基于加速度测量的仪器化冲击试验方法研究

　　冲击功一直以来都被广泛地用于评定材料的韧脆性，但是由于冲击功物理意义不明确，用其来评定材料的韧脆性存在许多不足之处[1]。为了解决这个问题，仪器化冲击试验方法[2-5]被提出来: 即用仪器化冲击试验机准确测出冲击过程中的力—时间或者力—位移曲线，将冲击功分解成裂纹形成功和裂纹扩展功来评定材料的韧脆性。因为对于不同材料，其冲击力—位移曲线包围的面积，即冲击功可能相等，但由于裂纹形成功和裂纹扩展功所占的比例不同，从而材料的韧脆性也不同。只有其中的裂纹扩展功，才能真正显示出被测冲击材料的韧脆性。在力—位移曲线中划分裂纹形成功与裂纹扩展功的依据是: 理论上认为裂纹在最大力时形成，最大力之前所消耗的功为裂纹形成功; 最大力之后所消耗的功为裂纹扩展功。

　　因此，仪器化冲击试验技术的关键在于准确测定材料受冲击过程中的载荷—时间曲线。根据我国新的冲击试验标准GB /T19748-2005“钢材夏比V 型缺口摆锤冲击试验仪器化试验方法”[6]，仪器化冲击使用锤刃加贴应变片并与补偿应变片组成电桥的方式构成力传感器测量载荷—时间曲线。但是由于应变式传感器是用静加载来标定的，在测量动态冲击时，会造成测量值不准确; 且受材料性能影响非常大，尤其是对于脆性材料，测量误差更大; 线性度差，多次使用后，传感器会产生漂移，造成测量不准确，且标定程序非常复杂。因此有学者提出采用更适合在振动和抗冲击载荷下的压电加速度传感器测量冲击载荷[7]。

　　早在1995 年Marur 等[8]已经用一个微型加速度计成功测出摆锤在冲击过程中的加速度，使用该加速度信号计算的有机玻璃( PMMA) 和铝在低速冲击试验中的力与应变式力传感器的力吻合得很好，但是Marur 在实验中采用的试验机和试样尺寸与标准夏比冲击试验有很大不同，并且实验是在低速冲击的条件下进行。2005 年Anton 等[9]使用应变式力传感器、加速度传感器、旋转位移传感器对标准夏比冲击试验机的动态响应进行研究，发现安装于摆锤后面的加速度传感器上的信号与安装于摆锤冲击刃附近的力传感器的信号不匹配，加速度信号具有更高的振荡特性，并且用加速度传感器测出的数据计算的冲击功与表盘读数相差很大。实际上，Anton 计算冲击功时采用的是加速度传感器与位移传感器两路数据相结合的办法，并没有对加速度信号存在的高频振荡进行滤波与去噪声处理，同时计算过程中对位移信号进行微分处理，造成计算结果更加不准确。另外Anton 在文献[9]中指出了加速度信号中的高频振荡主要是摆杆在冲击载荷作用下的振动响应。