CN116359042B - 辅助动载测试装置及方法、动载测试设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种辅助动载测试装置及方法、动载测试设备。所述装置包括：固定支座，固定支座一侧设有凹槽；沿固定支座的凹槽周向布置传载构件，传载构件上设置有抗冲击碟片；若干抗冲击碟片进行叠加，并通过可拆卸方式固定在所述传载构件上。通过增减抗冲击碟片数量以控制待测试样的变形程度，实现待测试样在冲击力作用下压缩行程可控，通过预留光学窗口设计获取待测试样不同变形数据；动态力传感器设置在固定支座的凹槽中，并通过缓冲垫片和传载构件进行保护，防止在动态冲击过程中过载而损坏动态力传感器，增强动态测试一致性和降低动态实验成本。具有易装卸、损坏零部件可替换、可重复使用、动载测试成本低等特点。

Description

辅助动载测试装置及方法、动载测试设备

技术领域

本申请涉及动载测试技术领域，特别是涉及一种辅助动载测试装置及方法、动载测试设备。

背景技术

动态撞击是日常生活中常见的现象，如汽车碰撞事故、手机跌落碰撞、列车脱轨、飞机坠落等，研究材料或结构在动态撞击条件下的力学性能对于装备和人员安全至关重要。与材料静态力学性能测试相比，目前实验室环境下开展动态撞击测试的主要装置有落锤动态试验平台、霍普金森杆动态试验平台、气体炮动态试验平台和缩比原型试验测试等，材料动态力学性能测试具有加载脉冲短、高应变率响应等特点，在材料或结构力学测量过程中易出现试样压缩位移量不可控、或动态力传感器易过载失效、或试样变形响应无法完整光学测量等问题。其中，试样压缩行程可控是实现以多孔结构为代表的塑性材料（如蜂窝、泡沫、聚氨酯、PVC等材料）动态力学性能研究的关键技术；动态力传感器在冲击过程中容易过载，这会导致相对昂贵的精密动态力传感器使用寿命大幅缩短，增加试验成本，甚至难以保证试验可重复性；此外，通过光学途径记录试样完整动态变形过程是动态测量的必要手段，但是实际测量时，在考虑动态力传感器防过载或试样压缩行程可控等因素后，一般难以同时兼顾试样动态压缩变形便捷光学观测的需求。因此，实验室环境中开展以多孔结构为代表的塑性材料或结构动态力学性能测量时，提供一种压缩行程可控、可光学测量兼具动态力传感器过载保护的辅助动载测试装置至关重要。

在实验室环境中在开展材料或结构准静态力学性能测试时，压缩行程的控制可以通过万能材料试验机位移控制系统设置，但是动态加载时难以通过控制试验参数实现试样压缩行程可控；此外，现有的装置一般适用于多自由度准静态或低速载荷加载，不适合高速加载情况下载荷防过载保护，且难以同时兼顾动载测量过程试样压缩行程可控、可光学测量的需求。如何克服现有技术的不足，提供一种能够解决以上问题的辅助动载测试装置是本领域技术人员极为关注的技术问题。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够控制压缩行程，并能对动态力传感器进行过载保护的辅助动载测试装置及方法、动载测试设备。

一种辅助动载测试装置，所述装置包括：固定支座，所述固定支座一侧设有凹槽；所述固定支座的凹槽内固定有动态力传感器；沿所述固定支座的凹槽周向布置传载构件，所述传载构件上设置有若干抗冲击碟片；各所述抗冲击碟片层叠，并通过可拆卸方式固定在所述传载构件上；所述传载构件及所述抗冲击碟片侧边开设有动载光学测量窗口，以用于通过所述动载光学测量窗口获取待测试样变形数据。

其中一个实施例中，所述装置还包括缓冲垫片，所述缓冲垫片置于所述传载构件与所述抗冲击碟片之间，用于吸收冲击能量。

其中一个实施例中，所述固定支座的凹槽上设有卡位，通过所述卡位固定动态力传感器。

其中一个实施例中，所述传载构件由若干传载分瓣块组成，各所述传载分瓣块可拆卸固定在所述固定支座上。

其中一个实施例中，所述传载分瓣块为弧形结构，包括分瓣主体及第一连接部；所述分瓣主体高度方向与动态力传感器高度方向相同；所述第一连接部设置在所述分瓣主体外侧底部，通过所述第一连接部将所述分瓣主体可拆卸固定在所述固定支座上。

其中一个实施例中，所述抗冲击碟片具有与所述固定支座的凹槽大小相适应的通孔。

其中一个实施例中，所述动载光学测量窗口包括：在所述抗冲击碟片侧边开设的第一窗口、在所述缓冲垫片侧边开设的第二窗口以及在传载构件侧边开设的第三窗口；所述第一窗口、所述第二窗口及所述第三窗口大小相适应且窗口位置对齐。

一种辅助动载测试方法，采用上述任一项辅助动载测试装置，所述方法包括：

组装所述辅助动载测试装置，根据实验需求设置抗冲击碟片叠加层数；

在所述固定支座的凹槽上固定动态力传感器，并在所述动态力传感器上表面放置待测试样；所述待测试样位于若干抗冲击碟片叠加后形成的通孔内，并面向空气露出部分结构；

对所述待测试样露出部分施加冲击载荷，所述待测试样在冲击载荷作用下压缩变形；

通过所述动态力传感器获取冲击载荷数据，并通过所述辅助动载测试装置开设的动载光学测量窗口获取待测试样变形数据。

一种动载测试设备，所述设备包括上述任一项所描述的辅助动载测试装置。

相较于现有技术，本发明所提供的辅助动载测试装置及方法、动载测试设备带来以下效果：

1. 抗冲击碟片的数量可以根据待测试样的变形需求进行设置，实现待测试样在冲击力作用下压缩行程可控，进而获取待测试样不同变形情况数据；

2. 动态力传感器设置在固定支座的凹槽中，并通过传载构件、缓冲垫片和和抗冲击碟片进行保护，防止在冲击过程中因为过载而损坏动态力传感器，降低实验成本，增强试验测量一致性；

3. 通过在辅助动载测试装置侧边设置动载光学测量窗口，获取待测试样在冲击力作用下的变形数据；

4. 抗冲击碟片、缓冲垫片、传载构件等部件均采用可拆卸连接的“模块化”设计，在损坏后只需更换相应零件，重复利用率高，降低动载测试过程中成本。

附图说明

图1为辅助动载测试装置整体装配示意图；

图2为抗冲击碟片结构示意图，其中，(a)为轴测图， (b)为俯视图；

图3为缓冲垫片结构示意图，其中，(a)为轴测图， (b)为俯视图；

图4为传载分瓣块结构示意图，其中，(a)为轴测图， (b)为俯视图；

图5为固定支座结构示意图，其中，(a)为轴测图， (b)为俯视图，(c)A-A向剖视图；

图6为辅助动载测试方法流程图；

附图标记说明：

抗冲击碟片1，第一窗口11；缓冲垫片2，第二窗口21；传载构件3，传载分瓣块31，分瓣主体311，第一连接部312，第三窗口32；固定支座4，凹槽41。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第 二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体地限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种压缩行程可控、可光学测量兼具过载保护的辅助动载测试装置，一般安装在试样靶目标的端面处，用于子弹、动杆、落锤等冲击物下开展动态测量以多孔结构为代表的塑性材料或结构力学性能的辅助动载测试装置，目的是解决实验室条件材料或结构动态力学性能测试过程中，试样动态压缩行程不可控、变形光学测量难以全过程记录、动态力传感器容易过载等问题。本发明能实现试样动态压缩行程可控、待测试样变形全过程可光学测量，兼具动态力传感器过载保护等功能，具有易装卸、损坏零部件可“模块化”替换、可重复使用、动载测试成本低等特点。

本发明提供的辅助动载测试装置组装后的结构如图1-图5所示，包括：固定支座4，固定支座4一侧设有凹槽41；沿固定支座4的凹槽41周向布置传载构件3，传载构件3上设置有抗冲击碟片1；若干抗冲击碟片1进行叠加，并通过可拆卸方式固定在传载构件3上，进一步地，在传载构件3与抗冲击碟片1之间还设有缓冲垫片2，用于吸收冲击能量；进一步地，在辅助动载测试装置上还设有动载光学测量窗口，通过动载光学测量窗口获取待测试样变形数据。

具体地，抗冲击碟片1外边缘形状可以为多边形，比如五边形、六边形等，也可以为圆形；如图1所示，本实施例所展示的抗冲击碟片1外边缘形状为圆形。在抗冲击碟片1的中心处沿竖向贯穿设有内直径为的圆形通孔，/>的尺寸优选等于实际使用时冲击物直径尺寸的70%~90%，以使冲击物在压缩试样时，不会刺入/>的通孔中，从而达到保护动态力传感器的目的。抗冲击碟片1采用高强度金属材质制备，材料屈服强度/>至少为冲击物屈服强度的3倍以上，一般优先采用高强度不锈钢合金，材料屈服强度满足，塑性失效应变/>，材料密度满足。抗冲击碟片1的外直径为/>，厚度为/>，其中/>满足/>，/>满足/>。

进一步具体地，在抗冲击碟片1开设有角度为的扇形缺口，该扇形缺口优选等于45°或60°，当若干抗冲击碟片1进行叠加时，扇形缺口对齐，形成第一窗口11，以便于光学设备观察该位置处待测试样变形情况。在外直径/>与内直径/>之间，即在/>位置设有N个直径为/>的圆形通孔，抗冲击碟片1进行同轴叠加时，直径为/>的通孔也同轴配合，通过螺栓将抗冲击碟片1进行固定，其中，/>，/>满足/>，N满足/>。在实际使用时，待测试样填充在抗冲击碟片1内直径为/>的圆形通孔中并面向空气露出部分结构，冲击物首先压缩待测试样，当待测试样压缩至预定位移量时，冲击物与位于最外层的抗冲击碟片1接触，最外层的抗冲击碟片1承受剩余冲击力。

值得说明的是，因为本实施例提供的抗冲击碟片1内直径相同，因此叠加后内壁形成圆柱状，当待测试样在受到冲击时，边缘主要受到的是正应力，可以研究待测试样品在受到正冲击力时的压缩力学性能。但材料有时候受到动态撞击时受力比较复杂，因此，在本实施例的基础上，可以根据需求将抗冲击碟片1内直径/>设置成不同尺寸，在内壁上形成阶梯状结构，当待测试样在受到冲击时，底片边缘对试样还会产生剪切作用，以研究在压缩和剪切复合作用下的多孔材料动态力学性能。

缓冲垫片2形状与抗冲击碟片1相适配，即当抗冲击碟片1外边缘形状为圆形时，缓冲垫片2外边缘形状也优选圆形，具体结构如图3所示。缓冲垫片2材料屈服强度至少为冲击物屈服强度的0.3~0.8倍，优先采用1006或3003铝合金制备，材料屈服强度满足，塑性失效应变/>，材料密度满足。缓冲垫片2的外直径为/>，优选等于/>，厚度为，满足/>。在缓冲垫片2的中心处沿竖向贯穿设有内直径为/>的通孔，/>的尺寸优选等于动态力传感器承载面的直径，以方便动态力传感器的放置。

进一步具体地，在缓冲垫片2处开设有角度为的第二窗口21，/>优选等于/>。在外直径/>与内直径/>之间，即在/>位置设有N个直径为/>的圆形通孔，其中，，/>。抗冲击碟片1叠加后放置在缓冲垫片2上，抗冲击碟片1的N个直径为通孔与缓冲垫片2的N个直径为/>通孔一一对齐，并采用螺栓穿过通孔进行固定；第二窗21与第一窗口11位置对齐，用于光学设备观察该位置处待测试样变形情况。当抗冲击碟片1受到冲击物撞击后，缓冲垫片2利用自身强度较低，塑性失效应变较大的特点，能够快速衰减撞击高频响应，同时吸收冲击剩余能量。

传载构件3形状与缓冲垫片2形状相适配，即当缓冲垫片2外边缘形状为圆形时，传载构件3外边缘形状也优选圆形。传载构件3采用高强度金属材质制备，优先采用高强度不锈钢合金，材料屈服强度满足，塑性失效应变/>，材料密度满足/>。传载构件3由若干传载分瓣块31组成，并与固定支座4为可拆卸连接。如图4所示，传载分瓣块31为弧形结构，其延伸后形成的扇形图角度为/>，/>，其高度/>优选与动态力传感器的整体高度相同。

进一步具体地，传载分瓣块31包括分瓣主体311及第一连接部312，分瓣主体311高度优选等于/>。从延伸后形成的扇形图来看，分瓣主体311的外半径，内半径/>，在外半径/>和内半径/>之间，即/>位置设有一个直径为/>，深度为/>的圆孔，其中/>，/>，圆孔深度/>不小于所采用螺栓的柱体穿过抗冲击碟片1及缓冲垫片2后剩余长度，以便于固定抗冲击碟片1及缓冲垫片2。第一连接部312设置在分瓣主体311外侧底部，外半径/>，内半径，在外半径/>和内半径/>之间沿竖向贯穿设有一弧形通槽，通槽宽度为，螺栓穿过该弧形通槽后与固定支座4可拆卸连接。工作时，待测试样被压缩到预定位移量后，抗冲击碟片1将剩余能量经缓冲垫片2吸收，通过传载构件3传递给固支底座4。

值得说明的是，传载构件3可以是一个预留第三窗口32的整体结构。本实施例之所以将传载构件3分割成若干传载分瓣块31的结构，主要有以下三个优点：（1）如有损伤，可以局部替换，通过“模块化”设计降低实验成本；（2）根据需求调节传载分瓣块的数量，调整动载光学测量窗口的大小；（3）便于观察位置的调整，提供不同视角的动载光学测量窗口（如高速摄影机、红外摄像机），从而了解待测试样不同位置的变形情况。

固定支座4可以为多边形立体结构，比如五边形、六边形等，也可以为圆柱形；如图5所示，为圆柱形的固定支座4。固定支座4采用高强度金属材质制备，一般选用与抗冲击碟片1相同材质，优先采用高强度不锈钢合金，材料屈服强度满足，塑性失效应变/>，材料密度满足。在该圆柱形结构一侧的中心设有直径为/>，深度为/>的凹槽41，其形状尺寸与动态力传感器形状尺寸相适配，且/>，/>；在凹槽41上设置卡位，卡位宽度为/>，该宽度主要是配合动态力传感器设置的卡位宽度，通过凹槽41和卡位的设置，形成卡位槽，通过该卡位槽固定动态力传感器。

进一步具体地，固定支座4的外直径为，厚度为/>，其中/>满足，/>满足/>。同时，在凹槽41的周围，即如图5所展示的/>位置，沿周向阵列设有K个直径为/>，深度为/>的螺纹孔，螺纹孔之间的夹角为/>，/>，/>，/>，/>，用以固定传载构件3，值得说明的是，深度为/>的螺纹孔并不局限于如图5所示的设置，也可以沿固定支座4竖向贯通。在凹槽41的外围，即如图5所展示的/>位置，阵列设置若干直径为/>的通孔，/>满足：/>，通过该通孔将固定支座4固定在地面或实验平台上。

值得说明的是，在现有技术中，对材料进行力学性能测试时，对待测试样施加载荷是的是动态冲击力，因此很难控制材料的变形程度，进行力学性能研究时，只能得到测试材料动态应力完全释放后的形变情况，然而进行实验研究时，更重要的是需要了解材料在撞击过程中某一状态的力学性能。因此，如何实现压缩行程可控是研究材料或结构尤其是多孔结构为代表的塑性材料动态力学性能研究的关键技术，本发明通过抗冲击碟片1的叠加层数，控制待测试样的变形量，从而实现了待测试样压缩行程可控，另一方面通过开设的动载光学测量窗口结合数字图像相关技术获取待测试样不同变形情况数据。同时，为了获取待测试样的后端力数据，需要在待测试样后端设置动态力传感器，但是由于冲击力的作用，动态力传感器很容易在冲击过程中过载，本发明通过传载构件3对动态力传感器进行保护，增加动态力传感器的使用寿命，降低实验成本。动载光学测量窗口的设置，能够完整记录待测试样的变形过程，在实现压缩行程可控的同时，还兼顾了动态压缩变形的光学观测需求。为了进一步降低实验成本，本发明的抗冲击碟片、传载构件等部件均采用可拆卸连接的方式，在损坏后只需更换相应“模块化”零件，重复利用率高。

在其中一个实施例中，如图6所示，提供了一种辅助动载测试方法，包括以下步骤：

步骤102，组装辅助动载测试装置，根据实验需求设置抗冲击碟片叠加层数；在固定支座的凹槽上固定动态力传感器，并在动态力传感器上表面放置待测试样；待测试样位于若干抗冲击碟片叠加后形成的通孔内，并面向空气露出部分结构。

具体地，首先根据实验需求设置抗冲击碟片1的层数并进行叠加；组装时，动态力传感器固定在固定支座4的凹槽41内，传载分瓣块31沿固定支座4的凹槽41周向布置，并预留第三窗口32，叠加后的抗冲击碟片1及缓冲垫片2通过螺栓固定在传载分瓣块31上直径为的圆孔中，且第一窗口11、第二窗口21与第三窗口32位置对齐，共同组成了动载光学测量窗口，光学测量设备对准该动载光学测量窗口，以获取待测试样的变形情况。待测试样放置在动态力传感器上方，并位于叠加后的抗冲击碟片1和缓冲垫片2通孔形成的圆柱形中，同时面向空气露出部分结构。

步骤104，对待测试样露出部分施加冲击载荷，待测试样在冲击载荷作用下压缩变形。

步骤106，通过动态力传感器获取冲击载荷数据，并通过辅助动载测试装置开设的动载光学测量窗口获取待测试样变形数据。

具体地，主要通过开设的动载光学测量窗口结合数字图像相关法获取待测试样变形数据。

其中一个实施例中，提供了一种动载测试设备，该动载测试设备包括本发明所提供的辅助动载测试装置。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种辅助动载测试装置，其特征在于，所述装置包括：固定支座，所述固定支座一侧设有凹槽；

所述固定支座的凹槽内固定有动态力传感器；

沿所述固定支座的凹槽周向布置传载构件，所述传载构件靠近冲击物一端上固定有抗冲击碟片；根据待测试样变形需求选择抗冲击碟片数量，并将各所述抗冲击碟片层叠，通过可拆卸方式固定在所述传载构件上；

所述抗冲击碟片具有通孔，所述通孔内径小于冲击物直径尺寸；在所述通孔内放置待测试样，所述待测试样一端与所述动态力传感器接触，另一端面向空气露出部分结构；

所述传载构件及所述抗冲击碟片侧边开设有动载光学测量窗口，以用于通过所述动载光学测量窗口获取待测试样变形数据；

所述抗冲击碟片与所述传载构件均采用高强度金属材质制备。

2.根据权利要求1所述的辅助动载测试装置，其特征在于，所述装置还包括缓冲垫片，所述缓冲垫片具有通孔，所述缓冲垫片置于所述传载构件与所述抗冲击碟片之间，并与所述抗冲击碟片轴心对齐，用于吸收冲击能量。

3.根据权利要求1或2所述的辅助动载测试装置，其特征在于，所述固定支座的凹槽上设有卡位，通过所述卡位固定动态力传感器。

4.根据权利要求1或2所述的辅助动载测试装置，其特征在于，所述传载构件由若干传载分瓣块组成，各所述传载分瓣块可拆卸固定在所述固定支座上。

5.根据权利要求4所述的辅助动载测试装置，其特征在于，所述传载分瓣块为弧形结构，包括分瓣主体及第一连接部；

所述分瓣主体高度方向与动态力传感器高度方向相同；

所述第一连接部设置在所述分瓣主体外侧底部，通过所述第一连接部将所述分瓣主体可拆卸固定在所述固定支座上。

6.根据权利要求2所述的辅助动载测试装置，其特征在于，所述动载光学测量窗口包括：在所述抗冲击碟片侧边开设的第一窗口、在所述缓冲垫片侧边开设的第二窗口以及在传载构件侧边开设的第三窗口；

所述第一窗口、所述第二窗口及所述第三窗口大小相适应且窗口位置对齐。

7.一种辅助动载测试方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的辅助动载测试装置，所述方法包括：

组装所述辅助动载测试装置，根据实验需求设置抗冲击碟片叠加层数；

在所述固定支座的凹槽上固定动态力传感器，并在所述动态力传感器上表面放置待测试样；所述待测试样位于若干抗冲击碟片叠加后形成的通孔内，并面向空气露出部分结构；

对所述待测试样露出部分施加冲击载荷，所述待测试样在冲击载荷作用下压缩变形；

通过所述动态力传感器获取冲击载荷数据，并通过所述动载光学测量窗口获取待测试样变形数据。

8.一种动载测试设备，其特征在于，所述设备包括权利要求1-6任一项所述辅助动载测试装置。