落錘式?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

可靠性是許多承受結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)，包括飛機(jī)、汽車和其他運(yùn)載工具。由于沖擊過程中材料與結(jié)構(gòu)力學(xué)行為表現(xiàn)的特殊性,使得我們需要一套與對待靜態(tài)問題不同的研究方法。目前以有限元方法為主要分析手段的模擬仿真技術(shù)為結(jié)構(gòu)沖擊性能評價提供了很好的途徑,而仿真計(jì)算的建模、驗(yàn)?zāi)Ｅc修正全都需要以沖擊實(shí)驗(yàn)的結(jié)果為依據(jù)。研究薄壁結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)、吸能規(guī)律,考察運(yùn)載工具中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的耐撞性,指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),落錘式?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)臺是一種簡單、可靠、重復(fù)性好的實(shí)驗(yàn)裝置。這類小規(guī)模、局部的撞擊,無論從模型的建立還是實(shí)驗(yàn)消耗上都更為基礎(chǔ)與經(jīng)濟(jì)。目前同類的實(shí)驗(yàn)臺架多數(shù)采用氣動式,加載精確平穩(wěn),缺點(diǎn)是占地大,成本較高,且由于有龐大的動力裝置與氣體管道,造成日常維護(hù)不便。一般的落錘下落都有導(dǎo)軌限位,鑄鐵T型槽導(dǎo)軌精度高,剛度大,但質(zhì)量太大,結(jié)構(gòu)笨重。還有某些臺架,重錘釋放機(jī)構(gòu)采用機(jī)械式行程開關(guān),結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且重錘釋放位置的高度由行程開關(guān)安裝的位置決定,不易調(diào)節(jié)。因此本實(shí)驗(yàn)室根據(jù)具體情況與研究需要,設(shè)計(jì)開發(fā)一套結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉且能夠滿足功能要求的沖擊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體要求本套落錘沖擊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與電測系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成,結(jié)構(gòu)組成框架如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)設(shè)備,能夠完成沖擊實(shí)驗(yàn)的碰撞與數(shù)據(jù)采集分析的全過程。全系統(tǒng)包括機(jī)械鋼架、地基底板、落錘結(jié)構(gòu)、提升與釋放機(jī)構(gòu)、測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)幾部分。對系統(tǒng)有幾點(diǎn)要求:強(qiáng)度與剛度,由于系統(tǒng)在運(yùn)行時,重錘被吊升至高處,故要求系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度與剛度;導(dǎo)軌垂直度,實(shí)驗(yàn)的外載荷由落錘提供,保證重錘下落沖擊試件瞬間的速度方向盡可能垂直向下;地基慣性,保證沖擊過程對落錘周圍的采集分析設(shè)備不產(chǎn)生干擾。且地基不能在若干次實(shí)驗(yàn)后出現(xiàn)裂縫或整體沉降;數(shù)據(jù)采集頻率和精度,由于落錘運(yùn)動的速度很快,且碰撞在瞬間完成,因此對速度、加速度信號的采集電路有一定要求。(1)帶安全保護(hù)裝置的沖擊試樣整體解決方案針對上述諸多種功能要求,經(jīng)過對比分析,考慮到占用空間及所需成本,最終確定如下方案。圖2為系統(tǒng)外觀的照片。該方案用電動卷揚(yáng)機(jī)將落錘拉至所需高度,通過滑車上方的專用脫鉤裝置,將落錘釋放。落錘沿兩側(cè)導(dǎo)軌自由下落,沖擊地面上的試件。在試件上方的導(dǎo)軌上,布置對射式光電傳感器,檢測落錘經(jīng)過的時刻,換算出沖擊前速度大小。落錘上布置加速度傳感器,采集沖擊過程中的加速度信號。信號經(jīng)放大轉(zhuǎn)換,由計(jì)算機(jī)分析處理,得到?jīng)_擊載荷特性。鋼架與落錘滑車鋼架結(jié)構(gòu)構(gòu)成整個臺架的支撐主體,在實(shí)驗(yàn)中落錘升起后,承擔(dān)全部落錘的重量。鋼架本身采用型鋼焊接的桁架結(jié)構(gòu),具有足夠的強(qiáng)度與剛度,能夠滿足實(shí)驗(yàn)需要。同時鋼架為落錘滑車提供下滑導(dǎo)軌。導(dǎo)軌對滑車起到限位作用,一方面在落錘沖擊試件的過程中,不致在沖擊載荷的側(cè)向的反作用下偏離實(shí)驗(yàn)臺;另一方面,為沖擊試件之前的落錘速度方向提供導(dǎo)引。導(dǎo)軌與地面保證良好的垂直性,從而引導(dǎo)落錘沿垂直方向沖擊試件,避免砸偏砸翻試件,也避免了能量在水平方向上損失。鋼架采用六根邊長70mm的方鋼為立柱,50mm邊長的角鋼作斜拉筋。總高6米。相對的一對立柱上各扣焊一根邊長50mm的角鋼,作為滑車下落的導(dǎo)軌。鋼筋混凝土聯(lián)合于儀器沖擊試驗(yàn)過程中,落錘大量的動能在瞬間釋放,被試件吸收。地基在吸收剩余能量時,除了要保持相當(dāng)?shù)膽T性,以免影響周圍儀器,自身還要有一定的抗沖擊性。本系統(tǒng)采用鋼筋混凝土地基,地坑尺寸為1.7m×1.4m×1m,大質(zhì)量的鋼筋混凝土具有大慣性,能夠使周圍儀器免于噪聲干擾。為提高表面的局部抗沖擊性能,不致在多次擊打后混凝土出現(xiàn)剝落或與鋼筋的分離,在地基的正中預(yù)埋1000mm×1000mm×22mm鋼板一塊,使作用力均勻分布在地基表面,降低局部受到的沖擊。錘頭、槽鋼提框與實(shí)際錘頭的裝配沖擊實(shí)驗(yàn)的能量全部來源于落錘的動能。本系統(tǒng)采用七塊400mm×400mm×20mm的鋼板作為落錘錘板,每塊質(zhì)量大約在25千克左右。實(shí)驗(yàn)中可以根據(jù)沖擊需要,添減重錘的質(zhì)量,也可更換不同形狀的錘頭。落錘上方有槽鋼提框與四只滾輪共同構(gòu)成滑車。滾輪采用尼龍V型槽輪,減震效果較好,避免了落錘在下落的過程中噪音過大。錘板之間、錘板與提框、提框與滾輪均采用螺栓連接,從而可以在裝配過程中對某些關(guān)鍵尺寸進(jìn)行微調(diào)。圖3為落錘與滑車的外觀照片。機(jī)械化活動掛鉤電動卷揚(yáng)機(jī)將落錘吊升到所需高度,停轉(zhuǎn)等待。實(shí)驗(yàn)人員操作機(jī)械式脫鉤,將落錘與卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩的連接斷開,落錘自由落下。卷揚(yáng)機(jī)的蝸輪蝸桿式減速器保證在意外斷電時落錘不會下落。機(jī)械式脫鉤是該子系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)如圖4所示。脫鉤采用兩個半環(huán),一端共軸。兩半環(huán)受軸上扭簧作用向外張,壓緊下面的掛鉤,被其扣住,自鎖。當(dāng)需要脫鉤打開時,拉動掛鉤上的尼龍繩,兩只半環(huán)就在重物與扭簧的共同作用下向兩側(cè)彈開。與其它同類裝置相比,本脫鉤結(jié)構(gòu)要簡單很多,且同樣具有較高的可靠性。當(dāng)脫鉤負(fù)荷上百公斤重錘時,拉動掛鉤釋放落錘并不費(fèi)力。很多同類實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用行程開關(guān)控制對落錘的釋放,除去結(jié)構(gòu)復(fù)雜外,在實(shí)驗(yàn)操作過程中,提升到設(shè)定高度后立即釋放,落錘下落前沒有停頓。(2)測試和處理器系統(tǒng)本電測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示,包含加速度采集系統(tǒng)與速度測量系統(tǒng)。載荷特性分析如圖5,在重錘下落沖擊試件的過程中,安裝在重錘錘板上端的加速度傳感器隨時感受落錘的加速度信號,于是得到?jīng)_擊的載荷特性與速度位移隨時間的變化關(guān)系。加速度信號采集系統(tǒng)最多能夠完成對4路信號的同時采集,采樣頻率最高達(dá)100kHz。同時能夠給出信號的幅值、均方、頻率等數(shù)字特征,或根據(jù)需要設(shè)置數(shù)字濾波、積分等處理。瞬時速度測試測速系統(tǒng)原理如圖6所示,在導(dǎo)軌上落錘的下落方向上布有兩對光電傳感器,電路中維持高電平。當(dāng)落錘經(jīng)過時,阻擋光的通路,即在此刻產(chǎn)生一個負(fù)脈沖,記錄下該時刻;兩對光電門按照一定的合適距離安裝在試件上方不遠(yuǎn)處,則用兩個負(fù)脈沖之間的時間間隔去除光電傳感器的間距,得到的數(shù)據(jù)即能夠近似反映落錘沖擊試件前的瞬時速度。即V瞬時≈V平均=d/(t2-t1)。由于落錘下落時在重力作用下做加速運(yùn)動,故間隔d要適中,過大造成該段內(nèi)的平均速度與沖擊瞬間的瞬時速度相差過大;d過小又會在計(jì)時過程中產(chǎn)生較大相對誤差。此外光電傳感器的布置要依試件高度調(diào)節(jié),使之距離試件頂端不太遠(yuǎn)。2試驗(yàn)結(jié)果與比較在本套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建完成后,進(jìn)行了數(shù)次沖擊實(shí)驗(yàn),對該系統(tǒng)進(jìn)行測試與標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)采用不銹鋼薄壁圓管作為試件。(1)實(shí)驗(yàn)和結(jié)果表1列出了部分實(shí)驗(yàn)試件的幾何尺寸及相應(yīng)的加載條件。一些試件在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前與實(shí)驗(yàn)后的照片如圖7所示:(2)沖擊變形的中心變化六號試件按照照片中的方向擺放在臺架上。落錘總重83千克,提升至2米高,釋放后下落沖擊試件,沖擊后的照片如圖8所示。從圖8可以看到,試件經(jīng)受沖擊后呈十分規(guī)則的“非對稱屈曲”的變形形式。變形從上方發(fā)生,共7層褶皺。沿軸向看為7層圓弧邊三角形,每個三角形之間旋轉(zhuǎn)180°角。正是這種褶皺變形吸收了落錘的沖擊能量。驗(yàn)證了相關(guān)文獻(xiàn)的結(jié)構(gòu)。從采集到的加速度變化曲線如圖10中的粗線可以看出,在整個沖擊壓縮從發(fā)生到基本完成的20幾毫秒內(nèi),加速度大致經(jīng)歷7次起伏,然后逐漸趨于零。最大沖擊加速度達(dá)到80g,加速度各個峰值呈減小趨勢。(3)圓管單元的劃分本文采用Ls-Dyna進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)的數(shù)值模擬。試件幾何參數(shù)為:直徑?=32mm,厚度t=0.8mm,長度1=150mm。材料的屈服應(yīng)力350MPa。將圓管劃分為4節(jié)點(diǎn)殼單元,選擇采用單點(diǎn)積分的Belytschko-Tsay算法。模擬計(jì)算得到變形結(jié)果如圖9所示。圖9與圖8對比可以看到,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)無論從變形形態(tài)還是變形程度來看都非常吻合。3試驗(yàn)系統(tǒng)測試及結(jié)果本文介紹了一套落錘式?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)與調(diào)試實(shí)驗(yàn)的全過程。系統(tǒng)采用落錘對試件進(jìn)行沖擊加載,設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單。沖擊的能量可以無級調(diào)節(jié)。型鋼導(dǎo)軌與V型槽輪的方案易于加工和裝配定位。釋放脫鉤利用自鎖將落錘提升,然后釋放。結(jié)構(gòu)簡單化降低了開發(fā)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的成本。沖擊過程中