CN112798440A - 用于蜂窝结构的高速冲击抗侵彻性能测试装置及测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于蜂窝结构的高速冲击抗侵彻性能测试装置及方法，装置包括冲击弹丸、高速摄影相机、用于冲击弹丸直线加速的加速机构、用于安装蜂窝结构且与冲击弹丸的加速轨迹相对的安装座、传感器和数据采集装置，高速摄影相机朝向冲击弹丸设置，传感器安装在安装座上，数据采集装置与传感器连接。本发明的测试方法快捷方便，性能表征全面具体，测试数据准确无误。通过在炮管末端布置高速摄影装置测量并计算可以快速地得到冲击弹丸射出炮管的速度；通过蜂窝试件侧面的高速摄影装置可以方便地记录试件的变形情况和破坏情况；通过动态力传感器可以直接得到冲击全程力的变化情况。

Description

用于蜂窝结构的高速冲击抗侵彻性能测试装置及测试方法
技术领域
本发明属于缓冲吸能技术领域，具体为一种用于蜂窝结构的高速冲击抗侵彻性能测试装置及方法。
背景技术
目前，蜂窝结构由于其具有质量轻、比吸能大、变形可控等优点，在航空航天、汽车、轨道交通等领域有着重要应用。因此蜂窝结构的力学性能一直备受广大学者和行业内人士关注。传统的蜂窝结构力学性能测试方法是在较低冲击速度下，使蜂窝结构整体受载而被整体压缩，从而获得蜂窝结构的力学性能。随着交通工具运行速度不断提高，一旦发生碰撞事故，必然会造成严重的生命和财产损失，这对蜂窝结构的耐撞性能有了更高的要求。例如在新型磁浮列车的碰撞场景中，必须要考虑到蜂窝结构在时速600公里及以上速度下受到局部冲击时的力学响应。
因此，设计一种能够使冲击物加速至较高速度，而且能对蜂窝结构进行局部高速冲击的试验方法，对研究蜂窝结构的高速工况耐撞性能具有重要的技术保障，同时对开发新一代磁浮列车的被动安全保护装置具有重要的指导意义。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于蜂窝结构的高速冲击抗侵彻性能测试装置及方法，从而解决上述问题。
为实现上述目的，本发明首先公开了一种用于蜂窝结构的高速冲击抗侵彻性能测试装置，包括冲击弹丸、高速摄影相机、用于所述冲击弹丸直线加速的加速机构、用于安装蜂窝结构且与所述冲击弹丸的加速轨迹相对的安装座、传感器和数据采集装置，所述高速摄影相机朝向所述冲击弹丸设置，所述传感器安装在所述安装座上，所述数据采集装置与所述传感器连接。
进一步的，所述加速机构包括空气压缩机、气罐和用于所述冲击弹丸加速的炮管，所述空气压缩机的输出端与所述气罐的输入端连接，所述气罐的输出端与所述炮管的输入端连接。
进一步的，还包括围挡，所述围挡的一端设置有与所述炮管的输出端对齐的冲击弹丸入口，所述安装座设置在所述围挡内，所述数据采集装置设置在所述围挡外。
进一步的，所述高速摄影相机包括一号高速摄影相机和二号高速摄影相机，所述一号高速摄影相机朝向所述炮管的输出端，所述二号高速摄影相机朝向所述安装座。
进一步的，所述围挡内的顶部设置有光源。
进一步的，所述传感器为动态力传感器。
然后，本发明公开了一种用于蜂窝结构的高速冲击抗侵彻性能测试方法，包括上述的用于蜂窝结构的高速冲击抗侵彻性能测试装置，包括如下步骤：
1)将所述蜂窝结构固定于传感器上，并将该蜂窝结构和传感器安装于所述安装座上；
2)开启光源，安装高速摄影相机，并完成调焦和关键光学参数的设定；
3)调整所述高速摄影相机的触发装置并检查触发装置是否可以正常触发，调整传感器确认传感器可以正常触发；
4)启动所述加速机构将冲击弹丸加速至预定速度后向所述蜂窝结构运动，完成冲击过程；
5)取出所述冲击弹丸和蜂窝结构进行各项测量；
6)重复步骤1)-步骤5)；
7)结束试验后处理试验数据及图像。
进一步的，在所述步骤4)中，启动加速机构包括启动空气压缩机向所述气罐充气，所述气罐达到预定气压值后向所述炮管排气进而对所述冲击弹丸加速。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的通过压缩空气对冲击弹丸进行加速，由于高压气罐气压有较大的最大气压上限，并且炮管可以继续加长，所以即使在不更换冲击弹丸的情况下也可以实现更高的冲击速度和冲击能量。同时，也可以对冲击弹丸重新进行设计，同一种外形的冲击弹丸也可以通过不同的材料和加工工艺实现不同的质量。因此，可以实现较高的初始冲击能量。
2、本发明的测试方法快捷方便，性能表征全面具体，测试数据准确无误。通过在炮管末端布置高速摄影装置测量并计算可以快速地得到冲击弹丸射出炮管的速度；通过蜂窝试件侧面的高速摄影装置可以方便地记录试件的变形情况和破坏情况；通过动态力传感器可以直接得到冲击全程力的变化情况；冲击完成后将试件进行剖切，然后可以通过直尺测量冲击弹丸的侵入距离并直观地得到试件的内部形变模式。
3、本发明的测试装置搭建简单、拆卸方便。本发明所涉及的炮管与高压气罐、动态力传感器与刚性墙均采用螺栓连接，在使用时可通过人工将各部件迅速连接到位。在试验各设备布置调试完成后，空气压缩机仅需要几分钟将高压气罐加压至指定气压。在局部高速冲击试验完成后，也可以方便地对零件进行更换，快速地将试件拆卸进行后续的测量与分析，同时可以换上新的蜂窝试件并开始准备下一组冲击试验。
4、本发明的测试方法安全可靠。本发明涉及到高速冲击，冲击弹丸在高速运行情况下一旦受到侧向力则会大大偏离运行轨迹，将会造成严重的事故，但是在本发明中炮管内壁光滑均匀，能够起到很好的导向作用，使冲击弹丸维持在冲击轨迹内。本发明的硬件系统设置了围挡，将高速冲击区域包围起来，可防止高速冲击产生的碎屑对试验人员和设备造成伤害。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例公开的用于蜂窝结构的高速冲击抗侵彻性能测试装置的结构示意图；
图2是本发明优选实施例公开的用于蜂窝结构的高速冲击抗侵彻性能测试方法的流程示意图。
图例说明：
1、空气压缩机；2、气罐；3、炮管；4、冲击弹丸；5、围挡；6、光源；7、蜂窝结构；8、动态力传感器；9、安装座；10、数据采集装置；11、一号高速摄影相机；12、二号高速摄影相机。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
如图1所示，本发明首先公开了一种用于蜂窝结构的高速冲击抗侵彻性能测试装置，包括空气压缩机1、气罐2、炮管3、冲击弹丸4、围挡5、光源6、动态力传感器8、安装座9、数据采集装置10、一号高速摄影相机11和二号高速摄影相机12等。其中，气罐2具有储存和释放高压气体的功能，在储存容积范围内，气体压力可在一定范围之间进行变化，气罐2的排气口与炮管3一端连接；炮管3的另一端指向蜂窝结构7(即为蜂窝试件)的中心，试验开始时，冲击弹丸4静置于炮管3中。冲击弹丸4在炮管3中完成从静止到达到最终速度的整个加速过程，离开炮管3后与蜂窝结构7发生冲击碰撞。蜂窝结构7通过底部螺栓与动态力传感器8连接。动态力传感器8通过其底板上的螺栓与刚性的安装座9连接，从而在冲击弹丸4运动的方向对蜂窝结构7施加约束。蜂窝结构7、动态力传感器8和安装座9均置于围挡5内部，从而防止高速冲击产生的碎屑对试验人员和设备造成伤害。一号高速摄影相机11和二号高速摄影相机12分别布置于炮管3末端的侧面以及蜂窝结构7的侧面，从而测量冲击弹丸4从炮管3加速后射出时的准确速度和蜂窝结构7受到局部高速冲击时的局部形变和整体破坏情况。
然后，本发明公开了一种用于蜂窝结构的高速冲击抗侵彻性能测试方法，如图2所示，包括如下步骤：
1)将蜂窝结构7固定于动态力传感器8上，确保动态力传感器8与安装座9的连接紧密有效，同时使围挡5封闭保证试验安全；
2)开启高速摄影相机专用的直流光源6，从而使其摄像更加清洗，在炮管3出射口侧面和试件侧面分别安装一号高速摄影相机11和二号高速摄影相机12，并完成调焦和关键光学参数的设定；
3)调整高速摄影相机的触发装置并检查触发装置是否可以正常触发，调整动态力传感器8以确认传感器是否可以正常触发；
4)启动空气压缩机1开始对气罐2充气，达到预定气压值后启动冲击装置，冲击弹丸4将被加速至预定速度向蜂窝结构7冲击，然后完成冲击过程；
5)取出冲击弹丸4和蜂窝结构7进行各项测量；
6)重复步骤1)-步骤5)，进行下一组试验；
7)结束试验后处理试验数据及图像。
在本实施例中，主要包括初始冲击速度测试和动态冲击力测试。初始冲击速度通过一号高速摄影相机11测得。图1中最左端和最右端两个标识带之间的距离已提前测得，一号高速摄影相机11可以测得冲击弹丸4通过图示距离的总时长，从而计算得到该段平均速度。初始冲击速度计算公式为：
Figure BDA0002865894830000041
式中：v0为初始冲击速度，s为两个标志带之间距离，t为通过这段距离的时长。
冲击速度与动态冲击力的关系可表示为：
Figure BDA0002865894830000042
式中，m为冲击弹丸质量，v为冲击速度，F(t)为动态冲击力，t为时间。
由于冲击速度足够大，冲击弹丸4射出后飞行距离较短，空气阻力对速度影响较小，因此将该段平均速度视为冲击蜂窝结构7时间的初始速度。通过动态力传感器8全程记录蜂窝结构7在收到冲击弹丸4冲击后的力学响应情况。通过蜂窝结构7侧面的高速摄影设备记录蜂窝试件7受冲击的过程，从而观察蜂窝结构7受局部冲击时的变形模式和破坏情况。对完成冲击过程的蜂窝结构7进行剖切，从而测量和观察得到冲击弹丸4在蜂窝结构7内部的冲击行程和蜂窝结构7内部的形变情况。
对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于蜂窝结构的高速冲击抗侵彻性能测试装置，其特征在于，包括冲击弹丸(4)、高速摄影相机、用于所述冲击弹丸(4)直线加速的加速机构、用于安装蜂窝结构(7)且与所述冲击弹丸(4)的加速轨迹相对的安装座(9)、传感器和数据采集装置(10)，所述高速摄影相机朝向所述冲击弹丸(4)设置，所述传感器安装在所述安装座(9)上，所述数据采集装置(10)与所述传感器连接。
2.根据权利要求1所述的用于蜂窝结构的高速冲击抗侵彻性能测试装置，其特征在于，所述加速机构包括空气压缩机(1)、气罐(2)和用于所述冲击弹丸(4)加速的炮管(3)，所述空气压缩机(1)的输出端与所述气罐(2)的输入端连接，所述气罐(2)的输出端与所述炮管(3)的输入端连接。
3.根据权利要求2所述的用于蜂窝结构的高速冲击抗侵彻性能测试装置，其特征在于，还包括围挡(5)，所述围挡(5)的一端设置有与所述炮管(3)的输出端对齐的冲击弹丸入口，所述安装座(9)设置在所述围挡(5)内，所述数据采集装置(10)设置在所述围挡(5)外。
4.根据权利要求2所述的用于蜂窝结构的高速冲击抗侵彻性能测试装置，其特征在于，所述高速摄影相机包括一号高速摄影相机(11)和二号高速摄影相机(12)，所述一号高速摄影相机(11)朝向所述炮管(3)的输出端，所述二号高速摄影相机(12)朝向所述安装座(9)。
5.根据权利要求3或4所述的用于蜂窝结构的高速冲击抗侵彻性能测试装置，其特征在于，所述围挡(5)内的顶部设置有光源(6)。
6.根据权利要求1-4任一所述的用于蜂窝结构的高速冲击抗侵彻性能测试装置，其特征在于，所述传感器为动态力传感器(8)。
7.一种用于蜂窝结构的高速冲击抗侵彻性能测试方法，包括权利要求1-6任一所述的用于蜂窝结构的高速冲击抗侵彻性能测试装置，其特征在于，包括如下步骤：
1)将所述蜂窝结构(7)固定于传感器上，并将该蜂窝结构(7)和传感器安装于所述安装座(9)上；
2)开启光源(6)，安装高速摄影相机，并完成调焦和关键光学参数的设定；
3)调整所述高速摄影相机的触发装置并检查触发装置是否可以正常触发，调整传感器确认传感器可以正常触发；
4)启动所述加速机构将冲击弹丸(4)加速至预定速度后向所述蜂窝结构(7)运动，完成冲击过程；
5)取出所述冲击弹丸(4)和蜂窝结构(7)进行各项测量；
6)重复步骤1)-步骤5)；
7)结束试验后处理试验数据及图像。
8.根据权利要求7所述的用于蜂窝结构的高速冲击抗侵彻性能测试方法，其特征在于，在所述步骤4)中，启动加速机构包括启动空气压缩机(1)向所述气罐(2)充气，所述气罐(2)达到预定气压值后向所述炮管(3)排气进而对所述冲击弹丸(4)加速。
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