CN118111837A - 电磁螺旋驱动冲击原位测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁螺旋驱动冲击原位测试装置，属于材料微观原位测试领域。主要由箱体、电磁螺旋加速模块、试件装载模块、高速成像模块和红外成像模块等部分组成。电磁螺旋加速模块加速弹体，使弹体达到预期的冲击速度，并保证其冲击位置稳定；装载模块可通过调整平台调整倾角，改变压头冲击被测试件的角度，同时在被测试件背面通过声发射夹具装有声发射传感器，可通过声学信号获取被测试样表面裂纹生成及扩展情况；高速成像模块及红外成像模块可采集冲击过程中被测试件和压头的图像、速度、温度分布信息等。优点在于：将电磁驱动作为冲击压痕测试的驱动方案，速度范围大、且较为可控，结构新颖、体积适中，可实现良好的冲击效果。

Description

电磁螺旋驱动冲击原位测试装置

技术领域

本发明涉及材料微观力学性能测试领域，特别涉及一种电磁驱动、多变量动态冲击和“光学-红外-声发射”原位监测为一体电磁螺旋驱动冲击原位测试装置。本发明可实现在较小空间内对被测试件进行多角度的冲击压入试验，并通过多种原位监测手段对被测试件的表面性能进行表征，揭示材料在不同冲击速度和角度下的力学行为。

背景技术

材料微观力学性能测试在近些年来不断发展，受到各国政府和研究机构的高度关注。然而，此领域在静态及准静态方面的研究成果较多，但是由于某些材料处于高速冲击、高应变率等特殊工作环境下，仅靠单一的静态性能测试无法满足工程上材料的应用需求，而需通过特定的装置对材料进行冲击测试，实现动态加载，以获得材料在冲击载荷作用下的力学性能。

Hopkinson装置是目前较为常用的材料动态性能测试方法，其基本原理为冲击头被特定装置加速，获得较大动量后经由输入杆撞击被测试件，以实现动态压入。但该装置体积较大、材料加工要求高，且撞针不易更换、冲击角度不易调节、冲击速度范围较小，不适合用于材料的微观力学性能测试。因此，急需一套体积较小、易于搭建，可实现速度调节、压头类型变换和冲击角度调节的材料动态性能测试装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电磁螺旋驱动冲击原位测试装置，解决了现有技术存在的撞针不易更换、冲击角度不易调节、冲击速度范围较小等问题。本发明可实现调速及换头、角度调节和原位监测等操作。该装置主要通过调节电磁线圈电流来调节弹体的加速过程，进而实现对弹体速度的控制，也能同时更换压头类型；通过伸缩杆来调节圆台倾角，进而改变被测试件受冲击角度；由高速相机、红外成像仪、声发射传感器等测试装置共同实现对被测试件“光学-红外-声发射”原位测试，获取被测试件的表面性能信息，揭示材料在不同冲击速度和角度下的动态力学性能演化规律。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

电磁螺旋驱动冲击原位测试装置，包括箱体1、电磁螺旋加速模块2、试件装载模块6、高速成像模块3和红外成像模块4，所述电磁螺旋加速模块2安装在箱体1内的大理石隔振板5上，所述试件装载模块6安装在箱体1内壁，电磁螺旋加速模块2导轨末端与试件装载模块6的试件正中相对应，使弹体2.3在电磁加速后对试件的预期位置进行冲击压入测试，所述高速成像模块3和红外成像模块4分别悬挂于箱体1顶部，且可分别移动，进行冲击过程的原位监测。

所述的电磁螺旋加速模块2中螺旋管道2.1通过套在其上的电磁线圈2.5及固定圈2.7固定在大理石隔振板5上，电磁线圈2.5套在螺旋管道2.1的直线部分，固定圈2.7套在螺旋管道2.1的弧线部分的弧顶；螺旋管道2.1入口处安装有电控挡片2.4以阻挡弹体2.3，激活后电控挡片2.4缩回，弹体2.3进入螺旋管道开始试验；光电门传感器2.6装于电磁线圈2.5的顺时针方位，检测逆时针加速运动的弹体2.3；螺旋管道2.1后端通过内部卡扣与末端导轨2.8进行连接；弹体2.3直径应小于螺旋管道2.1直径及末端导轨2.8直径约10%，以便弹体2.3能够顺利转向的同时不影响其冲击姿态；弹体2.3和螺旋管道2.1之间应使用润滑脂进行润滑，以保证冲击测试过程正常进行；弹体2.3两端螺纹连接可更换的压头2.2。

所述的试件装载模块6固定在箱体1内壁，被测试件6.1镶嵌到圆台6.2上，圆台6.2通过螺钉及万向轴6.3与伸缩杆6.4连接，进而与底架6.5连接；声发射传感器6.6通过声发射夹具6.7吸附在圆台6.2后侧，与被测试件6.1相背；被测试件6.1倾角通过伸缩杆6.4进行调节，以获得不同冲击角度的冲击压痕。

所述的高速成像模块3由高速相机3.4、固定板34.3、伸缩组件34.2和悬挂平台34.1构成；高速相机3.4固定在固定板34.3上，进而与伸缩组件34.2和悬挂平台34.1相连，悬挂在箱体1顶端的悬挂杆1.1上；高速相机3.4实现五自由度的移动，聚焦在被测试件6.1被压的实验表面，对被测试件6.1实验过程中的情况进行实时记录及原位监测。

所述的红外成像模块4由红外成像仪4.4、固定板34.3、伸缩组件34.2和悬挂平台34.1构成；红外成像仪4.4固定在固定板34.3上，进而与伸缩组件34.2和悬挂平台34.1相连，悬挂在箱体1顶端的悬挂杆1.1上；红外成像仪4.4可实现五自由度的移动，聚焦在被测试件6.1被压的实验表面，对被测试件6.1实验过程中的情况进行实时记录及原位监测。

本发明的有益效果在于：本发明同时具备整体尺寸适中、冲击速度范围大、多压头类型、多冲击角度等特点。利用电磁驱动的优势来灵活调节冲击测试时压头的速度；将压头的安装变得更灵活，方便对其进行更换，以改变冲击压痕的类型；保持压头冲击过程不变，通过调整被测试件的倾角来实现对冲击角度的改变。本发明将电磁驱动作为冲击压痕测试的驱动方案，速度范围大、且较为可控，结构新颖、体积适中，可实现良好的冲击效果。为材料微观动态力学性能不同测试条件的实现及测试与电磁驱动的结合提供了一个新方法。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实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。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的箱体结构示意图；

图3为本发明的电磁螺旋加速模块示意图；

图4为本发明的高速成像模块示意图；

图5为本发明的红外成像模块示意图；

图6为本发明的试件装载模块示意图。

图中：1、箱体；1.1、悬挂杆；1.2、箱体门；2、电磁螺旋加速模块；2.1、螺旋管道；2.2、压头；2.3、弹体；2.4、电控挡片；2.5、电磁线圈；2.6、光电门传感器；2.7、固定圈；2.8、末端导轨；3、高速成像模块；34.1、悬挂平台；34.2、伸缩组件；34.3、固定板；3.4、高速相机；4、红外成像模块；34.1、悬挂平台；34.2、伸缩组件；34.3、固定板；4.4、红外成像仪；5、大理石隔振板；6、试件装载模块；6.1、被测试件；6.2、圆台；6.3、万向轴；6.4、伸缩杆；6.5、底架；6.6、声发射传感器；6.7、声发射夹具。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1至图6所示，本发明的电磁螺旋驱动冲击原位测试装置，由箱体1、电磁螺旋加速模块2、试件装载模块6、高速成像模块3及红外成像模块4组成。箱体1为各模块的安装提供支撑，电磁螺旋加速模块2加速弹体2.3达到预期速度进行冲击，试件装载模块6装载被测试件6.1调整至预期角度接受冲击，并安装有声发射传感器6.6采集声学信息，与高速成像模块3及红外成像模块4共同构成“光学-红外-声发射”一体的原位监测系统。

参见图3所示，电磁螺旋加速模块2的螺旋管道2.1通过电磁线圈2.5和固定圈2.7固定在箱体1底部的大理石隔振板5上，其中电磁线圈2.5安装在螺旋管道2.1直线部分，固定圈2.7安装在螺旋管道2.1弧线部分顶端；光电门传感器2.6安装在电磁线圈2.5的顺时针方位，检测到顺时针运动的弹体2.3后激活电磁线圈2.5；在螺旋管道2.1入口处安装了电控挡片2.4，可在箱体1外将其激活缩回；螺旋管道2.1后端通过卡扣连接有末端导轨2.8，末端导轨2.8置于大理石隔振板5上，保证弹体2.3能够冲击到被测试样预期位置；弹体2.3两头安装有不同种类的压头2.2，并可与配置的其他种类压头2.2更换。

参见图4所示，试件装载模块6的中心为被测试件6.1，其镶嵌在金属圆台6.2上，跟随圆台6.2进行多自由度的转动；圆台6.2与伸缩杆6.4、伸缩杆6.4与底架6.5之间均通过万向轴6.3进行连接，底架6.5固定在箱体1内壁；声发射传感器6.6通过声发射夹具6.7吸附在圆台6.2后侧，与被测试样相背。

参见图5和图6所示，分别是高速成像模块3和红外成像模块4，两模块主体为高速相机3.4和红外成像仪4.4，两者均通过固定板34.3与伸缩组件34.2相连；两模块均通过悬挂平台34.1悬挂于箱体1顶部的悬挂杆1.1上，悬挂平台34.1与伸缩组件34.2通过螺钉固定。

本发明的电磁螺旋驱动冲击原位测试装置在使用时，其工作过程具体如下：

打开箱体门1.2将被测试件6.1镶嵌于金属圆台6.2上，调整平台伸缩杆6.4长度，使平台倾斜至所需角度，并保证末端导轨2.8中心正对被测试件6.1预期冲击位置；调整高速成像模块3及红外成像模块4的位置与角度，使高速相机3.4和红外成像仪4.4聚焦到被测试件6.1表面，并调整好高速相机3.4、红外成像仪4.4和声发射传感器6.6的相关参数等待采集；选择本次测试所需压痕类型的压头2.2安装至弹体2.3上，并根据预期冲击速度，调整电磁线圈2.5加速电流；将电控挡板关闭，并将弹体2.3放至管道入口，关闭箱体门1.2。

触发高速相机3.4、红外成像仪4.4与声发射传感器6.6，开始采集；激活电控挡板，弹体2.3经过电磁线圈2.5开始进行多级加速，最终弹体2.3进入末端导轨2.8达到预期速度，携带压头2.2冲击被测试件6.1，冲击压痕形成；测试完成，停止高速相机3.4等原位测试组件采集，并记录所需信息。

待弹体2.3停止移动后，打开箱体门1.2，取出弹体2.3与被测试件6.1。

实施例

参见图1至图6所示，本发明提供一种电磁螺旋驱动冲击原位测试装置，由箱体1、电磁螺旋加速模块2、试件装载模块6、高速成像模块3和红外成像模块4等部分组成。电磁螺旋加速模块2加速弹体2.3，使弹体2.3达到预期的冲击速度，并保证其冲击位置稳定；试件装载模块6可通过调整平台调整倾角，改变压头2.2冲击被测试件6.1的角度，同时在被测试件背面通过声发射夹具6.7装有声发射传感器6.6，可通过声学信号获取被测试样表面裂纹生成及扩展情况；高速成像模块3及红外成像模块4可采集冲击过程中被测试件和压头的图像、速度、温度分布信息等。电磁螺旋加速模块2安装在箱体1内的大理石隔振板5上，试件装载模块6安装在箱体1内壁，电磁螺旋加速模块2导轨末端应正对试件装载模块6的试件正中，使弹体2.3在电磁加速后能对试件的预期位置进行冲击压入测试，高速成像模块3和红外成像模块4分别悬挂于箱体1顶部，可分别移动，进行冲击过程的原位监测。

箱体1侧面开有侧孔用于原位测试装置的数据传输，同时箱体1正面的两扇箱体门1.2均采用钢化玻璃制造，在冲击试验开始前要关闭箱体门1.2以保护试验人员安全。

电磁螺旋加速模块2安装在箱体1底部的大理石隔振板5上，其螺旋管道2.1通过电磁线圈2.5和固定圈2.7固定在大理石隔振板5上，其中在螺旋管道2.1的弧线部分之间加入直线部分进行过渡，同时便于安装电磁线圈2.5对弹体2.3进行加速，并且螺旋管道2.1的弧线部分顶端安装了固定圈2.7，辅助电磁线圈2.5进行螺旋管道2.1的固定，防止在加速过程中螺旋管道2.1产生位移；在螺旋管道2.1入口处安装了电控挡片2.4，在冲击实验开始前阻挡弹体2.3进入螺旋管道2.1，可在箱体1外将其激活开始试验；光电门传感器2.6安装在电磁线圈2.5的顺时针方位，检测到顺时针运动的弹体2.3后激活电磁线圈2.5；螺旋管道2.1后端通过卡扣连接有末端导轨2.8，末端导轨2.8置于大理石隔振板5上，保证弹体2.3能够冲击到被测试样预期位置，并便于测试完成后弹体2.3的回收；弹体2.3直径应小于螺旋管道2.1直径及末端导轨2.8直径约10%，以便弹体2.3能够顺利转向的同时不影响其冲击姿态；弹体2.3和螺旋管道2.1之间应采用润滑脂进行润滑，且使润滑脂充分覆盖弹体2.3行进范围即可，以免在加速过程中溅射到压头2.2和被测试件6.1表面影响测试；弹体2.3两头通过螺纹连接有不同种类的压头2.2，且压头2.2可进行更换，便于快速进行不同压头2.2类型的冲击试验。

试件装载模块6的底架6.5通过螺栓连接固定在箱体1内壁，底架6.5、伸缩杆6.4和圆台6.2之间分别通过万向轴6.3进行连接，通过伸缩杆6.4使圆台6.2能够实现多自由度的运动，进而改变镶嵌到圆台6.2上的被测试件6.1受冲击的角度，实现多角度的冲击压入试验；声发射传感器6.6安装在声发射夹具6.7中，夹具吸附于与被测试件6.1相背的圆台6.2背面，便于采集被测试件6.1受冲击后发出的声学信息。

高速成像模块3和红外成像模块4上分别装有高速相机3.4和红外成像仪4.4，两者分别通过固定板34.3连接在伸缩组件34.2顶端，可自由旋转；悬挂平台34.1穿过箱体1的悬挂杆1.1并与伸缩组件34.2进行连接；以上连接使高速相机3.4和红外成像仪4.4分别具有五个自由度，可三自由度旋转，并可沿悬挂杆1.1和伸缩组件34.2位移，使其聚焦在被测试件6.1表面，对冲击过程进行原位监测。

高速相机3.4拍摄整个冲击过程和压痕形成过程，并借此计算冲击速度；红外成像仪4.4记录冲击过程中压头2.2和被测试件6.1的温度变化；声发射传感器6.6探测冲击过程中裂纹的形成与扩展；三者配合使用，以完成整个过程的原位测试。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，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。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电磁螺旋驱动冲击原位测试装置，其特征在于：包括箱体(1)、电磁螺旋加速模块(2)、试件装载模块(6)、高速成像模块(3)和红外成像模块(4)，所述电磁螺旋加速模块(2)安装在箱体(1)内的大理石隔振板(5)上，所述试件装载模块(6)安装在箱体(1)内壁，电磁螺旋加速模块(2)导轨末端与试件装载模块(6)的试件正中相对应，使弹体(2.3)在电磁加速后对试件的预期位置进行冲击压入测试，所述高速成像模块(3)和红外成像模块(4)分别悬挂于箱体(1)顶部，且可分别移动，进行冲击过程的原位监测。

2.根据权利要求1所述的电磁螺旋驱动冲击原位测试装置，其特征在于：所述的电磁螺旋加速模块(2)中螺旋管道(2.1)通过套在其上的电磁线圈(2.5)及固定圈(2.7)固定在大理石隔振板(5)上，电磁线圈(2.5)套在螺旋管道(2.1)的直线部分，固定圈(2.7)套在螺旋管道(2.1)的弧线部分的弧顶；螺旋管道(2.1)入口处安装有电控挡片(2.4)以阻挡弹体(2.3)，激活后电控挡片(2.4)缩回，弹体(2.3)进入螺旋管道开始试验；光电门传感器(2.6)装于电磁线圈(2.5)的顺时针方位，检测逆时针加速运动的弹体(2.3)；螺旋管道(2.1)后端通过内部卡扣与末端导轨(2.8)进行连接；弹体(2.3)直径小于螺旋管道(2.1)直径及末端导轨(2.8)直径，以便弹体(2.3)能够顺利转向的同时不影响其冲击姿态；弹体(2.3)和螺旋管道(2.1)之间使用润滑脂进行润滑，以保证冲击测试过程顺利进行；弹体(2.3)两端螺纹连接可更换的压头(2.2)。

3.根据权利要求1所述的电磁螺旋驱动冲击原位测试装置，其特征在于：所述的试件装载模块(6)固定在箱体(1)内壁，被测试件(6.1)镶嵌到圆台(6.2)上，圆台(6.2)通过螺钉及万向轴(6.3)与伸缩杆(6.4)连接，进而与底架(6.5)连接；声发射传感器(6.6)通过声发射夹具(6.7)吸附在圆台(6.2)后侧，与被测试件(6.1)相背；被测试件(6.1)倾角通过伸缩杆(6.4)进行调节，以获得不同冲击角度的冲击压痕。

4.根据权利要求1所述的电磁螺旋驱动冲击原位测试装置，其特征在于：所述的高速成像模块(3)由高速相机(3.4)、固定板(34.3)、伸缩组件(34.2)和悬挂平台(34.1)构成；高速相机(3.4)固定在固定板(34.3)上，进而与伸缩组件(34.2)和悬挂平台(34.1)相连，悬挂在箱体(1)顶端的悬挂杆(1.1)上；高速相机(3.4)实现五自由度的移动，聚焦在被测试件(6.1)被压的实验表面，对被测试件(6.1)实验过程中的情况进行实时记录及原位监测。

5.根据权利要求1所述的电磁螺旋驱动冲击原位测试装置，其特征在于：所述的红外成像模块(4)由红外成像仪(4.4)、固定板(34.3)、伸缩组件(34.2)和悬挂平台(34.1)构成；红外成像仪(4.4)固定在固定板(34.3)上，进而与伸缩组件(34.2)和悬挂平台(34.1)相连，悬挂在箱体(1)顶端的悬挂杆(1.1)上；红外成像仪(4.4)可实现五自由度的移动，聚焦在被测试件(6.1)被压的实验表面，对被测试件(6.1)实验过程中的情况进行实时记录及原位监测。