CN110864864B - 一种可原位观测撞击变形和撞击力测量的实验装置和试验方法 - Google Patents

一种可原位观测撞击变形和撞击力测量的实验装置和试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可原位观测撞击变形和撞击力测量的实验装置和试验方法，实验装置包含四个子系统：支架系统、释放系统、力测量系统、原位观测系统。通过释放系统将撞击物释放，撞击到力测量系统的固壁上，力传感器记录下撞击力，高速摄像记录下撞击物撞击位置的变形过程，从而得到结构物撞击固壁时的动态力学性能。

Description

一种可原位观测撞击变形和撞击力测量的实验装置和试验 方法
技术领域
本发明涉及一种可原位观测撞击变形和撞击力测量的实验装置和试验方法，具体涉及在结构物撞击固壁时的动态力学行为的实验装置和试验方法。
背景技术
作为冲击加载的一种常见类型，撞击指的是一个具有质量的物体或结构以某一速度撞击到另一个物体的加载行为，器具有非常复杂的力学和物理现象。事实上，由于撞击物和被撞击的遮挡，导致撞击点的变形过程无法被观测到，使得分析撞击过程的力学和物理现象变得更加困难，因此对结构撞击行为的研究就显得尤其重要。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种可原位观测撞击变形和撞击力测量的实验装置和试验方法，通过同步记录撞击力大小和原位观测撞击位置变形过程，可以将试件变形阶段和撞击力大小一一对应，从而得到结构物以不同撞击能量撞击固壁时的动态行为。
本发明技术解决方案：一种可原位观测撞击变形和撞击力测量的实验装置，包含支架系统、释放系统、力测量系统、原位观测系统；
所述支架系统包括底盘、支架、导轨、沿导轨滑动的质量块、沿导轨滑动的质量框架；支架和底盘通过螺纹连接，导轨固定在支架上；
所述释放系统，包括硅胶吸盘、真空发生器、电磁阀和空气泵；所述的硅胶吸盘、真空发生器、电磁阀和空气泵通过气管连接；所述硅胶吸盘通过螺纹连接在质量块上，所述质量块可以沿着导轨滑动；
所述力测量系统，包括特制的力传感器、电荷放大器和示波器；所述的特制的力传感器是由两块透明的钢化玻璃和四个传感器组成的三明治结构，四个传感器和钢化玻璃通过螺钉连接；力传感器、电荷放大器和示波器通过专用导线连接；特制的力传感器通过螺纹连接固定在质量框架上，所述的质量框架可以沿着导轨滑动；
所述的原位观测系统记录试件撞击固壁时，试件撞击位置的变形过程，它由镜子、摄像机和电脑组成，摄像机和电脑连接。
所述镜子与水平面呈45°角，使得水平放置的高速摄像观测试件撞击在固壁上的变形过程。
本发明的一种原位观测撞击变形和撞击力测量的试验方法，包括以下步骤：
(1)将试件放置在硅胶吸盘下方，接通电磁阀开关，在硅胶吸盘内形成真空，从而使得试件被吸附住；
(2)提升固定硅胶吸盘的质量块至指定高度，最大高度由导轨长度限定；
(3)检查力传感器与示波器连接是否正常；
(4)检查高速摄像机和电脑连接是否正常；
(5)断开电磁阀开关，试件以一定高度自由落体撞击在传感器上方的钢化玻璃上，在断开电磁阀开关的同时，触发示波器和高速摄像机开始记录，当试件撞击在固壁上后，示波器将记录下撞击力的大小，高速摄像机将记录下试件撞击固壁时的变形过程；
(6)导出示波器数据和高速摄像数据，更换试件；
(7)调节固定硅胶吸盘的质量块高度，重复上述步骤，得到试件以不同撞击能量撞击固壁时的撞击力大小以及变形过程，从而确定件撞击在固壁上的动态力学行为。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明可以同步记录撞击力和撞击位置变形过程，从而可以将试件撞击固壁时的撞击力大小和变形模式一一对应起来，有助于分析撞击过程的力学和物理现象。这主要是由于本发明中特制的力传感器是由两块透明的钢化玻璃和四个传感器组成的三明治结构，传感器可以测量撞击力，而透明的钢化玻璃可以观测试件撞击位置的变形过程。在进一步利用一个与水平面呈45°角的镜子，使得水平放置的摄像机就可以记录竖直方向的碰撞现象。
附图说明
图1为本发明的示意图；
图2为本发明的结构组成框图；
图3为本发明中特制传感器示意图，其中图a为正视图，图b为俯视图；
图4为本发明中水平放置摄像机记录竖直方向的变形示意图。
图中：底盘1、支架2、导轨3、质量块4、质量框架5、硅胶吸盘6、气管7、真空发生器8、电磁阀9、空气泵10、力传感器11、导线12、电荷放大器13、示波器14、镜子15、摄像机16、电脑17、四个传感器18、钢化玻璃上19、钢化玻璃下20。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例：
如图1、2所示，本发明的一种可原位观测撞击变形和撞击力测量的实验装置，包含支架系统、释放系统、力测量系统、原位观测系统，
支架系统包含底盘1、支架2、导轨3、质量块4、质量框架5，支架2和底盘1通过螺纹连接，导轨3通过螺纹固定在支架2上，质量快4和质量框架5都可以沿着导轨3滑动，从而调节它们的高度。
释放系统由气管7将硅胶吸盘6、真空发生器8、电磁阀9和空气泵10连接在一起；所述的硅胶吸盘6通过螺纹连接在质量块4上，所述质量块4可以沿着导轨3滑动，从而调节硅胶吸盘6的释放高度。
力测量系统包含特制的力传感器11、电荷放大器13、示波器14，由导线12连接在一起；所述的特制的力传感器11通过螺纹连接固定在质量框架5上，所述的质量框架5可以沿着导轨3滑动。
如图3所示，力传感器是由透明的钢化玻璃上19、钢化玻璃下20和四个传感器18组成的三明治结构，他们通过螺纹连接而成。在使用时，钢化玻璃下20与质量框架5通过螺纹固定，当试件撞击在钢化玻璃上19时，四个传感器18串联后通过与电荷放大器13、示波器14相连，即可以测量试件撞击在钢化玻璃上19的撞击力大小，而透明的钢化玻璃可以观测试件撞击位置的变形过程。
原位观测系统是由镜子15、摄像机16、电脑17组成，摄像机16和电脑17由专用连接线连接；镜子与水平面呈45°的角度，使得水平放置的摄像机16可以观测试件撞击在固壁上的变形过程。
如图4所示，利用一个与底盘1呈45°角的镜子15，使得水平放置的摄像机16就可以记录竖直方向的试件变形过程，同时可以通过调节镜子15与底盘1的夹角，从而调节摄像机16的观测视野，便于摄像机16位置的布置。
下面详细说明本发明原位观测撞击变形和撞击力测量的试验方法
(1)将试件放置在硅胶吸盘6下方，接通电磁阀9开关，在硅胶吸盘6内形成真空，从而使得试件被吸附住；
(2)提升固定硅胶吸盘6的质量块4至指定高度(最大指定高度由导轨长度限定)；
(3)检查力传感器11与示波器14连接是否正常；
(4)检查摄像机16和电脑17连接是否正常；
(5)断开电磁阀9开关，试件以自由落体撞击在力传感器11上方的钢化玻璃上，在断开电磁阀9开关的同时，触发示波器14和摄像机16开始记录，当试件撞击在固壁上后，示波器14将记录下撞击力的大小，摄像机16将记录下试件撞击固壁时的变形过程；
(6)导出示波器14数据和摄像机16数据，力传感器11记录撞击力大小随时间的变化，摄像机16可以记录试件撞击在固壁上撞击位置的变形模式随时间的变化，将两者时间一一对应，即可以将试件撞击固壁时的撞击力大小和变形模式一一对应起来，有助于分析撞击过程的力学和物理现象；更换试件；
(7)调节固定硅胶吸盘6的质量块4高度，重复上述步骤，可研究试件以不同撞击能量撞击固壁时的撞击力大小以及变形过程，从而得到试件撞击在固壁上的动态力学行为。

Claims (2)

1.一种可原位观测撞击变形和撞击力测量的实验装置，其特征在于，能够实现同步记录撞击力大小和原位观测撞击位置变形过程，将试件撞击力大小和变形模式一一对应，得到试件以不同撞击能量撞击固壁时的动态行为；所述装置包括：支架系统、释放系统、力测量系统、原位观测系统；
所述支架系统，包括：底盘、支架、导轨、沿导轨滑动的质量块、沿导轨滑动的质量框架；支架和底盘通过螺纹连接，导轨固定在支架上；
所述释放系统，包括：硅胶吸盘、真空发生器、电磁阀和空气泵；所述硅胶吸盘、真空发生器、电磁阀和空气泵通过气管连接；所述硅胶吸盘通过螺纹连接在质量块上，质量块沿着导轨滑动；
所述力测量系统，包括：特制的力传感器、电荷放大器和示波器；所述特制的力传感器由透明的二块钢化玻璃和四个传感器组成的三明治结构，传感器测量撞击力，通过透明的钢化玻璃观测试件撞击位置的变形过程，四个传感器和二块钢化玻璃通过螺钉连接；特制的力传感器、电荷放大器和示波器通过专用导线连接；特制的力传感器通过螺纹连接固定在质量框架上，质量框架沿着导轨滑动；
所述原位观测系统，记录试件撞击固壁时，试件撞击位置的变形过程，它由镜子、高速摄像机和电脑组成，高速摄像机和电脑连接；
所述原位观测系统中，镜子与水平面呈45°角，使得水平放置的高速摄像机观测试件撞击在固壁上的变形过程。
2.一种如权利要求1所述装置的原位观测撞击变形和撞击力测量的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将试件放置在硅胶吸盘下方，接通电磁阀开关，在硅胶吸盘内形成真空，使得试件被吸附住；
（2）提升固定硅胶吸盘的质量块至指定高度，最大高度由导轨长度限定；
（3）检查力传感器与示波器连接是否正常；检查高速摄像机和电脑连接是否正常；
（4）断开电磁阀开关，试件以一定高度自由落体撞击在传感器上方的钢化玻璃上，在断开电磁阀开关的同时，触发示波器和高速摄像机开始记录，当试件撞击在固壁上后，示波器将记录下撞击力的大小，高速摄像机将记录下试件撞击固壁时的变形过程；
（5）导出示波器数据和高速摄像机数据，更换试件；
（6）调节固定硅胶吸盘的质量块高度，重复步骤（1）-（5），得到试件以不同撞击能量撞击固壁时的撞击力大小以及变形过程，确定试件撞击在固壁上的动态力学行为。
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