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原文传递动量交换驱动式冲击压痕测试装置及测试方法

专利名称：	动量交换驱动式冲击压痕测试装置及测试方法
摘要：	本发明涉及一种动量交换驱动式冲击压痕测试装置及测试方法，该装置包括驱动单元、测量单元、定位与换点单元和原位观测单元，上述模块化单元采用动量交换方式，驱动压头压入被测试件，通过测量单元拾取冲击压痕测试过程中的力与位移信息，原位观测单元实时记录被测试件的变形与热分布，驱动单元的运动特性和程序自动控制避免产生二次冲击，本发明的测试装置为高应变速率下材料力学性能测试分析提供了必要的试验手段与测试装置，对航空航天、装甲防护和物性表征等领域具有良好的应用前景。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	吉林;22
申请人：	吉林大学
发明人：	赵宏伟;李聪;王顺博;王众玄;张建海;石成玉;朱志远;宗翔宇;赵泽睿;魏朋飞
专利状态：	有效
申请日期：	2023-05-20T00:00:00+0800
发布日期：	2023-11-07T00:00:00+0800
申请号：	CN202310571126.3
公开号：	CN117007454A
代理机构：	吉林省中玖专利代理有限公司
代理人：	姜姗姗
分类号：	G01N3/48;G01N3/06;G01N3/02;G;G01;G01N;G01N3;G01N3/48;G01N3/06;G01N3/02
申请人地址：	130012 吉林省长春市长春高新技术产业开发区前进大街2699号
主权项：	1.一种动量交换驱动式冲击压痕测试装置，其特征在于：包括原位观测单元、定位与换点单元、驱动单元、测量单元、数据采集卡、运动控制卡和控制系统；所述原位观测单元用于观测被测试件上的压入位置，并将被测试件的变形与热分布数据传输至控制系统；所述驱动单元包括重量相同的第一组件和第二组件，第一组件摆动后撞击第二组件进行平移运动；所述第一组件包括摆杆、摆杆的下端固定连接的锤头、锤头前端固定连接的球头和锤头下端安装的遮光板，第一组件的重心位于球头的中轴线上；所述第二组件包括柔性铰链、柔性铰链的运动部前端固定连接的压头，柔性铰链的运动部后端固定连接的撞击块，第二组件的重心位于柔性铰链运动部的中轴线上；所述球头摆动至最低点时轴心和撞击块轴心位于同一条水平线上；所述第一组件通过摆动控制组件驱动摆杆摆动，所述摆动控制组件包括摆锤轴、电机和用于安装摆锤轴机架，电机轴与摆锤轴通过电磁离合连接，所述摆锤轴上安装有编码器；所述被测试件和柔性铰链均安装在定位与换点单元上，由定位与换点单元带动进行X轴定位和YZ方向换点；所述测量单元包括待激光干涉仪、压电力传感器、直角棱镜、反射镜和光电开关，所述被测试件和直角棱镜安装在压电力传感器的测量端，激光干涉仪的探头发出光束依次进入到直角棱镜和平面反射镜，直角棱镜的入射面和平面反射镜为度角，平面反射镜垂直于压头的轴线；所述压头、被测试件和压电力传感器三者的轴线平行，在球头位于最低点时，遮光板两端位于光电开关的狭缝中；所述控制系统通过运动控制卡对电磁离合、电机和编码器进行信号接收和控制，通过数据采集卡采集光电开关和压电力传感器数据。 2.如权利要求1所述的动量交换驱动式冲击压痕测试装置，其特征在于：所述原位观测单元包括高速相机和热像仪，所述高速相机和热像仪分别通过三维运动平台Ⅰ和三维运动平台Ⅱ调整空间位置使其观测轴线与压头运动轴线在同一水平面内。 3.如权利要求1所述的动量交换驱动式冲击压痕测试装置，其特征在于：所述机架的顶部固定连接有安装板Ⅵ，所述安装板Ⅵ上固定连接电机，所述摆锤轴通过支撑座安装在安装板Ⅵ上。 4.如权利要求1所述的动量交换驱动式冲击压痕测试装置，其特征在于：所述电机轴通过减速器和传动轴连接，所述传动轴通过电磁离合和摆锤轴连接。 5.如权利要求1所述的动量交换驱动式冲击压痕测试装置，其特征在于：所述定位与换点单元包括基座、安装板Ⅳ、安装板Ⅴ、X轴宏观定位平台、转接板Ⅲ、X轴微观定位平台，安装板Ⅳ安装在基座上，安装板Ⅴ安装在安装板Ⅳ上，通过安装板Ⅴ上的长条形钥匙孔，安装板Ⅴ可沿X轴方向前后调节位置，X轴宏观定位平台安装在安装板Ⅴ上，X轴宏观定位平台两侧各有一加固板安装在安装板Ⅴ上，加固板厚度低于X轴宏观定位平台安装平面高度，转接板Ⅲ安装在X轴宏观定位平台安装平面上，X轴微观定位平台安装在转接板Ⅲ上，转接板Ⅳ、加固肋板、转接板Ⅴ固联，转接板Ⅳ安装在X轴微观定位平台上，YZ换点平台安装在转接板Ⅴ上，转接板Ⅵ安装在YZ换点平台上，X轴宏观定位平台带动YZ换点平台和X轴微观定位平台沿X轴做宏观移动和定位，X轴微观定位平台带动YZ换点平台沿X轴做微观移动和定位，YZ换点平台带动压电力传感器和试件台沿YZ方向换点。 6.如权利要求1所述的动量交换驱动式冲击压痕测试装置，其特征在于：所述探头通过探头座安装在三维运动平台Ⅲ上，探头与激光干涉仪控制器通过光纤连接，探头通过三维运动平台Ⅲ调整空间位置使其测量轴线与直角棱镜中心和反射镜中心在同一水平面内且反射镜的入射光线和反射光线重合且平行于压头轴线，实现对压入位移的测量。 7.如权利要求1所述的动量交换驱动式冲击压痕测试装置，其特征在于：所述压电力传感器的测量端固定连接有转接板Ⅶ，直角棱镜与被测试件安装在转接板Ⅶ上的同一侧。 8.如权利要求1所述的动量交换驱动式冲击压痕测试装置，其特征在于：所述光电开关通过安装架和转接架安装在光电开关座上，光电开关座安装在安装板Ⅴ上。 9.如权利要求1所述的动量交换驱动式冲击压痕测试装置，其特征在于：所述测试装置还包括隔震台，原位观测单元、定位与换点单元、驱动单元和测量单元均安装在隔震台上。 10.一种动量交换驱动式冲击压痕测试方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、通过X轴宏观定位平台、X轴微观定位平台和YZ换点平台带动被测试件与压头预接触，然后锁紧三个平台；步骤二、将电磁离合保持常闭合，编码器实时反馈摆锤轴所在位置和运动状态给运动控制卡和控制系统；步骤三、设定摆锤扬起高度后开始测定，控制系统根据编码器的反馈值监测测试装置运行状态并给出指令，从控制系统发送控制指令至运动控制卡，运动控制卡输出电信号驱动电机带动摆锤扬起至设定高度；步骤四、控制系统检测到编码器的反馈值与设定高度相符，发送指令控制运动控制卡输出信号使电磁离合断开，锤头撞击柔性铰链运动部分使其带动压头完成一次冲击加载，通过测量单元拾取冲击压痕测试过程中的力与位移信息；步骤五、柔性铰链运动部分在柔性铰链变形部分的变形作用下向后运动撞击锤头发生动量交换，柔性铰链运动部分停留在撞击点，以锤头为中心的整体开始向后运动，带动摆锤轴反向转动；步骤六、编码器检测到反向位移值并实时发送到运动控制卡和控制系统，控制系统发送控制指令给电磁离合使其闭合，摆锤轴被电磁离合捕捉，电机处于自锁状态，摆锤轴停止运动，根据冲击压痕过程的力和位移信息可计算被测试件的动态硬度，公式为其中HDyn为动态硬度，meff为柔性铰链的运动部分和压头的等效质量的和，Vincident为压头刚接触被测试件时的速度，Vrebound为压头完成压入后在同一位置时的速度，hrest为冲击压痕的残余压深，fDAF(h)为压头的面积函数；步骤七、冲击压痕过程中不同时刻、不同变形区域的应变速率会发生变化，压深为h时的应变速率为以整个过程的平均应变速率作为该次实验的特征应变速率，通过多次不同冲击能量的实验，建立被测试件的特征应变速率和动态硬度的映射关系，获得被测试件的动态力学性能。
所属类别：	发明专利