两自由度冲击试验机的瞬时冲击特性_王灿才.pdf

第 卷 第期 年月青 岛 科 技 大 学 学 报（自然科学版）（）文章编号：（）；：两自由度冲击试验机的瞬时冲击特性王灿才，王所杰，李松梅（青岛科技大学 高分子科学与工程学院；数理学院；机电工程学院，山东 青岛 ）摘要：针对防滑涂料的抗冲击性能测试需求，设计了两自由度的冲击试验机。采用理论分析、虚拟样机技术、样机实测相结合的研究方法，研究了两自由度冲击试验机的冲量、冲击时间的特性。结果表明，所设计的两自由度冲击试验机的瞬时冲击性能稳定，满足瞬时大载荷冲击的要求。即在下摆臂保持切入角 ，上扬角 的条件下，冲击试验机的冲击时间约为 ，水平冲量与竖直冲量可以分别达到为 和 ，两自由度冲击试验机能够较好地模拟材料所受的双向瞬时冲击特性，能够用于大载荷瞬时冲击测试。关键词：两自由度冲击试验机；瞬时冲击测试；切入角；冲量中图分类号：文献标志码：引用格式：王灿才，王所杰，李松梅两自由度冲击试验机的瞬时冲击特性青岛科技大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：收稿日期：基金项目：山东省自然科学基金项目（）作者简介：王灿才（），男，讲师 ，（；，）：，：；工程领域遇到瞬时冲击的问题较为普遍，特别是在重大工程项目中的安全保护、煤矿防冲破坏、特种涂料性能测试等问题中需要进行必要的动力学实验。冲击试验机是一种常用的动力学实验装备。在实际工程领域中，对冲击测试的需求不尽相同，因此诞生了很多非标实验装备。文献 对低速冲击第期王灿才等：两自由度冲击试验机的瞬时冲击特性测量的双摆式试验台的等效冲击质量的进行了理论计算，并量化了质量在空转过程中的总能量损失。文献 描述了一种新的仪器化的加速落镖冲击机，可以记录被测试材料响应的变化。文献 采用 个数据集建立了冲击锤性能预测模型，用于评估冲击锤性能。文献 介绍了一种质量可变的双数学和物理双摆的动力学分析，用于分析下摆的初始速度的变化。文献 对落锤式冲击试验机的冲击性能进行验证分析。文献 对摆锤式冲击响应谱试验台进行了仿真分析研究，通过有限元数值模拟方法对摆锤式冲击试验试验台的试验能力计算分析。文献 对中等量级强摆锤式冲击试验机进行了优化设计。以上的研究大多数关注于单自由度摆杆结构，而单自由度摆杆冲击试验机在进行冲击试验时，摆锤与试件的接触有一定的作用时间，无法测得冲击试件的瞬时冲击载荷。为了实现较大载荷（水平 ，垂直 以上）斜向单次冲击，设计出了双摆杆冲击试验机。将冲击摆臂设计成上下两截，以实现瞬时大载荷单次冲击。本工作首先对该冲击试验机的碰撞过程进行了理论分析和仿真模拟分析，最后对冲击试验机进行了实验验证。两自由度冲击试验机的结构设计针对单次大载荷冲击的这一需求，将传统摆锤式的试验机进行改装升级。将摆臂设计成上下两截，上下摆臂之间铰接，下摆臂可以绕铰接点转动，称之为“两自由度”。其他部件依据测试力的大小进行工程化设计。测试试样放置于机架底部，机架由钢制结构焊接而成，摆臂上端固定于传动轴上，由驱动系统驱动传动轴转动从而实现摆臂的向上提升和下降冲击。试验机整体结构图如图所示。图试验机整体结构图 为了实现单次冲击，在上摆杆与下摆杆铰接的铰接处专门设计了缓冲器及上下摆臂角度保持装置，其模型如图所示。下摆臂末端的摆锤没有接触到测试样品之前，上下摆臂的角度保持不变，当下端摆锤接触到测试试样后，由于强大的冲击力，破坏了角度保持装置，使得下摆臂可以绕着铰接点转动，从而实现单次大载荷的冲击。缓冲装置；上摆杆；下摆杆；摆锤；角度保持装置。图双摆杆系统的三维结构图 两自由度冲击试验机的碰撞动力学分析在摆杆的自由下落过程中，在下摆臂未碰撞到机架底部的测力装置之前，由于有铰接点的连接，上下摆杆一同绕机架上方的固定点转动。当发生碰撞后，下摆杆将绕铰接点反弹，在接触点对测力装置进行冲击，整个冲击过程的时间非常短，图为摆锤系统初始碰撞时下摆杆反弹瞬间示意图。图摆锤初始碰撞时下摆杆反弹瞬间示意图 图中点为下摆杆的质心位置，为下摆杆与试样水平面冲击时切入角，为下摆杆与竖直方向的夹角；为下摆杆发生碰撞后的反弹角速度（设定逆时针为正）；为下摆杆组件的质量；为发生碰撞前的速度矢量。，和 为下摆杆质心和下摆杆末端与水平测试台碰撞后的水平和垂直方向的速度分量；为碰撞时试样反作用于下摆杆末端摆锤的冲量；和分别为点的青 岛 科 技 大 学 学 报（自然科学版）第 卷水平和垂直冲量分量。为发生碰撞后上下两摆杆铰接点的运动轨迹角。依据牛顿第二定律及动量矩定理，下摆杆发生碰撞过程中的质心的动力学方程为，（）（）。（）式（）和式（）中：和分别为碰撞前、后的质心的速度矢量；为摆锤系统所受外冲量矢量；为相对于质心的转动惯量；为下摆杆碰撞前的反弹角速度；为下摆杆相对质心的动量矩。如果在绝对坐标系下投影，综合可以写出下摆杆系统碰撞前后动力学方程：（）。（）令 和 为碰撞前后试板在碰撞点轴方向的速度，补充恢复系数方程（）（）。（）分析整个下摆杆的碰撞反弹过程，以质心作为基点，则测试点在垂直方向方向上的速度为 。（）以点作为基点，点的速度为 ，（）。（）相对于点的转动惯量为。（）联立式（）、式（）和式（），并代入 和 的值可以求出下摆杆碰撞反弹角速度为（）。（）根据摆杆系统所做的功及摆杆的转动惯量可以得到摆锤的速度 。（）其中表示下摆杆的角速度，表示上、下摆杆的夹角。对于正常情况 下，不 考 虑试板 的 运动，则由式（）可得 。（）联立式（）、式（）和式（），并代入 和 的值可求得下摆杆碰撞反弹角速度为（）。（）由式（）和式（）求得点碰撞后的速度分量 和。由此得到试板作用于下摆杆系统的冲量为 。（）由此可得到下摆杆系统作用于试板的水平与竖直冲量为（）（）（），（）（）（）。（）由 在特定的 ，撞击材料摩擦系数 ，做出水平冲量 随切入角的变化曲线如图所示和竖直冲量 随切入角的变化曲线如图所示。图竖直冲量 随切入角的变化 图水平冲量 随切入角的变化 由图及图可知，随增大，撞击点的冲量随之增大。且当 时，冲量呈急速增长的趋势。两自由度冲击试验机动力学仿真分析建立仿真模型，按表和表确定动力学分析条件。在 中进行冲击试验机运动仿真分析。第期王灿才等：两自由度冲击试验机的瞬时冲击特性表摆杆系统的转动惯量和质量 部件方向转动惯量 方向转动惯量 方向转动惯量 质量 摆锤 下摆杆 上摆杆 表接触参数 接触参数数值刚度（）刚度贡献指数阻尼（）穿入深度 为了达到更加直观的效果，保持冲击瞬间下摆杆与试样之间的角度为 ，上扬角为 时对冲击试验机进行运动仿真，得到摆锤对试样水平方向冲击力和竖直方向冲击力的变化曲线，如图 图所示。图轴方向的冲击力 图轴方向的冲击力 由图、图可知，在下摆杆与冲击板之间的夹角为 ，上扬角为 时，摆锤对试样的水平瞬时冲击力为 ，竖直瞬时冲击力为 ，冲击时间约为 。由冲量公式 可以计算出摆锤对冲击试样的水平冲量 ，竖直冲量 。由此可知，冲量及冲击时间均满足预期。实验研究对按图所示结构进行优化后完成样机制作，如图所示。其核心部件摆锤冲击测力台利用地脚螺栓与大地固定，测力台上方安装有冲击实验板。实验板上安装有测试水平方向和竖直方向冲击力的传感器，通过高速数据采集卡对测力台在摆锤冲击过程中的冲击力进行采集，并通过专用分析软件分析，测得水平冲击力和竖直冲击力。图样机测试 为了保证测试的安全性，保持冲击瞬间下摆杆与试样之间的角度为 ，以上扬角度为 进行多次冲击试验，水平冲击力的测量是采用两个均布的水平放置的传感器求均值的方法。同理，竖直冲击力的测量采用个均布的竖直放置的传感器求均值的方法，得到如图所示测试结果。从测试结果来看，每次测试的结果较为稳定，横向瞬时冲击力最大保持在 左右，竖向瞬时最大冲击力保持在 左右。由此可见，该冲击试验机在测试过程中，性能较为稳定。图上扬角 时的冲击力 青 岛 科 技 大 学 学 报（自然科学版）第 卷为了与 中仿真结果进行对比，在进行测试时保持冲击瞬间下摆杆与试样之间的角度为 ，上扬角为 ，对实验数据进行采集。得到水平方向冲击力和竖直方向冲击力随时间的变化曲线，如图 所示。图 上扬角 时的冲击力 由测试结果可知，在下摆杆与冲击板之间的夹角为 ，上扬角为 时，摆锤对试样的最大水平瞬时冲击力为 ，最大竖直瞬时冲击力为 ，冲击时间约为 （仿真时，水平瞬时冲击 力 为 ，竖 直 瞬 时 冲 击 力 为 ，冲击时间约为 ）。由冲量公式 可以计算出摆锤对冲击试样的水平冲量 ，竖直冲量 。与仿真模拟分析结果相比，实验所测水平与竖直冲击力要略小于仿真模拟值，这可能是由于仿真模拟为理想条件，分析时忽略了多处存在摩擦的情况，而在真实的实验条件下这些摩擦是存在的，以及传感器的精度问题，所以造成此偏差。若忽略偏差影响，两者吻合良好。该实验研究也验证了仿真模拟的正确性，同时符合第二节中的理论分析结果。结论研究表明，所提出上下摆杆分开式的两自由度冲击试验装置，能够实现对水平试样的大载荷斜向瞬时冲击动作。该装置所能产生的垂直水平冲击载荷可以在一定范围内调整，且可以满足较大瞬时冲击载荷（以上）的测试需求。本试验机在结构上具有较强的创新性，为目前国内测试载荷最大的冲击瞬时冲击试验机，可以用于特殊涂层的抗冲击性能测试。参考文献金鑫，刘宇，刘成玉，等 舰载飞机阻拦网着舰冲击特性仿真研究计算机仿真，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：田振强，张巧寿 摆锤式冲击响应谱试验台的仿真研究 强度与环境，（）：，（）：王旭，李天匀，郑相周，等中量级强冲击试验机摆锤的优化设计中国造船，（）：，（）：郭春艳，范晨光，武闯，等三脚支撑模拟结构冲击动力学分析与试验研究成都大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：杨哲飞行甲板防滑涂料性能鉴 定 指 标 分 析 航海工程，（）：，（）：徐曼 基于二自由度的垂直冲击试验机参数设计计算方法环境技术，（）：，（）：（责任编辑孙丽莉）