CN117664761A - 一种考虑围压和动能回收的冲击试验系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用机械应力测试固体材料的强度特性的技术领域，其公开了一种考虑围压和动能回收的冲击试验系统包括承重台、冲击单元、输入杆、围压控制单元、输出杆、动能回收单元、电容和控制器，冲击单元、围压控制单元和动能回收单元均安装于承重台，输入杆和输出杆均可滑动地安装于承重台，围压控制单元中夹持有试样，输入杆和输出杆分别位于试样的两侧，输入杆与冲击单元相对应，输出杆与动能回收单元连接，冲击单元、控制器和动能回收单元均与电容连接，控制器分别与冲击单元、输入杆、输出杆、围压控制单元和动能回收单元连接。本发明在试验过程中能够更真实地模拟不同工作环境的围压条件，并高效回收产生的机械动能。

Description

一种考虑围压和动能回收的冲击试验系统及试验方法

技术领域

本发明涉及用机械应力测试固体材料的强度特性的技术领域，尤其涉及一种考虑围压和动能回收的冲击试验系统及试验方法。

背景技术

在材料工程、结构设计和防护设备领域，冲击试验是评估材料和结构性能的关键手段。然而，传统的冲击试验系统存在一些局限性，未能全面考虑试验环境的围压因素以及未能高效利用试验中产生的机械动能。

传统冲击试验系统通常在试验中未充分考虑围压环境，而实际工作条件下，材料和结构往往处于不同的压力环境中。这一缺陷可能导致试验结果与实际应用场景的差异，影响工程设计的准确性。因此，需要一种能够模拟不同围压条件下冲击的系统，以提高试验的真实性和适用性。

另一个传统冲击试验系统的挑战是未能高效地回收试验中产生的机械动能。在试验中产生的能量通常被浪费，而未能有效转换为可再利用的形式。这不仅浪费了能源资源，也增加了试验的环境负担。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种考虑围压和动能回收的冲击试验系统及试验方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种考虑围压和动能回收的冲击试验系统包括承重台、冲击单元、输入杆、围压控制单元、输出杆、动能回收单元、电容和控制器，所述冲击单元、所述围压控制单元和所述动能回收单元均安装于所述承重台，所述输入杆和所述输出杆均可滑动地安装于所述承重台，所述围压控制单元中夹持有试样，所述输入杆和所述输出杆分别位于所述试样的两侧，所述输入杆与所述冲击单元相对应，所述输出杆与所述动能回收单元连接，所述冲击单元、所述控制器和所述动能回收单元均与所述电容连接，所述控制器分别与所述冲击单元、所述输入杆、所述围压控制单元、所述输出杆和所述动能回收单元连接。

更优的选择，所述围压控制单元包括加压舱、压力表、阀门、加压泵、导向槽和摄像机，所述加压舱安装于所述承重台，所述试样夹持于所述加压舱的中部，所述导向槽安装于所述加压舱，所述导向槽位于所述试样的两侧，所述输入杆和所述输出杆均与所述导向槽连接，所述摄像机安装于所述加压舱并对准所述试样，所述压力表与所述加压舱连接，所述加压舱通过所述阀门与所述加压泵连接，所述加压泵、所述压力表和所述摄像机均与所述控制器连接。

更优的选择，所述加压舱采用亚克力材料制成。

更优的选择，所述动能回收单元包括保护壳、第二永磁铁、第二铜线圈和压电陶瓷发电器，所述保护壳安装于所述承重台，所述第二铜线圈缠绕于所述输出杆，所述第二永磁铁安装于所述保护壳并设置于所述第二铜线圈的外周，所述输出杆位于所述压电陶瓷发电器的侧方，所述第二铜线圈和所述压电陶瓷发电器均与所述电容连接，所述第二铜线圈与所述控制器连接。

更优的选择，所述冲击单元包括电磁加速器、第一铜线圈、第一永磁铁和撞击杆，所述电磁加速器安装于所述承重台，所述撞击杆安装于所述电磁加速器，所述第一铜线圈缠绕于所述撞击杆，所述第一永磁铁位于所述第一铜线圈的外周，所述第一铜线圈与所述控制器连接，所述电磁加速器分别与所述电容和所述控制器连接，所述撞击杆与所述输入杆相对应。

更优的选择，还包括稳压器，所述电磁加速器通过所述稳压器与所述电容连接。

更优的选择，所述承重台包括多根承台柱和所述平台，多根所述承台柱安装于所述平台的底部，所述冲击单元、所述围压控制单元和所述动能回收单元均安装于所述平台的顶部，所述输入杆和所述输出杆可滑动地安装于所述平台。

更优的选择，还包括外部能量回收接口，所述电容与所述外部能量回收接口连接。

一种考虑围压和动能回收的冲击试验方法包括以下步骤：

S1、将试样安装于围压控制单元内，对冲击试验系统进行调试并设置参数，该冲击试验系统为所述一种考虑围压和动能回收的冲击试验系统；

S2、控制器启动围压控制单元，实时监测压力表的压力值并调整试样的围压，从而模拟试样在工作环境下的围压条件；

S3、控制器控制冲击单元的电磁加速器对输入杆进行冲击，对冲击单元的撞击杆的动能进行采集得到第一动能，并将第一动能反馈给控制器，然后撞击杆冲击输入杆，对输入杆进行采集得到第一应力和第一应变，并将第一应力和第一应变反馈给控制器，最后输入杆冲击试样，摄像机实时监测试样的冲击力和冲击应变的变化；

S4、受到冲击的试样冲击输出杆，对输出杆进行采集得到第二应力和第二应变并反馈给控制器，动能回收单元对输出杆的动能进行采集得到第二动能，并将第二动能反馈给控制器，动能回收单元对输出杆的动能回收并转换为电能，动能回收单元将电能传输到电容中并储存；

S5、通过步骤S3的第一应力和第一应变、步骤S4的第二应力和第二应变进行分析得到试样的应变应力关系，通过步骤S3的第一动能、步骤S4的第二动能和电能进行计算得到动能回收总量和回收效率。

更优的选择，步骤S1的参数包括冲击速度和围压水平。

本发明相对现有技术具有以下优点及有益效果：

一种考虑围压和动能回收的冲击试验系统及试验方法旨在克服传统冲击试验系统的局限性，综合考虑围压和动能回收两大关键因素。通过引入围压控制单元和动能回收单元，本冲击试验系统在试验过程中能够更真实地模拟不同工作环境的围压条件，并高效回收产生的机械动能，这一创新性系统将为工程领域的研究者和从业者提供一种全新的、高效的冲击试验手段，有望在未来的科学研究和实际工程中产生深远的影响。

附图说明

图1是本发明一种考虑围压和动能回收的冲击试验系统的示意图；

图2是本发明一种考虑围压和动能回收的冲击试验系统的动能回收单元示意图；

图3是本发明一种考虑围压和动能回收的冲击试验系统的围压控制单元示意图；

附图中各部件的标记：1-电磁加速器；2-平台；3-承台柱；4-撞击杆；5-输入杆；6-加压泵；7-摄像机；8-输出杆；9-动能回收单元；10-控制器；11-电容；12-能量回收接口；13-稳压器；14-第二永磁铁；15-第二铜线圈；16-压电陶瓷发电器；17-固定螺栓；18-导向槽；19-阀门；20-加压舱；21-压力表；22-试样。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述,实施例不能在此一一赘述,但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

如图1所示，一种考虑围压和动能回收的冲击试验系统包括承重台、冲击单元、输入杆5、围压控制单元、输出杆8、动能回收单元9、电容11、稳压器13和控制器10。冲击单元、围压控制单元和动能回收单元9均固定安装在承重台上。输入杆5和输出杆8均安装在承重台上，输入杆5和输出杆8均能相对于承重台左右滑动，并与围压控制单元的两侧滑动连接。围压控制单元中夹持有试样22，输入杆5和输出杆8均对准于试样22的两侧，冲击单元的撞击杆4对准于输入杆5的左端。输出杆8的右端嵌入于动能回收单元9。输入杆5和输出杆8均设有应力应变传感器，应力应变传感器通过无线网络与控制器10连接。控制器10能够调整冲击单元的冲击速度并控制其启动，能够让动能回收单元9与围压控制单元协同工作，可以调节围压控制单元的加压泵6对试样22的围压大小。电容11通过稳压器13为冲击单元的电磁加速器1提供电能，电容11为控制器10提供电能，电容11并将多余的电能通过外部能量回收接口12向外界传输。动能回收单元9所回收的电能传输到电容11中储存。

承重台起到支架作用，为各个单元提供一个水平的平台2。冲击单元受到控制器10的控制，并在控制器10的命令下以一定的冲击速度对输入杆5进行撞击，并采集撞击杆的第一动能。输入杆5用于传动，让冲击力精准地落入到试样22中。输入杆5内部设有应力应变传感器，可以测量输入杆5的第一应力和第一应变。围压控制单元可以根据实际应用需求调整试样22周围的气体或液体压力，为试验提供了更加真实和可控的环境。输出杆8也设有应力应变传感器，通过应力应变传感器能够检测输出杆8的第二应力和第二应变，并反馈给控制器，并将冲击力转移到动能回收单元9内。动能回收单元9能够将冲击试验期间产生的机械动能高效地转化为电能，提高了试验能源的利用效率。电容11为冲击单元、围压控制单元和控制器10提供电能。稳压器13可以将电容11转换为稳定电流。控制器10为计算机，控制器10设置有数据采集模块（数据采集模块可以在现有市场中购买所得），能够设置冲击单元和围压控制单元的参数，并能收集并处理冲击单元、输入杆5、围压控制单元、输出杆8和动能回收单元9的数据。

冲击单元的撞击杆4的初始速度对应第一动能（），输出杆8的初始速度对应第二动能（/>），均会通过电磁感应进行记录，两者的差值即为实际吸收动能（/>），同时，输出杆8的动能代表即将被回收动能，通过记录高存储电容11的电能回收量（/>）可以计算出回收效率（/>）。具体计算公式如下：

如图2所示，动能回收单元9包括保护壳（图中未显示）、第二永磁铁14、第二铜线圈15和压电陶瓷发电器16。第二铜线圈15缠绕于输出杆8右端的外周，第二铜线圈15的两端与电容11连接，第二铜线圈15与控制器10连接，并实现与围压控制单元的协同工作。保护壳通过固定螺栓安装在承重台上，第二永磁铁14安装在保护壳的内侧，第二永磁铁14设置在输出杆8的外周，第二铜线圈15在第二永磁铁14的范围内左右滑动。输出杆8右端的端部对准着压电陶瓷发电器16的左侧面，输出杆8受到冲击时会撞击压电陶瓷发电器16，压电陶瓷发电器16通过电线与电容11连接。

第二铜线圈15用于监测输出杆8的第二动能，并将第二动能反馈给控制器，第二铜线圈15切割第二永磁铁14的磁感线从而产生电流。压电陶瓷发电器16可以在现有市场中购买所得，输出杆8撞击压电陶瓷发电器16，通过压电效应将剩余的输出杆8的动能转换为电能。

如图3所示，围压控制单元包括加压舱20、压力表21、阀门19、加压泵6、导向槽18和摄像机7。加压舱20采用透明的亚克力材料制成，可以让试验者观察到试样22在试验中的情况，加压舱20通过固定螺栓17固定安装在承重台上。加压舱20的中部设有环绕的加压孔，试样22放置在加压孔上，加压舱20的顶部通过阀门19与加压泵6连接，通过控制加压泵6来控制液体或者气体的压强，从而实现控制试样22夹持的压力。压力表21安装在加压舱20的顶部，压力表21与控制器10连接。摄像机7安装在加压舱20的底部，摄像机7与控制器10连接。在试样22的两侧设置有导向槽18，两个导向槽18均安装在加压舱20内。输入杆5与导向槽18之间和输出杆8与导向槽18之间均涂抹有封闭润滑油，以便于杆件在沿着导向槽18运动时不受摩擦力影响。

加压舱20用于以一定压力夹持试样22，并方便使用者观察试验过程。压力表21用于实时监测加压舱20的液压或者气压，并将压力值反馈给控制器10。阀门19用于控制加压舱20内的液压大小或者气压大小。加压泵6为加压舱20提供液压或者气压，以实现加压舱20夹持试样22。导向槽18对输入杆5和输出杆8的冲击提供导向。摄像机7可以透过加压舱20记录试样22在撞击过程中的应变响应，避免了接触式测量对试验数据真实性的影响。

如图1所示，冲击单元包括电磁加速器1、第一铜线圈、第一永磁铁和撞击杆4。电磁加速器1通过固定螺栓17安装在承重台上，并位于承重台的最左侧。电容11通过稳压器13为电磁加速器1提供电能，电磁加速器1受到控制器10的控制，撞击杆4安装在电磁加速器1上，撞击杆4对准着输入杆5的左端。第一铜线圈缠绕在撞击杆的外周，第一铜线圈与控制器10连接。第一铜线圈、第一永磁铁和撞击杆4的结构关系与第二永磁铁14、第二铜线圈15和输出杆8的结构关系相似。第一永磁铁设置于第一铜线圈的外周，第一永磁铁安装在电磁加速器1的壳体内。

电磁加速器1用于驱动撞击杆4向右冲击，撞击杆4用于撞击输入杆5。第一铜线圈与第一永磁铁配合监测撞击杆4的第一动能，第一铜线圈将第一动能反馈给控制器。

承重台包括多根承台柱3和平台2，多根承台柱3均匀安装在平台2的底部，冲击单元、围压控制单元和动能回收单元9通过固定螺栓17固定安装在平台2的顶部，输入杆5和输出杆8可滑动地安装在平台2上，输入杆5位于冲击单元和围压控制单元之间，输出杆8位于围压控制单元和动能回收单元9之间。

一种考虑围压和动能回收的冲击试验方法包括以下步骤：

S1、在试验前，将试样22安装在围压控制单元内，并对冲击试验系统进行调试，通过控制器10设置参数，该冲击试验系统为一种考虑围压和动能回收的冲击试验系统；参数包括冲击速度、试验模式和围压水平，控制器10对电磁加速器1设置冲击速度，围压水平为控制器10对围压控制单元设定液压大小或者气压大小。

S2、冲击试验系统调试和设定好参数后，控制器10启动围压控制单元，实时监测压力表21的压力值并调整气体或者液体的压力，模拟试样22在工作环境下的围压条件；该步骤确保试验更加真实地反映出实际应用场景中可能存在的压力环境，提高试验结果的逼真性。通过压力表自动读取压力值进行调整校正，直至所需围压水平并准备进入冲击试验阶段。

S3、控制器10启动冲击单元的电磁加速器1推动撞击杆4，第一铜线圈采集撞击杆4的动能得到第一动能。然后撞击杆4撞击输入杆5，输入杆5上的应力应变传感器对输入杆5进行采集，得到第一应力和第一应变，应力应变传感器并将第一应力和第一应变反馈到控制器10。输入杆5对试样22进行冲击，摄像机7实时记录试样22在撞击过程中的应力和应变响应的变化。

S4、试样22冲击输出杆8，输出杆8的应力应变传感器进行采集得到第二应力和第二应变，并将第二应力和第二应变反馈给控制器10。动能回收单元9的第二铜线圈15采集输出杆8的动能得到第二动能，并将第二动能反馈给控制器。动能回收单元9对输出杆8的动能回收并转换为电能，动能回收单元9将电能传输到电容11中并储存；这一步骤不仅有助于减少对外部电源的依赖，还提高了试验的能源利用效率，使得试验过程更加环保和可持续。

S5、通过步骤S3的第一应力和第一应变、步骤S4的第二应力和第二应变进行分析得到试样的应变应力关系（包括动态性能、强度和结构响应），应变应力关系可以与步骤S3的摄像机7提供的应力和应变响应的变化互相验证。控制器10通过步骤S3的第一动能、步骤S4的第二动能和电能进行计算得到动能回收总量和回收效率。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种考虑围压和动能回收的冲击试验系统，其特征在于：包括承重台、冲击单元、输入杆、围压控制单元、输出杆、动能回收单元、电容和控制器，所述冲击单元、所述围压控制单元和所述动能回收单元均安装于所述承重台，所述输入杆和所述输出杆均可滑动地安装于所述承重台，所述围压控制单元中夹持有试样，所述输入杆和所述输出杆分别位于所述试样的两侧，所述输入杆与所述冲击单元相对应，所述输出杆与所述动能回收单元连接，所述冲击单元、所述控制器和所述动能回收单元均与所述电容连接，所述控制器分别与所述冲击单元、所述输入杆、所述围压控制单元、所述输出杆和所述动能回收单元连接。

2.根据权利要求1所述的一种考虑围压和动能回收的冲击试验系统，其特征在于：所述围压控制单元包括加压舱、压力表、阀门、加压泵、导向槽和摄像机，所述加压舱安装于所述承重台，所述试样夹持于所述加压舱的中部，所述导向槽安装于所述加压舱，所述导向槽位于所述试样的两侧，所述输入杆和所述输出杆均与所述导向槽连接，所述摄像机安装于所述加压舱并对准所述试样，所述压力表与所述加压舱连接，所述加压舱通过所述阀门与所述加压泵连接，所述加压泵、所述压力表和所述摄像机均与所述控制器连接。

3.根据权利要求2所述的一种考虑围压和动能回收的冲击试验系统，其特征在于：所述加压舱采用亚克力材料制成。

4.根据权利要求1所述的一种考虑围压和动能回收的冲击试验系统，其特征在于：所述动能回收单元包括保护壳、第二永磁铁、第二铜线圈和压电陶瓷发电器，所述保护壳安装于所述承重台，所述第二铜线圈缠绕于所述输出杆，所述第二永磁铁安装于所述保护壳并设置于所述第二铜线圈的外周，所述输出杆位于所述压电陶瓷发电器的侧方，所述第二铜线圈和所述压电陶瓷发电器均与所述电容连接，所述第二铜线圈与所述控制器连接。

5.根据权利要求2所述的一种考虑围压和动能回收的冲击试验系统，其特征在于：所述冲击单元包括电磁加速器、第一铜线圈、第一永磁铁和撞击杆，所述电磁加速器安装于所述承重台，所述撞击杆安装于所述电磁加速器，所述第一铜线圈缠绕于所述撞击杆，所述第一永磁铁位于所述第一铜线圈的外周，所述第一铜线圈与所述控制器连接，所述电磁加速器分别与所述电容和所述控制器连接，所述撞击杆与所述输入杆相对应。

6.根据权利要求5所述的一种考虑围压和动能回收的冲击试验系统，其特征在于：还包括稳压器，所述电磁加速器通过所述稳压器与所述电容连接。

7.根据权利要求1所述的一种考虑围压和动能回收的冲击试验系统，其特征在于：所述承重台包括多根承台柱和平台，多根所述承台柱安装于所述平台的底部，所述冲击单元、所述围压控制单元和所述动能回收单元均安装于所述平台的顶部，所述输入杆和所述输出杆可滑动地安装于所述平台。

8.根据权利要求1所述的一种考虑围压和动能回收的冲击试验系统，其特征在于：还包括外部能量回收接口，所述电容与所述外部能量回收接口连接。

9.一种考虑围压和动能回收的冲击试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、将试样安装于围压控制单元内，对冲击试验系统进行调试并设置参数，该冲击试验系统为权利要求5或6所述的一种考虑围压和动能回收的冲击试验系统；

S2、控制器启动围压控制单元，实时监测压力表的压力值并调整试样的围压，从而模拟试样在工作环境下的围压条件；

S3、控制器控制冲击单元的电磁加速器对输入杆进行冲击，对冲击单元的撞击杆的动能进行采集得到第一动能，并将第一动能反馈给控制器，然后撞击杆冲击输入杆，对输入杆进行采集得到第一应力和第一应变，并将第一应力和第一应变反馈给控制器，最后输入杆冲击试样，摄像机实时监测试样的冲击力和冲击应变的变化；

S4、受到冲击的试样冲击输出杆，对输出杆进行采集得到第二应力和第二应变并反馈给控制器，动能回收单元对输出杆的动能进行采集得到第二动能，并将第二动能反馈给控制器，动能回收单元对输出杆的动能回收并转换为电能，动能回收单元将电能传输到电容中并储存；

S5、通过步骤S3的第一应力和第一应变、步骤S4的第二应力和第二应变进行分析得到试样的应变应力关系，通过步骤S3的第一动能、步骤S4的第二动能和电能进行计算得到动能回收总量和回收效率。

10.根据权利要求9所述的一种考虑围压和动能回收的冲击试验方法，其特征在于：步骤S1的参数包括冲击速度和围压水平。