试件12与第一左活动板2通过螺栓固定，第二右固定板3、试件12与第二左活动板4通过螺栓固定。测试材料动态力学性能时将高速摄像机镜头正对试件12被测试表面，同时调节光源使其照射于试件12被测试表面。
(5)搭建图像采集装置：将高速摄像机和光源设置于试件12的一侧；
(6)启动落锤机，落锤机的压头通过缓冲块作用于上拉伸架16上，力传到下拉伸架19，上拉伸架16通过第三导轨17带动下拉伸架19向下滑动，下拉伸架19通过第二传感器10与下接触板7将试件向下拉伸，试件上端固定不动，因此试件12产生压缩。
(7)启动落锤机的同时开启高速摄像机，设置采样频率100000Hz使高速摄像机连续拍摄，光源正对经过油漆散斑喷涂后的试件12表面，当试件12承受压缩时，高速相机追踪拍摄试样表面的油漆粒子运动轨迹，通过粒子运动捕获被测试试样的高应变率变形和断裂行为得到应变-时间曲线；
(8)启动落锤机的同时开启第一传感器8和第二传感器10，进行输出信号的采集，当锤头与上拉伸架16接触时，即可采集到两个传感器的力-时间曲线；
(9)当两个传感器的力-时间曲线一致时，说明放置的弹性块的厚度、材料种类合适，实验结果可用；
(10)对应变-时间曲线和力-时间曲线进行处理，即可得到试件的应力-应变曲线，从而获得试件12的拉伸动态力学性能。
与已有材料力学性能测试方法相比，本发明的有益效果包括：
中低速应变率下材料动态力学性能的装置和方法：本发明能够实现应变率低于100/s以下的材料动态力学性能测试，获取材料中低速应变率加载时的力位移曲线变化规律、材料低应变率加载失效时的裂纹扩展轨迹、材料动态断裂应变等数据或信息。
压缩和拉伸条件下的材料变形行为测试：本发明可实现压缩加载下材料变形和断裂行为测试，是目前标准材料性能测试的重要延伸。
材料变形行为的实时测量和非接触测量：可以捕获材料低应变率变形和断裂过程中任意时刻的变形量和应力值，实现材料变形和断裂行为的实时非接触测量。
参照图1，将材料压缩加载下材料动态力学性能的测试装置搭建完成，并将试件置于右固定板、左活动板以及上下接触板之间，选择的试件材料为热塑性碳纤维。将高速相机和光源安装于工作位置。高速摄像机采样频率为100000Hz。测试完成后，对传感器信号进行处理，获得表示加载时间变化的试件变形过程加载力曲线，通过计算试件加载力与试件变形区区域横截面积的比值即可得到试件变形时的应力大小。
参照图3，将材料拉伸加载下材料动态力学性能的测试装置搭建完成，将高速相机和光源安装于工作位置。测试完成后，对传感器信号进行处理，获得表示加载时间变化的试件变形过程加载力曲线，即可得到试件变形时的应力大小。
对高速相机采集的试件动态变形图像进行处理，获得随拍摄时刻变化的试件的应变值。得到试件在所示加载条件下的断裂应变。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属技术领域技术人员应该明白，本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形扔在发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种中低速应变率材料动态压缩力学性能测试系统，其特征在于，所述的中低速应变率材料动态压缩力学性能测试系统包括冲击机构、压缩机械机构、信号采集装置和图像采集装置；
所述的冲击机构包括落锤机和控制台；
所述的信号采集装置包括信号采集卡和信号显示装置；
所述的图像采集装置包括高速摄像机和光源；
所述的压缩机械机构包括第一右固定板（1）、第一左活动板（2）、第二右固定板（3）、第二左活动板（4）、导轨（5）、上接触板（6）、下接触板（7）、第一传感器（8）、第一传感器外壳（9）、第二传感器（10）、第二传感器外壳（11）、试件（12）、传感器压头（13）和固定板（14）；所述固定板（14）固定于落锤机的工作台上，固定板（14）上方安装第二传感器（10），第二传感器（10）外部设置第二传感器外壳（11），第二传感器（10）上方固定下接触板（7），下接触板（7）的四角分别固定导轨（5），导轨（5）穿过上接触板（6），确保上接触板（6）沿导轨（5）上下运动；所述第一左活动板（2）和第一右固定板（1）相对平行的设置于下接触板（7）的上表面，其中，第一右固定板（1）固定于下接触板（7）上，第一左活动板（2）在试验时与第一右固定板（1）通过螺栓实现固定；第二左活动板（4）和第二右固定板（3）相对平行的设置于上接触板（6）的下表面，其中，第二右固定板（3）固定于上接触板（6）上，第二左活动板（4）在试验时与第二右固定板（3）通过螺栓实现固定，第二左活动板（4）和第二右固定板（3）的位置分别与第一左活动板（2）和第一右固定板（1）对应，从而实现对试件（12）的加紧；试件（12）的一侧安装高速摄像机和光源，用于捕获被测试试件（12）的高应变率变形和断裂行为；上接触板（6）上方依次固定第一传感器（8）和传感器压头（13）；第一传感器（8）的外部设置第一传感器外壳（9）；所述的传感器压头（13）上放置缓冲块；
所述的第一传感器（8）与第二传感器（10）与信号采集卡相连，信号采集卡与信号显示装置相连；
所述试件（12）的被测试表面喷涂散斑，黑漆与白漆轮流喷涂，用于图像采集装置的追踪观察。
2.根据权利要求1所述的一种中低速应变率材料动态压缩力学性能测试系统，其特征在于，所述缓冲块的材料为聚氨酯、丁腈橡胶或胶乳橡胶；所述高速摄像机的最高采样频率不低于100000Hz，在采样频率达到100000Hz时拍摄的图像分辨率不低于256*256像素。
3.根据权利要求1或2所述的一种中低速应变率材料动态压缩力学性能测试系统，其特征在于，所述的第二传感器外壳（11）与第二传感器（10）的侧面外形间隙配合；第一传感器外壳（9）和第一传感器（8）的侧面外形间隙配合；所述的传感器压头（13）与第二传感器（10）的顶部外形间隙配合，便于放置大尺寸的缓冲块。
4.一种权利要求1所述的中低速应变率材料动态压缩力学性能测试系统的测试方法，其特征在于，步骤如下：
（1）搭建压缩机械机构主体：
确保导轨（5）与试件（12），导轨（5）与第一传感器（8）和第二传感器（10）的同轴度小于3；确保第一右固定板（1）、第一左活动板（2）与下接触板（7），第二右固定板（3）、第二左活动板（4）与上接触板（6），第一传感器（8）分别与传感器压头（13）和上接触板（6），第二传感器（10）与下接触板（7）的平行度小于0.02mm，试件（12）上下两端平行度小于0.01mm；
确保上接触板（6）、下接触板（7）与导轨（5）的轴线垂直；
确保与上接触板（6）、下接触板（7）相接触的试件（12）两端面粗糙度小于0.8，其他部件之间接触表面的粗糙度为3.2以下；
（2）搭建信号采集装置：将第一传感器（8）与第二传感器（10）与信号采集卡相连，信号采集卡与信号显示装置相连；
（3）在对试件（12）进行测试之前，对搭建的机械机构主体进行“空压”测试，即在不装载试件（12）的情况下启动落锤机，当第一传感器（8）和第二传感器（10）采集出的数值一致，即可保证压力传输信号采集的准确性；
（4）加工试件（12），在试件（12）被测试表面进行散斑喷涂，黑漆与白漆轮流喷涂，用于图像采集装置的追踪观察；
（5）搭建图像采集装置：将高速摄像机和光源安装于试件（12）的一侧；
（6）由控制台启动落锤机，落锤机的压头通过缓冲块作用于传感器压头（13）上，力传到上接触板（6），上接触板（6）在导轨（5）上滑动，从而使试件（12）产生压缩；
（7）启动落锤机的同时开启高速摄像机，设置采样频率100000Hz使高速摄像机连续拍摄，光源正对经过油漆散斑喷涂后的试件（12）表面，当试件（12）承受压缩时，高速摄像机追踪拍摄试样表面的油漆粒子运动轨迹，通过粒子运动捕获被测试试件（12）的高应变率变形和断裂行为得到应变-时间曲线；
（8）启动落锤机的同时开启第一传感器（8）和第二传感器（10），进行输出信号的采集，当锤头与传感器压头（13）接触时，即可采集到两个传感器的力-时间曲线；
（9）当两个传感器的力-时间曲线一致时，说明放置的弹性块的厚度、材料种类合适，实验结果可用；
（10）对应变-时间曲线和力-时间曲线进行处理，即可得到试件的应力-应变曲线，从而获得试件（12）的压缩动态力学性能。
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