基于應(yīng)力集中原理的落錘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于沖擊測試技術(shù)領(lǐng)域，具體是采用應(yīng)力集中原理設(shè)計(jì)落錘結(jié)構(gòu)及其沖擊 力的測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的測試經(jīng)常采用落錘進(jìn)行加載，為了提高落錘瞬間沖擊力的測 量精度，減少測試費(fèi)用，需根據(jù)試件的結(jié)構(gòu)和加載方式設(shè)計(jì)落錘的結(jié)構(gòu)及其測試方法。目前 實(shí)驗(yàn)室中的落錘試驗(yàn)機(jī)測試沖擊力采用壓電傳感器，其價(jià)格比較昂貴且抗干擾性差。對于 一些需要野外進(jìn)行的大型結(jié)構(gòu)沖擊實(shí)驗(yàn)，自制經(jīng)濟(jì)實(shí)用的落錘變得非常必要。本發(fā)明是為 了研究鋼筋混凝土的動(dòng)態(tài)性能而提出的。由于鋼筋混凝土的尺寸效應(yīng)和應(yīng)變率效應(yīng)，研究 鋼筋混凝土動(dòng)載荷下的力學(xué)性能需對大尺寸鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊加載，分析沖擊力和 結(jié)構(gòu)響應(yīng)之間的關(guān)系。對于結(jié)構(gòu)分析較簡單的梁的彎曲測試，需要對梁進(jìn)行集中加載并測 量載荷。為此，有必要提供一種新的、設(shè)計(jì)原理科學(xué)的測量落錘沖擊力的落錘結(jié)構(gòu)及其測試 方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] (一)要解決的技術(shù)問題
[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種新的、經(jīng)濟(jì)實(shí)用且設(shè)計(jì)原理科學(xué)的落錘結(jié) 構(gòu)及其沖擊力的測試方法，用于測量落錘對梁試件所施加的集中沖擊載荷。
[0005] (二)技術(shù)方案
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于應(yīng)力集中原理的落錘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及采 用惠斯通全橋電路測量沖擊力的測試方法，其特征在于，通過放大落錘的應(yīng)變和提高測試 的靈敏度獲得沖擊力，具體包括如下步驟：
[0007] 步驟S1:落錘沖擊力是由落錘在彈性范圍內(nèi)的應(yīng)變決定，落錘被當(dāng)作"剛性體"，應(yīng) 變非常小。為了增大應(yīng)變，將落錘設(shè)計(jì)成薄板形狀，在薄板中間鉆孔。當(dāng)落錘的側(cè)面沖擊試 件時(shí)，落錘的受力狀態(tài)為平面應(yīng)力;根據(jù)彈性力學(xué)的應(yīng)力集中原則，孔周圍的應(yīng)變將增大， 如圖1所示。
[0008] 步驟S2:落錘結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型簡化為側(cè)面受均布載荷的帶有圓孔的無限薄板結(jié)構(gòu) 的平面應(yīng)力問題如圖2所示。由應(yīng)力集中原則可知，孔周圍的應(yīng)力增加;但由圣維南原理可 知，在距離遠(yuǎn)大于孔的半徑處，這種增大可以忽略。
[0009] 步驟S201:當(dāng)側(cè)面均布載荷為S時(shí)，在半徑b(遠(yuǎn)較a大）處徑向應(yīng)力〇r和剪切應(yīng)力 Trf，實(shí)際上與無孔板中相同，因而是： (σΓ )r=b = -S cos2 0 = --5(1 + cos 2Θ)
[0010] * (1) feU = 25sin2(9
[0011 ]這些力作用在內(nèi)半徑和外半徑各為r = a和r = b的圓環(huán)的外邊，它們在環(huán)內(nèi)引起的 應(yīng)力可以看作由兩部分組成。第一部分是由常量的法向力-S/2引起的，第二部分是由法向 力-(S/2)C〇s 2Θ與剪力（Tre)r=b=(S/2)sin 2Θ共同引起的。
[0012] 步驟S202:根據(jù)彈性理論，可得距離孔心不同距離r處的應(yīng)力： a\ Sn 3β4 4α\ 0/3 % ^(1-^·)-j(l + ^^-) cos
[0013] ^(6,=--(1 + -) + -(^ ^-)cos2 沒 （2) ^ 尸 S,, 3a4 4a\ .. ~=7(1+7-7)c
[0014] 在孔邊r = a，得：
[0015] h=^=〇
[a0=-S + 2Scos2e
[0016] 可見，在Θ =Ji/2或Θ = 331/2處，就是在垂直于壓力方向的直徑的兩端m和n處，切向 應(yīng)力σθ的絕對值最大，其值為：|〇ekx = 3S。此處壓應(yīng)力最大，是作用于板側(cè)面均勻壓力S的 三倍。在p和q兩點(diǎn)，θ=3?和0 = 〇4#〇(3 = S，即在這兩點(diǎn)有切向拉應(yīng)力S。
[0017] 步驟S203:根據(jù)虎克定律： & = 士(~-νσ0) Ε _8] < εθ=^{σθ-νσΓ) ⑷ ?τβ =~^τ>·θ [0019] 可得應(yīng)變： ^ =-^(-5+ 25 cos 2(9)
[0020] < - -(-+ 2iScos2沒） （5) Ε ηθ = °
[0021 ]在π^Ρη兩點(diǎn)，θ = jt/2和θ = 3jt/2，徑向應(yīng)變￡1 = 3Sv/E，切向應(yīng)變ee = -3S/E;在ρ和q 兩點(diǎn)，θ = π和θ = 〇,徑向應(yīng)變81^ = -5￥/^：，切向應(yīng)變e〇 = S/E。對于鋼v = 0.29,采用應(yīng)變片測試 時(shí)，忽略徑向應(yīng)變。
[0022]步驟S3:為了測得落錘的平均應(yīng)變，將落錘薄板上鉆兩個(gè)孔，保證兩個(gè)孔的尺寸遠(yuǎn) 小于落錘的另外兩個(gè)尺寸;孔對稱的分布在板的中間且孔距較遠(yuǎn)，使孔之間的相互影響可 以忽略。兩個(gè)孔邊對稱的貼上八個(gè)應(yīng)變片，如圖1所示。為了改善溫度誤差和非線性誤差，提 高測試靈敏度，應(yīng)變片的電路接法采用惠斯通電橋的全橋接法如圖3。
[0023] 步驟S301:惠斯通電橋?qū)?yīng)變片阻值的微小變化轉(zhuǎn)換成輸出電壓的變化。根據(jù)全 橋電路原理，惠斯通電橋CD間的電壓用應(yīng)變表示為：
[0024] VQ=^kVe(ε? + εΤι -ε€} -+ ^ + ^ -^C] -sCi) (6)
[0025] k為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。由于&, = = =心=-35/五、氣=氣=~=氣=￡·,. = ， 此式轉(zhuǎn)化為：
[0026] V〇 = 4keTVe (7)
[0027] 此時(shí)，輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系，電壓的靈敏度為4keT，同時(shí)還具有溫度補(bǔ)償作 用。這樣既實(shí)現(xiàn)了取薄板的平均值，又起到了提高測試的靈敏度。
[0028] 步驟S302:在一般情況下，由于加工誤差和材料的不均勻性，很難達(dá)到上面的理想 狀態(tài)，惠斯通電橋輸出的電壓值隨著落錘的沖擊力發(fā)生變化，因而需要進(jìn)行標(biāo)定。落錘一般 是由鋼材料制成，鋼在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)下的力學(xué)性能幾乎相同，采用伺服液壓機(jī)對落錘沖擊面 進(jìn)行加載，用所測靜載荷對所測試電壓進(jìn)行標(biāo)定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，輸出的電壓與所加載荷成線性 關(guān)系。
[0029](三)有益效果
[0030] 落錘是傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)加載設(shè)備，采用電阻應(yīng)變片進(jìn)行沖擊力的測量比現(xiàn)在所采用壓電 傳感器經(jīng)濟(jì)實(shí)用。此測試方法簡單實(shí)用，能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需隨時(shí)進(jìn)行落錘的設(shè)計(jì)。
[0031] 當(dāng)在野外進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，將落錘制作成帶有圓孔的薄板結(jié)構(gòu)，根據(jù)應(yīng)力集中原則，大 大增加了所測試的應(yīng)變值，有效的減少了外界的干擾。
[0032] 測試電路采用惠斯通電橋?qū)蓚€(gè)孔的應(yīng)變值均勻化和檢測電阻的微小變化，消除 了溫度和其它干擾力的影響，提高測試精度。
【附圖說明】
[0033] 圖1為本發(fā)明技術(shù)方案中所設(shè)計(jì)落錘的示意圖；
[0034]圖2為本發(fā)明技術(shù)方案中落錘孔的應(yīng)力集中所產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變分布圖；
[0035]圖3為本發(fā)明技術(shù)方案中惠斯通電橋的全橋接法。<