CN209148459U - 一种测试二维结构材料抗冲击性能的动态实验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种测试二维结构材料抗冲击性能的动态实验系统。包括：气压腔体和与所述气压腔体的进气口连通的气源；枪管，且所述枪管的一端与所述气压腔体的出气口连通，所述枪管的另一端开放形成弹丸出口；用于固定测试试样的固定装置；用于拍摄固定在所述固定装置上的试样的第一摄像机；用于监测弹丸穿过所述试样前后的速度的测速装置。该测试二维结构材料抗冲击性能的动态实验系统可以有效地实现测试二维结构材料在人身防护领域的动态力学性能。

Description

一种测试二维结构材料抗冲击性能的动态实验系统

技术领域

本实用新型涉及冲击动力学技术领域，更具体地说，涉及一种测试二维结构材料抗冲击性能的动态实验系统。

背景技术

随着纤维增强金属复合材料、石墨烯等先进二维复合材料制备工艺的发展，测试技术也逐渐进步。对于新材料的研究，大部分工作都集中在准静态领域，但这些新型二维结构材料因其优异的比强度和比吸能特性，在安全防护领域获得广泛的应用。

现有技术中，分离式Hopkinson杆于实验室广泛的用来测试材料的动态力学性能，但是上述分离式Hopkinson杆的速度测试范围较低，而安全防护领域的研究又常常涉及到四五百米每秒的子弹打击速度，二维结构材料在微观尺度下优异的抗弹性能也促使了多尺度方面的研究，其穿透效果以及吸能特性的研究在人身防护领域也显得至关重要。

综上所述，如何有效地实现测试二维结构材料在人身防护领域的动态力学性能，是目前本领域技术人员急需解决的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种测试二维结构材料抗冲击性能的动态实验系统，该测试二维结构材料抗冲击性能的动态实验系统可以有效地实现测试二维结构材料在人身防护领域的动态力学性能。

为了达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种测试二维材料抗冲击性能的动态实验系统，包括：

气压腔体和与所述气压腔体的进气口连通的气源；

枪管，且所述枪管的一端与所述气压腔体的出气口连通，所述枪管的另一端开放形成弹丸出口；

用于固定测试试样的固定装置；

用于拍摄固定在所述固定装置上的试样的第一摄像机；

用于监测弹丸穿过所述试样前后的速度的测速装置。

优选地，上述测试二维材料抗冲击性能的动态实验系统中，所述枪管的侧壁上设置有供弹丸穿过的加弹孔和能够与所述加弹孔密封配合的密封板。

优选地，上述测试二维材料抗冲击性能的动态实验系统中，还包括能量吸收装置，其用于吸收穿过所述固定装置上的试样后的弹丸的能量。

优选地，上述测试二维材料抗冲击性能的动态实验系统中，所述枪管包括多段依次连接的分段管，相邻的两段所述分段管之间通过螺纹连接，且相邻的两段所述分段管之间设置有密封圈以防止漏气，

所述枪管的内径为0.9㎜～9㎜。

优选地，上述测试二维材料抗冲击性能的动态实验系统中，所述测速装置为第二摄像机或者测速仪。

优选地，上述测试二维材料抗冲击性能的动态实验系统中，还包括设置在所述固定装置上的试样的背离所述枪管的一侧的电阻应变片。

优选地，上述测试二维材料抗冲击性能的动态实验系统中，还包括用于测量所述固定装置上的试样的温度场的红外测温仪。

优选地，上述测试二维材料抗冲击性能的动态实验系统中，还包括用于测量所述固定装置上的试样瞬时速度的激光干涉测速装置。

优选地，上述测试二维材料抗冲击性能的动态实验系统中，还包括设置在所述固定装置上的试样的一侧的平面镜，所述第一摄像机通过所述平面镜拍摄所述试样的变化。

优选地，上述测试二维材料抗冲击性能的动态实验系统中，所述固定装置包括两个空心夹板，两个所述空心夹板能够夹紧固定所述试样。

应用本实用新型提供的测试二维材料抗冲击性能的动态实验系统时，首先将弹丸置于枪管内部，将待测试试样固定安装在固定装置上，将枪管和固定装置上的试样相对设置，第一摄像机和测速装置摆放至合适的位置。然后，通过气源给气压腔体供气，使气压腔体内的气压值升至目标气压值后，气压腔体放气，高压气体瞬间释放以驱动枪管中的弹丸高速移动，弹丸从枪管另一端的弹丸出口射出，最终射穿试样。同时，第一摄像机记录固定装置上的试样的变化，以分析试样的应变场。通过测速装置测出弹丸穿过试样之前的速度以及穿过试样之后的速度，进而得出弹丸穿过试样前后的速度变化，以得出试样的能量吸收效率。

由上可知，使用本实用新型提供的测试二维结构材料抗冲击性能的动态实验系统时，通过设定目标气压值，能够调节弹丸射出的速度，弹丸射出的速度能达到50m/s～500m/s，安全防护领域的研究常常涉及到几百米每秒的子弹或者破片打击速度，因此本实用新型提供的测试二维材料抗冲击性能的动态实验系统能在分离式Hopkinson杆的基础上使弹丸达到较高的速度，能够实现测试二维结构材料在人身防护领域的动态力学性能。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型第二种实施例提供的测试二维材料抗冲击性能的动态实验系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的枪管上加弹孔位置的侧视图；

图3为本实用新型实施例提供的枪管上加弹孔位置的俯视图；

图4为本实用新型实施例提供的枪管上固定装置的结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的枪管上固定装置的侧视。

在图1-5中：

1-气压腔体、2-枪管、2a-加弹孔、2b-分段管、2c-密封板、3-弹丸、4-固定装置、4a-空心夹板、5-试样、6-平面镜、7-能量吸收装置、9-第一摄像机、 10-接头、11-测速仪、12-电阻应变片。

具体实施方式

本实用新型的目的在于提供一种测试二维材料抗冲击性能的动态实验系统，该测试二维结构材料抗冲击性能的动态实验系统可以有效地实现测试二维结构材料在人身防护领域的动态力学性能。

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”和“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的位置或元件必须具有特定方位、以特定的方位构成和操作，因此不能理解为本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参阅图1-图5，本实用新型实施例提供的测试二维结构材料抗冲击性能的动态实验系统包括气压腔体1、气源、枪管2、固定装置4、第一摄像机9 和测速装置。其中，气源与气压腔体1的进气口连通，即气源能够给气压腔体1内部供气，以使气压腔体1内部形成高压状态。枪管2的一端与气压腔体1的出气口连通，枪管2的另一端开放形成弹丸3出口。固定装置4能够固定安装测试试样5，测试的试样5一般为膜状，膜状试样5安装在固定装置 4上即可。第一摄像机9能够拍摄固定在固定装置4上的试样5，以记录固定装置4上的试样5的变化，第一摄像机9应该为高速摄像机。测速装置能够监测弹丸3穿过固定装置4上的试样5前后的速度，通过测速装置测出弹丸3 穿过试样5之前的速度以及穿过试样5之后的速度，进而得出弹丸3穿过试样5前后的速度变化。

应用本实用新型实施例提供的测试二维材料抗冲击性能的动态实验系统时，首先将弹丸3置于枪管2内部，将待测试试样5固定安装在固定装置4 上，将枪管2和固定装置4上的试样5相对设置，第一摄像机9和测速装置摆放至合适的位置。然后，通过气源给气压腔体1供气，使气压腔体1内的气压值升至目标气压值后，气压腔体1放气，高压气体瞬间释放以驱动枪管2 中的弹丸3高速移动，弹丸3从枪管2另一端的弹丸3出口射出，最终射穿试样5。同时，第一摄像机9记录固定装置4上的试样5的变化，即第一摄像机9记录弹丸3瞬态撞击试样5的过程，以分析试样5的应变场和应力波的传播。为了便于观察试样5可以采用数字散斑技术，即在试样5表面喷好均匀分布的散斑。通过测速装置测出弹丸3穿过试样5之前的速度以及穿过试样5之后的速度，进而得出弹丸3穿过试样5前后的速度变化，以得出试样5 的能量吸收效率。

由上可知，使用本实用新型实施例提供的测试二维材料抗冲击性能的动态实验系统时，通过设定目标气压值，能够调节弹丸3射出的速度，弹丸3 射出的速度能达到500m/s，安全防护领域的研究常常涉及到几百米每秒的子弹或者破片打击速度，因此本实用新型提供的测试二维结构材料抗冲击性能的动态实验系统能使弹丸3达到安全防护领域的子弹速度，能够实现测试二维结构材料在人身防护领域的动态力学性能。

需要说明的是，试样5的朝向枪管2的一侧为正面，试样5背离枪管2的一侧为背面。根据拍摄需求可以调整第一摄像机9的位置，以使第一摄像机9记录固定装置4上的试样5正面的变化或者背面的变化，在此不作限定。

弹丸3的质量可以为10g，当然也可以为其它质量，在此不作限定。

进一步地，为了便于将弹丸3放进枪管2中，枪管2的侧壁上还可以设置有供弹丸3穿过的加弹孔2a和能够与加弹孔2a密封配合的密封板2c。如此设置，测试前可以将弹丸3通过加弹孔2a放入枪管2内，然后密封板2c与枪管2固定连接，以使密封板2c与加弹孔2a密封配合，防止试验过程中漏气。其中，密封板2c与枪管2可以通过螺钉固定连接，或者密封板2c与枪管2也可以相互卡接，在此不作限定。

在另一具体实施例中，上述动态实验系统还包括能量吸收装置7，能量吸收装置7能够吸收穿过固定装置4上的试样5后的弹丸3的能量。具体地，能量吸收装置7内部可以设置缓冲物质，穿过试样5的弹丸3进入能量吸收装置7的缓冲物质内，逐渐停止移动，实现了吸收弹丸3的能量，以免弹丸3 存在安全隐患。

根据实际情况可以设置枪管2的长度，如图2所示，枪管2可以包括多段依次连接的分段管2b，相邻的两段分段管2b之间通过螺纹连接，且相邻的两段所述分段管2b之间设置有密封圈以防止漏气。相邻的两段分段管2b与枪管2之间也可以通过接头10固定连接。

具体地，枪管2可以包括四根分段管2b，四根分段管2b分别为第一级枪管、第二级枪管、第三级枪管和第四级枪管。枪管2的总长度可以大于6m，当然枪管2的总长度也可以为0-6m，较长的枪管2加速段可使弹丸3达到更高的出枪速度，从弹丸3出口射出的弹丸3的速度范围50m/s～500m/s，弹丸 3出枪后，不再加速，以近乎恒定的速度飞行。具体的枪管2的内径可略大于弹丸3的直径，具体为9㎜。

另外，为了实现细观尺度的冲击动力学测试实验，枪管2的内径可以为 0.9㎜～9㎜，同时腔体以及枪管的长度相应的缩小，具体的枪管2的内径可略大于弹丸3的直径，具体为0.9mm。

当然，枪管2的内径也可以为大于9mm的任意值，以实现宏观尺度的冲击动力学测试实验，根据实际情况设定枪管2的内径即可，在此不作限定。

在细观0.9mm枪管直径下，弹丸直径较小，测速装置为第二摄像机或者测速仪11。第二摄像机8也应该为高速摄像机。分析第二摄像机8记录的影像可以得出弹丸3穿过试样5之前的速度以及穿过试样5之后的速度。同时可通过第二摄像机8进行速度与着靶姿态标定，

为了能够测试得出试样5某个位置的应力-时间状态，还可以在固定装置 4上的试样5的背离枪管2的一侧设置电阻应变片12。即在固定装置4上的试样5的背面设置电阻应变片12，电阻应变片12可以位于试样5背面的任意位置，在此不作限定。

另外，为了能够测试得出固定装置4上的试样5的温度场的变化，还可以包括用于测量固定装置4上的试样5的温度场的红外测温仪。

优选地，上述测试二维结构材料抗冲击性能的动态实验系统中，还包括用于测量固定装置上的试样瞬时速度的激光干涉测速装置。

为了避免高度行驶的弹丸3打碎第一摄像机9，上述动态实验系统还可以包括设置在固定装置4上的试样5的一侧的平面镜6，第一摄像机9通过平面镜6拍摄试样5的变化。即平面镜6可以设置在固定装置4上的试样5背离枪管2的一侧，即平面镜6可以设置在固定装置4上的试样5的背面，第一摄像机9直接拍摄平面镜6，利用平面镜6反射，通过第一摄像机9记录试样 5背面的应力波传播以及失效穿透的过程，采用同样的原理，可以记录试样5 前表面的破坏过程。

具体地，平面镜6可以相对于弹丸3的行驶方向和第一摄像机9的拍摄方向均成45°角倾斜设置。弹丸3的行驶方向和第一摄像机9的拍摄方向相互垂直设置。

如图5所示，在另一具体实施例中，固定装置4包括两个空心夹板4a，两个空心夹板4a能够夹紧固定试样5。两个空心夹板4a之间可以通过螺栓固定连接以夹紧试样5。当然，固定装置4还可以为其它结构，在此不作限定。

综上所述，本实用新型提供的测试二维结构材料抗冲击性能的动态实验系统的具体工作过程为：

A、将喷好散斑的试样5安放在固定装置4上，四周夹紧试样5；

B、将弹丸3填装入枪管2和腔体的连接处，利用密封板2c加以密封，以免漏气；

C、将平面镜6安装在合适的位置，架设第一摄像机9；

D、打开气源给气压腔体1充气，达到目标气压值时自动放气；

E、高压气体在突然间释放，推动弹丸3通过枪管2加速；

F、出膛后的弹丸3速度通过入射测速仪测量，弹丸3以初始速度打击试样5，穿透试样5后的弹丸3速度通过出射测速仪测量，通过弹丸3穿透试样 5前后的速度值可以得出试样5的能量吸收效率；

G、在穿透过程中，使用第一摄像机9记录试样5背面穿透的变形过程，分析其应变场；

H、在穿透过程中，采用电阻应变片12检测试样5某点的应力-时间状态；

I、在穿透过程中，利用多点红外测温仪检测试样温度场的变化；

J、保存数据，关闭电源，回收试样5。

需要说明的是，枪管2、气压腔体1等部件可以用支架支撑固定。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种测试二维结构材料抗冲击性能的动态实验系统，其特征在于，包括：

气压腔体(1)和与所述气压腔体(1)的进气口连通的气源；

枪管(2)，且所述枪管(2)的一端与所述气压腔体(1)的出气口连通，所述枪管(2)的另一端开放形成弹丸(3)出口；

用于固定测试试样(5)的固定装置(4)；

用于拍摄固定在所述固定装置(4)上的试样(5)的第一摄像机(9)；

用于监测弹丸(3)穿过所述试样(5)前后的速度的测速装置。

2.根据权利要求1所述的测试二维结构材料抗冲击性能的动态实验系统，其特征在于，所述枪管(2)的侧壁上设置有供弹丸(3)穿过的加弹孔(2a)和能够与所述加弹孔(2a)密封配合的密封板(2c)。

3.根据权利要求1所述的测试二维结构材料抗冲击性能的动态实验系统，其特征在于，还包括能量吸收装置(7)，其用于吸收穿过所述固定装置(4)上的试样(5)后的弹丸(3)的能量。

4.根据权利要求1所述的测试二维结构材料抗冲击性能的动态实验系统，其特征在于，所述枪管(2)包括多段依次连接的分段管(2b)，相邻的两段所述分段管(2b)之间通过螺纹连接，且相邻的两段所述分段管(2b)之间设置有密封圈以防止漏气，

所述枪管(2)的内径为0.9mm～9mm。

5.根据权利要求1所述的测试二维结构材料抗冲击性能的动态实验系统，其特征在于，所述测速装置为第二摄像机(8)或者测速仪(11)。

6.根据权利要求1所述的测试二维结构材料抗冲击性能的动态实验系统，其特征在于，还包括设置在所述固定装置(4)上的试样(5)的背离所述枪管(2)的一侧的电阻应变片(12)。

7.根据权利要求1所述的测试二维结构材料抗冲击性能的动态实验系统，其特征在于，还包括用于测量所述固定装置(4)上的试样(5)的温度场的红外测温仪。

8.根据权利要求1所述的测试二维结构材料抗冲击性能的动态实验系统，其特征在于，还包括用于测量所述固定装置上的试样瞬时速度的激光干涉测速装置。

9.根据权利要求1所述的测试二维结构材料抗冲击性能的动态实验系统，其特征在于，还包括设置在所述固定装置(4)上的试样(5)的一侧的平面镜(6)，所述第一摄像机(9)通过所述平面镜(6)拍摄所述试样(5)的变化。

10.根据权利要求1所述的测试二维结构材料抗冲击性能的动态实验系统，其特征在于，所述固定装置(4)包括两个空心夹板(4a)，两个所述空心夹板(4a)能够夹紧固定所述试样(5)。