CN112179790B - 一种材料防护性能检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种材料防护性能检测装置及检测方法，该装置包括底座以及设置在底座上的夹持测试组件、机械摆动组件；其中：夹持测试组件包括固定在底座上力学传感器及样品夹持机构，样品夹持机构用于使待测样品能紧贴力学传感器；机械摆动组件包括摆杆和摆锤，摆锤固定在摆杆的第二端，以摆杆的第一端为圆心做弧形轨道运动，并沿预设方向冲击力学传感器。该方法包括：使处于预设位置的摆锤直接冲击力学传感器，并记录此时冲击力值，记为A；将待测样品固定到力学传感器外侧，使处于预设位置的摆锤冲击待测样品，记录此时冲击力值，记为B；计算冲击传递性能α＝B/A。本发明没对样品产生永久损伤，且能定量描述材料的冲击防护能力。

Description

一种材料防护性能检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于材料力学性能测试设备，具体涉及一种材料防护性能检测装置及检测方法。

背景技术

防护材料的应用十分广泛，如日常生活、工业建设、企业生产、航空事业等，材料受到力学冲击时，冲击动能通过三种形式进行转化，一部分能量以动能形式弹回，一部分能量通过材料进行传递，剩余能量被材料吸收以内能形式存在，而材料的防护性能可以通过弹回能量和传递能量来体现，但由于各种材料的本身性质不同，如何对材料的防护性能进行评价尚未形成统一的测试标准。

目前材料能量吸收性能的主要测试手段有动态力学分析仪(DMA)，通过测试损耗模量和储能模量与多种因素(温度、频率、载荷、应变等)的关系，在一定意义上可以定量描述材料的防护效果，但是由于设备限制，通过模量所评价出的仅是材料总的能量耗散，对冲击过程瞬间材料对冲击力的吸收情况缺乏表征，并且测试范围局限在线性小应变范围，实验工作量大，仪器成本高。当采用将样品折断或拉断等破坏性实验时，更无法保证材料在进行测试后仍可以继续正常工作。

因此，如何简单快捷、经济有效地反映材料的冲击防护能力，同时兼顾对测样品无永久损伤是长期以来亟待解决的问题。

发明内容

本发明的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明而学习。

为克服现有技术的问题，本发明提供一种材料防护性能检测装置，包括底座以及设置在底座上的夹持测试组件、机械摆动组件；其中：

所述夹持测试组件包括固定在底座上力学传感器及样品夹持机构，所述样品夹持机构用于使待测样品能紧贴所述力学传感器；

所述机械摆动组件包括摆杆和摆锤，所述摆锤固定在所述摆杆的第二端，以所述摆杆的第一端为圆心做弧形轨道运动，并沿预设方向冲击所述力学传感器。

可选地，所述底座上设有至少一根立柱，所述力学传感器上设有与所述至少一根立柱相匹配的安装通孔。

可选地，所述样品夹持机构包括压环、弹性件及螺母；所述压环上设有与所述至少一根立柱相匹配的通孔，所述弹性件能套设在所述立柱上，所述立柱上设有与所述螺母相匹配的螺纹。

可选地，所述样品夹持机构包括竖直设置的测试平台，固定在所述底座上，所述力学传感器位于所述测试平台的前方。

可选地，所述摆锤用于冲击的一端为半球形。

可选地，所述机械摆动组件进一步包括标有回弹性数值的刻度尺，所述刻度尺的中心点与所述圆心重合。

可选地，所述材料防护性能检测装置包括高速动态力值测量系统，所述高速动态力值测量系统40包括与所述力学传感器相连的压电转换器以及与所述压电转换器相连的信号处理器。

可选地，所述信号处理器用于将接收所述压电转换器的电信号，并据此获取冲击力值与时间的关系曲线。

根据本发明的另一个方面，提供一种材料防护性能检测方法，包括：

S1、使处于预设位置的摆锤直接冲击力学传感器，并记录此时冲击力值，记为A；

S2、将待测样品固定到所述力学传感器外侧，使处于预设位置的摆锤冲击所述待测样品，记录此时冲击力值，记为B；

S3、计算冲击传递性能α＝B/A。

可选地，所述步骤S3进一步包括：通过刻度尺获取测试样品的回弹值β；计算冲击防护性能γ＝1-α-β。

本发明可以通过高速力学传感器获得材料受到冲击时所传递的最大冲击力，进一步分析可以反映材料对冲击力的吸收，从而评价各种材料的防护效果；冲击摆锤可以更换不同质量，以适应不同的测试需求；冲击过程可以保证样品完整，对样品没有产生永久损伤；该装置可以用于检测不同种类的材料(金属材料、无机非金属材料、高分子材料等)，通过冲击传递性能定量描述材料的冲击防护能力。

附图说明

图1为本发明实施例提供的材料防护性能检测装置的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的摆锤的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的高速动态力值测量系统的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的材料防护性能检测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，本发明提供一种材料防护性能检测装置，包括底座10、夹持测试组件20、机械摆动组件30。

底座10应足够稳定牢固，在受到摆锤冲击时无位移发生，为此，底座10可以固定在地面上，或底座具有的质量是机械摆动组件30中摆锤质量的二百倍以上。

本实施例中，底座10上设有用于安装夹持测试组件第一固定支架11以及用于安装机械摆动组件的第二固定支架12。本实施例中，第一固定支架11可以是水平方向的。第一固定支架11为设置在底座侧壁上的至少一根立柱，例如是2个、3根或更多。

夹持测试组件20包括力学传感器21和样品夹持机构22。力学传感器21上设有与该至少一根立柱对应的安装通孔，通过该安装通孔可以将力学传感器21套设在上述第一固定支架11。样品夹持机构22用于使待测样品能紧贴力学传感器的测量面。力学传感器21为压电传感器，表面平整光滑，测试量程为0-10000N，优选为5000N。

本实施例中，样品夹持机构22包括压环24、弹性件26、螺母28。压环24上设有第一固定支架11中的立柱相匹配的通孔，在具体实施时，压环外径为30-40mm，例如是35mm，内径为15-25mm，例如是20mm。弹性件能套设在所述立柱上。立柱上设有与螺母28相匹配的螺纹，压环和弹性件、螺母依次套设在第一固定支架11上，压环和螺母在弹性件的两侧，螺母用来固定弹性件，弹性件再借助压环对样品施加压力(200±20N)，进行固定。压环可以采用金属材质制成，弹性件例如是弹簧。机械摆动组件30的冲击方向应正对压环中心，测试时保证摆锤先通过金属环中心再冲击样品。可以调节样品夹持机构22使摆锤冲击到样品表面的每一个位置；更具体地，样品更换测试点时，首先松开螺母，在测试平台上调节样品位置，使测试位置正对压环中心，然后拧上螺母，进行摆锤冲击测试。

当待测样品表面积较大时，样品夹持机构22进一步包括测试平台25，从而保证样品可以平铺在测试平台上。测试平台竖直设置可以直接固定在底座上，也可以通过第一固定支架固定在底座上，力学传感器位于测试平台25的前方。测试平台25为不锈钢材质，固定在底座的侧面，面积足够大，可以使整个样品平铺在测试平台上，表面平整光滑且垂直于摆锤的冲击方向。当待测样品表面积较小时，也可以直接选择底座的一个侧面作为测试平台。

机械摆动组件30包括摆杆31和摆锤32，摆杆31的第一端可转动地固定在第二固定支架12上，例如可以通过螺钉可转动地固定在第二固定支架上，由于螺钉并没有拧紧，所以摆杆冲击角度可以按照测试要求自由选择。

摆锤32固定在摆杆31的第二端，在重力的作用下，以摆杆31的第一端为圆心做弧形轨道运动，摆锤32沿预设方向冲击样品，一般地，该预设方向为水平方向，即摆锤32与样品的接触面始终为垂直方向，当然，摆杆不固定在第二固定支架12上也是可行的，只需满足摆锤32与样品的接触面始终为垂直方向即可。根据不同的测试要求可选择不同重量的摆锤，为方便更换不同重量的摆锤，摆锤和摆杆通过螺纹联接。

本实施例中，摆杆为不锈钢材质，可以沿摆轴在0°到180°之间自由转动，摆杆长度为15cm-100cm，优选为25-35cm。摆锤为不锈钢材质，如图2所示，与样品发生冲击时的接触面为直径10mm的半球，其余部分为圆柱体，半球形摆锤的质量可以通过改变圆柱体的长度任意调节，摆锤质量优选为350g。本发明采用半球形摆锤可以使样品表面均匀受力，复合冲击回弹实验国家标准。

上述机械摆动组件30进一步包括刻度尺33，刻度尺33固定在第二固定支架12上，且其中心点可以与摆杆31与第二固定支架12的连接点(即圆心)相重合。刻度尺具有非线形平方刻度尺表盘，上面标有回弹性数值(0-1)，用来记录摆锤冲击样品后由于刻度尺的扭转钢丝的回复力而弹回的角度，可根据测试要求选择不同的测试角度(0°到180°之间)，一般测试角度选取90°即测试开始时摆杆处于水平位置。摆锤冲击样品后被弹回的瞬间，摆杆会接触到刻度尺33的扭转钢丝，使它受到回复力而发生摆动，然后在刻度尺上指示此时样品的回弹值。按照冲击回弹的测试原理，刻度尺已经对角度进行了换算，通过刻度尺可以直接读出回弹值。

如图3所示，在本发明的一个实施例中，进一步包括高速动态力值测量系统40。高速动态力值测量系统40包括与力学传感器相连的压电转换器41以及与压电转换器41相连的信号处理器42。压电转换器测试电压精度为0.1mV，测试时间精度为0.1mS，可以将力学传感器采集的力学信号转化为电信号，并通过信号处理器42处理，以实时显示当前冲击力值与时间的关系曲线。通过冲击力值与时间的关系曲线除了可以得到瞬间的最大冲击力，还可以用来计算样品受到的冲量，分析摆锤冲击力在短时间内的积累作用和它产生的冲击效果。

更具体地，力学传感器采集的力学信号通过压电转换器转换成电信号，信号处理器42记录下此时的电信号并进行处理。假如传感器的测试灵敏度为1mV/Kg，那么信号处理器42记录下来10mV的电信号就会对应10Kg的冲击力值。

本发明克服了以往材料力学性能检测中对样品产生永久损伤的缺点，利用一种结构简单的摆锤式检测仪器来冲击样品，再通过高速动态力值测量系统上记录力学传感器接受到的瞬时信号，可以快速评价不同材料对冲击能量的吸收情况。

如图4所示，本发明提供一种材料防护性能检测方法，可以采用本发明实施例提供的材料防护性能检测装置实现，包括步骤：

S1、使处于预设位置的摆锤直接冲击力学传感器，并记录此时冲击力值，记为A；

在具体实施时，可以先记录所测样品尺寸和环境条件，校准力学传感器，设定高速动态力值测量系统的各项参数(数据采集频率、估读精度、校正系数等)，调整摆杆位置，使摆锤冲击样品时摆杆处于竖直方向，且摆锤冲击方向垂直于接触面。本实施例中，预设位置为水平位置，拉动摆杆至水平位置，然后放下使摆锤直接冲击力学传感器，同时计算机配套的高速动态力值测量系统上记录此时的最大冲击力值A；

S2、将待测样品固定到所述力学传感器外侧，使处于预设位置的摆锤冲击所述待测样品，记录此时冲击力值，记为B；

将测试样品放置在力学传感器外侧，通过夹持测试组件固定待测样品，拉动摆杆至预设位置，然后放下使摆锤冲击测试样品。通过高速动态力值测量系统上记录此时的最大冲击力值B。

S3、计算冲击传递性能α＝B/A。

两次测试记录的最大冲击力值之比可以用来反映材料传递能量占冲击总能量的比例，体现待测样品的冲击传递性能。

本发明的一个实施例中，步骤S3进一步包括：通过刻度尺获取测试样品的回弹值β，并将β记为冲击回弹性能，用来反映材料回弹能量占冲击总能量的比例。还可以进一步计算冲击防护性能γ＝1-α-β，从而定量描述样品在一定测试条件下具有的防护性能，γ值越大说明材料吸收的冲击能量越多，具有的防护性能越好。

需要说明的是，上述B、A、β需要多次测量，按照《硫化橡胶回弹性的测定》国家标准，同一个样品同一个位置需要测试四次，前三次为消除内应力，取最后一次测试数据记录。

当样品为均匀材质时，一个样品至少选取三个不同的位置，计算平均值。

当样品为不均匀材质时，样品的每一个测试点所具有的冲击防护效果是不同的，应该分开测试进行比较。

材料的冲击防护性能可以通过弹回能量和传递能量的大小来体现，本发明中设计的摆锤式材料防护性能检测装置可以记录一定测试条件下冲击摆锤所具有的冲击力A和样品受到摆锤冲击后所传递的力值B，材料传递能量占冲击总能量的比例用α表示(α＝B/A)；还可以通过刻度尺上的扭转钢丝记录一定测试条件下材料受到冲击后所具有的回弹性，回弹性数值即材料回弹能量占冲击总能量的比例β。

在相同测试条件和保证样品完好的前提下，样品的α值和β值越小，(1-α-β)值越大，材料内部吸收的冲击能量越多，说明材料的冲击防护性能越好。

下面通过具体实例进一步说明本发明提供的材料防护性能检测方法：

实例1

测试环境温度25℃，测试环境湿度50％，测试样品为圆柱体硫化橡胶，直径29mm，厚度12.5mm。

1)记录所测样品尺寸和环境条件，通过标准砝码校准力学传感器，设定高速动态力值测量系统的数据采集频率为30kHz，数据记录精度小数点后两位，校正系数4.75；调整摆杆位置，使摆锤冲击硫化橡胶样品时摆杆处于竖直方向，且摆锤冲击方向垂直于接触面。

2)把力学传感器通过夹持装置固定在测试平台上，摆杆长度20cm，摆锤质量350g；拉动摆杆至水平位置，然后放下使摆锤直接冲击力学传感器，同时高速动态力值测量系统上显示此时的最大冲击力值为200.01N。

3)把硫化橡胶样品放置在力学传感器外侧，让力学传感器紧贴测试平台，再通过夹持装置固定，拉动摆杆至水平位置，然后放下使摆锤直接冲击测试样品，高速动态力值测量系统上显示此时的最大冲击力值为77.25N，同时刻度尺表盘上扭转钢丝显示回弹性为0.35

4)计算两次测试记录的最大冲击力值之比77.25/200.01＝0.386，用来反映硫化橡胶受到冲击后传递的能量占摆锤冲击总能量的比例。

5)计算硫化橡胶吸收的能量占整个摆锤冲击能量的比例为26.4％(1-0.35-0.386＝0.264)，该值可以用来评价硫化橡胶的冲击防护性能。

实例2

测试环境温度28℃，测试环境湿度30％，测试样品为不规则形状的护腿板产品，最大宽度12cm，最大长度16cm，厚度6mm。

1)记录所测样品尺寸和环境条件，通过标准砝码校准力学传感器，设定高速动态力值测量系统的数据采集频率为10kHz，数据记录精度小数点后一位，校正系数4.75，调整摆杆位置，使摆锤冲击护腿板样品时摆杆处于竖直方向，且摆锤冲击方向垂直于接触面。

2)把力学传感器通过夹持装置固定在测试平台上，摆杆长度20cm，摆锤质量350g，拉动摆杆至水平位置，然后放下使摆锤直接冲击力学传感器，同时计算机配套的高速动态力值测量系统上显示此时的最大冲击力值为200.0N。

3)把护腿板产品放置在力学传感器外侧，让力学传感器紧贴测试平台，再调整夹持装置，使摆锤冲击方向正对金属环中心，并且摆锤可以冲击到护腿板产品的每一个位置。

4)拉动摆杆至水平位置，然后放下使摆锤直接冲击护腿板产品，计算机配套的高速动态力值测量系统上记录此时的最大冲击力值为108.0N，同时刻度尺表盘上扭转钢丝显示回弹性为0.05，用来反映护腿板样品回弹能量占冲击总能量的比例。

5)计算两次测试记录的最大冲击力值之比108.0/200.0＝0.54，用来反映护腿板产品传递能量占冲击总能量的比例。

6)计算护腿板产品吸收的能量占整个摆锤冲击能量的比例为41％(1-0.05-0.54＝0.41)，该值可以用来评价护腿板产品的冲击防护性能。

实例3

测试环境温度25℃，测试环境湿度40％，测试样品为长方体不锈钢材料，长7cm，宽5cm，高2cm。

1)记录所测样品尺寸和环境条件，通过标准砝码校准力学传感器，设定高速动态力值测量系统的数据采集频率为10kHz，数据记录精度小数点后一位，校正系数4.75，调整摆杆位置，使摆锤冲击不锈钢样品的最大侧面时摆杆处于竖直方向，且摆锤冲击方向垂直于测试样品接触面。

2)把力学传感器通过夹持装置固定在测试平台上，摆杆长度20cm，摆锤质量450g，拉动摆杆至水平位置，然后放下使摆锤直接冲击力学传感器，同时计算机配套的高速动态力值测量系统上显示此时的最大冲击力值为354.7N。

3)把不锈钢样品放置在力学传感器外侧，让力学传感器紧贴测试平台，再调整夹持装置，使摆锤冲击方向正对金属环中心，并且摆锤可以冲击到不锈钢样品最大侧面的每一个位置。

4)拉动摆杆至水平位置，然后放下使摆锤直接冲击不锈钢样品，计算机配套的高速动态力值测量系统上记录此时的最大冲击力值为287.0N，同时刻度尺表盘上扭转钢丝显示不锈钢材料回弹性为0.04，用来反映护腿板样品回弹能量占冲击总能量的比例。

5)计算两次测试记录的最大冲击力值之比287.0/354.7＝0.81，用来反映不锈钢样品传递能量占冲击总能量的比例。

6)计算不锈钢样品吸收的能量占整个摆锤冲击能量的比例为15％(1-0.04-0.81＝0.15)，该值可以用来评价护腿板产品的冲击防护性能。

本发明提供一种材料防护性能检测装置及检测方法，该装置结构简单可以快速评价不同材料对冲击能量的吸收情况，整个测试过程操作容易，方便快捷；通过夹持测试装置，可以使摆锤在落下时接触到测试样品的每一个位置，冲击过程保证样品完整，对样品不产生永久损伤；通过更换不同质量的冲击摆锤，获得不同的初始冲击能量，从而满足不同的测试需求；通过分析高速力学传感器接受到的冲击力值来描述不同材料的防护性能；通过分析试验样品受到冲击后摆杆的弹回角度来描述不同材料的回弹性能。

本发明所制备的摆锤式的材料防护性能检测装置具有普适性，可以根据测试要求对摆锤质量和摆杆冲击角度进行调节；其所测试材料的范围广泛，涵盖金属材料、无机非金属材料、高分子材料等，测试过程中可以保持样品完整，不对样品产生永久损伤；高速动态力值测量系统操作简单，方便快捷，可以获得材料受到冲击时高速力学传感器所记录的最大冲击力；本发明提供的材料防护性能检测方法，实验工作量小，测试成本低，通过分析高速力学传感器接受到的冲击力值来描述不同材料的冲击防护性能，通过分析试验样品受到冲击后扭转钢丝的弹回角度来描述不同材料的回弹性，最终获取待测样品的冲击传递性能、冲击回弹性能、冲击防护性能，从而定量描述材料的冲击防护能力

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (7)

1.一种材料防护性能检测装置，其特征在于，包括底座以及设置在底座上的夹持测试组件、机械摆动组件；其中：

所述夹持测试组件包括固定在底座上力学传感器及样品夹持机构，所述样品夹持机构包括竖直设置的测试平台，固定在所述底座上，所述力学传感器位于所述测试平台的前方，所述样品夹持机构用于使待测样品能紧贴所述力学传感器；

所述机械摆动组件包括摆杆和摆锤，所述摆锤固定在所述摆杆的第二端，以所述摆杆的第一端为圆心做弧形轨道运动，并沿预设方向冲击所述力学传感器；

所述机械摆动组件还包括标有回弹性数值的刻度尺，所述刻度尺的中心点与所述圆心重合，所述刻度尺具有非线形平方刻度尺表盘，上面标有范围为0-1的回弹性数值，用来记录摆锤冲击样品后由于刻度尺的扭转钢丝的回复力而弹回的角度，用于获取所述摆锤撞击所述待测样品后的回弹值；

所述装置的检测步骤包括：

S1、使处于预设位置的摆锤直接冲击力学传感器，并记录此时冲击力值，记为A；

S2、将待测样品固定到所述力学传感器外侧，使处于预设位置的摆锤冲击所述待测样品，记录此时冲击力值，记为B；

S3、计算冲击传递性能α＝B/A；

所述步骤S3进一步包括：通过刻度尺获取测试样品的回弹值β，计算冲击防护性能γ＝1-α-β。

2.根据权利要求1所述材料防护性能检测装置，其特征在于，所述底座上设有至少一根立柱，所述力学传感器上设有与所述至少一根立柱相匹配的安装通孔。

3.根据权利要求2所述材料防护性能检测装置，其特征在于，所述样品夹持机构包括压环、弹性件及螺母；所述压环上设有与所述至少一根立柱相匹配的通孔，所述弹性件能套设在所述立柱上，所述立柱上设有与所述螺母相匹配的螺纹。

4.根据权利要求1所述材料防护性能检测装置，其特征在于，所述摆锤用于冲击的一端为半球形。

5.根据权利要求1所述材料防护性能检测装置，其特征在于，所述材料防护性能检测装置包括高速动态力值测量系统，所述高速动态力值测量系统包括与所述力学传感器相连的压电转换器以及与所述压电转换器相连的信号处理器。

6.根据权利要求5所述材料防护性能检测装置，其特征在于，所述信号处理器用于将接收所述压电转换器的电信号，并据此获取冲击力值与时间的关系曲线。

7.一种材料防护性能检测方法，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的材料防护性能检测装置，包括：

S1、使处于预设位置的摆锤直接冲击力学传感器，并记录此时冲击力值，记为A；

S2、将待测样品固定到所述力学传感器外侧，使处于预设位置的摆锤冲击所述待测样品，记录此时冲击力值，记为B；

S3、计算冲击传递性能α＝B/A；

所述步骤S3进一步包括：通过刻度尺获取测试样品的回弹值β，计算冲击防护性能γ＝1-α-β。

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