[發明專利]一種顆粒材料緩沖性能的測量系統

在審

• 申請號: 201510275423.9
• 申請日: 2015-05-26
• 公開（公告）號: CN104964901A
• 公開（公告）日: 2015-10-07
• 發明（設計）人: 季順迎;樊利芳;陳曉東
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01N15/00
• 分類號: G01N15/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李寶元;梅洪玉

技術領域

本發明提供一種顆粒材料緩沖性能的測量系統屬于垂直沖擊領域，涉及到如何準確測量垂直沖擊作用下顆粒材料的緩沖性能。

背景技術

顆粒物質是一種能量快速耗散體系，主要通過顆粒間的滑動摩擦和非彈性碰撞消耗能量。在外荷載作用下，顆粒間內部復雜的力鏈結構發生斷裂和重組，進而消耗大量能量，同時，力鏈結構又可將瞬時局部沖擊荷載進行空間擴展和時間延長，從而達到良好的緩沖效果。目前，對于顆粒物質能量耗散方面的工作主要局限于數值模擬計算，相關的試驗研究有：垂直振動激發下顆粒物質的能量耗散；彭政,蔣亦民,劉銳,厚美瑛；物理學報,2013,62(2):1-5；顆粒物質在微剪切振動下的能量耗散研究；汪盼盼,王萬景,劉長松,朱震剛；巖土力學,2009,30:129-134；但是關于沖擊荷載作用下顆粒物質緩沖特性的研究卻鮮有。隨著顆粒系統研究的成熟發展，顆粒材料逐漸被應用到各領域作為沖擊的減振材料，因此，開發一種測量顆粒材料緩沖性能的系統，開展顆粒物質在沖擊載荷作用下緩沖特性的試驗研究對其工程應用具有一定的實用價值。

發明內容

本發明提供了一種顆粒材料緩沖性能的測量系統，可以實現沖擊物對顆粒物質的垂直沖擊，測量沖擊物的加速度、底板所受的沖擊力以及沖擊深度，研究顆粒物質對沖擊載荷的緩沖效果。本裝置還能夠實現對沖擊高度和顆粒層厚度的自由控制，并記錄沖擊過程中顆粒表面形態和沖擊物運動的變化。

本發明的技術方案如下：

一種顆粒材料緩沖性能的測量系統，包括固定支架、顆粒沖擊系統、力學響應測量系統和圖像采集系統；

固定支架由豎直桿和橫桿組成；標有刻度值的豎直桿固定在底座上，橫桿和豎直桿之間活動連接，可以自由調節橫桿的高度；

顆粒沖擊系統包括顆粒物質和沖擊物兩部分；顆粒物質置于圓筒內，圓筒壁上標有刻度值，其底部設有3個用于安放力傳感器的孔，力傳感器之間的夾角度120°；沖擊物通過細線懸掛在橫桿上，位于圓筒的正上方；細線、加速度傳感器的重心及沖擊物的重心三者在同一條直線上；

力學響應測量系統包括力傳感器和加速度傳感器，加速度傳感器固定在沖擊物上方，以便測量沖擊物在豎直方向的加速度；力傳感器和加速度傳感器分別與動態數據采集儀相連接；3個力傳感器測量值之和即為圓筒所受沖擊力；

圖像采集系統包括攝像機，將攝像機放置在距離顆粒沖擊系統適當的位置處，用來記錄沖擊過程中顆粒層表面和沖擊物運動的變化。

本發明的技術特點有：

1、本發明能夠實現沖擊物自由下落對顆粒物質產生沖擊作用。

2、能夠直接測量沖擊球加速度a，由牛頓第二定律F_p-mg＝ma，得到沖擊力F_p。

3、能夠準確測量底板作用力，3個力傳感器之和即為底板沖擊力F_w。

4、通過對F_p和F_w作比較分析，可以獲知顆粒物質的減振效果。

5、能夠實現對顆粒層厚度和沖擊高度的自由控制，操作簡單方便。

6、可以根據需要更換不同的顆粒介質，測量不同顆粒材料的緩沖特性。

7、能夠粗略測量沖擊深度。

附圖說明

圖1為本發明外置型顆粒阻尼器結構的示意圖。

圖2為圓筒底部的剖面圖。

圖中：1圓筒；2沖擊物；3加速度傳感器；4細線；5橫桿；6攝像機；A1和A2為豎直桿；B1和B2為十字夾；C1-C3為力傳感器。

具體實施方式

下面結合附圖和技術方案，對本發明的具體安裝過程和實施方式做進一步的說明。

圖1中，首先把橫桿5通過十字夾C1、C2固定在豎直桿A1、A2上；把力傳感器C1-C3安裝在圓筒1的底部，加速度傳感器3固定在沖擊物2上方，傳感器通過L5線連接在動態數據采集儀上；細線的一端連接沖擊物，另一端固定在橫桿上，細線的連接必須保證加速度傳感器和沖擊物兩者的重心與細線在同一條直線上，避免出現偏心，防止沖擊物在下落過程中發生翻轉；將攝像機放置在距離顆粒沖擊系統適當的位置處，使能夠清晰的觀察并記錄顆粒層表面的變化和沖擊物的運動。

實驗過程中，首先根據所需顆粒層厚度h，將顆粒物質放置在圓筒內，調整顆粒層表面使其盡量保持平整，記下其所對應的刻度值Z₁，則有h＝Z₁；然后參照豎直桿上的刻度值，調節橫桿高度，記下其所對應的刻度值Z₂，則有沖擊高度ΔH＝Z₂-Z₁；最后，打開動態數據采集儀和圖像采集系統，待沖擊物達到靜止平衡狀態時，剪斷或燒斷細線，使沖擊物自由下落；當沖擊物達到靜止狀態時，停止數據采集和圖像采集，用直尺粗略測量沖擊坑的深度。測量過程完成后，根據采集到的數據，分別計算沖擊球和底板所受的沖擊力并作比較分析，即可獲知顆粒材料的緩沖性能。