CN113686702A - 一种表征柔性材料防护低速冲击效果的直观方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种表征柔性材料防护低速冲击效果的直观方法，该方法包括以下步骤：使用冲击头对由柔性材料、载玻片和均质板依次叠置组成的试样进行低速冲击，并在低速冲击后移除柔性材料，载玻片和均质板上均发生可视损伤，根据出现的可视损伤形貌直观地表征柔性材料防护低速冲击效果。与现有技术相比，本发明通过载玻片和均质板的损伤形貌直观有效地表征出柔性材料的防护效果，可解决低速冲击下柔性材料的防护效果没有直观表征方法的难题。
Description
技术领域
本发明属于防护冲击领域，尤其是涉及一种表征柔性材料防护低速冲击效果的直观方法。
背景技术
汽车撞击、高空坠物、运动摔伤或击打等速度不超过20m/s的外部低速冲击伤害是威胁人们生命安全与健康的常见问题。轻质柔性材料是防护该类损伤的有效方法，但与高速或中高速冲击相比，低速冲击作用在柔性材料上不会产生大面积破坏，可见性较低。因此，直接通过对柔性材料的损伤形貌进行观察来评价其防护效果难以实现。一般都是利用落锤冲击试验机对柔性材料的抗低速冲击性能进行研究，期望通过传感器采集并输出的数据指标来表征，显然无法直观地表征防护效果。有研究者在柔性材料后部增加填满胶泥的装置，对胶泥冲击坑进行三维形貌测量计算来表征和评价损伤情况，能较准确地获得直观的防护结果(马宇,雷振坤,白瑞祥,冯洋,秦福勇.剪切增稠液改性软织物的SHPB冲击测试研究.实验力学,2020,35(03):384–396.)，但对试验设备的要求很高，同时涉及复杂的计算过程，存在较大难度。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种表征柔性材料防护低速冲击效果的直观方法。即在低速冲击下，既能直观有效地表现柔性材料的防护情况，又能通过图像数值化定量地分析防护程度。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种表征柔性材料防护低速冲击效果的直观方法，该方法包括以下步骤：
使用冲击头对由柔性材料、载玻片和均质板依次叠置组成的试样进行低速冲击，并在低速冲击后移除柔性材料，载玻片和均质板上均发生可视损伤，根据出现的可视损伤形貌直观地表征柔性材料防护低速冲击效果。
优选地，所述的柔性材料、载玻片和均质板从上到下依次放置，所述的冲击头位于柔性材料的正上方，并对试样的柔性材料一面进行低速冲击。
优选地，将载玻片和均质板上的可视损伤的面积和损伤形貌通过图像处理软件转化为数值化评价指标，定量地表征柔性材料防护低速冲击效果。
优选地，所述的载玻片为标准件，型号为7101型、7102型、7103型、7104型、7105型、7105-1型、7106型、7107型、7107-1型、7108型、7109型、7110型和7111型中的一种，材质为浮法玻璃和石英玻璃中的一种。保证所述载玻片整体的质地均匀，具有极高的脆性。
优选地，所述的载玻片的尺寸根据柔性材料的尺寸以及测试的需求进行配置，但载玻片的表面必须容纳冲击头，表面积大于冲击头的截面积，用于保证在低速冲击后损伤范围具备扩大空间。
优选地，所述的均质板采用整体材质致密且均匀的材料，用于保证低速冲击前柔性材料和载玻片处于稳定状态，低速冲击过程中对冲击头不造成损坏，低速冲击结束后载玻片处于稳定状态。
优选地，所述的均质板为高脆性材料，包括木质材料、陶瓷或玻璃。保证受低速冲击时仅发生脆性损伤。
优选地，所述的均质板的尺寸根据冲击试验仪器遵循的测试标准进行配置，表面积大于柔性材料和载玻片，用于容纳柔性材料和载玻片。
优选地，所述的柔性材料尺寸可变化，表面积大于冲击头的截面积，并小于均质板的表面积，用于容纳所述的冲击头。
优选地，所述的低速冲击的冲击速度范围为0～20m/s。载玻片和均质板的损伤情况，可直观地表征冲击头的冲击速度范围为0～20m/s时，柔性材料试样的防护性能。进一步地，载玻片和均质板的损伤形貌和尺寸等经处理后，可定量表征冲击头的冲击速度范围为0～20m/s时，柔性材料试样的防护性能。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明可以将柔性材料试样对低速冲击的防护性能，转化为载玻片和均质板上明显的损伤形貌变化，从而直观定性表征柔性材料的防护效果。
(2)本发明可以利用图像处理软件将载玻片和均质板上的外观损伤变化数值化，从而直观定量表征柔性材料的防护效果。
(3)本发明在表征柔性材料防护效果时不需经过特别复杂的计算，对试验仪器的要求也不高。
附图说明
图1为本发明组合试样的示意图；
图2为本发明组合试样图(柔性材料采用经编间隔织物)；
图3为本发明柔性材料(经编间隔织物)防护低速冲击效果的直观表征图；
图4为本发明组合试样图(柔性材料采用填充胶体的经编间隔织物)；
图5为填充胶体的经编间隔织物防护低速冲击效果的直观表征图。
图中，1为柔性材料，2为载玻片，3为均质板，4为冲击头。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
一种表征柔性材料防护低速冲击效果的直观方法，该方法包括以下步骤：使用冲击头4对由柔性材料1、载玻片2和均质板3依次叠置组成的试样进行低速冲击，并在低速冲击后移除柔性材料1，载玻片2和均质板3上均发生可视损伤，根据出现的可视损伤形貌直观地表征柔性材料1防护低速冲击效果。在一些实施例中，柔性材料1、载玻片2和均质板3从上到下依次放置，冲击头4位于柔性材料1的正上方，并对试样的柔性材料1一面进行低速冲击，如图1所示。进一步地，在一些实施例中，还可以将载玻片2和均质板3上的可视损伤的面积和损伤形貌通过图像处理软件转化为数值化评价指标，定量地表征柔性材料1防护低速冲击效果。
在一些实施例中，载玻片2优选采用标准件，型号为7101型、7102型、7103型、7104型、7105型、7105-1型、7106型、7107型、7107-1型、7108型、7109型、7110型和7111型中的一种，材质为浮法玻璃和石英玻璃中的一种。保证载玻片整体的质地均匀，具有极高的脆性。进一步优选载玻片2的尺寸根据柔性材料1的尺寸以及测试的需求进行配置，但载玻片2的表面必须容纳冲击头4，表面积大于冲击头4的截面积，用于保证在低速冲击后损伤范围具备扩大空间。
在一些实施例中，均质板3优选采用整体材质致密且均匀的材料，用于保证低速冲击前柔性材料1和载玻片2处于稳定状态，低速冲击过程中对冲击头4不造成损坏，低速冲击结束后载玻片2处于稳定状态。优选均质板3的材质可以为木质材料、陶瓷、玻璃或其他高脆性材料。进一步优选均质板3的尺寸根据冲击试验仪器遵循的测试标准进行配置，表面积大于柔性材料1和载玻片2，用于容纳柔性材料1和载玻片2。
柔性材料1尺寸可变化，在一些实施例中，优选表面积大于冲击头4的截面积，并小于均质板3的表面积，用于容纳冲击头4。
在一些实施例中，低速冲击的冲击速度范围为0～20m/s。载玻片2和均质板3的损伤情况，可直观地表征冲击头4的冲击速度范围为0～20m/s时，柔性材料1的防护性能。进一步地，载玻片2和均质板3的损伤形貌和尺寸等经处理后，可定量表征冲击头4的冲击速度范围为0～20m/s时，柔性材料1的防护性能。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种表征柔性材料防护低速冲击效果的直观方法，包括柔性材料1、载玻片2和均质板3组合而成的试样，在冲击头4的低速冲击后移除柔性材料1，可在载玻片2和均质板3上直观地看到柔性材料1防护下的损伤形貌；载玻片2垫在柔性材料1下部；均质板3设置在载玻片2下部，柔性材料1和载玻片2均稳定在均质板3上；冲击头4为半球状，位于柔性材料1正上方；冲击头4冲击试样后，载玻片2和均质板3上均发生可视损伤，出现的损伤形貌可直观地表征柔性材料1的冲击防护效果；载玻片2和均质板3的损伤面积和损伤形貌等可由图像处理软件转化为数值化评价指标，从而定量地表征柔性材料1的防护效果。
在本实施例中，柔性材料1分别为经编间隔织物和填充胶体的经编间隔织物，两者的长宽均为40mm，厚度为8mm；载玻片2为7101型石英玻璃材质载玻片，尺寸为长76.2mm、宽25.4mm、厚1mm；均质板3为胶合而成的均质木板，表观密度为0.63g/m3，抗弯强度为45N/mm2，根据ASTM D7136/D7136-2015试验标准，均质板3被配置为长150mm、宽100mm。相关测试试样和测试结果参见图2～5。
如表1所示，通过ImageJ图像处理软件计算得到在经编间隔织物防护下出现的损伤面积为200.22mm2，在填充胶体的经编间隔织物防护下出现的损伤面积扩大到1844.01mm2，两类柔性材料的损伤差别极大。进一步处理计算得到在经编间隔织物防护下裂纹数量为34条，而在填充胶体的经编间隔织物缓防护下出现的裂纹数量明显减少，为18条。根据损伤面积和裂纹数量结果，得到两类柔性材料防护下的裂纹密度分别为0.17条/mm2和0.01条/mm2，说明填充胶体的经编间隔织物具有更优的防护低速冲击效果。
表1柔性材料的低速冲击损伤数据
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种表征柔性材料防护低速冲击效果的直观方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
使用冲击头(4)对由柔性材料(1)、载玻片(2)和均质板(3)依次叠置组成的试样进行低速冲击，并在低速冲击后移除柔性材料(1)，载玻片(2)和均质板(3)上均发生可视损伤，根据出现的可视损伤形貌直观地表征柔性材料(1)防护低速冲击效果。
2.根据权利要求1所述的一种表征柔性材料防护低速冲击效果的直观方法，其特征在于，所述的柔性材料(1)、载玻片(2)和均质板(3)从上到下依次放置，所述的冲击头(4)位于柔性材料(1)的正上方，并对试样的柔性材料(1)一面进行低速冲击。
3.根据权利要求1所述的一种表征柔性材料防护低速冲击效果的直观方法，其特征在于，将载玻片(2)和均质板(3)上的可视损伤的面积和损伤形貌通过图像处理软件转化为数值化评价指标，定量地表征柔性材料(1)防护低速冲击效果。
4.根据权利要求1所述的一种表征柔性材料防护低速冲击效果的直观方法，其特征在于，所述的载玻片(2)为标准件，型号为7101型、7102型、7103型、7104型、7105型、7105-1型、7106型、7107型、7107-1型、7108型、7109型、7110型和7111型中的一种，材质为浮法玻璃和石英玻璃中的一种。
5.根据权利要求1或4所述的一种表征柔性材料防护低速冲击效果的直观方法，其特征在于，所述的载玻片(2)的表面积大于冲击头(4)的截面积，用于保证在低速冲击后损伤范围具备扩大空间。
6.根据权利要求1所述的一种表征柔性材料防护低速冲击效果的直观方法，其特征在于，所述的均质板(3)采用整体材质致密且均匀的材料，用于保证低速冲击前柔性材料(1)和载玻片(2)处于稳定状态，低速冲击过程中对冲击头(4)不造成损坏，低速冲击结束后载玻片(2)处于稳定状态。
7.根据权利要求1或6所述的一种表征柔性材料防护低速冲击效果的直观方法，其特征在于，所述的均质板(3)为高脆性材料，包括木质材料、陶瓷或玻璃。
8.根据权利要求1或6所述的一种表征柔性材料防护低速冲击效果的直观方法，其特征在于，所述的均质板(3)的表面积大于柔性材料(1)和载玻片(2)，用于容纳柔性材料(1)和载玻片(2)。
9.根据权利要求1所述的一种表征柔性材料防护低速冲击效果的直观方法，其特征在于，所述的柔性材料(1)的表面积大于冲击头(4)的截面积，并小于均质板(3)的表面积，用于容纳所述的冲击头(4)。
10.根据权利要求1所述的一种表征柔性材料防护低速冲击效果的直观方法，其特征在于，所述的低速冲击的冲击速度范围为0～20m/s。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20211123 |
|
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