落锤式冲击实验系统的设计与开发

落锤式冲击实验系统的设计与开发

可靠性是许多承受结构的重要指标，包括飞机、汽车和其他运载工具。由于冲击过程中材料与结构力学行为表现的特殊性,使得我们需要一套与对待静态问题不同的研究方法。目前以有限元方法为主要分析手段的模拟仿真技术为结构冲击性能评价提供了很好的途径,而仿真计算的建模、验模与修正全都需要以冲击实验的结果为依据。研究薄壁结构的屈曲模态、吸能规律,考察运载工具中关键结构的耐撞性,指导结构的设计,落锤式冲击实验台是一种简单、可靠、重复性好的实验装置。这类小规模、局部的撞击,无论从模型的建立还是实验消耗上都更为基础与经济。目前同类的实验台架多数采用气动式,加载精确平稳,缺点是占地大,成本较高,且由于有庞大的动力装置与气体管道,造成日常维护不便。一般的落锤下落都有导轨限位,铸铁T型槽导轨精度高,刚度大,但质量太大,结构笨重。还有某些台架,重锤释放机构采用机械式行程开关,结构复杂,且重锤释放位置的高度由行程开关安装的位置决定,不易调节。因此本实验室根据具体情况与研究需要,设计开发一套结构简单、成本低廉且能够满足功能要求的冲击实验系统。1实验系统总体要求本套落锤冲击实验系统由机械结构系统与电测系统两大部分构成,结构组成框架如图1所示。该实验设备,能够完成冲击实验的碰撞与数据采集分析的全过程。全系统包括机械钢架、地基底板、落锤结构、提升与释放机构、测量系统、数据采集系统和数据分析系统几部分。对系统有几点要求:强度与刚度,由于系统在运行时,重锤被吊升至高处,故要求系统机械结构有足够的强度与刚度;导轨垂直度,实验的外载荷由落锤提供,保证重锤下落冲击试件瞬间的速度方向尽可能垂直向下;地基惯性,保证冲击过程对落锤周围的采集分析设备不产生干扰。且地基不能在若干次实验后出现裂缝或整体沉降;数据采集频率和精度,由于落锤运动的速度很快,且碰撞在瞬间完成,因此对速度、加速度信号的采集电路有一定要求。(1)带安全保护装置的冲击试样整体解决方案针对上述诸多种功能要求,经过对比分析,考虑到占用空间及所需成本,最终确定如下方案。图2为系统外观的照片。该方案用电动卷扬机将落锤拉至所需高度,通过滑车上方的专用脱钩装置,将落锤释放。落锤沿两侧导轨自由下落,冲击地面上的试件。在试件上方的导轨上,布置对射式光电传感器,检测落锤经过的时刻,换算出冲击前速度大小。落锤上布置加速度传感器,采集冲击过程中的加速度信号。信号经放大转换,由计算机分析处理,得到冲击载荷特性。钢架与落锤滑车钢架结构构成整个台架的支撑主体,在实验中落锤升起后,承担全部落锤的重量。钢架本身采用型钢焊接的桁架结构,具有足够的强度与刚度,能够满足实验需要。同时钢架为落锤滑车提供下滑导轨。导轨对滑车起到限位作用,一方面在落锤冲击试件的过程中,不致在冲击载荷的侧向的反作用下偏离实验台;另一方面,为冲击试件之前的落锤速度方向提供导引。导轨与地面保证良好的垂直性,从而引导落锤沿垂直方向冲击试件,避免砸偏砸翻试件,也避免了能量在水平方向上损失。钢架采用六根边长70mm的方钢为立柱,50mm边长的角钢作斜拉筋。总高6米。相对的一对立柱上各扣焊一根边长50mm的角钢,作为滑车下落的导轨。钢筋混凝土联合于仪器冲击试验过程中,落锤大量的动能在瞬间释放,被试件吸收。地基在吸收剩余能量时,除了要保持相当的惯性,以免影响周围仪器,自身还要有一定的抗冲击性。本系统采用钢筋混凝土地基,地坑尺寸为1.7m×1.4m×1m,大质量的钢筋混凝土具有大惯性,能够使周围仪器免于噪声干扰。为提高表面的局部抗冲击性能,不致在多次击打后混凝土出现剥落或与钢筋的分离,在地基的正中预埋1000mm×1000mm×22mm钢板一块,使作用力均匀分布在地基表面,降低局部受到的冲击。锤头、槽钢提框与实际锤头的装配冲击实验的能量全部来源于落锤的动能。本系统采用七块400mm×400mm×20mm的钢板作为落锤锤板,每块质量大约在25千克左右。实验中可以根据冲击需要,添减重锤的质量,也可更换不同形状的锤头。落锤上方有槽钢提框与四只滚轮共同构成滑车。滚轮采用尼龙V型槽轮,减震效果较好,避免了落锤在下落的过程中噪音过大。锤板之间、锤板与提框、提框与滚轮均采用螺栓连接,从而可以在装配过程中对某些关键尺寸进行微调。图3为落锤与滑车的外观照片。机械化活动挂钩电动卷扬机将落锤吊升到所需高度,停转等待。实验人员操作机械式脱钩,将落锤与卷扬机钢丝绳的连接断开,落锤自由落下。卷扬机的蜗轮蜗杆式减速器保证在意外断电时落锤不会下落。机械式脱钩是该子系统的关键结构如图4所示。脱钩采用两个半环,一端共轴。两半环受轴上扭簧作用向外张,压紧下面的挂钩,被其扣住,自锁。当需要脱钩打开时,拉动挂钩上的尼龙绳,两只半环就在重物与扭簧的共同作用下向两侧弹开。与其它同类装置相比,本脱钩结构要简单很多,且同样具有较高的可靠性。当脱钩负荷上百公斤重锤时,拉动挂钩释放落锤并不费力。很多同类实验系统采用行程开关控制对落锤的释放,除去结构复杂外,在实验操作过程中,提升到设定高度后立即释放,落锤下落前没有停顿。(2)测试和处理器系统本电测系统结构如图5所示,包含加速度采集系统与速度测量系统。载荷特性分析如图5,在重锤下落冲击试件的过程中,安装在重锤锤板上端的加速度传感器随时感受落锤的加速度信号,于是得到冲击的载荷特性与速度位移随时间的变化关系。加速度信号采集系统最多能够完成对4路信号的同时采集,采样频率最高达100kHz。同时能够给出信号的幅值、均方、频率等数字特征,或根据需要设置数字滤波、积分等处理。瞬时速度测试测速系统原理如图6所示,在导轨上落锤的下落方向上布有两对光电传感器,电路中维持高电平。当落锤经过时,阻挡光的通路,即在此刻产生一个负脉冲,记录下该时刻;两对光电门按照一定的合适距离安装在试件上方不远处,则用两个负脉冲之间的时间间隔去除光电传感器的间距,得到的数据即能够近似反映落锤冲击试件前的瞬时速度。即V瞬时≈V平均=d/(t2-t1)。由于落锤下落时在重力作用下做加速运动,故间隔d要适中,过大造成该段内的平均速度与冲击瞬间的瞬时速度相差过大;d过小又会在计时过程中产生较大相对误差。此外光电传感器的布置要依试件高度调节,使之距离试件顶端不太远。2试验结果与比较在本套实验系统搭建完成后,进行了数次冲击实验,对该系统进行测试与标定。实验采用不锈钢薄壁圆管作为试件。(1)实验和结果表1列出了部分实验试件的几何尺寸及相应的加载条件。一些试件在进行实验前与实验后的照片如图7所示:(2)冲击变形的中心变化六号试件按照照片中的方向摆放在台架上。落锤总重83千克,提升至2米高,释放后下落冲击试件,冲击后的照片如图8所示。从图8可以看到,试件经受冲击后呈十分规则的“非对称屈曲”的变形形式。变形从上方发生,共7层褶皱。沿轴向看为7层圆弧边三角形,每个三角形之间旋转180°角。正是这种褶皱变形吸收了落锤的冲击能量。验证了相关文献的结构。从采集到的加速度变化曲线如图10中的粗线可以看出,在整个冲击压缩从发生到基本完成的20几毫秒内,加速度大致经历7次起伏,然后逐渐趋于零。最大冲击加速度达到80g,加速度各个峰值呈减小趋势。(3)圆管单元的划分本文采用Ls-Dyna进行落锤冲击试验的数值模拟。试件几何参数为:直径ϕ=32mm,厚度t=0.8mm,长度1=150mm。材料的屈服应力350MPa。将圆管划分为4节点壳单元,选择采用单点积分的Belytschko-Tsay算法。模拟计算得到变形结果如图9所示。图9与图8对比可以看到,模拟结果与实验无论从变形形态还是变形程度来看都非常吻合。3试验系统测试及结果本文介绍了一套落锤式冲击实验系统的设计开发与调试实验的全过程。系统采用落锤对试件进行冲击加载,设计结构简单。冲击的能量可以无级调节。型钢导轨与V型槽轮的方案易于加工和装配定位。释放脱钩利用自锁将落锤提升,然后释放。结构简单化降低了开发实验系统的成本。冲击过程中