冲击试验机

冲击试验机（精选十篇）

冲击试验机 篇1

1、研发新的冲击试验机的必要性

GB19272-2011《室外健身器材的安全通用要求》已于2011年9月29日公布, 并于2011年10月1日正式实施。新标准在2003版的标准基础上作了适当的修改, 特别增加了漫步机类器材的冲击试验要求, 试验方法及性能指标。因此, 研发新的冲击试验机势在必行。

2、标准中关于冲击试验的规定

标准规定, 漫步机类器材必须进行冲击试验, 首先要将漫步机固定好, 保证立柱垂直, 在试验过程中不允许有晃动现象, 将质量50kg、直径120mm的检验重锤在踏板正上方1000mm处自由落下, 冲击点在踏板正中心, 经冲击试验后, 转轴和摆杆的变形应不超过1/200, 踏板变形应不超过1/20, 且部件不应开裂。

3、满足标准要求的冲击试验机的几个关健点

(1) 样品的固定

标准规定, 漫步类器材要固定好, 并保证立柱垂直, 且试验过程中不允许有晃动现象。为使底座稳固, 应该设计一个测试平台为基础平面, 在测试平台上设置器材固定装置。器材固定装置应该能够移动, 以便满足安装和测试的要求。为此, 在器材固定装置内部设有可升降支撑, 当器材固定装置在平台上的位置确定后, 可通过特定扳手将支撑收起, 设置在四角上的高强磁铁可将其固定在测试平台上。为了实现紧密固定, 可通过手动油压泵控制夹紧半圆, 通过夹紧半圆向内旋转来装卡器材。

(2) 检验重锤的控制和校准

标准规定, 检验重锤的质量为50kg, 直径为120mm, 且检验重锤从踏板正上方1000mm处自由落下。在满足标准要求的情况下, 可选检验重锤质量50±1kg, 直径120±1mm, 冲击高度1000±5mm。检验重锤要经过计量部门的校准, 符合上述要求。由于采用盒尺等测量工具测量重锤的冲击高度很不方便, 为了保证冲击高度的精确性, 可制造一把1000mm长的弯尺, 并通过计量部门的校准, 通过弯尺进行限位即可保证冲击高度。平时检验重锤可通过一个C形扳手支撑住。检验重锤的升降可通过电动机带动减速机, 减速机拉动钢丝, 钢丝下端固定电磁铁, 电磁铁吸住重锤来实现。当重锤升高到规定高度时, 可先将C形扳手撤出, 待电磁铁失电后, 即可实现冲击。

(3) 变形测量系统

由于冲击后器材的转轴、摆杆、踏板的变形较小, 为了保证准确性, 可采用精度为0.01mm的激光位移传感器进行测量。可设置传感器支架对传感器进行固定, 传感器支架的底座可通过电磁力牢固固定在测试平台上。传感器支架伸出三个臂, 依次对测量转轴、摆杆、踏板变形的三个传感器进行固定。

(4) 仪器设备的自动化

智能化、自动化是设备研发时必须考虑的问题。冲击试验机通过激光位移传感器测量变形量, 再将测得的数据传回电脑, 经过软件的自动计算, 即可直接显示转轴、摆杆、踏板的变形, 可使测试者一目了然, 需要时, 还可将检验结果直接打印出来。目前, 相关领域的软件和硬件发展已较为成熟, 上述功能不难实现。

(5) 方便操作方面必须考虑的几点

冲击试验机的整个研发过程中, 必须将操作方便这一原则贯穿始终。器材要进行调整, 直至重锤对准被冲击部位, 为此, 应该注意使器材固定装置便于移动;激光位移传感器精度较高, 传感器与被测试部位之间的距离也有一定要求, 应该考虑该距离易于调节;重锤的升降控制也应便于操作, 应该通过按钮即可完成;测量数据的读取、计算、打印报表等也应该方便测试者操作。

包带低冲击装置冲击试验及数据分析 篇2

包带低冲击装置冲击试验及数据分析

文章主要阐述了包带低冲击装置冲击试验的过程及采用的试验技术,并对试验数据进行了处理和分析.通过大量的`试验数据,对响应量级与测量点的位置分布、响应与包带预紧力的关系、冲击响应与装药量的关系、冲击响应与起爆器的关系、冲击响应的频率分布关系以及安装方式对试验结果产生的影响作了充分的分析.结果可为研究低冲击装置提供有价值的参考.

作 者：韩晓健 焦安超 王睿 Han Xiaojian Jiao Anchao Wang Rui  作者单位：北京卫星环境工程研究所,北京,100094 刊 名：航天器环境工程  ISTIC英文刊名：SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING 年，卷(期)： 24(5) 分类号：V416.2 关键词：冲击试验   结构响应   数据处理  

冲击试验机 篇3

【关键词】桥隧搭接工程；多源损伤；车辆荷载；冲击作用；模型；试验；疲劳损伤；V级围岩

一、桥隧搭接工程多源损伤分析

因地形、地势等因素的影响，往往选取桥隧搭接的方式处理桥隧相连位置。如隧道洞口地势陡峭、地基条件差、围岩破碎多裂隙等，进而对施工后期使用情况造成严重影响。桥隧搭接工程中通车过程车辆荷载与其冲击作用是造成桥隧结构、洞口围岩扰动的主要因素，其具体划分如下：作用于隧道结构的为围岩反作用力、桥梁传递荷载；作用于洞口围岩的为开挖隧洞、施工桥梁结构或砌筑扰动等。因此，造成桥隧搭接工程损伤的因素较多，存在显著的多源性与密切联系。

疲劳是指在循环荷载作用下结构构件与其构成材料在静载强度以下性能恶化或失效的情况，属于不可逆过程。为此，桥隧搭接工程其结构产生的损伤都可在疲劳基础上进行分析。其主要原因在于车辆长期重复碾压作用下桥隧搭接结构内桥梁和隧道结构基础、隧道衬砌与隧道路面等，都会造成大小应力交替或循环作用，进而导致疲劳损伤状况的出现。如作用于桥隧搭接位置车辆的荷载较大，即超载、超重车辆多，将造成多种病害产生，如破损局部桥面、损毁伸缩缝等，从而导致桥面、桥头与隧道洞口位置跳车状况频发，并加大桥隧搭接结构疲劳损伤程度。

二、基于相似方法建立试验模型

为延长桥隧工程使用寿命，提高工程质量，要求相关部门必须重视桥隧搭接工程，基于相似方法进行试验模型建立，并选择合理方案，提高施工技术水平，只有这样才能确保桥梁搭接工程的整体质量，才能为交通事业发展提供强有力的保障。

1、相似条件

根据桥隧搭接工程各物理量，遵循量纲分析法，获取相似条件：

CL为试验模型的几何相似比，选取1/50为CL，各物理量相似关系、相似常数如表1所示。

表1 模型试验相似关系与相似常数

2、模型设计

（1）桥梁模型。以简支T梁为原型（30米x40米x50米）分析。选取钢筋微混凝土材料（C50）进行模型桥梁板制作。其中遵循原型桥上部结构进行梁板确定，其为矩形断面，板底纵向需进行钢筋埋设。选取钢筋微混凝土材料进行桥台、桩基础制作，选取大尺寸型钢构件进行桥墩模拟。40厘米为桩基础模型长度，3，6厘米为其直径，并将钢筋埋设于各个桩纵向位置。

（2）隧道衬砌模型。选取钢筋混凝土结构作为桥隧搭接隧道洞口段衬砌。试验中选取微混凝土（型号C30，厚度2厘米）与钢丝网（0.5毫米直径）合理配置的方式作为钢筋混凝土衬砌（C30）的衬砌模型。

3、模型试验

构建试验平台：选取木模板（高强度）、槽钢支架等进行隧道洞口位置试验向加工构建，其尺寸分别为长度200毫米、宽度40毫米、高度150毫米。试验中为便于查看，可选取有机玻璃模板应用于正面中心70x100厘米部分。一般在试验箱中间位置设置隧道模型，其中间位置与模型箱间的距离分别为左右2侧都为100厘米、上下部边界分别为60厘米与85厘米，这就要求在边界影响明显范围，隧道应与模型试验需求相符。此外还需进行围岩内土压力盒设置。

仪器设备：在桥隧搭接工程多源损伤分析的前提下，需重视测量误差值，并将其控制在合理范围内，根据工程建设需求，选取的试验仪器、设备如表2所示。

表2 试验仪器、设备表

试验方式：第一，计算模型桥配重。所有模型桥在试验中都需进行额外配重施加，以此最大限度地对模型试验需求进行满足。根据相似比，模型桥配重=桥梁原型（换算后）—模型桥自身重量。

第二，模拟汽车荷载与其冲击作用。车辆超载问题存在于我国各个地区，针对标准设计汽车荷载与2类超载形式分别进行试验分析，其等级如下：公路I级、超载1、超载2；原型车重则由55、80、110（单位为吨）表示。试验中，通常选取重物堆载与人工激励的方法对汽车荷载与其冲击作用进行模拟，换言之，通过重物对一定等级汽车荷载进行模拟，并在洞口周围堆载，随后在桥梁与洞口相近位置利用激振锤进行一定冲击作用施加。

第三，埋设测试元器件。在梁板端部、跨中截面中间位置、桩基顶端及中间位置、模型钢筋内埋设微应变片，以此对每个点的应变变化进行测量。桥梁端部、跨中梁底位移测定时可选取百分表。洞口边坡、仰坡等位置的裂缝、位移、变形情况可通过侧缝计、直尺进行测定。

第四，衬砌模型与围岩。围岩压力可通过压力盒埋设测量；洞附近位移可选取百分表测量；衬砌内外侧应变可选取微应变片测量。

试验流程：首先，将薄膜铺设于围岩模型箱侧壁，将制作好的围岩类似模拟材料，向围岩模型箱内分层填入。并在预定位置进行土压力传感器、桥台与桩基础埋设，并在预定位置进行铁皮筒埋设，要求铁皮筒润滑油涂抹到其外侧，内部需进行配比、密度相同围岩材料的填筑，以此为开挖模拟隧道提供有利条件。实验前需进行各类测试仪器安装，并对数据采集系统进行调试，完成围岩填筑需进行6小时静置，才能进行试验。其次，开挖模拟隧道时，需小心抽出预先埋设的铁皮筒，以此开挖隧道施工结束。在支护隧道衬砌时，在其预定位置小心放置隧道衬砌模型，以此进行隧洞支护结构模拟。再次，桥隧搭接施工模拟。在桥墩上架设模型梁非搭接端，通过螺栓固定其和隧道衬砌、桥台。利用重物悬挂加载的形式将模型桥额外配重施加到模型梁上，以此结束桥隧搭接施工。汽车荷载与其冲击作用模拟。按照一定顺序进行相应等级、次数汽车荷载与其冲击作用的施加，并采集相应数据、记录仪器读数，以此结束一个工况试验内容。最后，遵循各个工况原有条件与实际情况，反复以上内容，并做好仪器仪表安设工作、准确记录读数，确保各项试验内容的充分完成。试验结论：桥梁与桩基、隧道衬砌各部位位移或应变数值存在大小或正负反复变化，这是车辆荷载与其冲击诱发桥、隧结构各部位疲劳损伤最显著的外在力学行为方式，基于此，可通过疲劳损伤原理分析桥隧搭接工程内桥、隧等结构物的损伤。因长期处于疲劳损伤阶段或出现疲劳累积现象，将造成结构构件性能劣化、承载力降低及耐久性不足，因此必须重视桥隧搭接位置疲劳损伤问题。

三、结束语

综上所述，随着社会经济发展速度的不断提升，为满足车辆安全运行需求，公路桥隧工程施工必须严格按照设计规定进行。为有效解决现阶段桥隧搭接工程病害问题，必须准确分析其影响因素，并在此基础上，选取科学有效的措施进行桥隧搭接工程建设。汽车荷载与其冲击作用作为桥隧搭接工程多源损伤研究的重要内容，为达到桥隧施工目标，实现桥隧交通的社会效益与经济效益，要求相关部门必须根据试验结果，选择行之有效的方案，才能为国民经济可持续发展提供强有力的保障。

参考文献

[1]孙广臣，傅鹤林，巢万里.桥隧搭接工程多源损伤及车辆冲击模型试验研究[J].振动与冲击，2013（02）

[2]丁浩，蒋树屏，程崇国，王建华.桥隧混合异型隧道结构设计[J].建筑监督检测与造价，2009（Z1）

[3]胡磊，王志杰，许瑞宁，马安震，何晟亚，能量守恒原理在V级围岩隧道衬砌设计中的应用研究[J].铁道标准设计.2014（11）

童车测试中的冲击试验机的研制 篇4

童车是指14岁以下儿童使用的自行车、电动车、三轮车、学步车等。在童车品质检测项目中, 冲击项目的检测对产品的品质控制起到关键的作用。这些标准涉及到GB/T4857、GB14748、GB14749、EN14746、FM833等[1,2,3], 童车检测的项目涉及领域也较广, 包括儿童三轮车、儿童学步车、儿童推车等冲击项目。几年来, 通过对中国的质检、商检系统及第三方检测系统的调研与分析表明, 我国在童车的冲击与碰撞试验中的检测手段比较落后, 模块化与综合化的设计思想尚未融入到测试设备中, 数据化的测试理念比较淡漠。

从国际上发展的趋势来看, 测试设备的模块化、综合化、数据化是一个潮流, 它不但可以通过模块的增删快速地适应标准的变化, 而且能实现不同标准或相同、相近标准的测试, 试验中得到的数据可为设计者或企业提供改进的理论依据, 更好地为企业服务。

1 冲击试验中存在的问题

调查中发现目前在冲击测试方法与构建模式方面存在如下问题:

1) 碰撞试验中的试验手段方法普遍存在不合理因素。

在童车 (学步车、滑板车等) 相关的碰撞试验中, 要求学步车或滑板车在一定的负荷下, 以2 m/s的速度冲击挡块, 无论是国内还是国外, 大多沿袭20世纪70年代美国、台湾的试验手段与设备, 将被测童车加载一定的负荷, 安装在一个小车上, 小车在斜面上被提升到一定的高度, 然后释放, 小车带着被测童车冲击挡块。根据能量转换原理, 小车的势能转化为动能, 速度可以达到规定的速度, 但是撞击的能量为1/2 m·v2, 即能量与撞击的质量有关。而这种撞击的质量并不是童车的质量加一定负荷的质量 (砝码) , 而是小车的质量与童车质量负荷的总和。以这样的手段去进行撞击实验可能出现的结果是:应该合格的童车产品由于采用了这种测试手段就有可能不合格。由此提出了测试手段的一个普遍的真理:测试的手段一切以实际使用或运动状态为准, 才是最科学的。

2) 童车的零部件冲击试验中均存在二次冲击问题。

在童车的零部件冲击测量中均存在二次冲击问题, 如在GB14764:2006标准中的4.7.1条款的实验中, “将一个22.5 kg的质量从50 cm高处对准滚轮的中心, 并于前叉翘度的相反方向跌落到轻质滚轮上, 要求不断裂或永久变形小于10 mm”。在试验中, 往往产生二次冲击情况。一个22.5 kg冲击到前叉的滚轮上后迅速弹起然后又迅速地再次冲击到滚轮上。根据有限元与弹性力学理论分析, 产生的变形也会较大。这样, 如果出现车架前叉组件断裂或变形量大于10 mm的现象, 如何判别合格与否?

为此, 本文采用模块化与综合化组合技术, 设计一套能解决上述问题的测试设备。

2 童车冲击试验机的总体设计

针对上述问题, 本文提出了一种全新的童车冲击测试的设计理念。新型的童车冲击性能检测综合试验机机械结构主要包括提升装置、框架底座、夹持与释放装置、引导装置、防二次撞击装置、碰撞挡板及数据采集和处理系统, 总体结构如图1所示。

1—提升装置;2—框架底座;3—夹持与释放装置;4—引导装置;5—防二次撞击装置;6—碰撞挡板;7—被测对象 (附配重砝码) ;8—数据采集系统

3 关键部件结构设计

1) 提升装置的结构设计

如图2所示, 提升装置由动力传动、曲线传动和夹持与释放三部分组成。动力传动部分通过安装在固定支架上的伺服电机及减速器驱动一个主动链轮, 经传动链条传动到传动链轮上, 再通过一根主轴分别将运动和动力经由传动链轮传动到对称布置在两端的、安装在同一轴上的从动链轮;曲线传动部分经两个长环形传动链条进行传动, 长环形传动链条由多个张紧条张紧呈曲线形状, 张紧条安装在曲线滑轨的内侧面, 曲线滑轨可以固定在框架底座上。这样就使得长环形传动链条与被测童车运行曲面始终平行;夹持与释放部分与长环形传动链条固定连接, 与曲线导轨滑配, 可随着传动链条通过小轮沿着曲线滑轨滑行[4]。

1—伺服电机及减速器;2—链轮;3—传动链条;4—传动链轮;5—链轮支架;6—链轮支架;7—传动轴;8—长环形链条;9—曲线滑轨;10—夹持与释放部分;11—导向滑轮;12—安装底座

2) 夹持与释放部分设计

夹持与释放的机械结构如图3所示。

夹持与释放部分的底部与传动链条相固接, 电机带动传动链条运动, 将动力传递给夹持与释放部分。在其安装板上面, 安装有机械手, 可以对被测童车进行夹持。机械手的结构如图4 (a) 中所示。夹持与释放部分的工作原理为:该机构靠一个小型气缸驱动连杆机构实现夹持和释放。当夹持与释放部分需要拖动被测童车时, 机械手处于夹紧状态 (如图4 (b) ) 时, 连杆机构处于自锁的临界位置, 当到达提升高度时, 机械手张开 (如图4 (c) ) 时, 释放冲击小车。机械手通过Pro-e机构仿真表明灵活可靠, 不会出现卡滞。

3) 防二次撞击装置

如图5所示, 通过支架固定安装在铝型材支架中部的伸缩气缸, 其活塞杆连接一根中间部分包覆一层缓冲橡胶的光滑防撞导杆, 该光滑导杆在铜制套筒导向作用下伸出后能挡住引导装置的铝型材引导摆杆的摆动从而实现防止二次撞击。可以通过防二次撞击装置在铝型材的上下位置的调整[5], 来适应光滑防撞导杆阻挡引导摆杆的位置, 实现及时有效地防止二次撞击。

4 测控系统原理

本测控系统的软件主要有三部分, 分别是数据采集与预处理、触摸屏数据显示与存储模块以及下位机与触摸屏之间的数据通信。触摸屏通过RS232串口与下位机进行信号交互, 实现数据的传输。PLC程序的开发平台是FP-WIN-GR, 控制的对象中输出点控制有提升电机、机械手气缸、防二次冲击气缸。输入电控制由测速传感器 (3个) 、提升小车的上下限位等。为提高控制系统的稳定性与方便性, 采用松下的C38AT PLC与EASYVIEW触摸屏控制[6]。

控制软件分为PLC控制软件与触摸屏软件。主要为PLC控制软件。PLC控制软件的流程图如图6所示。

5 冲击试验

设备的验证实验采用的是新研制成功的童车冲击试验机, 设备样机如图7所示。在调试过程中, 对冲击小车、提升小车的运动轮与导向轮进行调整, 传感器的位置与冲击小车的复位点等也进行的调试[7]。测试样件为好孩子婴儿学步车与推车, 实验前, 调整传感器的高度, 然后将婴儿学步车安装在冲击车上, 进行2 m/S的冲击试验。测试的结果如表1所示。

实验结果表明, 该冲击试验机性能稳定, 实验数据的重复性精度高, 且具有防二次冲击能力, 所以测试的过程科学, 有据, 能很好地符合标准要求。

6 结论

在分析现役的童车冲击试验机存在问题的基础上, 采用模块化、综合化组合技术设计了一种新型的童车冲击试验机, 该试验机采用自由下滑导向机构导向的方式, 使得被测童车自由地冲击到被测试墙的方式。试验机经过实验验证, 不仅重复精度高, 而且测试数据与理论数据的贴合性好, 很好地解决了现役冲击试验机中存在的问题, 对提高检验检疫的水平、提高测试结果的公正、可靠、合理性有着重要意义[8]。同时, 该试验机不仅能对童车进行测试, 同时也可实现滑板车、妞妞车等的测试, 测试范围具有可拓展性。大大提高了测试的品质与设备的利用率。从设计理念上实现了检测设备设计思想的颠覆, 对整个检测行业非标设备的研发起到引领作用。

摘要：在分析归纳国内外标准的基础上, 为准确获得标准规定的冲击速度, 设计了一套多功能冲击试验机。在分析现役试验机缺陷的基础上, 采用被测童车自由启动, 冲击测试墙的方式, 更能贴合实际的工作状况。该设备采用模块化技术与能量转换原理, 结构包括曲面提升装置、防二次冲击装置、导向装置等。该系统能很好地满足童车测试中标准规定的关于冲击的测试要求, 也可实现对滑板车, 妞妞车等的测试。测试结果表明, 该综合冲击系统重复测试性好, 测试精度高, 与标准的贴合度紧密, 具有较大的推广价值。

关键词：童车,测试,冲击试验机,模块化

参考文献

[1]BRITISH STANDARD BS7409 Safety requirements for wheeled child conveyances[s], 1996.

[2]BRITISH STANDARD BS EN 1273 Child use and care articleBaby walking safety requirements and test methods[s[s], 2005.

[3]ASTM Standard Consumer Safety Performance Specification for Carriages and Strollers[s], 2205.

[4]GB14749-2006.婴儿学步车安全要求[S].

[5]CNCA-13C-068:2006《童车类产品强制性认证实施规则》[S].

[6]BS ISO 8098-2002.Cycles-Safety requirements for bicycles for young children[S].

[7]GB14746-2006.儿童自行车安全要求[S].

冲击试验机 篇5

（暨南大学力学与土木工程系，教育部重大工程灾害与控制重点实验室，广东 广州510632）

引 言

结构耐撞性在汽车、火车、飞机及电梯等的设计中极具重要性。早期的吸能结构、元件主要采用金属材料，但是结构偏重，由于轻量化的要求，迫使人们将目光转向轻质材料［1］。随着复合材料在工程领域逐渐深入地应用，将复合材料壳体作为吸能结构成为国内外学者关注的焦点。在复合材料管吸能特性的研究方面，吴文科，秦瑞芬采用有限元分析程序对管形件冲击试验过程进行了计算机仿真分析［2］，李道奎等对轴压含脱层的复合材料圆柱壳的稳定性问题进行了试验研究，设计了具有针对性的试验方案，对含各种深度脱层与不含脱层的圆柱壳进行了试验，并进行了精度分析［3］。刘瑞同等发现设计合理的复合材料对称元件可以比金属元件吸收更多的冲击能量［4］。Tabiei和Bisagni等对复合材料对称试件的研究表明，复合材料对称试件是通过弹性变形之后的后续压溃阶段来达到吸收能量的目的，特殊的对称结构可以更好的引发破坏，并且使破坏的过程更加易于控制［5，6］。梁希、张会杰、杨秋红等通过对复合材料圆柱壳轴向压缩试验研究了复合材料结构的缓冲吸能特性［7～9］。

吸能元件经破坏形式耗散冲击能量的过程称为能量吸收。复合材料圆柱壳受冲击载荷的压缩过程中表现为复杂的脆性破坏，其破坏吸能模式与纤维的排布方式、纤维的体积分数、纤维／基体的界面性能等都有关系，表现出很强的各向异性和非线性。

宋毅、王璠等已经通过静态试验研究玻璃纤维／聚酯树脂基体复合材料圆柱壳的吸能特性［10］，并进行了数值模拟。

1 试件材料及尺寸

试件委托广州玻璃钢厂制备，以玻璃纤维为增强相，聚酯树脂为基体的复合材料圆柱壳，［±θ］5铺层结构，其尺寸规格如图1所示：底面半径50 mm，壁厚2.5 mm，高度100 mm。材料制备中标准试件的引发方式为如图1所示直角无花纹。

2 冲击试验的装置及试验方法

2.1 试验仪器

试验采用美国INSTRON落锤冲击试验机，型号DYNATUP 9250 HV，外观如图2所示。

由于仪器的原装冲头没有合适的冲击平面，所以重新加工专用冲头，冲头装配位置见图3，冲头形状如图4。左侧冲头的材质是铝合金的，右侧的材质是合金钢的，圆形的冲击平面的半径大于试件半径，为40 mm。

图1 样品尺寸Fig.1 Sample size

图2 INSTRON落锤冲击试验机Fig.2 The INSTRON drop hammer impact test machine

图3 冲头安装位置Fig.3 The position of the punch

图4 冲头Fig.4 The punch

2.2 试验方法及分析

试验分组：①按照铺层角度分，分为45°，60°，70°，75°，90°，共5组；②按照4种引发方式分，分为内倒角、外倒角、圆角、尖角，共4组。试验以5个同类型规格的试件为一小组进行分组试验。在冲击试验中，采用4 m／s的低速冲击动态加载。数据结果按每组平均值作比较，以研究铺层方式和引发方式对吸能效果的影响。

3 正交各向异性材料的偏轴弹性特性

3.1 偏轴弹性常数

复合材料最常用和最基本的量是4个沿轴工程常数E1，E2，ν12，G12。试件的材料常数如表1［4］。

表1 玻璃纤维／环氧树脂复合材料的性能参数Tab.1 The parameters of the glass fiber／epoxy composites

按照复合材料宏观力学的基本理论，偏轴弹性模量Ex，Ey，Gxy。

则本试验所采用的玻璃纤维增强聚酯树脂基体复合材料Ex，Ey，Gxy三个偏轴工程常数随θ角度的变化如图5所示。

从图5可以看到：θ＝0°的时候，Ex有极大值，θ＝90°，Ex有极大值，但在θ＝60°附近时，Ex有极小值。为了说明这一现象，对式（1）求导

得sin2θ＝0，即θ＝0°和90°，－3.68cos2θ＋0.94＝0，解得θ＝59.64°。

图5 材料的偏轴工程常数与θ的关系Fig.5 Relationship between the off－axis of the material engineering constants andθ

通过计算反应了偏轴工程常数Ex的特性，Ey的特点基本与Ex一致，而Gxy关于θ＝45°对称分布。

3.2 偏轴耦合系数

为了使离轴柔度具有明显的物理意义，定义离轴工程耦合系数ηxy，x为仅由σx引起的νxy与εx的比值：

以表达正交异性单层的宏观弹性性能耦合现象。工程常数ηxy，x，ηxy，y随θ角的变化为：

其中：

图6为本试验所采用的玻璃纤维增强聚酯树脂基体复合材料工程常数ηxy，x，ηxy，y随θ角的变化曲线。

图6 工程常数ηxy，x，ηxy，y 随θ角的变化情况Fig.6 The engineering constantsηxy，x ，ηxy，y with angleθ changes

4 试验结果及分析

4.1 纤维层铺层角度对吸能效果的影响

图7为铺层角为45°，60°在4 m／s的轴向冲击荷载作用下的破坏试件，从破坏的形式看到，铺层为45°，60°的试件的破环形式为基体断裂、纤维脱粘，纤维很少发生断裂，整体脆断。

这是因为角度设置较小的铺设纤维主要起到圆柱壳的轴向增强作用，大量的裂纹首先在强度较低的周向生成，并且随着冲击载荷的增加，管壁内大量平行纤维方向的基体裂纹在单层或相邻层内沿纤维方向扩展，基体的周向开裂使纤维沿周向开裂成分离的层束，试件破环，试件停止吸能，吸能效果较差。

铺层角度为70°，75°，90°在4 m／s的轴向冲击荷载作用下的破坏试件如图8所示，其破坏形式主要表现为横向剪切模式。

70°，75°，90°的纤维缠绕角度使此类元件圆柱壳周向刚度和强度相较45°，60°的元件要大，裂纹沿轴向扩展，管壁发生剪切破坏，纤维大量断裂。基体和纤维的断裂吸收了大量的能量，产生很多细小的碎片。因此此类元件比吸能较高，能承受更好的冲击能量，并且不容易整体失效。

此外，45°，60°元件表现出的破坏形式比较复杂，它的破坏模式、吸能效果与试件的成型工艺、加载速率、缺陷分布及均匀度、压缩时的边界条件（如端部有无润滑）等相关。其压溃过程中可能出现稳态、非稳态或混合模式，任何参数的变化都可能导向不同的现象。

从图7与图8的对比可以看到45°，60°元件与70°，75°，90°元件有着不同的破坏模式，原因与铺层角度造成横向刚度、竖直刚度、剪切模量等工程常数有关。从图5和图6中数据可以发现，竖直弹性模量Ex在60°附近有明显升高、通过理论推导发现θ＝59.64°时Ex才有极小值，剪切模量Gxy在60°附近有明显下降，工程常数ηxy，y在θ＝60°附近的数值在0的附近，由负值变化为正值，这些都是元件在60°左右破坏形式发生改变的原因。

图9为不同铺层角度下玻璃纤维增强聚酯树脂圆柱壳在4 m／s的轴向冲击荷载作用下的位移—荷载曲线。从中可以看到铺层角为70°时，载荷位移曲线包含的面积最大，为了清楚地说明吸能效果，用比吸能（单位质量吸收的能量）柱图表示在图10中。

纤维铺层方向这一影响因素有些特殊，对于不同的材料而言，纤维取向的影响趋势是不同的。对于纤维缠绕成型的［±θ］n复合材料圆柱壳，随着缠绕角从45°变化到90°，试件的破坏模式经历层束弯曲、局部屈曲、横向剪切中一种或者多种模式混合的破环模式。复合材料圆柱壳的比吸能随纤维层方位的改变而变化，其主要原因是由于纤维缠绕角度的不同引起的壳体轴向刚度的不同，由此在轴向冲击的情况下导致了破坏模式和损伤机理的不同。

图7 铺层为45°，60°试件的破环形式Fig.7 The broken form of the specimen which ply is 45°and 60°

图8 铺层为70°，75°，90°的试件破坏形式Fig.8 The broken form of the specimen which ply is 70°，75°and 90°

图9 不同铺层角度位移－荷载曲线Fig.9 The displacement－load curve with the different plies angle

图10 不同铺层的比吸能Fig.10 The energy absorbed per unit mass with different plies

4.2 倒角引发形式对吸能的影响

复合材料圆柱壳结构作为缓冲吸能元件，一般要求在不减少比吸能的情况下有较长的引发阶段和较低的载荷峰值。研究表明，对复合材料管端部进行削弱处理，可以引导渐进破坏过程并降低初始载荷。将铺层角度为75°的玻璃纤维增强聚酯树脂基圆柱壳试件经过内倒角、外倒角处理，并进行4 m／s的轴向冲击动态试验，得到载荷位移曲线，图11为引发方式对荷载位移曲线的影响。

通过图11可以清晰地看到，经过管端部倒角处理的试件对于降低载荷峰值有着很好的效果，如经过管端部内倒角处理试件的载荷峰值从65 000 N左右降低到40000 N以下，下降了38.5%左右。

端部的倒角是否会对试件的吸能效果产生影响，图12是标准件与倒角试件吸能的比较图。

从图12可以发现倒角结构对吸能的影响是微小的。内、外倒角与无倒角处理对壳体缓冲吸能影响的差异值如表2所示。

表2 倒角结构对吸能的影响Tab.2 Chamfer structure affects energy absorption

从上表可以看到试件的倒角对试件的吸能效果的影响不大，控制在5%以内，所以对倒角处理是合理的，既可以起到降低载荷峰值的作用，又不影响到试件的吸能效果。

图11 倒角与标准件的荷载—位移曲线比较Fig.11 The displacement—load curve with the chamfer specimen and standard specimen

图12 标准件与倒角试件比吸能比较Fig.12 The energy absorbed per unit mass with the chamfer specimen and standard specimen

图13 ［±75°］5的两种特殊引发方式Fig.13 Two special trigger mode of［±75°］5

图14 尖角、圆角引发方式对破坏模式的影响Fig.14 The effect of miter，round trigger mode on failure mode

4.3 特殊引发结构对吸能的影响

正是由于复合材料层合结构对初始缺陷非常敏感，采用何种引发方式可以更有效地引发破坏，并且使得破坏过程更易于控制成为了目前的研究热点。本试验设计了铺层方式为［±75°］5的两种引发方式：尖角型、圆角型，如图13所示。尖角型和圆角型高度均为98 mm，引发结构部分的最高点到最低点距离均为15 mm，结构呈轴对称分布。

由图14中可以看出，无论是尖角型还是圆角型的引发方式，破坏模式均与［±75°］5的标准件类似。以下从试验数据探讨这两种特殊引发方式对吸能效果的影响，其典型载荷—位移曲线如图15所示。

图15 倒角与标准件的荷载－位移曲线比较Fig.15 The displacement－load curve with the chamfer specimen and standard specimen

由图15可以清晰地看到经过重新切削处理管端部的特殊的引发方式，对于降低载荷峰值有着很好的效果，载荷峰值从66.6 k N降低到30 k N左右，比倒角的效果更明显，下降了57%左右。而且从图15可以发现，这种特殊的引发方式可以降低荷载上升的坡度，减缓峰值到达最高点的时间，作为缓冲元件，可以更好的保护其他主要元件。通过图16可以看这到两种特殊的引发结构对比吸能的值有较大的影响。

从表3可见，圆角、尖角特殊的引发结构试件的吸能效果比标准的试件增加了约80%。

由上述数据可以看到，无论是尖角型还是圆角型引发方式，破坏模式与［±75°］5的标准件相同，荷载的峰值降低了，荷载的增加速度减缓了，吸能效果增加了。

经过重新切削处理管端部使得冲头与试件端部的接触更加平滑，端部的刚度会明显降低，在冲击过程中刚度逐渐变大，减缓峰值到达最高点的时间。同样的，能量吸收的过程通过变缓，材料的纤维得到更多时间进行形变吸能，使试件整体的吸能效果得到提升，如图16所示。

表3 特殊引发结构对吸能的影响Tab.3 The effect of special trigger mode on energy absorption

图16 标准件与倒角试件比吸能比较Fig.16 The energy absorbed per unit mass with the chamfer specimen and standard specimen

4.4 讨论分析

以上试验是采用铝合金冲头完成的，考虑到使用的冲头的材料是铝合金的，材料质地软，密度低，冲压情况下，有可能通过自身变形，吸收部分能量，对试验的数据造成一定的影响，采用合金钢冲头进行试验。图17是合金钢冲头、铝合金冲头试验结果的对比。

由图18可以看到，整体上说冲头的材质对试件的吸能效果还是有一定影响的，但是影响不大，控制在2%～5%以内，在合金钢冲头冲击下的试件吸收的能量大于铝合金的。说明铝合金材质软吸收了的能量比合金钢冲头多，所以选用硬度大一些的冲头对试验的影响会小一些。

图17 不同冲头下的荷载－位移曲线Fig.17 The displacement－load curve in different punch

图18 冲头材质对吸能结果的影响Fig.18 The effect of material of punch on energy absorption

5 结 论

（1）复合材料层合结构虽然有较好的吸能特性，但是如果不经处理，较高的初始峰值很可能会伤及被保护的物件，因此也不能称为理想的缓冲结构。各种引发方式，无论是内、外倒角还是尖角型和圆角型，都能达到降低初始峰值的作用，对被保护物件起到很好的保护作用。

（2）铺层45°，60°与铺层70°，75°，90°的破坏方式不同，铺层45°，60°在冲击下容易整体失效，而没有充分吸收能量。铺层70°，75°，90°的试件吸能效果明显高于铺层45°，60°的试件。在60°附近竖直弹性模量Ex有明显升高、Ex为极值点，剪切模量Gxy明显下降，工程常数ηxy，y数值在0的附近，由负值变化为正值。

（3）在各种引发方式的对比中，尖角型和圆角型的引发方式能极大地延长到达峰值所需的压溃位移长度，比吸能比标准试件有所提高。

（4）倒角的引发方式的加工仅需对原有试件进行略微的处理就可达到较为满意的结果，尖角型和圆角型的引发方式则必须对原件做大规模的设计改动。因此，倒角的处理模式可以方便地得到广泛应用。然而，尖角型和圆角型的引发方式具有强大的可设计性，破坏进程的可控性更强，比吸能还有很大的提升空间，因此值得进一步的研究探索。

（5）使用硬质的冲头要比使用软材质的冲头对试验的影响要小，本试验中使用合金钢冲头对试验的影响会小一些。

［1］ 张平，桂良进，范子杰.编织复合材料圆管准静态轴向压缩吸能特性的试验研究［J］.复合材料学报，2007，24（1）：146—150.ZHANG Ping，GUI Liangjin，FAN Zijie.Experimental investigation on the energy absorption characteristic of braided composite circular tubes subjected to quasistatic axial compression［J］.Acta Materiae Compositae Sinica，2007，24（1）：146—150.

［2］ 吴文科，秦瑞芬.复合材料管形件冲击试验仿真［J］.直升机技术，2006，147（3）：37—40.WU Wen－ke，QIN Rui－fen.Simulating of composite materials pipes impact experimentation［J］.HELICOPTER TECHNIQUE，2006，147（3）：37—40.

［3］ 李道奎.脱层复合材料圆柱壳屈曲的试验研究［J］.试验技术与试验机，2006，1：5—8.Li Daokui.Testing study for buckling of composite cylindrical shell with delaminations［J］.Test Technology and Testing Machine，2006，1：5—8.

［4］ 刘瑞同，林建平，王鑫伟.复合材料对称元件的缓冲吸能性能研究［J］.热固性树脂，2004，19（3）：39—46.LIU Rui－tong，LIN Jian－ping，WANG Xin－wei.Study on enegy－absorption capability of symmetrical composite elements［J］.Thermosetting Resin，2004，19（3）：39—46.

［5］ Tabiei A，Aminjikurai S B.A stain－rate dependent micro－mechanical model with progressive post－failure behavior for predicting impact response of unidirectional composite laminates［J］.Composite Structures，2009，88（1）：65—82.

［6］ Bisagni C，Di Pietro G，Fraschini L，et al.Progressive crashing of fiber－reinforced composite structural components of a formula one racing car［J］.Composite Structures，2005，68（4）：491—503.

［7］ 梁希，李慧剑，何长军，等.空心玻璃微珠／环氧树脂复合材料简支冲击试验研究［J］.试验力学，2010，25（5）：561—567.LIANG Xi，LI Hui－jian，HE Chang－jun，et al.Experimental impact study of simple－supported material made of epoxy resin filled with hollow glass bead［J］.Journal of Experimental Mechanics，2010，25（5）：561—567.

［8］ 张会杰，唐志平，李丹.T iN i相变圆柱壳的径向压缩特性试验研究［J］.试验力学，2009，24（6）：525—531.ZHANG Hui－jie，TANG Zhi－ping，LI Dan.Experimental investigation on radial compression characteristics of TiNi cylindrical shell［J］.Journal of Experimental Mechanics，2009，24（6）：525—531.

［9］ 杨秋红，王瑞，徐磊.织物结构对2.5维织物复合材料冲击动态力学性能的影响［J］.玻璃钢／复合材料，2010，3：44—47.YANG Qiu－hong，WANG Rui，XU Lei.Effect of fabric stucture on the impact dynamic mechanical properties of 2.5D woven fabric composites［J］.Fiber Reinforced Plastics／Composites，2010，3：44—47.

［10］宋毅，王璠.复合材料层合圆柱壳体缓冲吸能的试验模拟［J］.华南理工大学学报，2008，37（12）：140—145.Song Yi，Wang Fan.Test and simulation of cushioning energy－absorbing property of composite－laminated cylindrical shells［J］.Journal of South China University of Technology，2008，37（12）：140—145.

［11］沈观林，胡更开.复合材料力学［M］.北京：清华大学出版社，2006.

［12］张双寅，刘济庆.复合材料结构的力学性能［M］.北京：北京理工大学出版社.1992.

［13］吴人洁.复合材料［M］.天津：天津大学出版社.2000.

［14］段勇，陈前.软内壁颗粒阻尼器阻尼特性试验研究［J］.振动工程学报，2011，24（2）：215—220.DUAN Yong，CHEN Qian.Experimental investigation of damping properties of the particle dampers with soft lining［J］.Journal of Vibration Engineering，2011，24（2）：215—220.

［15］胡保全，牛晋川.先进复合材料［J］.北京：国防工业出版社，2006.

智能化冲击电流试验系统 篇6

这里介绍的智能化冲击控制系统由控制箱、控制台内控制器和光纤传输系统等部分组成,通过控制器上的触摸屏设置和执行控制命令,并由充电电源车上的控制箱完成,控制器内可编程逻辑控制器PLC(Programmable Logic Controller)与控制箱内PLC通过光纤传输系统执行控制命令和反馈工作状态,系统自动化程度高、操作方便。

1 冲击电流发生器工作原理

冲击电流主回路原理如图1所示,工作时,合上低压主接触器开关KM1后,通过控制晶闸管控制模块的输出电压来控制变压器T原边电压,变压器副边产生的交流高压通过充电电阻R和高压硅堆VD给电容器组C充电,当充电达到电压设定值时通过高压脉冲点火器DHQ输出高压点火脉冲,使球间隙G击穿,电容器组经调波电阻R1及调波电感L1对试品S放电,使试品上流过冲击大电流。图1中分压器FYQ用来测量试品上的残压,分流器FLQ选用Rogowski线圈,用来测量流经试品的电流。

冲击电流发生器实际上是个RLC放电回路,冲击电流幅值与电容器的容量、回路电感、回路电阻有关,在电容量一定时,冲击电流幅值随着回路电感减小而增大,随着回路电阻减小而增大,冲击电流发生器参数可根据需求通过ATP仿真计算来确定。

2 冲击电流发生器控制系统

2.1 PLC及触摸屏

PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、编程直观、功能完善等优点,在工业控制中得到广泛应用[10](1)。

本系统触摸屏选用三菱GOT900系列,PLC选用三菱FX2N系列并配置FX2N-16EYR、FX2N-4AD、FX2N-2AD、FX2N-2DA 4个扩展模块进行数据转换。FX2N-16EYR为输出节点扩展模块,FX2N-4AD为4通道模数转换模块,主要用于球隙距离信号反馈,FX2N-2AD为2通道模数转换模块,主要用于充电电压信号反馈,FX2N-2DA为2通道数模转换模块,主要用于充电电压设定和充电函数信号输出。利用FX-PCS-DU软件可进行触摸屏画面程序的制作,可用数值或条形图监示可编程控制器字元件的设定值或实时值,并通过ON/OFF翻转显示画面的指定区域,利用GX-Developer或FX/PCS-WIN软件可进行PLC程序设计,采用梯形图编程语言进行编译。触摸屏可通过RS-422接口与PLC建立通信,由触摸屏发出操作指令PLC执行,PLC可将当前状态实时反馈到触摸屏上,以便用户操作或判断。PLC编译图如图2所示。

2.2 充电电路设计

充电电路的设计分为自动充电和手动充电2个部分,选用晶闸管单相交流模块进行充电控制,为了实现系统自动充电,设计了充电电路函数发生器和PLC可控充电函数程序,如图3、4所示(图4中U为充电电压,t为充电时间)。

充电控制量将按可控充电函数给出的速率逐渐增加,晶闸管模块自动导通并按函数的输入控制量、输出电压信号至变压器原边,充电函数将设定的充电时间分为2段,在0~at1时间段,电压充至90%的电压设定值US,a t1~t2时间段,电压充满到US,整个充电过程由起初的快速逐渐趋于平稳,通过ATP仿真计算得出当a=0.75时,变压器最大充电电流相对较低,有利于提高变压器的使用寿命。

充电电路板还带有电压反馈电路、充电极性判断和动态保护电路等功能,电压反馈电路是通过电阻分压器将直流高压连接至充电电路板上进行测量,然后经FX2N-2AD模块反馈到触摸屏,显示当前充电电压幅值。充电极性判断是通过测量反馈电压的极性来判断当前充电极性,并在触摸屏上显示。动态保护电路是设计一个电压比较电路,将反馈电压与充电函数进行比较,当反馈电压低于充电函数输出量时,充电保持,当反馈电压高于充电函数输出量,充电关闭,触摸屏可实时监控充电状态。手动充电方式是系统充电开始时,利用触摸屏上“升压”按钮进行控制量输出,晶闸管导通并保持固定的输出电压给变压器原边,对电容器充电。当电压充满时,晶闸管自动关断且电压保持,等待触发信号。

2.3 触发电路设计

当电容充电达到电压设定值时,系统将根据用户选择的方式点火触发将球隙击穿。触发方式分为自动触发和手动触发,自动触发是在设定的时间内充电到电压设定值后系统自动触发点火;手动触发则为充电充满时系统处于电压保持状态,等待手动触发信号进行触发。

触发点火系统由触摸屏给出触发命令,通过PLC输出节点至触发控制电路板,然后输出信号到高压脉冲点火器进行点火触发,如图5所示。触发控制电路原理是PLC输出电压信号至触发电路板,导通触发板上的光电耦合器,经过脉冲跟随器产生脉冲电压,通过脉冲变压器将低脉冲电压放大,通过同轴屏蔽电缆连接到高压脉冲点火器,产生高压点火脉冲将球隙G击穿。

如图6所示,高压脉冲点火器原理是220 V交流电源经滤波器后六倍压电路整流输出对电容C7和C8充电,手动触发(脉冲点火器手动点火)或自动触发(输入触发信号自动点火)的脉冲电压信号经变压器T2输出脉冲,与直流高压联合作用使气体放电管VG1和VG2击穿,同时VG3击穿。由于R3、R4的限流作用,大部分能量流过VG1和VG3,在脉冲变压器T3原边产生脉冲电压,经脉冲变压器升压后输出约20 k的高压脉冲。

2.4 球隙电路设计

通过位移传感器将球隙距离信号转换成直流电压信号,经电压跟随、抗干扰等处理后输入到PLC的FX2N-4AD扩展模块。球隙调节系统设有自动和手动调节模式,自动调节模式下,根据充电电压与球隙距离的关系设计了球隙自动跟踪曲线,自动跟踪曲线可以根据试验结果进行参数设置,自动调节系统根据自动跟踪曲线计算出的理论球距进行调整,手动调节模式是利用手动按键的模式调整球隙距离。

球隙调节设有高、低限位保护,即到达球距最大或最小值时调节开关自动断开,且带有互锁电路,当调节球距增大时,减小按键不起作用,反之亦然。

3 充电整流电源及发生器本体

冲击电流发生器充电电源AC380 V/15 k V·A,控制电源AC220 V/5 k V·A,变压器额定电压70 k V/15 k V·A,输出直流电压60 k V,可产生正、负极性雷电流波。发生器本体包括主电容器和调波电阻,组合波调波电阻、电感,放电架和试品车,其中放电架带有放电球、减速器、齿轮电动机和高压脉冲点火器,试品区内有冲击分压器、Rogowski电流测量线圈和试品连接装置。

冲击电流发生器通过改变电容、电阻和电感可产生1.2/50μs冲击电压和8/20μs冲击电流组合波、8/20μs雷电冲击电流等波形。用以模拟各种雷电冲击电流波形,适合对各种过电压防护设备和器件,进行雷电冲击电流试验。

4 冲击测量及数据采集测量系统

在进行雷电冲击试验时,冲击波持续时间短(微秒级)、变化快,因此测量冲击电流、冲击电压的仪器和测量系统必须具有较好的瞬态响应特性。

目前,最常用的冲击电压测量方法有:球隙法、冲击分压器和光电测量系统3种。球隙法一般需要系统预放电以后才能逐渐稳定,光电测量系统与传统的高压分压器或分流器为主的测量系统相比,稳定性较差[11]。因此,本系统采用冲击分压器进行冲击电压的测量。冲击电流的测量主要有分流器和Rogowski线圈,分流器测量雷电流采用电气连接的方式,大电流流过分流器引起的热效应会使分流器阻值发生变化,给测量带来一定的误差,Rogowski线圈因其具有响应频带宽、测量幅度大、无磁滞和饱和现象、抗干扰能力强且与被测回路无直接电气连接等优点而被广泛应用。因此,本系统采用Rogowski线圈进行冲击电流的测量。

Rogowski线圈测量电流的理论是电磁感应定律和安培环路定律,线圈采用空心结构,其中一次侧为单根载流导线,二次侧为Rogowski线圈,测量时将载流导体穿过线圈中心,利用同轴屏蔽电缆将信号引至数字存储示波器进行雷电流的测量[12,13]。

冲击测量系统DSMS(Digital Surging Measurement System)是将雷电冲击测量系统、TDS1k/2k示波器以及工控机IPC结合起来,利用示波器所带RS-232串行端口,基于VB6.0开发平台进行串口通信软件开发[14],实现以下功能:IPC屏幕上显示的波形与示波器同步,进行实时分析;对冲击电压、电流波形各参数进行分析、统计及打印其结果;对大量的波形、波形参数进行存储以进行后期频谱分析等处理。

5 结论

薄膜冲击试验仪优化设计 篇7

1 原理

薄膜冲击试验仪的半球形冲头在一定的速度下冲击并穿过试样,测量冲头所消耗的能量。以此评价试样的抗摆锤冲击能力。其能量转化关系原理如图1所示。

一质量为m的物体绕O点转动,重心到O点的距离为l,则:

在位置1处,物体具有最大势能mgl;

在位置2处,物体具有的势能为0;

在位置3处,物体具有的势能为mgl(1-cosα);

在理想状态下,如果物体不受外来阻力在位置1处自由下落,则升起的角度α必然是90°冲头冲破试样时必然消耗能量,损失的能量即为试样的抗冲击能量。即

2 典型设备构造及其特点

图2所示为冲击试验仪的典型构造,目前大多数冲击试验仪都采用这种结构形式。其特点如下:

(1)机械式结构,试样夹紧及摆锤释放需人工操作;

1.调平地脚;2.水平平台;3.摆锤支架;4.摆锤释放杆;5.刻度盘;6.指针;7.夹紧旋钮;8.试样夹具;9.冲头及冲杆;10.摆锤体;11.调平螺母

(2)试验结果需人工从刻度盘读数,试验精度较低;

(3)人为因素影响明显,试验结果重复性较差;

(4)采用手动夹紧方式,夹持力不均匀,并且试验效率低、试验者劳动强度大;

(5)量程固定,不能调整。

3 新型设备构造及其特点

针对典型冲击试验仪的各种缺陷,我们采取了多项改进措施,以此提高测量精度及试验效率。新型冲击试验仪的结构如图3所示。

主要部件功能说明:调平地脚为调节仪器的水平和平衡;扇形摆锤体为配以冲杆、冲头,以一定的能量冲击试样;摆锤释放杆为试验时,释放基本摆锤(下转第33页)(上接第28页)体;试样夹具为将试样固定;量程砝码为改变仪器的量程;操作面板为通过操作其上面的按键控制试验;编码器为采集摆锤的角度。

新型冲击试验仪的特点:

电子式设计:新型薄膜冲击试验仪采用电子式设计,编码器采集角度、结果自动运算,精度高、自动化程度高。

试样气动夹紧,摆锤气动释放:新型薄膜冲击试验仪以压缩空气为动力,试样气动夹紧,摆锤气动释放,夹持力更加均匀,同时减小了试验误差与试验时间,提高了试验效率,降低了劳动强度,测试过程自动化程度高,重复性好,人为因素少。

精度高:新型薄膜冲击试验仪用编码器采集冲击角度、结果自动运算,试验精度高,最小分辨率可达0.001J(典型薄膜冲击试验仪最小分辨率为0.02J),重复性好,人为因素少。

量程可调:试样抗冲击性能有很大差别,设备应具备不同的量程来满足试验的需要。实验证明,试验结果在满量程的20%～80%最精确。典型薄膜冲击试验仪量程不能调整,所以试验精度不能很好的保证。新型薄膜冲击试验仪通过更换量程砝码来实现量程的调节,能更好的满足试验要求。

连续进样测量:新型薄膜冲击试验仪对试样家具进行了改进,试样尺寸除按标准上规定的形式(单个测量)外,还可以连续进样测量。这样试验可连续进行,减少了试样制备和装夹时间,操作安全性也得到提高。

试验数据计算机处理:试验数据计算机分析、处理,试验报告微打输出,配有专业操作软件使测试数据分析更加方便快捷。

微型计算机水平调整辅助功能,使仪器的水平调整更加准确方便。

4 结论

通过设备性能对比,可得出这样的结论,新型薄膜冲击试验仪在试验精度、试验效率、自动化程度等方面均有大幅度的提高,同时降低了试验者劳动强度及试验准备时间,是典型薄膜冲击试验仪的升级换代产品。

参考文献

[1]ASTM D3420-95Standard Test Method for Pendulum Impact Resistance of Plastic Film.

冲击试验机 篇8

转向器是汽车转向系统中的重要部件, 随着汽车行业国际间技术交往的加强, 对其安全性要求越来越高。本文所设计的转向器冲击试验机, 由计算机结合可编程控制器控制和采集数据, 由减速电机和离合器控制摆锤的起摆与下落。在实际工作中, 转向器在震荡环境下工作不可避免, 试件的抗冲击强度是其最重要的性能参数之一, 所以, 对其抗拉、压冲击的检测是非常关键的环节。

1 工作原理

摆锤冲击试验机原理是利用摆锤的重力加速度冲击方式, 对转向器试件施以拉、压力冲击, 即实现摆锤的势能转化为动能这样一种能量转换。并在试件一端安装压力传感器, 测量试件所受能量的大小。试件的韧性强弱即可通过其所能接受的能量高低来衡量, 以此验证产品安全性。图1为冲击试样机工作原理图。

摆锤在自由悬垂时, 冲击刀刃应与试样之间处于似接非接状态。当摆锤上升仰角到α时为摆锤初始位置, 然后自由释放, 在忽略风阻、机械摩擦损失的条件下, 为冲击过程提供需要的能量。

2 冲击速度与起摆角度

根据要求, 为模拟转向器实际工作状况, 需在冲击试件与摆锤之间加缓冲设备, 产生带缓冲的冲击, 具体冲击要求如图2所示。

摆锤冲击是由势能转化为动能的过程,

式中:E为忽略其他能量损失条件下, 冲击试样时的总能量;l0为试样重心到摆轴轴线的距离。

根据图2的撞击F—t图像, 则此时摆锤自由下落到0°时所需达到的撞击动量式为:

式中:m为按设计规定中的摆锤质量大小, Fm为设计中所要求的最大冲击力度, 由于进行的是带缓冲的冲击, t为峰值响应时间, 根据动量定理, 可得出速度v, 即摆锤自由下落到撞击点处的速度。

按设计要求规定, 摆锤摆长、质量已定, 通过计算公式:

求得摆锤的实际起摆高度h, 进而确定摆锤的起摆角度α。

3 摆锤冲击中心的确定

由于设计的摆锤顶端由两轴承座支撑, 即可看作简支梁。当摆锤打击试件时, 轴承处必受到反碰撞冲量的作用。撞击点与摆锤组件的冲击中心重合时, 冲击力不会在摆轴轴线处产生附加的力, 这一定程度上减少了不必要的能量消耗, 提高了摆锤冲击试验机的使用寿命和安全性。并且国家标准硬质塑料简支梁冲击试验方法中规定, 旋转轴心到摆锤冲击中心的距离与旋转轴心至试样重心距离应一致, 两者之差不应超过后者的±1%。根据设计要求, 摆锤的质量已定, 摆杆的材料、长度也已确定。故应用优化设计方法确定尺寸, 可以减少摆锤的试制次数, 较准确地计算出理想的撞击位置。

当撞击发生时, 在撞击点处就成为了一个支点o, 受到试件给摆锤的反向冲击力。在冲击过程中摆锤组件的角速度为ω, 取o点两侧各部分的质量微元, 可得出撞击点上半部分的动量矩

由动量矩定理可知, 为避免产生多余的力矩, 在该点两边的位置所形成的动量大小应该是相等的, 根据这一特点可列出等式

式中:m1为摆杆的质量;m2为摆锤的质量;l为摆杆长度;h为摆锤高度。计算可得出冲击中心的位置z与摆锤高度h和摆杆长度l之间的的关系:

通过对冲击中心位置的计算, 可以较为方便地确定试件与摆锤的碰撞, 并避免在轴承端加载较大的载荷。通过几个参数关系的确定, 可以根据实际情况要求, 灵活调整设计方式, 确定冲击中心的位置。

4 结语

当摆锤与试件碰撞时, 力能垂直地作用于摆锤的撞击中心时, 在轴承处不会产生反碰撞冲量。通过计算优化设计, 可以减少摆杆变形导致试验成本的增加, 同时也可避免在轴承处的附加压力导致的能量损失, 对摆锤式冲击试验机的设计和制造有很大的实际意义。

摘要：介绍了摆锤冲击试验机, 根据工作要求, 设计摆锤组件, 达到冲击要求。阐述了简支梁摆锤冲击时的摆长, 撞击中心的优化计算方式。通过本文中的优化设计方法, 可使摆锤做冲击试验时, 对摆锤支撑端及摆杆的破坏力最小, 以保证冲击试验台的使用及使用的安全性, 提高能量利用率。

关键词：冲击试验机,摆锤,撞击中心,优化设计

参考文献

[1]梁昆森.力学上册[M].北京:人民教育出版社, 1978:286-300.

[2]吴篙, 刘波, 丁凡.冲击试验机力脉冲发生器应用现状与发展[J].机械工程师, 2004 (2) :2-5.

[3]王贡献, 褚德英, 张磊, 等.舰船设备冲击试验机研究进展[J].振动与冲击, 2007 (2) :152-159.

铝合金车轮的90°冲击试验 篇9

90°冲击试验是模拟车辆在行驶过程中车轮直接撞击障碍物的情形, 检查车轮轮辋的抗冲击性能。该项试验普遍应用于摩托车、全地形车车轮的冲击试验, 对于汽车车轮在TüV、JWL、SAE J 2530和GB/T 5334、GB/T5909等标准中均未提及, 只有日本的一些汽车厂商 (O E M) 有具体要求,

且试验方法、接受准则等均有区别。90°冲击设备

日本工业标准J I S D 4103∶1998《汽车部件-盘式车轮性能要求及标记》中对车轮30°冲击试验装置有明确要求, 而90°冲击试验机一般是在30°冲击试验机基础上改造而成的, 主要是安装车轮的底座由30°改成90°, 其他设施、结构都可以不变 (见图1) 。其技术参数:主配重为 (910±18) k g;辅助配重 (包括弹簧) 为 (100±4.5) kg;弹簧要求有两个以上, 刚度0.9 8~1.36k N/mm, 螺旋弹簧在装配时先加6mm的初始变形。

1.快速分离2.标尺3.机架4.导轨5.主配重6.螺旋弹7.辅助配重8.试验车轮9.90°冲击底座10.位置调

90°冲击试验方法及接收准则

1.90°冲击试验方法

(1) 试验轮的要求试验轮应是经过全部工序加工的未喷漆新轮, 并能代表已生产或即将生产的车轮。

(2) 试验用轮胎按照产品标准规定执行。安装轮胎, 充气压力按照 (260±10) k Pa执行。

(3) 将车轮与轮胎的总成安装到90°冲击试验机上, 装配方法等效于在车辆上的装配, 所用紧固螺栓不允许润滑, 装配面上也不允许有杂物, 固定车轮的螺栓拧紧到产品标准规定的转距数值[如无此规定, 可按照 (110±10) Nm执行]。

(4) 将提升重锤至指定的高度落下, 冲击高度一般为152~254mm, 冲击位置为轮辋的中心线 (如图2所示) 。

(5) 试验时, 根据用户规定, 以气门孔位置为起始点, 每隔90°在轮辋圆周上选择一个冲击点, 每个冲击点试验一件车轮 (共四件) ;或者以气门孔位置为起点0°、180°各三件 (共六件) 。

(6) 有的厂家要求, 车轮按上述方法做完90°冲击后 (见图1, 冲击高度为127m m) , 还需再做径向疲劳试验 (见图3) , 要求至少在额定载荷下完成40万转 (出现裂纹为止, 最多80万转) 。

2.90°冲击试验的接受准则

由于各个厂家要求冲击的高度不同, 因此接受准则也不一致。常见的有两种情形:一种是车轮仅做90°冲击试验, 另一种是车轮在完成90°冲击试验后, 还需再进行径向疲劳试验 (见表1) 。

90°冲击试验与13°、30°冲击试验的对比

90°冲击试验与13°、30°冲击试验的对比见表2, 从表2可以看出, 90°冲击试验的设计最接近车轮实际使用状况:

(1) 试验时车轮的安装方式与车轮在行驶中车辆上的安装方式一致 (安装盘平面与水平面成90°) , 试验轮胎也为主机厂实际装车用的轮胎。

(2) 90°冲击试验目前是主机厂自发提出来的, 该项试验是主机厂通过长期对车轮的故障件进行分析总结出来的, 尤其是90°冲击试验后再进行径向疲劳试验, 更接近实际车辆行驶的状况, 因此试验参数的选择和试验结果的判断也具有明显的针对性。

结语

不同国家的试验标准应与本国国情相适应, 我国也应结合中国的国情修订相关试验标准。中国是个多地形地貌的国家, 而且目前我国的整体路况质量比较差, 公路上遇到石头、雨水井之类的障碍物比较多, 对车轮的耐90°冲击试验重视不足就会导致安全事故。鉴于90°冲击试验与我国实际路况的适应性, 可以作为13°冲击试验的一个补充, 建议中国的铝合金车轮生产企业在车轮的设计开发时考虑汽车使用的路况, 在新品验证过程和周期试验中也增加90°冲击试验项目。同时也希望车轮行业的广大科技工作者不断充实完善90°冲击试验, 尽快形成一个规范的国家或行业试验标准。

新型重物冲击试验仪的研制 篇10

随着电子行业的蓬勃发展, 各类电子产品和电动产品逐渐成为人们必不可少的使用工具, 与其密切相关的电池也逐渐受到人们的关注, 其中, 电池本身的安全是被关注的重点。一块存在安全隐患的电池随时会成为人们身边的定时炸弹, 危及人们的生命安全。影响电池安全的因素又很多, 而电池内部所产生的高温、高压, 都与产热因素有直接关系。产热因素有很多, 一定的冲击试验会造成电池内部产生热量, 也可以检测出电池的耐受冲击能力及其后续的稳定状态, 因此, 重物冲击试验在电池安全检测中是一个重要试验项目。

1 重物冲击试验的检测要求

在电池安全测试过程中, UL1642、UN38.3、GB/T18287-2013、IEC62133-2012、SJ/T 11169-1998、YD1268-2003、SJ/T11170-1998、GB31241-2015 等试验标准对电池的耐冲击测试均有不同特定的测试要求, 但其原理基本一样, 主要由两个重物冲击试验锤 (分别是10kg和9.1kg) 对电池进行自由落体式冲击试验。

将电池按照标准规定的试验方法充满电后, 置于平台表面, 将直径为15.8±0.2mm或8mm的金属棒横置在电池几何中心上表面, 采用质量为9.1±0.1kg或10kg的重物从610mm±25mm的高处自由落体状态撞击放有金属棒的电池表面, 并观察是否爆炸。

重物冲击测试包含两层含义, 一是9.1kg的重锤从610mm高处的势能经过自由落体后转化成动能加给电池, 即直径为15.8mm的圆棒获得动能后瞬间砸在电池上, 电池内部正负极片瞬间被挤压, 如果隔膜此时不能有效隔离正负极, 会造成正负极内短路, 将引发电池内部的放热反应, 从而引发不安全。另一个含义是考察电池是否会变形。

表1 为不同标准对重物冲击检测的不同要求。

从表1 的标准可以看出, 各个标准中的重锤重量多为9.1kg, 只有标准YD 1268 为10kg, 冲击高度也是从610mm高度自由落体, 金属棒直径为15.8 或7.9mm左右。明确观察时间一般都为6h。

2 重物冲击试验仪的设计要求

重物冲击试验仪的设计要求包括以下几点:第一, 冲击过程去除绳索阻力, 提升高度的准确性, 去除绳索的阻力;第二, 电磁装置吸取, 提升重锤, 重锤提升高度可控, 遥控控制操作等;第三, 安全保护装置, 防爆功能, 自动排烟装置等。因重物冲击主要是观察锂电池是否爆炸, 在试验过程中容易发生爆炸伤人的危险, 因此, 需要设计防爆和观察功能;第四, 系统要求组成简便, 成本低廉, 具有良好的推广性。

3 设计路线和技术方案

在对电池做重物冲击试验的过程中, 需将一定重量的重物提升到一定高度, 在实现将重物快速脱开、自由落下、垂直冲击等一系列过程后, 观察电池受冲击后的变化现象, 从而判定电池的安全性能。

传统重物冲击试验装置, 多采用绳子牵引来完成, 通过电动机牵引, 将重物提升到一定高度, 再使牵引绳快速脱开, 重物带着牵引绳相对自由落下冲击电池。新型重物冲击试验仪采用电磁铁来吸住重锤, 通过丝杆提升重锤, 再断电消磁, 使重物快速脱开, 完全自由落下冲击电池样品。

3.1 试验结构与原理

主体结构见图1, 主机主体由机架、箱体、控制箱和升降组件等组成, 其中箱体由防爆材料制成, 前方防爆门上留有观察窗口。机架包括底板5、顶板1 及升降导杆4, 顶板1 通过升降导杆3 固定在底板5 的上方;所述的底板5上设有用于放置待测电池的放置件;所述的箱体内设有用于测试电池冲击的重锤9, 安装在机架上用于吸取和释放重锤的测试组件, 设置在测试组件的上方的升降组件11、12、13 及设置在机架底部位于放置件上方的矫正组件8;所述的升降组件安装在机架的顶部;所述的测试组件设置在升降组件和矫正组件之间, 并通过升降组件控制其上下移动;所述的测试组件、升降组件及矫正组件均与控制箱连接, 并通过控制箱控制。

该试验仪以电力和气压作为动力源, 实验室一般都有电和气源, 用电和气源做动力源可以减少成本且具有环保性。

具体从操作过程如下:操作面板见图2, 按下吸取按键, 重锤被电磁铁吸取;按下提升按键, 重锤被提升到指定高度, 按下控制面板上的“释放”按键, 电磁铁断电, 重锤被释放;重锤自由落体落到试验区, 这时, 重锤会有所倾斜, 不能再次被吸取, 需要按下“矫正”按键, 通过矫正气缸将重锤加紧复位到中间位置;按下控制面板上的“下降”按键, 升降结构下降到可以吸取重锤的高度, 再重新按下“吸取”按键, 电磁铁通电, 重新吸取重锤进行试验。

3.2 安全性设计

(1) 防重锤以外跌落安全装置。当确认重锤被吸取后, 安全夹子夹紧, 防止意外断电, 或其他没有准备好的情况下, 重锤意外脱落, 如图3 所示。

(2) 接近开关和行程开关限位保护设计。重锤的高度上升到指定高度, 接触到接近开关会自动停止, 冲击高度通过调节接近开关的位置来确定。如果上升高度过大, 提升装置就会压上装置上的行程开关, 这时提升装置就会停止, 从而保护电机等。

3.3 设备的创新点

创新点包括以下两个方面:一方面, 此新型重物冲击试验仪具有“电磁性”“无绳索牵引” “自动复位”的特点;另一方面, 系统能通过气动安全夹进行夹紧, 防止突然断电情况下, 重锤脱落。

4 结语

该设备制成后, 可进一步提高电池重物冲击试验的便利性和准确性。设计该设备时, 充分考虑电池试验过程中的危险性, 因此, 设备的安全性是本设计的重点。本设备采用几种方法实现多重安全保护, 且结构简单, 加工工艺简洁, 设备易操作。此设备已获得专利授权, 且在实际检测中的冲击试验证明, 具有很强的实用性, 在机械结构和应用方面有很好的参考价值。

摘要：通过分析比较国内外电池标准中的重物冲击项目, 结合标准中的要求, 设计一套新型电磁式重物冲击试验仪, 该设备进行试验时, 能安全检测, 自动冲击, 遥控控制, 经实际应用, 证明该设备具有很强的实用性。

关键词：重物冲击,电池,电磁

参考文献

[1]魏燕定.冲击落锤自动提升释放机构设计[J].机械设计, 2000, (3) :27-28.

[2]Underwriters Laboratories Inc (UL) .UL1642REV.5.Standard for Lithium Batteries[S].

[3]United Nations.Recommendations on the Transport of Dangerous Goods-Model Regulations[M].New York:United Nations Publications, 2013:185-295.

[4]International Electrotechnical Commission (IEC) .IEC62133:2012 Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes-Mechanical tests for sealed portable secondary cells and batteries[S].

[5]全国电子产品安全标准化技术委员会.SJ/T 11169-1998锂电池标准[S].

[6]中国通信标准化协会.YD 1268-2003移动通信手持机锂电池及充电器的安全要求和试验方法[S].

[7]全国电子产品安全标准化技术委员会.SJ/T11170-1998家用及商用电池安全标准[S].

[8]国家标准化委员会.GB 31241-2014便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求[S].