[發明專利]一種高速動態試驗力測量環節的設計方法

有效

• 申請號: 201310606117.X
• 申請日: 2013-11-25
• 公開（公告）號: CN103604537A
• 公開（公告）日: 2014-02-26
• 發明（設計）人: 夏勇;汪凱;顧功堯;周青;王磊
• 申請（專利權）人: 清華大學蘇州汽車研究院（相城）
• 主分類號: G01L1/22
• 分類號: G01L1/22
• 代理公司: 蘇州創元專利商標事務所有限公司 32103
• 代理人: 孫仿衛;汪青

技術領域

本發明主要涉及一種高速動態試驗力測量環節的設計方法，屬于傳感器設計領域，應用于材料力學測試。

背景技術

高速動態試驗載荷信號的準確測量是一個關鍵的問題。由于連接環節質量和剛度匹配不好，使用傳統方法測得的力信號常呈現較大震蕩，這類震蕩信號屬于包括測量連接環節在內的測試系統的整體響應，而非被測材料本身的力學響應。

相比被測材料試件，現有的商用傳感器質量和體積偏大，導致測試系統固有頻率偏低，不適用于金屬材料的高應變率動態試驗。另一種業界常用的方法是直接在材料試件上靠近測量段的彈性區域上粘貼應變片測量載荷信號，其缺點是操作復雜，應變片不可重復使用，效率低，且對不同試件的測試不是同一應變片，測量條件一致性差。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種高速動態試驗力測量環節的設計方法。

為解決以上技術問題，本發明采用如下技術方案：

一種高速動態試驗力測量環節的設計方法，所述設計方法包括以下步驟：

(1)、對預測試試件的材料進行準靜態試驗，取得所述試件材料的屈服極限并得到準靜態試驗的力-時間載荷歷程曲線，根據所述力-時間載荷歷程曲線確定所述試件的材料屈服時所對應的力，在此稱為屈服點力；

(2)、根據所述屈服點力及所述試件材料的屈服極限來設計測力傳感器，所述測力傳感器包括用于安裝應變片的測力部和用于安裝所述試件的連接部；

(3)、選擇制造測力傳感器的材料并估算所述測力傳感器的固有頻率f₀；

(4)、確定所述測力系統的信號最大頻率f_max，所述測力系統的信號最大頻率為所述試件進行動態試驗測試時由所述測力傳感器和所述試件這個測力系統輸出的信號的最大頻率；

(5)、校核固有頻率f₀，當f₀≧4f_max時，完成設計，否則回到步驟(2)～(4)。

本發明的一種具體實施方案，所述步驟(2)中，所述測力傳感器的設計方法包括以下步驟：

a、確定所述測力傳感器的力的量程，所述測力傳感器的力的量程根據所述屈服點力來確定，所述屈服點力為所述測力傳感器的力的量程的0.3～0.8倍；

b、確定所述測力傳感器材料的屈服極限，所述測力傳感器材料的屈服極限根據所述試件材料的屈服極限來確定，所述試件材料的屈服極限為所述測力傳感器材料的屈服極限的0.3～0.8倍；

c、根據公式F=σ×A，確定所述測力傳感器的測力部的粘貼所述應變片處的橫向截面面積A，其中，F為所述測力傳感器的力的量程，σ為制造所述測力傳感器的材料的屈服極限，A為所述測力傳感器的測力部的粘貼所述應變片處的橫向截面面積。

本發明的一種具體實施方案，所述步驟(3)中，所述固有頻率f₀的計算方法包括以下步驟：

a、根據公式k=EA/l計算所述測力部的剛度k，其中，E為制造所述測力傳感器的材料的彈性模量，A為所述測力部的粘貼所述應變片處的橫向截面面積，l為所述測力部的長度，且取所述測力部的長度l大于所述應變片的長度；所述測力部的長度l具體取值時，取方便所述應變片測量的最小值，以增大所述測力部的剛度k，增大系統自由振蕩頻率；

b、根據公式計算所述固有頻率f₀，其中，k為所述測力部的剛度，m為所述連接部的質量和用于將所述試件和所述連接部相連的輔助連接器件的質量的總質量。

本發明的一種具體實施方案，所述步驟(4)中，所述信號最大頻率f_max通過測定所述測力系統的自由振蕩頻率的試驗來確定。

本發明的另一種具體實施方案，所述步驟(4)中，所述信號最大頻率f_max的計算方法包括以下步驟：

a、將步驟(1)得到力-時間載荷歷程曲線的時間軸坐標縮小一定倍數，得到近似動態力響應曲線，而所述屈服點力的力值保持不變，其中，所述一定倍數的數值為目標應變率與所述準靜態試驗應變率的比值；

b、根據公式來確定所述信號最大頻率f_max，其中，Δt為上述步驟中得到的所述近似動態力響應曲線中的從原點到所述屈服點力時對應的時間點的時間值。

由于上述技術方案的實施，本發明與現有技術相比具有如下優點：