[發明專利]多源變載荷沖擊實驗裝置

在審

• 申請號: 201510826665.2
• 申請日: 2015-11-25
• 公開（公告）號: CN105277450A
• 公開（公告）日: 2016-01-27
• 發明（設計）人: 李鵬;王裕華;劉遠;黃金勇;余楊楊
• 申請（專利權）人: 華東交通大學
• 主分類號: G01N3/303
• 分類號: G01N3/303
• 代理公司: 南昌新天下專利商標代理有限公司 36115
• 代理人: 施秀瑾

技術領域

本發明涉及多源變載荷沖擊實驗裝置，屬于結構沖擊監測領域。

背景技術

材料及其構件在服役期間常因遭受各類不同載荷的沖擊，致使材料及其構件易產生各類損傷，導致結構的力學性能劣化，帶來嚴重的安全隱患。近年來，結構沖擊監測已成為結構狀態監測的一個重要研究方向，其研究內容主要包括：沖擊定位和沖擊程度的監測。為更好的開展該領域的研究，設計有效的多源變載荷沖擊實驗裝置具有重要的意義。

目前，國內外為開展結構沖擊監測研究，均設計了相應的沖擊實驗，實驗過程主要依靠手動或機械裝置完成。其中，手動沖擊實驗采用定點定載荷的沖擊方法，實驗員手持沖擊錘進行沖擊實驗來獲取研究所需的沖擊信號；而機械沖擊實驗則是根據沖擊位置和載荷大小的要求，設計某一特定機械裝置來完成沖擊實驗。

上述沖擊實驗為目前沖擊監測研究提供了必要的實驗手段，然而尚存在一些不足：（1）人工沖擊實驗較難保證多次沖擊位置和載荷大小的穩定性；（2）機械沖擊實驗雖然解決了多次沖擊位置和載荷大小不穩定的問題，然而沖擊類型不具可調性；（3）傳統沖擊實驗主要服務于單源沖擊監測研究，無法滿足多源沖擊監測研究的要求；（4）傳統沖擊實驗均需不同程度的人工參與，在需要獲取大量沖擊數據時，實驗量巨大。

發明內容

本發明的目的是提供多源變載荷沖擊實驗裝置，可以完成不同載荷情況下的沖擊實驗。

多源變載荷沖擊實驗裝置，包括沖擊實驗平臺和沖擊控制系統。

一、沖擊實驗平臺

沖擊實驗平臺包括：可動承載桿、頂部固定架、加強筋、底部固定架、立桿、滑軌，底部固定架、頂部固定架、立桿、可動承載桿和加強筋構成的長、寬和高分別為a、a和h的長方體結構，邊長為a的正方形底部固定架的邊角通過螺栓與長度為h的立桿下端連接，立桿上端通過螺栓與邊長為a的正方形的頂部固定架的邊角連接；正方形頂部固定架的對邊固定有滑軌，可動承載桿可沿滑軌平行移動，可動承載桿用于固定沖擊控制系統的步進電機，為了保證沖擊實驗平臺的穩定性，在沖擊實驗平臺各個側面的沿對角安裝長度為的加強筋，通過調整可動承載桿和步進電機的位置和數量來實現對多源沖擊位置的設定。

二、沖擊控制系統

沖擊控制系統由硬件和軟件兩個模塊組成。

（一）沖擊控制系統的硬件模塊

硬件模塊包括：單片機、步進電機控制器、步進電機、轉軸、繩索、沖擊錘，單片機IO端口通過杜邦線與步進電機控制器的信號輸入端口相連接，步進電機控制器的信號輸出端口通過導線與步進電機相連，步進電機固定于可動承載桿上，沖擊錘通過繩索懸掛于轉軸上，

硬件模塊中步進電機轉軸的最小半徑需結合最大沖擊程度要求和步進電機轉速進行確定，具體過程如下：

（1）最大沖擊高度h_max

沖擊錘采用自由落體方式完成沖擊，如需滿足最大沖擊載荷F_max的實驗要求，則相應最大沖擊高度h_max：

（1）

式中m為沖擊錘的質量，t_c為沖擊時間

（2）轉軸的最小半徑R_min

為保證沖擊錘以自由落體方式完成沖擊，要求沖擊發生時，步進電機釋放繩索的長度和沖擊錘自由落體的高度相同。如需滿足最大沖擊載荷F_max的實驗要求，則：

（2）

式中，f為步進電機轉速，h_max為最大沖擊高度，R_min為步進電機轉軸的最小半徑，t_max為最大沖擊高度h_max對應的自由落體時間。式（2）表明當步進電機轉速確定后，步進電機轉軸的最小半徑存在一個最小值。

（二）沖擊控制系統的軟件模塊

沖擊控制系統軟件模塊通過設定沖擊程度系數、步進電機脈沖信號周期、步進電機的釋放、休止和復位時間實現對變載荷沖擊過程的自動控制，具體過程如下：

（1）沖擊載荷系數r