可实现多参数测试的落锤式冲击试验机

　　0　引言

　　纤维增强复合材料有许多优于金属材料的性能,其强度高、质量轻、耐腐蚀以及疲劳寿命高,在工程中得到了越来越广泛的应用。但是这种纤维增强复合材料在制造、受载过程中的损伤机理比较复杂。另外,其结构和部件在制造、维修和使用过程中不可避免地要受到冲击载荷作用,而这类材料对冲击载荷引起的损伤很敏感,冲击韧性较差。因此,许多重要的工程结构和关键部件对复合材料冲击性能给予了足够的重视。许多研究人员从理论上对纤维增强层板的低速冲击性能进行了研究,目的是了解其动态特性,预测结构的冲击力响应过程及结构的整体响应,了解损伤是怎样产生的以及失效模式和影响因素,确定冲击损伤对结构机械性能的影响^[1-3]。这些理论研究需要实验的分析和验证,对工程实际的重要结构更是期望能在线地监测受到冲击载荷作用而产生的应力和应变等结构响应变化。冲击的速度是关键指标之一,实验研究一般可采用3种类型的冲击试验机:落锤式、摆锤式、气枪式。落锤式冲击试验机冲击锤质量不超过15 kg,冲击的速度一般小于7 m/s;摆锤式冲击试验机冲击锤也不超过15 kg,但其冲击速度小于2m/s;气枪式冲击适宜小于250 g的冲击头以及速度高于100 m/s时的试验。一般现有的冲击试验机不能满足对试验过程中多参数实时测试的要求,随着对复合材料结构研究的深入,特别是近年开展的结构健康监测技术的研究,希望通过实验的手段掌握复合材料结构受冲击载荷作用发生的力学变化等性能数据。

　　1　总体方案

　　根据断裂力学和复合材料力学,复合材料受低速冲击损伤的程度与材料吸收的冲击能有一定的关系。冲击试验机设计成落锤式框架结构,如图1所示。

　　将被冲击试件夹在钢制的方框上,以模拟四周固支。试验机设计有防二次冲击机构,冲击的高度可由直流电动机驱动横梁进行控制。电磁吸盘安装在横梁上,通过电磁力吸住落锤;当电磁力释放后,落锤自由下落冲击被测试件。冲击锤上装有力传感器,接到电荷放大器及智能数据采集和处理系统。该系统在计算机上记录冲击力、时间、初始速度等参数。冲击锤的质量以及冲击的高度可以调整,在冲击试验机上以不同的初始速度和冲击能量对试件进行冲击,由材料的吸收能模拟材料的损伤程度,在不同的加载点冲击试件以模拟损伤的位置。

　　2　多参数测试方案及原理

　　冲击所发生的物理现象有结构响应、冲击效应以及波的传播。在冲击过程中,重要的因素是冲击的速度大小。纤维增强复合材料层板受低速冲击时可以将其视作准静态受载状态。因此,结构的损伤直接与冲击引起的冲击波的传播有关。研究弹性体冲击问题常使用Hertzian接触定律。冲击区的局部变形不能直接使用梁、板或壳的理论,因为这些理论是以结构横向不能伸展的假设为前提的。可是,在多数情况下,局部变形对接触力的响应有比较大的影响。因此,在分析时必须考虑这些因素。图2所示为冲击过程的变形示意图,变形量α定义为冲击锤在冲击位置的位移与层板背面位移之差,即