專(zhuān)利名稱(chēng)：一種多功能柔性復(fù)合材料沖擊試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種沖擊實(shí)驗(yàn)裝置，特別是一種多功能柔性復(fù)合材料沖擊試驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
暴露在可能遭受沖擊環(huán)境或可能被濫用的設(shè)備、結(jié)構(gòu)或材料的抗沖擊性能對(duì)許多工 業(yè)來(lái)說(shuō)是非常重要的，因此對(duì)材料受沖擊后性能的變化進(jìn)行研究具有重大意義。就目前 而言，對(duì)材料沖擊響應(yīng)的研究可以分為高速?zèng)_擊和低速?zèng)_擊兩大類(lèi)。低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)方法 主要有擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)、落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)和拉沖試驗(yàn)。落錘式實(shí)驗(yàn)儀可以逼真的模擬常
見(jiàn)的碎片和落體沖擊情況，更好的測(cè)定材料的第三維抗沖擊性能;而且沖擊頭形狀，尺寸， 邊界條件，沖擊速度等都可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求而靈活改變，目前普遍使用的落錘式實(shí) 驗(yàn)儀主要是針對(duì)塑料、玻璃、陶瓷等非金屬和金屬制品的強(qiáng)度檢驗(yàn)，到目前為止，都沒(méi) 有專(zhuān)門(mén)對(duì)柔性復(fù)合材料進(jìn)行小能量測(cè)試的試驗(yàn)設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能集成度高，成本低廉、數(shù)據(jù)采集、顯示 和保存方便，能可靠提供復(fù)合材料在小能量測(cè)試中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的多功能柔性復(fù)合材料沖擊 試驗(yàn)裝置。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為 一種落錘式多功能柔性復(fù)合材料沖擊試驗(yàn)測(cè)量 裝置，由底座、頂板、第一、第二導(dǎo)柱、定錘、落錘、錘頭、襯底構(gòu)成了沖擊實(shí)驗(yàn)單元， 第一導(dǎo)柱、第二導(dǎo)柱設(shè)置于底座上，定錘設(shè)置于兩導(dǎo)柱中上部位置，落錘位于定錘下方 與錘頭采用可拆卸的固定連接，落錘可沿第一、第二導(dǎo)柱自由滑動(dòng)，在底座上定錘的下 方的位置處設(shè)有襯底，該裝置還設(shè)置有瞬態(tài)力和位移測(cè)試單元，它包括傳感器支持套、 壓電力傳感器、光柵尺、光電傳感器、穩(wěn)壓電源、電荷放大器和信號(hào)放大器，該瞬態(tài)力 和位移測(cè)試單元可拆卸的安裝于沖擊試驗(yàn)單元內(nèi)，位于傳感器支持套內(nèi)的壓電力傳感器 的輸出端與電荷放大器連接，傳感器支持套被安裝于綞頭上端，光柵尺與傳感器支持套 位于同一水平線，且光柵尺可以隨錘頭同步運(yùn)動(dòng)，在底座上設(shè)有光電傳感器，該光電傳 感器位于光柵尺下方，由穩(wěn)壓電源提供激勵(lì)電壓，光電傳感器的信號(hào)輸出端與信號(hào)放大 器連接。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)K適應(yīng)于小能量(S60J)針對(duì)柔性復(fù)合材料的沖擊試驗(yàn)，可以直接測(cè)量不同高度和不同重量的物體，以不同的錘頭對(duì)材料的沖擊， 從而模擬實(shí)際中不同的沖擊方式，評(píng)估材料的抗沖吸能特性；2、該裝置可以對(duì)復(fù)合材 料進(jìn)行拉伸、壓縮和準(zhǔn)靜態(tài)侵徹試驗(yàn)，對(duì)所設(shè)計(jì)復(fù)合材料的性能進(jìn)行定量的評(píng)估和機(jī)理 上的分析；3、可進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和實(shí)時(shí)顯示，通過(guò)數(shù)據(jù)處理，可以獲得位移一時(shí) 間、力一位移、力一時(shí)間、加速度一位移等多種曲線；4、試驗(yàn)裝置為普通立式，零部 件的設(shè)計(jì)模塊化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易加工，設(shè)備造價(jià)經(jīng)濟(jì)實(shí)用，易根據(jù)對(duì)所測(cè)參數(shù)精度和方 式的要求擴(kuò)展設(shè)備性能便。


圖1是本發(fā)明的正面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明的手動(dòng)開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明中上夾具的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是本發(fā)明中傳感器支持套的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是本發(fā)明中下夾具的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7是本發(fā)明系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8是本發(fā)明系統(tǒng)實(shí)際所測(cè)得的沖擊曲線圖
圖9是本發(fā)明經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到的時(shí)間一沖擊力一位移曲線圖。
圖IO是本發(fā)明經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到的力一位移曲線圖。
圖11是本發(fā)明經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到的位移一吸收能曲線圖。
圖12是本發(fā)明系統(tǒng)實(shí)際所測(cè)得的拉伸曲線圖。
圖13是本發(fā)明經(jīng)數(shù)據(jù)處理后的拉伸曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
結(jié)合圖1， 一種落錘式多功能柔性復(fù)合材料沖擊試驗(yàn)測(cè)量裝置，由底座[11]、頂板1、 第一、第二導(dǎo)柱2、 37 、定錘3，落錘4、錘頭7、襯底9構(gòu)成了沖擊實(shí)驗(yàn)單元，第一 導(dǎo)柱2、第二導(dǎo)柱37設(shè)置于底座11上，定錘3設(shè)置于兩導(dǎo)柱2中上部位置，落錘4位 于定錘3下方與錘頭7采用可拆卸的固定連接，落錘4可沿第一、第二導(dǎo)柱2、 37自由 滑動(dòng)，在底座ll上定錘3的下方的位置處設(shè)有襯底9，其特征在于該裝置還設(shè)置有瞬態(tài)力和位移測(cè)試單元，它包括傳感器支持套6、壓電力傳感器17、光柵尺5、光電傳感 器10、穩(wěn)壓電源、電荷放大器和信號(hào)放大器，該瞬態(tài)力和位移測(cè)試單元可拆卸的安裝于 沖擊試驗(yàn)單元內(nèi)，位于傳感器支持套6內(nèi)的壓電力傳感器17的輸出端與電荷放大器連 接，傳感器支持套6被安裝于錘頭7上端，光柵尺5與傳感器支持套6位于同一水平線， 結(jié)合圖5，傳感器支持套6包括三個(gè)部分，分別為傳感器支持套上部15，傳感器支持套 中部16，傳感器支持套下部18，三個(gè)部分之間由螺紋連接，壓電力傳感器17被安裝在 傳感器支持套中部18內(nèi)，保證壓電力傳感器17在豎直方向上受力。光柵尺5可以隨錘 頭7同步運(yùn)動(dòng)，在底座11上設(shè)有光電傳感器10，該光電傳感器位10于光柵尺5下方， 由穩(wěn)壓電源提供激勵(lì)電壓，光電傳感器10的信號(hào)輸出端與信號(hào)放大器連接。
定錘3上還設(shè)有手動(dòng)開(kāi)關(guān)36，結(jié)合圖3，該手動(dòng)開(kāi)關(guān)36包括外罩31、滑套32、塔 式彈簧33和底座34，底座34的環(huán)壁上設(shè)有6個(gè)均勻分布和水平方向呈一定角度的通孔， 通孔內(nèi)設(shè)有鋼珠，底座34外設(shè)有滑套32，在滑套32上開(kāi)有環(huán)型槽，該槽的位置與底座 34上通孔的位置相對(duì)應(yīng)，塔式彈簧33位于底座34和滑套32之間，滑套32外部設(shè)有外 罩31，外罩31和底座34之間采用螺紋連接。
該柔性復(fù)合材料沖擊試驗(yàn)測(cè)量裝置還設(shè)有纖維拔出和準(zhǔn)靜態(tài)侵徹單元，包括直線電 機(jī)12，支撐板8、直線導(dǎo)軌13，配套使用的上夾具和下夾具，在支撐板8中部設(shè)有直線 電機(jī)12，直線導(dǎo)軌13與直線電機(jī)12連接，上夾具安裝在直線導(dǎo)軌13的下部，下夾具 安裝在底座11上位于上夾具的下方。在纖維拔出和準(zhǔn)靜態(tài)侵徹單元內(nèi)可拆卸的安裝有 瞬態(tài)力和位移測(cè)試單元，傳感器支持套6安裝在上夾具和直線導(dǎo)軌13之間，壓電力傳 感器17安裝在傳感器支持套6中。上夾具包括夾具支架20和夾頭21，夾具支架20和 傳感器支持套由連接螺栓19連接，夾頭21兩邊設(shè)有手動(dòng)旋鈕23，可向內(nèi)旋緊夾緊夾持 物；下夾具包括支撐螺桿24、張緊手柄25、支撐夾板26、夾板27、第一導(dǎo)軌28 、第 二導(dǎo)軌35、導(dǎo)軌底座29、滑塊30，在導(dǎo)軌底座29上設(shè)有兩條平行的雁型槽,在第一導(dǎo) 軌28，第二導(dǎo)軌35的下部也設(shè)有雁型槽，滑塊[30]置于導(dǎo)軌底座[29]和第一導(dǎo)軌[28]， 第二導(dǎo)軌[35]的下部的雁型槽內(nèi),將導(dǎo)軌底座29和第一導(dǎo)軌28、第二導(dǎo)軌35連接，支撐 螺桿24和支撐夾板26連接，支撐夾板26與夾板27通過(guò)普通螺栓連接，位于第一導(dǎo)軌 28和第二導(dǎo)軌35之間，張緊手柄25通過(guò)螺桿與支撐夾板26連接。
本發(fā)明裝置的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖7所示，進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)，將重量已調(diào)至所需要求的落錘4用手托至位于所需高度的定錘3處，定錘3上有手動(dòng)開(kāi)關(guān)36可以嵌入固定落 錘4，并將試樣在襯底9上固定夾好，開(kāi)啟電荷放大器，調(diào)整好放大倍數(shù)和低通頻率、 光電傳感器10電源和計(jì)算機(jī)中的測(cè)試軟件，選擇掃描頻率；測(cè)試時(shí)按動(dòng)手動(dòng)開(kāi)關(guān)的滑 套32，手動(dòng)開(kāi)關(guān)滑套32下滑至其本身凹槽與手動(dòng)開(kāi)關(guān)底座34的直孔相配合處，孔中的 鋼珠即受落錘4重力所產(chǎn)生壓力的影響向外凸出，落錘4即因沒(méi)有了阻力而自由下落沖 擊試樣，因塔式彈簧33的回彈力作用手動(dòng)開(kāi)關(guān)滑套32回到原處；落錘4下落過(guò)程中， 光柵尺5首先與光電傳感器10接觸，從光電傳感器10中間以0. 1-0. 3mm之間的間隔通 過(guò)，此距離可以幫助采集到足夠的數(shù)據(jù)點(diǎn)，常用的間隔距離是0.25mm。光電傳感器10 采集到的脈沖電壓經(jīng)信號(hào)放大器放大后傳輸?shù)降接蓴?shù)據(jù)采集卡和計(jì)算構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)，計(jì)算所得脈沖數(shù)即可以獲得落錘的實(shí)時(shí)位移，隨后落錘4沖擊試樣及襯底9，此 時(shí)可獲得壓電力傳感器17所反饋的數(shù)據(jù)；隨后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得到平均速度、加 速度等有效參數(shù)的數(shù)據(jù)，這樣可以獲得沖擊試驗(yàn)時(shí)的力-位移、力-時(shí)間、復(fù)合材料的比 吸能等多種數(shù)據(jù)或曲線。
進(jìn)行拉伸或準(zhǔn)靜態(tài)侵徹試驗(yàn)時(shí)，將試樣夾持在所設(shè)計(jì)的上夾具和下夾具之間，調(diào)整 直線電機(jī)12到所需的速率、高度，將電荷放大器調(diào)至所需放大倍數(shù)，即可按動(dòng)直線電 機(jī)12的開(kāi)關(guān)，直線導(dǎo)軌13在直線電機(jī)12的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，位于直線導(dǎo)軌13和上夾具之 間的瞬態(tài)力和位移測(cè)試單元進(jìn)行工作，通過(guò)對(duì)壓電力傳感器17反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后， 可以獲得試驗(yàn)時(shí)的力-位移、力-時(shí)間等多種數(shù)據(jù)或曲線。
在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試Kevlar復(fù)合材材料時(shí)，將電荷放大器的低通頻率調(diào)至10k，放大倍 數(shù)(增益)調(diào)至10倍，將光電傳感器的穩(wěn)壓電源輸出電壓選擇5v;將測(cè)試軟件調(diào)至模 擬參量測(cè)量模式，頻率選擇30k，通道選擇l，數(shù)量選擇2，并選擇數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式，將直 線電機(jī)12調(diào)整到至300轉(zhuǎn)/min (100mm/min)，開(kāi)始進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)測(cè)試得到如圖8所示 的實(shí)際沖擊曲線，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到時(shí)間一沖擊力一位移曲線，如圖9所示；力一位移 曲線，如圖10所示；位移一吸收能曲線，如圖ll所示；所測(cè)拉伸曲線，如圖12所示； 經(jīng)數(shù)據(jù)處理后的拉伸曲線如圖13所示。
權(quán)利要求
1、一種落錘式多功能柔性復(fù)合材料沖擊試驗(yàn)測(cè)量裝置，由底座[11]、頂板[1]、第一、第二導(dǎo)柱[2、37]、定錘[3]、落錘[4]、錘頭[7]、襯底[9]構(gòu)成了沖擊實(shí)驗(yàn)單元，第一導(dǎo)柱[2]、第二導(dǎo)柱[37]設(shè)置于底座[11]上，定錘[3]設(shè)置于兩導(dǎo)柱[2]中上部位置，落錘[4]位于定錘[3]下方與錘頭[7]采用可拆卸的固定連接，落錘[4]可沿第一、第二導(dǎo)柱[2、37]自由滑動(dòng)，在底座[11]上定錘[3]的下方的位置處設(shè)有襯底[9]，其特征在于該裝置還設(shè)置有瞬態(tài)力和位移測(cè)試單元，它包括傳感器支持套[6]、壓電力傳感器[17]、光柵尺[5]、光電傳感器[10]、穩(wěn)壓電源、電荷放大器和信號(hào)放大器，該瞬態(tài)力和位移測(cè)試單元可拆卸的安裝于沖擊試驗(yàn)單元內(nèi)，位于傳感器支持套[6]內(nèi)的壓電力傳感器[17]的輸出端與電荷放大器連接，傳感器支持套[6]被安裝于錘頭[7]上端，光柵尺[5]與傳感器支持套[6]位于同一水平線，且光柵尺[5]可以隨錘頭[7]同步運(yùn)動(dòng)，在底座[11]上設(shè)有光電傳感器[10]，該光電傳感器位[10]于光柵尺[5]下方，由穩(wěn)壓電源提供激勵(lì)電壓，光電傳感器[10]的信號(hào)輸出端與信號(hào)放大器連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量裝置，其特征在于，所述的定錘[3]上還設(shè)有手動(dòng)開(kāi) 關(guān)[36],該手動(dòng)開(kāi)關(guān)[36]包括外罩[31]、滑套[32]、塔式彈簧[33]和底座[34]，底座[34] 的環(huán)壁上設(shè)有6個(gè)均勻分布和水平方向呈一定角度的通孔，通孔內(nèi)設(shè)有鋼珠，底座[34] 外設(shè)有滑套[32]，在滑套[32]上開(kāi)有環(huán)型槽，該槽的位置與底座[34]上通孔的位置相對(duì)應(yīng)， 塔式彈簧[33]位于底座[34]和滑套[32]之間，滑套[32]外部設(shè)有外罩[31]，外罩[31]和底座 [34]之間采用螺紋連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量裝置，其特征在于該測(cè)量裝置還設(shè)有纖維拔出和 準(zhǔn)靜態(tài)侵徹單元，包括直線電機(jī)[12]，支撐板[8]、直線導(dǎo)軌[13]，配套使用的上夾具和 下夾具，在支撐板[8]中部設(shè)有直線電機(jī)[12]，直線導(dǎo)軌[13]與直線電機(jī)[12]連接，上夾具 安裝在直線導(dǎo)軌[13]的下部，下夾具安裝在底座[ll]上，位于上夾具的下方。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的的測(cè)量裝置，其特征在于在所述的纖維拔出和準(zhǔn)靜態(tài) 侵徹單元內(nèi)可拆卸的安裝有瞬態(tài)力和位移測(cè)試單元，傳感器支持套[6]安裝在上夾具和直 線導(dǎo)軌[13]之間，壓電力傳感器[17]安裝在傳感器支持套[6]中。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測(cè)量裝置，其特征在于所述的上夾具包括夾具支架[20] 和夾頭[21]，夾具支架[20]和傳感器支持套由連接螺栓[19]連接，夾頭[21]兩邊設(shè)有手動(dòng)旋鈕[23]，可向內(nèi)旋緊夾緊夾持物；所述的下夾具包括支撐螺桿[24]、張緊手柄[25]、支 撐夾板[26]、夾板[27]、第一導(dǎo)軌[28]、第二導(dǎo)軌[35]、導(dǎo)軌底座[29]、滑塊[30]，在導(dǎo) 軌底座[29]上設(shè)有兩條平行的雁型槽,在第一導(dǎo)軌[28]，第二導(dǎo)軌[35]的下部也設(shè)有雁型槽, 滑塊[30]置于導(dǎo)軌底座[29]和第一導(dǎo)軌[28]，第二導(dǎo)軌[35]的下部的雁型槽內(nèi),將導(dǎo)軌底座 [29]和第一、第二導(dǎo)軌[28、 35]連接，支撐螺桿[24]和支撐夾板[26]連接，支撐夾板[26] 與夾板[27]通過(guò)普通螺栓連接，位于第一導(dǎo)軌[28]和第二導(dǎo)軌[35]之間，張緊手柄[25]通 過(guò)螺桿與支撐夾板[26]連接。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種落錘式多功能柔性復(fù)合材料沖擊試驗(yàn)測(cè)量裝置，包含沖擊實(shí)驗(yàn)單元，該裝置還設(shè)置有瞬態(tài)力和位移測(cè)試單元，包括傳感器支持套，壓電力傳感器，光柵尺，光電傳感器，穩(wěn)壓電源，電荷放大器和信號(hào)放大器，該測(cè)試單元可拆卸的安裝于沖擊試驗(yàn)單元內(nèi)，壓電力傳感器位于傳感器支持套內(nèi)，其輸出端與電荷放大器連接，傳感器支持套被安裝于錘頭上端，光柵尺與傳感器支持套位于同一水平線，且光柵尺可以隨錘頭同步運(yùn)動(dòng)，在底座上設(shè)有光電傳感器，該光電傳感器位于光柵尺下方，由穩(wěn)壓電源提供激勵(lì)電壓，光電傳感器的信號(hào)輸出端與信號(hào)放大器連接。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成度高，成本低，能提供復(fù)合材料在小能量測(cè)試中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
文檔編號(hào)G01N3/30GK101509856SQ20081024290
公開(kāi)日2009年8月19日 申請(qǐng)日期2008年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者君 劉, 熊黨生 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)