材料冲击试验平台装置及方法与流程

1.本发明涉及材料动态力学试验技术领域，具体地，涉及一种材料冲击试验平台装置及方法。


背景技术：

2.材料的动态力学性能是十分复杂的，它依赖于许多因素，不仅与材料本身的内部构造有关，而且受到外部加载速率、加载大小、环境温度、湿度和压力等因素的影响。许多材料在动态加载下响应行为与其在静态加载条件下的响应行为相差很大。
3.目前，水下设备的使用环境逐渐向中远海和深海转变。面临着更加复杂、严酷的水下环境，对设备的各方面性能也提出了更高的要求。其中，抗冲击性能作为一项直接关系到水下设备生命力的性能逐渐受到重视。水下设备抗冲击性能指水下设备满足能够承受一定冲击载荷的能力，该性能通常需要通过水下动力学冲击试验进行验证，但由于水下动力学冲击试验准备周期长，成本昂贵，且对于小型设备试验工况存在不确定性的情况，对于设备抗冲击技术的发展仍然将在一段时间内偏向于数值模型的建立与仿真评估，以及对于部分关重部件的实际水下动力学冲击试验。
4.水下设备冲击动力学数值模型的建立则主要依靠于材料动态本构模型的建立，通过材料动态力学试验获得材料在动态加载下的应力-应变曲线，将试验数据转化为材料动态本构模型参数，在有限元软件中建立材料动态力学试验模型并对试样赋予材料本构模型，通过有限元仿真调整参数使得数值计算结果与试验结果趋近，就完成了材料动态本构模型的建立。将材料动态本构模型赋予水下设备结构模型后进行冲击动力学数值分析，能够得到更接近实际工况的数值结果，相较于以往在设计阶段仅对设备进行静力学强度分析与校核，加入动力学分析对水下设备的结构设计具有更强的指导意义。
5.在研究材料的压缩力学性能时，通常针对不同的加载速率选取不同的试验装置。液压伺服式材料试验机可以提供100s-1
以下应变率的准静态加载条件；落锤试验技术则能够提供在10
0-102s-1
中等应变率下的高加载条件；分离式霍普金森压杆试验技术是获得材料在10
2-104s-1
高应变率范围内材料动态响应的主要试验手段；轻气炮加载和平面波发生器获得104s-1
以上超高应变率的动态加载。
6.公开号为cn214622129u的专利文献公开了一种建筑材料检测用耐冲击试验装置，包括冲击架体；所述冲击架体插接在底板的顶部，且冲击架体的底部设有圆台形状的冲击块。但是该专利文献仍然存在试验准备周期长，成本昂贵，且对于小型设备试验工况存在不确定性的情况的缺陷。


技术实现要素：

7.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种材料冲击试验平台装置及方法。
8.根据本发明提供的一种材料冲击试验平台装置，包括：底座，所述底座上设置有吸
收器，所述底座上设置有底座架；
9.所述底座架上设置有自上而下依次安装的输入杆和输出杆，所述输入杆和所述输出杆相靠近的一端之间用于放置标准试样；所述输入杆远离所述输出杆的一端设置有冲击平台，所述输出杆远离所述输入杆的一端与所述吸收器连接设置；
10.所述底座架的顶端设置有固定板，所述固定板上设置有质量块升降装置，所述冲击平台位于所述固定板位置处，所述质量块升降装置用于升降所述质量块；所述质量块下降时，所述质量块冲击在所述冲击平台上；
11.所述输出杆上设置有应变片，所述应变片沿所述输出杆的杆直径方向对称粘贴在所述输出杆的外侧壁上。
12.优选的，所述底座架上设置有第一直线轴承、第二直线轴承以及试样外保护套；
13.所述第一直线轴承和所述第二直线轴承均固定设置在所述底座架上，所述标准试样保护套的两端分别连接设置在所述第一直线轴承和所述第二直线轴承上；
14.所述输入杆穿过所述第一直线轴承设置，所述输出杆穿过所述第二直线轴承设置；所述输入杆靠近所述标准试样的一端位于所述试样外保护套，所述输出杆靠近所述标准试样的一端位于所述试样外保护套，所述标准试样位于所述试样外保护套内。
15.优选的，所述吸收器包括吸收器底板、吸收器外圈、弹簧、吸收杆、吸收器内圈以及限位销；
16.所述吸收器内圈和所述吸收器外圈设置在所述吸收器底板上，所述吸收器内圈设置在所述吸收器外圈内；
17.所述限位销设置在所述吸收器内圈上，所述弹簧的一端连接设置在所述限位销上，所述弹簧的另一端连接设置在所述吸收器外圈上；
18.所述吸收杆的一端位于所述吸收器内圈内，所述限位销用于抵接限位所述吸收杆的一端；所述吸收杆的另一端与所述输出杆抵接设置。
19.优选的，所述质量块包括入射波整形器、质量块下部、测速组件以及质量块上部；
20.所述质量块上部和所述质量块下部连接设置，所述质量块上部内设置有上空槽，所述质量块下部内设置有下空槽，所述上空槽和所述下空槽形成安装槽；
21.所述测速组件位于所述安装槽内，所述测速组件设置在所述下空槽的底部侧壁上。
22.优选的，所述质量块升降装置包括导向杆、第三直线轴承、升降板、顶板、伺服电机、联轴器、滚珠丝杠副以及电磁铁；
23.所述顶板和所述升降板自上而下依次设置，所述第三直线轴承设置在所述升降板上，所述导向杆的一端连接设置在所述固定板上，所述导向杆的另一端穿过所述第三直线轴承连接设置在所述顶板上；
24.所述伺服电机设置在所述顶板上，所述滚珠丝杠副的螺母固定设置在所述升降板上，所述滚珠丝杠副的丝杆的一端通过所述联轴器与所述伺服电机的转动端的连接设置，所述滚珠丝杠副的丝杆的另一端导向所述冲击平台设置；
25.所述电磁铁固定设置在所述升降板上，所述电磁铁用于吸附或释放所述质量块。
26.优选的，所述固定板上可拆卸设置有保护桶，所述冲击平台位于所述保护桶内。
27.本发明还提供一种材料冲击试验方法，基于上述的材料冲击试验平台装置，具体
包括如下步骤：
28.步骤1：检查第一直线轴承、第二直线轴承、第三直线轴承、滚珠丝杠副内是否存在异物，检查输入杆和输出杆的表面是否完好，检查无异物和无损伤后，安装试验平台装置；
29.步骤2：根据需要获得的应变率，调整质量块升降装置的垂直方向位置，使用水平仪对质量块升降装置进行调平，将电磁铁接通电源，接通电源后安装质量块；
30.步骤3：将标准试样安装在输入杆和输出杆之间，使用胶粘剂将标准试样的上下表面分别与输入杆、输出杆粘接，调整质量块位置至理论高度值，释放电磁铁，使质量块冲击台面，获得质量块冲击台面前的加速度-时间曲线，以及输入杆和输出杆上的响应波形；
31.步骤4：根据步骤3中获得的加速度-时间曲线，通过公式计算质量块下落到达冲击平台时的最大速度，根据最大速度计算得到实际应变率，将实际应变率与理论应变率进行比较，计算质量块的高度差，并调节质量块的高度，使质量块的高度符合本次试验所需的应变率；
32.步骤5：根据步骤4对试验平台装置进行调整后，再使用一块与输入杆、输出杆材质相同的标准试样进行试验，记录加速度以及波形数据，当实际获得的参数与理论值相差小于10％以内时，则认定试验平台装置已被调整至可进行试验的状态，否则重复步骤4和步骤5，直至误差调整至10％以内；
33.步骤6：将需要进行动态力学试验的标准材料试样安装在输入杆和输出杆之间，使用胶粘剂将标准试样的上下表面分别与输入杆、输出杆粘接，安装试样外保护套，释放电磁铁，使质量块冲击在冲击平台上，获得加速度-时间曲线以及输入杆-输出杆的应力响应-时间曲线；
34.步骤7：通过应变片测量得到入射信号εi和反射信号εr，通过三波公式计算标准试样中的平均应力、应变以及应变率，获得试样在该应变率下的应力-应变曲线。
35.优选的，所述步骤4中，观察步骤3中获得的输入杆和输出杆响应波形，观察波形是否符合试验需要，若碰撞产生的高频分量对加载波形的影响超过预设值，则在质量块上安装入射波整形器，通过入射波整形器过滤由于直接碰撞引起的高频分量。
36.优选的，在对硬质材料进行试验时，所述的输入杆和所述输出杆的材质为用40cr钢杆或与硬质材料相同硬度的金属材料；
37.在对软质材料进行试验时，所述的输入杆和所述输出杆的材质为ly12铝杆或与软质材料相同硬度的金属材料；
38.优选的，所述应变片为金属式体型应变片或者半导体式体型应变片；
39.所述应变片形成半桥电路、单臂电路或全桥电路。
40.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
41.1、本发明结合了落锤式冲击试验装置与霍普金森压杆试验系统，设计了一种纵向材料动态力学试验装置，相比落锤式试验装置提高了试验精度，相比霍普金森压杆试验系统减少小了装置体积，可以用于进行多数类型材料的动态力学试验；
42.2、本发明的质量块升降装置可以实现对试样进行中应变率至大应变率范围内的冲击加载；
43.3、本发明在测试过程中使用标准试样对试验装置进行多次校准，有效提高了试验精度以及试验数据可靠性；
44.4、本发明结构形式简单，安装较为便捷，具有一定的经济性和便利性。
附图说明
45.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
46.图1为本发明的材料冲击试验平台装置的整体结构示意图；
47.图2为突出显示吸收器的结构示意图；
48.图3为质量块的结构示意图；
49.图4为质量块升降装置的结构示意图；
50.图5为质量块升降装置的俯视图；
51.图6为应变片的布置接线图；
52.图7为本发明的材料冲击试验方法的操作方法流程图。
53.图中示出：
54.底座1
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测速组件903
55.吸收器2
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质量块上部904
56.吸收器底板201
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电磁铁10
57.吸收器外圈202
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质量块升降装置11
58.弹簧203
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导向杆1101
59.吸收杆204
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第三直线轴承1102
60.吸收器内圈205
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升降板1103
61.限位销206
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顶板1104
62.底座架3
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伺服电机1105
63.第一直线轴承4
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联轴器1106
64.试样外保护套5
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滚珠丝杠1107
65.固定板6
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输入杆12
66.冲击平台7
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应变片13
67.保护桶8
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标准试样14
68.质量块9
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输出杆15
69.入射波整形器901
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限位环16
70.质量块下部902
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第二直线轴承17
具体实施方式
71.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
72.实施例1：
73.如图1～7所示，本实施例提供一种材料冲击试验平台装置，包括：底座1，底座1上设置有吸收器2，底座1上设置有底座架3，底座架3上设置有自上而下依次安装的输入杆12
和输出杆15，输入杆12和输出杆15相靠近的一端之间用于放置标准试样14，输入杆12远离输出杆15的一端设置有冲击平台7，输出杆15远离输入杆12的一端与吸收器2连接设置，底座架3的顶端设置有固定板6，固定板6上设置有质量块升降装置11，冲击平台7位于固定板6位置处，质量块升降装置11用于升降质量块9；质量块9下降时，质量块9冲击在冲击平台7上，输出杆15上设置有应变片13，应变片13沿输出杆15的杆直径方向对称粘贴在输出杆15的外侧壁上。
74.质量块升降装置11包括导向杆1101、第三直线轴承1102、升降板1103、顶板1104、伺服电机1105、联轴器1106、滚珠丝杠副1107以及电磁铁10，顶板1104和升降板1103自上而下依次设置，第三直线轴承1102设置在升降板1103上，导向杆1101的一端连接设置在固定板6上，导向杆1101的另一端穿过第三直线轴承1102连接设置在顶板1104上，伺服电机1105设置在顶板1104上，滚珠丝杠副1107的螺母固定设置在升降板1103上，滚珠丝杠副1107的丝杆的一端通过联轴器1106与伺服电机1105的转动端的连接设置，滚珠丝杠副1107的丝杆的另一端导向冲击平台7设置，电磁铁10固定设置在升降板1103上，电磁铁10用于吸附或释放质量块9。
75.质量块9包括入射波整形器901、质量块下部902、测速组件903以及质量块上部904，质量块上部904和质量块下部902连接设置，质量块上部904内设置有上空槽，质量块下部902内设置有下空槽，上空槽和下空槽形成安装槽，测速组件903位于安装槽内，测速组件903设置在下空槽的底部侧壁上。
76.底座架3上设置有第一直线轴承4、第二直线轴承17以及试样外保护套5，第一直线轴承4和第二直线轴承17均固定设置在底座架3上，标准试样14保护套的两端分别连接设置在第一直线轴承4和第二直线轴承17上，输入杆12穿过第一直线轴承4设置，输出杆15穿过第二直线轴承17设置，输入杆12靠近标准试样14的一端位于试样外保护套5，输出杆15靠近标准试样14的一端位于试样外保护套5，标准试样14位于试样外保护套5内。
77.吸收器2包括吸收器底板201、吸收器外圈202、弹簧203、吸收杆204、吸收器内圈205以及限位销206，吸收器内圈205和吸收器外圈202设置在吸收器底板201上，吸收器内圈205设置在吸收器外圈202内，限位销206设置在吸收器内圈205上，弹簧203的一端连接设置在限位销206上，弹簧203的另一端连接设置在吸收器外圈202上，吸收杆204的一端位于吸收器内圈205内，限位销206用于抵接限位吸收杆204的一端，吸收杆204的另一端与输出杆15抵接设置。
78.固定板6上可拆卸设置有保护桶8，冲击平台7位于保护桶8内。
79.本实施例的材料冲击试验平台装置还包括限位环16，材料通常可以是橡胶或者工程塑料，限位环16与输出杆15连接设置，通过胶粘或者螺钉连接，其作用是当输入杆12一侧进行加载时，使输入杆12、标准试样14以及输出杆15达到一定位移时停止运动，此时输入杆12、标准试样14和输出杆15仍保持连接状态，应力波在其中传播，而吸收杆204则与输出杆15分离并撞击吸收器底板201。
80.本实施例还提供一种材料冲击试验方法，基于上述的材料冲击试验平台装置，具体包括如下步骤：
81.步骤1：检查第一直线轴承4、第二直线轴承17、第三直线轴承1102、滚珠丝杠副1107内是否存在异物，检查输入杆12和输出杆15的表面是否完好，检查无异物和无损伤后，
安装试验平台装置；
82.步骤2：根据需要获得的应变率，调整质量块升降装置11的垂直方向位置，使用水平仪对质量块升降装置11进行调平，将电磁铁10接通电源，接通电源后安装质量块9；
83.步骤3：将标准试样14安装在输入杆12和输出杆15之间，使用胶粘剂将标准试样14的上下表面分别与输入杆12、输出杆15粘接，调整质量块9位置至理论高度值，释放电磁铁10，使质量块9冲击台面，获得质量块9冲击台面前的加速度-时间曲线，以及输入杆12和输出杆15上的响应波形；
84.步骤4：根据步骤3中获得的加速度-时间曲线，通过公式计算质量块9下落到达冲击平台7时的最大速度，根据最大速度计算得到实际应变率，将实际应变率与理论应变率进行比较，计算质量块9的高度差，并调节质量块9的高度，使质量块9的高度符合本次试验所需的应变率；观察步骤3中获得的输入杆12和输出杆15响应波形，观察波形是否符合试验需要，若碰撞产生的高频分量对加载波形的影响超过预设值，则在质量块9上安装入射波整形器901，通过入射波整形器901过滤由于直接碰撞引起的高频分量；
85.步骤5：根据步骤4对试验平台装置进行调整后，再使用一块与输入杆12、输出杆15材质相同的标准试样14进行试验，记录加速度以及波形数据，当实际获得的参数与理论值相差小于10％以内时，则认定试验平台装置已被调整至可进行试验的状态，否则重复步骤4和步骤5，直至误差调整至10％以内；
86.步骤6：将需要进行动态力学试验的标准材料试样安装在输入杆12和输出杆15之间，使用胶粘剂将标准试样14的上下表面分别与输入杆12、输出杆15粘接，安装试样外保护套15，释放电磁铁10，使质量块9冲击在冲击平台7上，获得加速度-时间曲线以及输入杆12-输出杆15的应力响应-时间曲线；
87.步骤7：通过应变片13测量得到入射信号εi和反射信号εr，通过三波公式计算标准试样14中的平均应力、应变以及应变率，获得试样在该应变率下的应力-应变曲线。
88.应变片13为金属式体型应变片13或者半导体式体型应变片13，应变片13形成半桥电路、单臂电路或全桥电路。
89.在对硬质材料进行试验时，的输入杆12和输出杆15的材质为用40cr钢杆或与硬质材料相同硬度的金属材料，在对软质材料进行试验时，的输入杆12和输出杆15的材质为ly12铝杆或与软质材料相同硬度的金属材料。
90.本实施例是为了研究水下设备在冲击加载下的响应，针对试验条件有限的情况所设计的一种材料冲击试验平台装置，主要用于研究材料在冲击加载下的动态响应，为研究整体设备在冲击加载下的响应提供材料试验数据。
91.本实施例针对材料在动态加载下的响应及测试方法进行研究，提出了一种材料冲击试验平台装置，该装置具有简易的结构、操作方式以及较低的成本，用于在有限的实验条件下获取较高精确度的材料动态试验结果。
92.本实施例针对常见水下冲击加载工况，即中等应变率至高应变率范围内的冲击加载工况，设计了一种应变率可调的冲击平台装置，以实现在较大应变率范围内对试验材料进行加载，并结合了落锤试验技术和分离式霍普金森压杆试验技术，对试验平台的结构，试验流程以及试验方法进行了一定的优化，使得该冲击平台装置在成本较低、体积较小的前提下具有较高的测试精度。
93.使用本实施例的冲击平台装置进行材料动态力学试验可能受到五个方面的影响，针对这五方面的影响，本实施例提出方法，降低这五种因素的影响：
94.a、为避免质量块和冲击台面平行度较差而导致两者冲击时台面受力不均匀，本实施例在安装冲击台面与质量块升高装置时应使用水平尺对两者进行调平，从而确保质量块下落至冲击台面时与台面保持面接触；
95.b、为了使冲击试验平台能够获取较大应变率范围内材料的动态响应，本实施例中设计了一种可变高度的质量块升降装置，使得质量块下落高度在更大范围内可调节；
96.c、为保证输入杆、试样以及输出杆在受到冲击时仅在垂直方向上运动，本实施例中对输入杆和输出杆使用直线轴承限制其水平方向自由度，并通过胶粘的方法连接输入杆，试样与输出杆，以保证试件在试验过程中不会松脱，从而使得试验过程满足一维波理论的条件需要；
97.d、为削弱和延缓二次波加载效应，本实施例在输出杆后端连接了吸收器，主要用于吸收输出杆的动能，从而防止输出杆端面反射回来的卸载波干扰正常的透射信号；
98.e、为了方便后期数据计算，冲击装置中所使用的质量块、输入杆和输出杆需保持同种材料，当质量块撞击输入杆时，由于两者波阻抗相同，会产生一波速为c0的应力方波，该应力波到达试样时，由于试样波阻抗与入射杆不同，将会反射一个波返回输入杆中，并经过试样透射一个波进入输出杆中，这两个脉冲信号能够被粘贴在输入杆与输出杆上的应变片测量得到，并由该数据计算得到试样的应力、应变和应变率。
99.实施例2：
100.本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1的更为具体的说明。
101.本发明设计了一种冲击试验平台装置的使用方法，试验平台的使用方法以及材料动态力学测试方法包括如下步骤：
102.步骤s1，对第一直线轴承4、第二直线轴承17、第三直线轴承1102、滚珠丝杠副1107、输入杆12、输出杆15进行检查，确认轴承、滚珠丝杠副内无异物，输入杆12、输出杆15表面完好无损伤后，安装试验装置；
103.步骤s2，根据需要获得的应变率调整质量块升降装置11的垂直方向位置，使用水平仪对升降装置11进行调平，并将其安装在试验装置上，将升降装置11的顶部的电磁铁10接通电源后，安装质量块9；
104.步骤s3，将一块与输入杆12、输出杆15材质相同的标准试样14安装在输入杆12、输出杆15之间，使用胶粘剂将标准试样14的上下表面分别与输入杆12、输出杆15粘接，调整质量块9的位置至理论高度值，释放电磁铁10，使质量块9冲击在冲击平台7，获得质量块9冲击台面前的加速度-时间曲线，以及输入输出杆上的响应波形；
105.步骤s4，由步骤s3中获得的加速度-时间曲线，通过公式计算得到质量块下落到达冲击平台时的最大速度，由该速度计算得到实际应变率，与理论应变率进行比较后，计算质量块高度差，并调节质量块高度使其符合本次试验所需的应变率，由步骤s3中获得的输入杆、输出杆响应波形，观察波形是否符合试验需要，若碰撞产生的高频分量对加载波形的影响较大，侧需要在冲击平台7处安装入射波整形器901以过滤由于直接碰撞引起的高频分量，从而减小波的弥散效应；
106.步骤s5，根据步骤s4对冲击试验平台装置进行调整后，再使用一块与输入杆12、输
出杆15材质相同的标准试样14进行试验，记录加速度以及波形数据，当实际获得参数与理论值相差小于10％以内时，认为试验平台装置已经被调整至可进行试验的状态，否则重复步骤s4及步骤s5直至误差调整至10％以内；
107.步骤s6，将需要进行动态力学试验的标准材料试样14安装在输入杆12、输出杆15之间，使用胶粘剂将试样上下表面分别与输入杆、输出杆粘接，安装试样外保护套5，释放电磁铁10，使质量块9冲击台面，获得加速度-时间曲线以及输入-输出杆的应力响应-时间曲线；
108.步骤s7，由应变片测量得到的入射信号εi和反射信号εr，通过三波公式计算试样中的平均应力、应变和应变率，即获得试样在该应变率下的应力-应变曲线，公式如下：
[0109][0110][0111][0112]
其中，ε
s-标准试样压缩应变，-标准试样压缩应变率，c
0-弹性压缩波的波速，l
0-标准试样的长度，ε
i-入射应变脉冲，ε
r-反射应变脉冲，ε
t-透射应变脉冲，
[0113]
σ
s-标准试样内的应力，p
s-作用于标准试件的压力，a
s-标准试件的截面积，
[0114]
e-杆的弹性模量，a-杆的截面积。
[0115]
进一步地，步骤s1中，输入杆、输出杆在对硬质和软质材料进行试验时可以分别选用40cr钢杆和ly12铝杆或者同等硬度的金属材料制成；应变片根据测试需要可以选用金属式体型应变片或者半导体式体型应变片；应变片半桥电路，根据测试精度的要求可以替换为单臂电路或者全桥电路；质量块升降装置，可以替换为滑轮副或其他升降机构。
[0116]
进一步地，步骤s2中，升降装置顶部电磁铁用于固定质量块，可以替换为钢丝绳滑轮组合装置或者其他机械固定装置；加速度传感器可以替换为光电测速仪器或其他类型的测速仪器，用于测量质量块与冲击平台接触前的最大速度。
[0117]
进一步地，步骤s4中，入射波形整形器材料包括但不限于黄铜、橡胶以及硅橡胶等；输入杆、输出杆应力响应波形应当保持一致。
[0118]
本实施例的冲击试验平台装置在有限的试验条件下降低成本解决材料动态力学试验问题，获取较为精确的材料动态力学响应参数，为水下设备抗冲击设计以及建立数值分析模型提供基础数据。
[0119]
实施例3：
[0120]
本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1的更为具体的说明。
[0121]
本发明设计了一种使用质量块对实验平台进行冲击，产生压缩应力波，通过在试件上下两侧的金属杆上粘接应变片并连接超动态应变仪，记录冲击过程中随时间变化的的应力脉冲信号的试验装置，具体使用方法包括如下步骤：
[0122]
步骤一，对第一直线轴承4、第二直线轴承17、第三直线轴承1102、滚珠丝杠副1107、输入杆12、输出杆15进行检查，确认轴承、滚珠丝杠副内无异物，输入杆、输出杆表面
完好无损伤后，按照图1安装试验装置。
[0123]
使用水平尺对底座1进行调平，在底座中央安装吸收器2，吸收器2安装方式如图2所示，将吸收器内圈205安装在吸收器底板201上，将限位销206插入吸收器内圈开孔中，在限位销后部装入弹簧203，在弹簧另一端安装吸收器外圈202；安装完吸收器后在底座上分别安装底座架3、导向杆1101以及滚珠丝杠副1107；在底座架上安装第一直线轴承4和第二直线轴承17；在底座架顶端安装固定板6；在导向杆和滚珠丝杠副顶部安装质量块升降装置11，质量块升降装置如图4所示，将直线轴承1102和滚珠丝杠副轴承1107安装在升降板1103，将伺服电机1105安装在顶板1104上，完成后将伺服电机轴、滚珠丝杠副轴与联轴器1106连接，将顶板安装在导向杆上端；在升降板上安装电磁铁10；进行试验前，在输出杆与轴承的非接触位置粘贴应变片13，应变片沿杆直径方向对称粘贴在杆外圆的两侧，如图6组成半桥电路，分别将吸收杆204、输出杆15、试样14、输入杆12、平台7按图1由下至上进行安装，在输入、输出杆与轴承的接触面涂抹润滑剂，在输入杆，完成后使用水平仪对装置冲击台面进行调平；在固定板上安装保护桶8。
[0124]
步骤二，安装质量块9，在质量块下端902空槽内安装加速度传感器903，将传感器线缆从质量块上端904对应孔中穿出后将质量块上下端对装；连接伺服电机1105和电磁铁10，将质量块安装在电磁铁下方，根据需要获得的应变率调整质量块和升降装置11的垂直方向位置。
[0125]
步骤三，将应变片13接入超动态应变仪，将应变仪和加速度传感器接入数据采集器并连接至计算机，将电磁铁和伺服电机分别接入控制器；将一块与输入杆12、输出杆15材质相同的标准试样14安装在输入、输出杆之间，使用胶粘剂将试样上下表面分别与输入、输出杆粘接，调整质量块9位置至理论高度值，释放电磁铁10，使质量块9冲击台面7，获得质量块冲击台面前的加速度-时间曲线，以及输入输出杆上的响应波形。
[0126]
步骤四，由步骤三中获得的加速度-时间曲线通过加速度积分公式计算得到质量块9下落到达冲击平台7时的最大速度、由该速度计算得到实际应变率，与理论应变率进行比较后，计算质量块高度差，并调节质量块高度使其符合本次试验所需的应变率。由步骤三中获得的输入、输出杆响应波形，观察波形是否符合试验需要，若碰撞产生的高频分量对加载波形的影响较大，则需要在冲击平台处安装入射波整形器901以过滤由于直接碰撞引起的高频分量，从而减小波的弥散效应。
[0127]
步骤五，根据步骤四对冲击试验平台装置进行调整后，再使用一块与输入输出杆材质相同的标准试样14进行试验，记录加速度以及波形数据，当实际获得参数与理论值相差小于20％以内时，认为试验平台装置已经被调整至可进行试验的状态，否则重复步骤四及步骤五直至误差调整至20％以内。
[0128]
步骤六，将需要进行动态力学试验的标准材料试样14安装在输入、输出杆之间，使用胶粘剂将试样上下表面分别与输入、输出杆粘接，安装试样外保护套5，释放电磁铁10，使质量块9冲击台面7，获得加速度-时间曲线以及输入-输出杆的应力响应-时间曲线。
[0129]
步骤七，由应变片13测量得到的入射信号εi和反射信号εr，通过三波公式计算试样中的平均应力、应变和应变率，即获得试样在该应变率下的应力-应变曲线。公式如下：
[0130]
[0131][0132][0133]
本发明具有简易的结构、操作方式以及较低的成本，用于在有限的实验条件下获取较高精确度的材料动态试验结果。
[0134]
在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
[0135]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：
1.一种材料冲击试验平台装置，其特征在于，包括：底座(1)，所述底座(1)上设置有吸收器(2)，所述底座(1)上设置有底座架(3)；所述底座架(3)上设置有自上而下依次安装的输入杆(12)和输出杆(15)，所述输入杆(12)和所述输出杆(15)相靠近的一端之间用于放置标准试样(14)；所述输入杆(12)远离所述输出杆(15)的一端设置有冲击平台(7)，所述输出杆(15)远离所述输入杆(12)的一端与所述吸收器(2)连接设置；所述底座架(3)的顶端设置有固定板(6)，所述固定板(6)上设置有质量块升降装置(11)，所述冲击平台(7)位于所述固定板(6)位置处，所述质量块升降装置(11)用于升降所述质量块(9)；所述质量块(9)下降时，所述质量块(9)冲击在所述冲击平台(7)上；所述输出杆(15)上设置有应变片(13)，所述应变片(13)沿所述输出杆(15)的杆直径方向对称粘贴在所述输出杆(15)的外侧壁上。2.根据权利要求1所述的材料冲击试验平台装置，其特征在于，所述底座架(3)上设置有第一直线轴承(4)、第二直线轴承(17)以及试样外保护套(5)；所述第一直线轴承(4)和所述第二直线轴承(17)均固定设置在所述底座架(3)上，所述标准试样(14)保护套的两端分别连接设置在所述第一直线轴承(4)和所述第二直线轴承(17)上；所述输入杆(12)穿过所述第一直线轴承(4)设置，所述输出杆(15)穿过所述第二直线轴承(17)设置；所述输入杆(12)靠近所述标准试样(14)的一端位于所述试样外保护套(5)，所述输出杆(15)靠近所述标准试样(14)的一端位于所述试样外保护套(5)，所述标准试样(14)位于所述试样外保护套(5)内。3.根据权利要求1所述的材料冲击试验平台装置，其特征在于，所述吸收器(2)包括吸收器底板(201)、吸收器外圈(202)、弹簧(203)、吸收杆(204)、吸收器内圈(205)以及限位销(206)；所述吸收器内圈(205)和所述吸收器外圈(202)设置在所述吸收器底板(201)上，所述吸收器内圈(205)设置在所述吸收器外圈(202)内；所述限位销(206)设置在所述吸收器内圈(205)上，所述弹簧(203)的一端连接设置在所述限位销(206)上，所述弹簧(203)的另一端连接设置在所述吸收器外圈(202)上；所述吸收杆(204)的一端位于所述吸收器内圈(205)内，所述限位销(206)用于抵接限位所述吸收杆(204)的一端；所述吸收杆(204)的另一端与所述输出杆(15)抵接设置。4.根据权利要求1所述的材料冲击试验平台装置，其特征在于，所述质量块(9)包括入射波整形器(901)、质量块下部(902)、测速组件(903)以及质量块上部(904)；所述质量块上部(904)和所述质量块下部(902)连接设置，所述质量块上部(904)内设置有上空槽，所述质量块下部(902)内设置有下空槽，所述上空槽和所述下空槽形成安装槽；所述测速组件(903)位于所述安装槽内，所述测速组件(903)设置在所述下空槽的底部侧壁上。5.根据权利要求1所述的材料冲击试验平台装置，其特征在于，所述质量块升降装置(11)包括导向杆(1101)、第三直线轴承(1102)、升降板(1103)、顶板(1104)、伺服电机(1105)、联轴器(1106)、滚珠丝杠副(1107)以及电磁铁(10)；
所述顶板(1104)和所述升降板(1103)自上而下依次设置，所述第三直线轴承(1102)设置在所述升降板(1103)上，所述导向杆(1101)的一端连接设置在所述固定板(6)上，所述导向杆(1101)的另一端穿过所述第三直线轴承(1102)连接设置在所述顶板(1104)上；所述伺服电机(1105)设置在所述顶板(1104)上，所述滚珠丝杠副(1107)的螺母固定设置在所述升降板(1103)上，所述滚珠丝杠副(1107)的丝杆的一端通过所述联轴器(1106)与所述伺服电机(1105)的转动端的连接设置，所述滚珠丝杠副(1107)的丝杆的另一端导向所述冲击平台(7)设置；所述电磁铁(10)固定设置在所述升降板(1103)上，所述电磁铁(10)用于吸附或释放所述质量块(9)。6.根据权利要求1所述的材料冲击试验平台装置，其特征在于，所述固定板(6)上可拆卸设置有保护桶(8)，所述冲击平台(7)位于所述保护桶(8)内。7.一种材料冲击试验方法，其特征在于，基于权利要求1至6任一项所述的材料冲击试验平台装置，具体包括如下步骤：步骤1：检查第一直线轴承(4)、第二直线轴承(17)、第三直线轴承(1102)、滚珠丝杠副(1107)内是否存在异物，检查输入杆(12)和输出杆(15)的表面是否完好，检查无异物和无损伤后，安装试验平台装置；步骤2：根据需要获得的应变率，调整质量块升降装置(11)的垂直方向位置，使用水平仪对质量块升降装置(11)进行调平，将电磁铁(10)接通电源，接通电源后安装质量块(9)；步骤3：将标准试样(14)安装在输入杆(12)和输出杆(15)之间，使用胶粘剂将标准试样(14)的上下表面分别与输入杆(12)、输出杆(15)粘接，调整质量块(9)位置至理论高度值，释放电磁铁(10)，使质量块(9)冲击台面，获得质量块(9)冲击台面前的加速度-时间曲线，以及输入杆(12)和输出杆(15)上的响应波形；步骤4：根据步骤3中获得的加速度-时间曲线，通过公式计算质量块(9)下落到达冲击平台(7)时的最大速度，根据最大速度计算得到实际应变率，将实际应变率与理论应变率进行比较，计算质量块(9)的高度差，并调节质量块(9)的高度，使质量块(9)的高度符合本次试验所需的应变率；步骤5：根据步骤4对试验平台装置进行调整后，再使用一块与输入杆(12)、输出杆(15)材质相同的标准试样(14)进行试验，记录加速度以及波形数据，当实际获得的参数与理论值相差小于10％以内时，则认定试验平台装置已被调整至可进行试验的状态，否则重复步骤4和步骤5，直至误差调整至10％以内；步骤6：将需要进行动态力学试验的标准材料试样安装在输入杆(12)和输出杆(15)之间，使用胶粘剂将标准试样(14)的上下表面分别与输入杆(12)、输出杆(15)粘接，安装试样外保护套(15)，释放电磁铁(10)，使质量块(9)冲击在冲击平台(7)上，获得加速度-时间曲线以及输入杆(12)-输出杆(15)的应力响应-时间曲线；步骤7：通过应变片(13)测量得到入射信号ε
i
和反射信号ε
r
，通过三波公式计算标准试样(14)中的平均应力、应变以及应变率，获得试样在该应变率下的应力-应变曲线。8.根据权利要求7所述的材料冲击试验方法，其特征在于，所述步骤4中，观察步骤3中获得的输入杆(12)和输出杆(15)响应波形，观察波形是否符合试验需要，若碰撞产生的高频分量对加载波形的影响超过预设值，则在质量块(9)上安装入射波整形器(901)，通过入
射波整形器(901)过滤由于直接碰撞引起的高频分量。9.根据权利要求7所述的材料冲击试验方法，其特征在于，在对硬质材料进行试验时，所述的输入杆(12)和所述输出杆(15)的材质为用40cr钢杆或与硬质材料相同硬度的金属材料；在对软质材料进行试验时，所述的输入杆(12)和所述输出杆(15)的材质为ly12铝杆或与软质材料相同硬度的金属材料。10.根据权利要求7所述的材料冲击试验方法，其特征在于，所述应变片(13)为金属式体型应变片(13)或者半导体式体型应变片(13)；所述应变片(13)形成半桥电路、单臂电路或全桥电路。

技术总结
本发明提供了一种材料冲击试验平台装置及方法，包括：底座，底座上设置有吸收器，底座上设置有底座架；底座架上设置有自上而下依次安装的输入杆和输出杆，输入杆和输出杆相靠近的一端之间用于放置标准试样；输入杆远离输出杆的一端设置有冲击平台，输出杆远离输入杆的一端与吸收器连接设置；底座架的顶端设置有固定板，固定板上设置有质量块升降装置，冲击平台位于固定板位置处，质量块升降装置用于升降质量块；质量块下降时，质量块冲击在冲击平台上；输出杆上设置有应变片，应变片沿输出杆的杆直径方向对称粘贴在输出杆的外侧壁上。本发明具有简易的结构、操作方式以及较低的成本，用于在有限的实验条件下获取较高精确度的材料动态试验结果。料动态试验结果。料动态试验结果。


技术研发人员：沈明杰 钱澄源 戴思思
受保护的技术使用者：上海船舶电子设备研究所（中国船舶集团有限公司第七二六研究所）
技术研发日：2023.03.17
技术公布日：2023/7/31