CN109297842A - 一种基于电磁力的高速撞击性能测试装置及方法 - Google Patents

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郑国�
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Abstract

本发明涉及一种基于电磁力的高速撞击性能测试装置及方法，基于电磁铆接技术，利用导向杆，冲击力测试传感器实现了复合材料、钛合金材料、铝合金材料等多种材料的高速撞击加载试验；本发明通过合理结构设计解决了现存撞击试验设备体积庞大的问题；本发明利用电磁力直接加载实现长脉宽撞击测试加载，放电电压控制最大等效冲击速度，放电电容控制冲击脉宽；本发明利用电磁力间接加载实现窄脉宽撞击测试加载，放电电压控制冲击速度，驱动头形状控制冲击脉宽。本发明利用电磁力加载，撞击速度高，安全性高，重复性高，撞击载荷幅值和脉宽精确控制。

Description

一种基于电磁力的高速撞击性能测试装置及方法
技术领域
本发明属于材料的撞击力学性能测试领域，具体涉及一种材料的高速撞击试验装置及方法。
背景技术
在很多情况下，材料受着撞击载荷的作用，例如飞鸟撞击、太空垃圾撞击、车祸撞击等。撞击载荷作用下，材料的力学性能响应与准静态加载下有很大不同，随着撞击速度的增加，材料通常表现出刚度上升、屈服应力增加、失效模式对应变率敏感等现象。为了满足材料撞击性能的设计和优化要求，准确有效的对材料撞击力学性能进行测试十分必要。
目前，材料撞击试验的常用加载方式包括重力加载(如落锤和摆锤试验)、空气炮加载(如鸟撞试验)、炸药爆炸加载(如炮弹穿甲试验)等。重力加载方法简单可靠，但撞击速度受高度限制，撞击速度较低，例如20m·s-1撞击速度要求加载设备的撞击头高度约为20米。实际中，车祸撞击速度可达45m·s-1以上，民用飞机鸟撞速度约250m·s-1，歼击机鸟撞速度可达600m·s-1以上，太空垃圾撞击速度甚至上千米每秒，这些情况下重力加载显然无法满足材料高速撞击力学测试要求。空气炮和炸药爆炸加载撞击速度较高，但加载重复性低，速度偏差大，不容易调整，且存在一定安全隐患。专利公开号为104776965A的中国发明专利公开了一种可调式撞击试验装置及方法，通过1号手拉葫芦调整摆锤并用滑钩将其固定在初始高度，2号手拉葫芦拉动滑钩释放摆锤，摆锤重力势能转换为动能撞击试件，改变摆锤的初始高度和更换不同质量的摆锤，可提供不同撞击速度和能量，但是该装置存在体积大、加载重复性差、难以实现高速加载等缺点。专利申请号为201710399113.7的中国专利公开了一种机械连接接头高速冲击试验装置及试验方法，可以用电磁力实现机械连接接头的剪切和拉脱试验，但是无法实现材料的撞击性能测试，更没有提出合理的撞击加载方法。
电磁撞击力加载设备具有可控性好、稳定性强、安全性高、加载重复性高、易实现高速加载、结构紧凑等优点。如果将电磁撞击力应用到材料撞击性能测试中，可解决撞击速度低、难以调整撞击速度、加载重复性低及稳定性差等诸多问题，有利于优化和提高撞击试验设备性能，为提高和优化材料撞击防护研究提供先进的测试手段，工程效益和经济效益明显。
发明内容
要解决的技术问题
为了解决材料高速撞击试验存在的测试设备体积庞大、高速撞击难以实现、撞击加载重复度低等问题，本发明提供了一种基于电磁力的高速撞击性能测试装置及方法。
技术方案
一种基于电磁力的高速撞击性能测试装置，其特征在于包括冲击力测量传感器、锥形头、感应线圈、放电线圈、导向杆、固定板、向杆挡块、支座、工作台、试件、放电电容、等效电阻和放电开关；冲击力测量传感器为冲击力专用力测量器，其半球形撞击头用于撞击试件；锥形头中心开螺纹孔，与冲击力测量传感器螺接；感应线圈为圆饼状紫铜板，中心开圆形通孔，产生感应磁场，与锥形头螺接构成驱动头；放电线圈为带中心圆孔的饼状线圈，产生强磁场，通过高强度螺栓紧固于工作台上，工作台两端设有两个支座；固定板螺接于工作台上，中心开圆形通孔；导向杆前端通过螺纹与锥形头连接，中间和末端为光杆，末端穿过固定板，与固定板的通孔间隙配合，由固定板支撑、导向，导向杆末梢带有导向杆挡块，防止锥形头、感应线圈、导向杆和冲击力测量传感器由于撞击力过大飞离工作台；试件由撞击试验专用夹具固定在冲击力测量传感器的一侧；放电电容、等效电阻和放电开关组成了放电线圈的放电回路RLC，当放电开关闭合后，放电电容在放电线圈瞬时放电。
一种采用基于电磁力的高速撞击性能测试装置实现的直接撞击加载方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将导向杆依次与固定板、放电线圈、感应线圈间隙配合，与锥形头螺栓连接，感应线圈与放电线圈贴合，导向杆挡块距离固定板为50mm；
步骤2：将试件由撞击试验专用夹具固定于冲击力测量传感器的撞击头一侧，并与锥形头紧密贴合；
步骤3：根据所需的电磁力脉宽选择放电电容的电容量：
其中：T为电磁力脉宽；L为放电回路等效电感值；C为放电电容的电容量；R为放电回路等效电阻的阻值；
步骤4：外电路对放电电容充电到特定电压；
步骤5：闭合放电开关，放电电容对放电线圈放电激发变化的强磁场，感应线圈感生涡流电场并产生电磁斥力，电磁斥力传入冲击力测量传感器的撞击头，最后对试件实施撞击加载，测得特定电压下力-时间函数F(t)，通过多次撞击加载找到加载电压值与所需撞击能的关系：
步骤6：根据试验所需撞击能大小，设置相对应的放电电压，对试件进行撞击，冲击力测量传感器测得力-位移数据；
步骤7：对冲击力测量传感器测得的力-位移数据进行处理，最终获得撞击载荷下试件力-位移响应曲线。
一种采用基于电磁力的高速撞击性能测试装置实现的间接撞击加载方法，其特征在于测试装置还包括测速装置，测速装置固定于锥形头一侧，用以测量锥形头实际速度；步骤如下：
步骤1：将导向杆依次与固定板、放电线圈、感应线圈间隙配合，与锥形头螺接；感应线圈与放电线圈贴合，导向杆挡块距离固定板为250mm；
步骤2：将试件由撞击试验专用夹具固定于冲击力测量传感器的撞击头一侧，试件距离冲击力测量传感器为200mm；
步骤3：根据所需冲击速度选择放电电压：
其中，V为撞击速度，m为感应线圈、锥形头和冲击力测量传感器的总质量，T为电磁力脉宽；
步骤4：外电路对放电电容充电至步骤2所设置的放电电压，闭合放电开关，放电电容对放电线圈放电，利用高速摄像机测量锥形头和感应线圈的实际速度，调整放电电压使实际速度与测量要求一致；
步骤5：放电电容充电到步骤4调整后的放电电压，闭合放电开关，放电电容对放电线圈放电，感应线圈与放电线圈产生电磁斥力，电磁斥力对感应线圈、导向杆、锥形头和冲击力测量传感器加速，感应线圈、导向杆、锥形头和冲击力测量传感器飞离放电线圈并高速撞击试件，冲击力测量传感器记录试件力-位移数据；
步骤6：对试件的力-位移数据进行处理，获得撞击载荷下撞击试件的力-位移响应曲线。
有益效果
本发明提出的一种基于电磁力的高速撞击性能测试装置及方法，本发明结构简单、体积较小，很好地解决了撞击设备体积庞大的问题；且利用电磁力加载，可控性高，有效解决撞击加载重复率低的问题。基于电磁铆接技术，利用导向杆，冲击力测试传感器实现了复合材料、钛合金材料、铝合金材料等多种材料的高速撞击加载试验；本发明通过合理结构设计解决了现存撞击试验设备体积庞大的问题；本发明利用电磁力直接加载实现长脉宽撞击测试加载，放电电压控制最大等效冲击速度，放电电容控制冲击脉宽；本发明利用电磁力间接加载实现窄脉宽撞击测试加载，放电电压控制冲击速度，驱动头形状控制冲击脉宽。本发明利用电磁力加载，撞击速度高，安全性高，重复性高，撞击载荷幅值和脉宽精确控制。
附图说明
图1为本发明直接加载时的主视图。
图2为本发明直接加载时的俯视图。
图3为本发明间接加载时的主视图。
图4为本发明电磁力峰值随电压变化关系图。
图5为本发明不同放电电容下电磁力-时间关系图。
图中：1-冲击力测量传感器，2-锥形头，3-感应线圈，4-放电线圈，5-导向杆，6-固定板，7-导向杆挡块，8-支座，9-工作台，10-试件，11-放电电容，12-等效电阻，13-放电开关，14-测速装置。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
参照图1所示，本发明包括冲击力测量传感器1、锥形头2、感应线圈3、放电线圈4、导向杆5、固定板6、向杆挡块7、支座8、工作台9、试件10、放电电容11、等效电阻12和放电开关13，冲击力测量传感器1为冲击力专用力测量器，其半球形撞击头用于撞击试件10；锥形头2中心开螺纹孔，与冲击力测量传感器1螺接；感应线圈3为圆饼状紫铜板，中心开圆形通孔，产生感应磁场，与锥形头2螺接构成驱动头；放电线圈4为带中心圆孔的饼状线圈，产生强磁场，通过高强度螺栓紧固于工作台9上；固定板6螺接于工作台9上，中心开圆形通孔；导向杆5前端通过螺纹与锥形头2连接，中间和末端为光杆，末端穿过固定板6，与固定板6的通孔间隙配合，由固定板6支撑、导向，导向杆5末梢带有导向杆挡块7，防止锥形头2、感应线圈3、导向杆5和冲击力测量传感器1由于撞击力过大飞离工作台6；试件10由撞击试验专用夹具固定在冲击力测量传感器1的一侧。放电回路RLC可实现放电线圈4的放电，简化为放电电容11、等效电阻12和放电开关13，当放电开关13闭合后，放电电容11在放电线圈4瞬时放电。
所述撞击方法包括直接加载接和间接加载。
直接加载方法下锥形头2、感应线圈3、放电线圈4相互紧密贴合，冲击力测量传感器1的半球形撞击头与试件10表面贴合，导向杆挡块7距离固定板650mm。直接加载方法利用电磁力直接对试件10实施撞击加载，放电电压控制最大等效撞击速度，放电电容控制冲击脉宽。由动量守恒定律：
可得：
其中：V等效为等效撞击速度，F(t)为冲击力测试传感器测得的力-时间函数，M为冲击力测量传感器、锥形头、感应线圈和导向杆的总质量。
将式(2)带入动能计算公式：
可以得到撞击能：
由于在同一台加载设备中，放电电容11、等效电阻12和放电线圈4一定，则电磁力的脉宽一定，设置特定加载电压便会得到特定力-时间函数，该力-时间函数对时间的积分即电磁力的冲量一定，由公式(4)即可求出特定加载电压下的撞击能，通过几组预试验，根据所得力-时间函数即可求得电压值与撞击能的对应关系。
直接加载方法下冲击脉宽与电磁力脉宽相同，其大小等于RLC放电回路半周期，计算公式为：
其中：T为电磁力脉宽；L为放电回路等效电感值；C为放电电容的电容量；R为放电回路等效电阻的阻值。
直接加载高速撞击加载试验具体实施步骤如下：
步骤一、安装导向杆5。导向杆依次与固定板6、放电线圈4、感应线圈3间隙配合，与锥形头2螺栓连接，感应线圈3与放电线圈4贴合，导向杆挡块7距离固定板650mm。
步骤二、安装撞击试件10。撞击试件10由撞击试验专用夹具固定于冲击力测量传感器1的撞击头一侧，并与撞击头紧密贴合。
步骤三、选择合适电容。由所需冲击力脉宽，根据公式(5)选择合适的电容。
步骤四、撞击测得加载电压与撞击能对应关系。闭合放电开关，放电电容11对放电线圈4放电激发变化的强磁场，感应线圈3感生涡流电场并产生电磁斥力，电磁斥力传入冲击力测量传感器1的撞击头，最后对试件10实施撞击加载，测得特定电压下力-时间函数，通过多次撞击加载找到加载电压值与所需撞击能的关系。
步骤五、撞击加载。根据试验所需撞击能大小，设置合理的放电电压，重复步骤二到步骤五，对试件进行撞击加载试验。
步骤六、数据处理。对冲击力测量传感器测得的力-位移信息进行分析处理，最终获得撞击载荷下试件力-位移响应曲线。
间接加载利用电磁力对感应线圈3、锥形头2和冲击力测量传感器1加速，放电电压控制撞击速度，冲击力测量传感器1获得较高速度后撞击试件10，完成对试件10的撞击加载。其中电磁力时间函数满足公式：
式中，F(t)为冲击力-时间函数，K为RLC放电回路常数，U0为放电电压，T为电磁力脉宽。
将公式(6)代入公式(1)并积分可得撞击速度与放电电压关系式：
式中，V为撞击速度，m为感应线圈、锥形头和冲击力测量传感器的总质量。
利用式(7)对撞击速度进行初步预测，试验时利用测速装置14测量实际撞击速度，最后通过调整电压使实际速度与试验要求速度一致。间接加载撞击试验具体步骤如下：
步骤一、安装导向杆5。导向杆5依次与固定板6、放电线圈4、感应线圈3间隙配合，与锥形头2螺接。感应线圈3与放电线圈4贴合，导向杆挡块7距离固定板6250mm。
步骤二、安装试件10。撞击试件10由撞击试验专用夹具固定于冲击力测量传感器1的撞击头一侧，试件10距离冲击力测量传感器200mm。
步骤三、设置放电参数。根据所需冲击冲击速度，利用公式(7)对放电电压初步预测，外电路对放电电容11充电，闭合开关，放电电容11对放电线圈4放电，利用测速装置14测量锥形头2和感应线圈3的实际速度，根据测速装置14的测量结果调整放电电压使实际速度与测量要求一致。
步骤四、实施撞击。放电电容11充电到步骤三所得电压，闭合放电开关13，放电电容11对放电线圈4放电，感应线圈3与放电线圈4产生电磁斥力，电磁斥力对感应线圈3、导向杆5、锥形头2和冲击力测量传感器1加速，感应线圈3、导向杆5、锥形头2和冲击力测量传感器1飞离放电线圈3并高速撞击试件10，冲击力测量传感器1记录撞击试件10力-位移信息；
步骤五、数据处理。对试件力-位移信息进行处理，获得撞击载荷下撞击试件10的力-位移响应曲线。

Claims (3)

1.一种基于电磁力的高速撞击性能测试装置，其特征在于包括冲击力测量传感器(1)、锥形头(2)、感应线圈(3)、放电线圈(4)、导向杆(5)、固定板(6)、向杆挡块(7)、支座(8)、工作台(9)、试件(10)、放电电容(11)、等效电阻(12)和放电开关(13)；冲击力测量传感器(1)为冲击力专用力测量器，其半球形撞击头用于撞击试件(10)；锥形头(2)中心开螺纹孔，与冲击力测量传感器(1)螺接；感应线圈(3)为圆饼状紫铜板，中心开圆形通孔，产生感应磁场，与锥形头(2)螺接构成驱动头；放电线圈(4)为带中心圆孔的饼状线圈，产生强磁场，通过高强度螺栓紧固于工作台(9)上，工作台(9)两端设有两个支座(8)；固定板(6)螺接于工作台(9)上，中心开圆形通孔；导向杆(5)前端通过螺纹与锥形头(2)连接，中间和末端为光杆，末端穿过固定板(6)，与固定板(6)的通孔间隙配合，由固定板(6)支撑、导向，导向杆(5)末梢带有导向杆挡块(7)，防止锥形头(2)、感应线圈(3)、导向杆(5)和冲击力测量传感器(1)由于撞击力过大飞离工作台(6)；试件(10)由撞击试验专用夹具固定在冲击力测量传感器(1)的一侧；放电电容(11)、等效电阻(12)和放电开关(13)组成了放电线圈(4)的放电回路RLC，当放电开关(13)闭合后，放电电容(11)在放电线圈(4)瞬时放电。
2.一种采用权利要求1所述的基于电磁力的高速撞击性能测试装置实现的直接撞击加载方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将导向杆(5)依次与固定板(6)、放电线圈(4)、感应线圈(3)间隙配合，与锥形头(2)螺栓连接，感应线圈(3)与放电线圈(4)贴合，导向杆挡块(7)距离固定板(6)为50mm；
步骤2：将试件(10)由撞击试验专用夹具固定于冲击力测量传感器(1)的撞击头一侧，并与锥形头(2)紧密贴合；
步骤3：根据所需的电磁力脉宽选择放电电容的电容量：
其中：T为电磁力脉宽；L为放电回路等效电感值；C为放电电容的电容量；R为放电回路等效电阻的阻值；
步骤4：外电路对放电电容(11)充电到特定电压；
步骤5：闭合放电开关(13)，放电电容(11)对放电线圈(4)放电激发变化的强磁场，感应线圈(3)感生涡流电场并产生电磁斥力，电磁斥力传入冲击力测量传感器(1)的撞击头，最后对试件(10)实施撞击加载，测得特定电压下力-时间函数F(t)，通过多次撞击加载找到加载电压值与所需撞击能的关系：
步骤6：根据试验所需撞击能大小，设置相对应的放电电压，对试件(10)进行撞击，冲击力测量传感器(1)测得力-位移数据；
步骤7：对冲击力测量传感器测得的力-位移数据进行处理，最终获得撞击载荷下试件力-位移响应曲线。
3.一种采用权利要求1所述的基于电磁力的高速撞击性能测试装置实现的间接撞击加载方法，其特征在于测试装置还包括测速装置(14)，测速装置(14)固定于锥形头(2)一侧，用以测量锥形头(2)实际速度；步骤如下：
步骤1：将导向杆(5)依次与固定板(6)、放电线圈(4)、感应线圈(3)间隙配合，与锥形头(2)螺接；感应线圈(3)与放电线圈(4)贴合，导向杆挡块(7)距离固定板(6)为250mm；
步骤2：将试件(10)由撞击试验专用夹具固定于冲击力测量传感器(1)的撞击头一侧，试件(10)距离冲击力测量传感器(1)为200mm；
步骤3：根据所需冲击速度选择放电电压：
其中，V为撞击速度，m为感应线圈、锥形头和冲击力测量传感器的总质量，T为电磁力脉宽；
步骤4：外电路对放电电容(11)充电至步骤2所设置的放电电压，闭合放电开关(13)，放电电容(11)对放电线圈(4)放电，利用高速摄像机(14)测量锥形头(2)和感应线圈(3)的实际速度，调整放电电压使实际速度与测量要求一致；
步骤5：放电电容(11)充电到步骤4调整后的放电电压，闭合放电开关(13)，放电电容(11)对放电线圈(4)放电，感应线圈(3)与放电线圈(4)产生电磁斥力，电磁斥力对感应线圈(3)、导向杆(5)、锥形头(2)和冲击力测量传感器(1)加速，感应线圈(3)、导向杆(5)、锥形头(2)和冲击力测量传感器(1)飞离放电线圈(3)并高速撞击试件(10)，冲击力测量传感器(1)记录试件(10)力-位移数据；
步骤6：对试件(10)的力-位移数据进行处理，获得撞击载荷下撞击试件(10)的力-位移响应曲线。
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