CN111707566A - 研究冲击载荷下结构动态响应的实验系统及应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及力学实验领域，具体是研究冲击载荷下结构动态响应的实验系统及应用方法。研究冲击载荷下结构动态响应的实验系统，包括落锤冲击实验台、力信号采集模块和图像采集模块，力信号采集模块中应变片、桥盒、应变仪、示波器依次电连接，力传感器安装在落锤锤头上，信号经电荷放大器放大后，传输至示波器；图像采集模块包括聚光灯、平面反光镜、高速摄像机和电脑，在试样正下方放置平面反光镜，聚光灯为其提供亮度，高速摄像机位于平面反光镜正前方，高速摄像机连接电脑。该系统使落锤冲击实验过程中的数据更加丰富完整，也使人们对夹层玻璃和复合材料夹芯结构破裂机理的理解更加透彻。
Description
技术领域
本发明涉及力学实验领域，具体是研究冲击载荷下结构动态响应的实验系统及应用方法。
背景技术
在力学实验领域，当进行落锤冲击实验时，锤头以一定的初速度冲击到试样表面，此时锤头的机械能转化为冲击能和内能，试样会吸收一部分冲击能产生裂纹或者形变，而剩余的冲击能则反弹给锤头，而且在锤头接触试样表面的瞬间会产生压缩应力波，压缩波在冲击面反射为压缩波，而在被冲击面反射为拉伸波，整个过程的机理比较复杂，所以单一的实验方法已不能全面反应落锤冲击实验的真实过程，而且当冲击试样为夹层玻璃时，由于上、下层玻璃都碎裂而导致裂纹交叉重叠，无法清楚观察到各自裂纹的整体形貌，所以这些都是在实验中亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供研究冲击载荷下结构动态响应的实验系统及应用方法，该系统通过采集力信号、图像信号来记录试样动态变化过程，并使用对比显色法观察夹层玻璃的裂纹，既可以监测冲击过程中冲击力、冲击速度、能量和应变随时间、位移的变化规律，又可以记录夹层玻璃裂纹的扩展演化过程以及复合材料夹芯结构的形变过程。
为解决现有技术问题，本发明公开了研究冲击载荷下结构动态响应的实验系统，包括落锤冲击实验台、力信号采集模块和图像采集模块，
所述落锤冲击实验台包括落锤、支撑台和夹具，所述支撑台支撑落锤、固定夹具，所述夹具夹持试样；
所述力信号采集模块包括应变片、桥盒、应变仪、力传感器、电荷放大器、示波器，所述应变片和桥盒电连接，桥盒和应变仪电连接，所述应变仪和示波器电连接；所述应变片粘贴在试样表面，当试样受力发生应变变化时，应变片发生形变从而使阻值发生变化，该变化经桥盒传递给应变仪，应变仪将电阻的变化转换为电压信号，并对该信号进行放大、低通滤波处理后传递给示波器，示波器将电信号转换为可视曲线，并实时保存应变数据；
所述力传感器安装在落锤锤头上，当锤头与试样发生相互作用时，力传感器将力信号转换为电信号，该信号传输给电荷放大器，电荷放大器对该信号进行不失真放大后传递给示波器，示波器对力信号数据处理后进行保存；
力信号采集模块采集的数据以电压-时间的形式储存在示波器中，最后利用公式经过换算，可转换为冲击力、冲击速度、能量和应变随时间、位移的变化规律；
所述图像采集模块包括聚光灯、平面反光镜、高速摄像机和电脑，在试样正下方与地面呈45°角的方向，放置一平面反光镜；在平面反光镜左、右前方各设置一个聚光灯，聚光灯的光线平行于地面并以45°的入射角照射到平面反光镜上，所述高速摄像机设置在聚光灯的正前方，高速摄像机可以拍摄到试样的图像；所述高速摄像机电连接电脑，可以通过电脑查看并保存高速摄像机拍摄的图像。
优选的，所述聚光灯的高度低于平面反光镜的高度，聚光灯本体不在平面反光镜的反射范围内。
优选的，所述落锤的冲击点、试样的正中心和平面反光镜中央，三者位于同一竖直线上。
优选的，所述高速摄像机的镜头位置和平面反光镜的中央位于同一水平线上。
一种研究冲击载荷下结构动态响应的实验系统的应用方法，具体步骤为：
(1)把应变片粘贴在试样表面后，将试样夹持在夹具之间，为避免出现应力集中或划伤试样表面的情况，可以在试样与夹具的直接接触位置垫附橡胶垫，然后调整夹具的位置，使得锤头的冲击点可以正好落在试样正中心，最后紧固夹具；
连接好各部分仪器，使应变片电连接桥盒，桥盒电连接应变仪，应变仪电连接示波器，同时将锤头底部的力传感器电连接电荷放大器，电荷放大器电连接示波器，示波器选择下降沿触发且触发方式为力触发；
(2)开启高速摄像机，打开聚光灯光源，在样品中心正下方与地面成45°方向放置平面反光镜，调整高速摄像机的高度，使高速摄像机的镜头位置和平面反光镜的中心位于同一水平线上，则试样的实时动态可以反射进高速摄像机镜头，调节镜头焦距，使得电脑中的画面清晰明亮；
(3)将示波器和高速摄像机设置为待触发状态，释放落锤，当落锤冲击到试样表面发出“砰”的一声时，快速按下高速摄像机的触发按钮，力信号实验数据存入示波器，而试样的裂纹演化过程或结构整体的形变过程记录在电脑中；
(4)若冲击试样为夹层玻璃，将冲击完成后的夹层玻璃从夹具取下，把黑色染料倒在上层玻璃板上，接着使用细毛刷将黑色染料涂抹均匀，使得染料能够渗入裂缝，一分钟后用蘸有汽油的无絮棉擦拭玻璃表面，以此去除残留在玻璃表面且未渗入裂缝的染料，待黑色染料干后可以明显看到上层玻璃板的裂纹形态；而对于下层玻璃板，使用与上层玻璃板同样的处理方法，但是需将黑色染料换成白色染料，使用色差较大的黑、白两色染料，可增加上、下层玻璃裂纹的对比度。
优选的，所述高速摄像机的触发需人工配合，但高速摄像机经过设置，可记录触发前后各0.8秒的图像数据。
本发明的有益效果在于：该系统对传统的落锤冲击实验进行改进，分别对落锤冲击过程中的冲击力、应变数据以及试样的裂纹扩展、形变过程进行实时动态显示。实验系统中的力信号采集模块和图像采集模块相辅相成，既可以监测冲击过程中冲击力、冲击速度、能量和应变随时间、位移的变化规律，又可以记录夹层玻璃裂纹的扩展演化过程以及复合材料夹芯结构的形变过程，而且在实验结束后可以使用对比显色法观察上、下层玻璃板的裂纹模式，该实验系统对于研究冲击载荷下夹层玻璃、复合材料夹芯结构的动态响应具有重要意义。力信号采集模块和图像采集模块互为补充，使实验数据更加丰富完整，也使人们对夹层玻璃和复合材料夹芯结构破裂机理的理解更加透彻。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
附图标记：
1、落锤冲击实验台；11、落锤；12、支撑台；13、夹具；2、力信号采集模块；21、应变片；22、桥盒；23、应变仪；24、力传感器；25、电荷放大器；26、示波器；3、图像采集模块；31、聚光灯；32、平面反光镜；33、高速摄像机；34、电脑；4、试样。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的结构。
一种研究冲击载荷下结构动态响应的实验系统，包括落锤冲击实验台1、力信号采集模块2和图像采集模块3；
所述落锤冲击实验台1包括落锤11、支撑台12和夹具13，所述支撑台12支撑落锤11、固定夹具13，所述夹具13夹持试样4；
所述力信号采集模块2包括应变片21、桥盒22、应变仪23、力传感器24、电荷放大器25、示波器26，所述应变片21和桥盒22电连接，桥盒22和应变仪23电连接，所述应变仪23和示波器26电连接；所述应变片21粘贴在试样4表面，当试样4受力发生应变变化时，应变片21发生形变从而使阻值变化，该变化经桥盒22传递给应变仪23，应变仪23将电阻的变化转换为电压信号，并对该信号进行放大、低通滤波处理后传递给示波器26，示波器26将电信号转换为可视曲线，并实时保存应变数据；
所述力传感器24安装在落锤11锤头上，当锤头与试样4发生相互作用时，力传感器24将力信号转换为电信号，该信号传输给电荷放大器25，电荷放大器25对该信号进行不失真放大后传递给示波器26，示波器26对力信号数据处理后进行保存；
力信号采集模块2采集的数据以电压-时间的形式储存在示波器26中，最后利用公式经过换算，可转换为冲击力、冲击速度、能量和应变随时间、位移的变化规律；
所述图像采集模块3包括聚光灯31、平面反光镜32、高速摄像机33和电脑34，在试样4正下方与地面呈45°角的方向，放置一平面反光镜32；在平面反光镜32左、右前方各设置一聚光灯31，聚光灯31的光线平行于地面并以45°的入射角照射到平面反光镜32上，所述高速摄像机33设置在聚光灯31的前方，高速摄像机33可以拍摄到试样4的图像；所述高速摄像机33电连接电脑34，可以通过电脑34查看并保存高速摄像机33拍摄的图像。
聚光灯31的高度低于平面反光镜32的高度，聚光灯31本体不在平面反光镜32的反射范围内，而落锤11的冲击点、试样4的正中心和平面反光镜32中央，三者位于同一竖直线上。为了有更好的拍摄效果，高速摄像机33的镜头位置和平面反光镜32的中央位于同一水平线上。
一种研究冲击载荷下结构动态响应的实验系统的应用方法，具体步骤为：
(1)把应变片21粘贴在试样4表面后，将试样4夹持在夹具13之间，为避免出现应力集中或划伤试样4表面的情况，可以在试样4与夹具13的直接接触位置垫附橡胶垫，然后调整夹具13的位置，使得锤头的冲击点可以正好落在试样4正中心，最后紧固夹具13；
连接好各部分仪器，使应变片21电连接桥盒22，桥盒22电连接应变仪23，应变仪23电连接示波器26，同时将锤头底部的力传感器24电连接电荷放大器25，电荷放大器25电连接示波器26，示波器26选择下降沿触发且触发方式为力触发；
(2)开启高速摄像机33，打开聚光灯31光源，在样品中心正下方与地面成45°方向放置平面反光镜32，调整高速摄像机33的高度，使高速摄像机的镜头位置和平面反光镜32的中心位于同一水平线上，则试样4的实时动态可以反射进高速摄像机33镜头，调节镜头焦距，使得电脑34中的画面清晰明亮；
(3)将示波器26和高速摄像机33设置为待触发状态。释放落锤11，当落锤11冲击到试样4表面发出“砰”的一声时，快速按下高速摄像机33的触发按钮，力信号实验数据存入示波器26，而试样4的裂纹演化过程或结构整体的形变过程记录在电脑34中；
(4)若冲击试样4为夹层玻璃，将冲击完成后的夹层玻璃从夹具13取下，把黑色染料倒在上层玻璃板上，接着使用细毛刷将黑色染料涂抹均匀，使得染料能够渗入裂缝，一分钟后用蘸有汽油的无絮棉擦拭玻璃表面，以此去除残留在玻璃表面且未渗入裂缝的染料，待黑色染料干后可以明显看到上层玻璃板的裂纹形态；而对于下层玻璃板，使用与上层玻璃板同样的处理方法，但是需将黑色染料换成白色染料。使用色差较大的黑、白两色染料，可增加上、下层玻璃裂纹的对比度。
高速摄像机的触发需人工配合，但高速摄像机经过设置，可记录触发前后各0.8秒的图像数据。因此，在听到冲击声音之后，再对摄像机进行触发，并不会错过拍摄时机。
本发明的使用方法为：
1、把应变片21粘贴在试样4表面后，将试样4夹持在夹具13的两块钢板之间，为避免出现应力集中或划伤试样4表面的情况，试样4与夹具13的直接接触位置均垫橡胶垫，然后调整夹具13的位置，使得锤头的冲击点可以正好落在试样4正中心，最后紧固夹具13。
2、如说明书附图所示，连接好各部分仪器，开启电荷放大器25、应变仪23、示波器26，根据实验需求，调节应变仪23的增益为1000、量程为20V，注意要避免出现过载的情况；示波器26选择下降沿触发且触发方式为力触发，最后根据实际经验或者仿真模拟结果调节示波器26横坐标轴的单位长度为5ms、纵坐标轴的单位长度为200mV。
3、开启高速摄像机33，打开聚光灯31光源，在样品中心正下方与地面成45°方向放置一块平面反光镜32，使试样4的实时动态可以反射进高速摄像机33镜头，设置高速摄像机33的帧数为17500，调节镜头焦距，使得电脑34中的画面清晰明亮。
4、将示波器26和高速摄像机33设置为待触发状态。释放落锤11，当落锤11冲击到试样4表面发出“砰”的一声时，快速按下高速摄像机33的触发按钮，力信号实验数据存入示波器26，而试样4的裂纹演化过程或整体结构的变形过程记录在电脑34中。该步骤也可以将高速摄像机33设置为声控触发模式，当发出声音时，高速摄像机33开启摄像模式。
5、冲击过程结束后，当试样4为夹层玻璃时，可使用对比显色法来观察夹层玻璃上、下玻璃板的裂纹形态。具体做法为：将冲击完成后的夹层玻璃从夹具13取下，把黑色染料倒在上层玻璃板上，接着使用细毛刷将黑色染料涂抹均匀，使得染料能够渗入裂缝，一分钟后用蘸有汽油的无絮棉擦拭玻璃表面，以此去除残留在玻璃表面且未渗入裂缝的染料，待黑色染料干后可以明显看到上层玻璃板的裂纹形态；而对于下层玻璃板，使用与上层玻璃板同样的处理方法，但是需将黑色染料换成白色染料。使用色差较大的黑、白两色染料，可增加上、下层玻璃裂纹的对比度。当试样4为其他复合材料夹芯结构时，也可以根据实际需求采用其他颜色的颜料进行显色对比，当复合材料夹芯结构不需要观察裂纹，而只需要追踪整体结构的形变过程时，则不需要进行显色实验的对比。
本发明的有益效果在于：该系统对传统的落锤冲击实验进行改进，分别对落锤11冲击过程中的冲击力、应变数据以及试样4的裂纹扩展、形变过程进行实时动态显示。实验系统中的力信号采集模块2和图像采集模块3相辅相成，既可以监测冲击过程中冲击力、冲击速度、能量和应变随时间、位移的变化规律，又可以记录夹层玻璃裂纹的扩展演化过程以及复合材料夹芯结构的形变过程，而且在实验结束后可以使用对比显色法观察上、下层玻璃板的裂纹模式，该实验系统对于研究冲击载荷下夹层玻璃、复合材料夹芯结构的动态响应具有重要意义。
将力传感器24安装在落锤11锤头内部，随着落锤11锤头对试样4进行冲击，力传感器24感受到的冲击力不断发生变化，经电荷放大器25无失真的放大后，传输信号至示波器26进行存储；
在试样4上表面粘贴应变片21，试样4发生形变时，应变片21的电阻值发生变化，阻值变化产生的信号经桥盒22传递给应变仪23，应变仪23将电阻的变化转换为电压信号，并对该信号进行放大、低通滤波处理后传递给示波器26，示波器26将电信号转换为可视曲线，并实时保存应变数据；
通过记录的数据，可以绘制冲击力、冲击速度、能量随时间、位移的变化曲线以及试样4的应变数据变化曲线，可以更准确的测试试样4的各项性能。
除了示波器26记录的数据信号，还设置了更直观的图像显示模块。在试样4正下方放置平面反光镜32，为了使成像效果更佳，将平面反光镜32的中心放置在落锤11锤头的正下方，由于平面反光镜32的倾斜角度为45°，则锤头11和试样4的实时动态可以折射进平面反光镜32前方的高速摄像机33中。为了更好的记录冲击过程，调整高速摄像机33的焦距以及镜头高度，使其能够完整、清晰的记录试样4发生的变化，高速摄像机33连接电脑34，可以在电脑34上查看并保存高速摄像机33记录的图像内容。为了更清晰的记录图像变化，在平面反光镜32的左、右前方各设置一个聚光灯31来提高环境亮度，为避免聚光灯31光线照射到平面反光镜32上造成反光，聚光灯31的光线平行于地面并以45°的入射角照射到平面反光镜32上，为避免聚光灯31灯体进入到平面反光镜32中，聚光灯31灯体的高度应当低于平面反光镜32的高度，使平面反光镜32中不会出现其他干扰图像。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种研究冲击载荷下结构动态响应的实验系统，包括落锤冲击实验台、力信号采集模块和图像采集模块，其特征在于：
所述落锤冲击实验台包括落锤、支撑台和夹具，所述支撑台支撑落锤、固定夹具，所述夹具夹持试样；
所述力信号采集模块包括应变片、桥盒、应变仪、力传感器、电荷放大器、示波器，所述应变片和桥盒电连接，桥盒和应变仪电连接，所述应变仪和示波器电连接；所述应变片粘贴在试样表面，当试样受力发生应变变化时，应变片发生形变从而使阻值发生变化，该变化经桥盒传递给应变仪，应变仪将电阻的变化转换为电压信号，并对该信号进行放大、低通滤波处理后传递给示波器，示波器将电信号转换为可视曲线，并实时保存应变数据；
所述力传感器安装在落锤锤头上，当锤头与试样发生相互作用时，力传感器将力信号转换为电信号，该信号传输给电荷放大器，电荷放大器对该信号进行不失真放大后传递给示波器，示波器对力信号数据处理后进行保存；
力信号采集模块采集的数据以电压-时间的形式储存在示波器中，最后利用公式经过换算，可转换为冲击力、冲击速度、能量和应变随时间、位移的变化规律；
所述图像采集模块包括聚光灯、平面反光镜、高速摄像机和电脑，在试样正下方与地面呈45°角的方向，放置一平面反光镜；在平面反光镜左、右前方各设置一个聚光灯，聚光灯的光线平行于地面并以45°的入射角照射到平面反光镜上，所述高速摄像机设置在聚光灯的正前方，高速摄像机可以拍摄到试样的图像；所述高速摄像机电连接电脑，可以通过电脑查看并保存高速摄像机拍摄的图像。
2.根据权利要求1所述的研究冲击载荷下结构动态响应的实验系统，其特征在于：所述聚光灯的高度低于平面反光镜的高度，聚光灯本体不在平面反光镜的反射范围内。
3.根据权利要求2所述的研究冲击载荷下结构动态响应的实验系统，其特征在于：所述落锤的冲击点、试样的正中心和平面反光镜中央，三者位于同一竖直线上。
4.根据权利要求3所述的研究冲击载荷下结构动态响应的实验系统，其特征在于：所述高速摄像机的镜头位置和平面反光镜的中央位于同一水平线上。
5.一种研究冲击载荷下结构动态响应的实验系统的应用方法，其特征在于：具体步骤为：
(1)把应变片粘贴在试样表面后，将试样夹持在夹具之间，为避免出现应力集中或划伤试样表面的情况，可以在试样与夹具的直接接触位置垫附橡胶垫，然后调整夹具的位置，使得锤头的冲击点可以正好落在试样正中心，最后紧固夹具；
连接好各部分仪器，使应变片电连接桥盒，桥盒电连接应变仪，应变仪电连接示波器，同时将锤头底部的力传感器电连接电荷放大器，电荷放大器电连接示波器，示波器选择下降沿触发且触发方式为力触发；
(2)开启高速摄像机，打开聚光灯光源，在样品中心正下方与地面成45°方向放置平面反光镜，调整高速摄像机的高度，使高速摄像机的镜头位置和平面反光镜的中心位于同一水平线上，则试样的实时动态可以反射进高速摄像机镜头，调节镜头焦距，使得电脑中的画面清晰明亮；
(3)将示波器和高速摄像机设置为待触发状态，释放落锤，当落锤冲击到试样表面发出“砰”的一声时，快速按下高速摄像机的触发按钮，力信号实验数据存入示波器，而试样的裂纹演化过程或结构整体的形变过程记录在电脑中；
(4)若冲击试样为夹层玻璃，将冲击完成后的夹层玻璃从夹具取下，把黑色染料倒在上层玻璃板上，接着使用细毛刷将黑色染料涂抹均匀，使得染料能够渗入裂缝，一分钟后用蘸有汽油的无絮棉擦拭玻璃表面，以此去除残留在玻璃表面且未渗入裂缝的染料，待黑色染料干后可以明显看到上层玻璃板的裂纹形态；而对于下层玻璃板，使用与上层玻璃板同样的处理方法，但是需将黑色染料换成白色染料，使用色差较大的黑、白两色染料，可增加上、下层玻璃裂纹的对比度。
6.根据权利要求5所述的研究冲击载荷下结构动态响应的实验系统的应用方法，其特征在于：所述高速摄像机的触发需人工配合，但高速摄像机经过设置，可记录触发前后各0.8秒的图像数据。
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