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1、中国科技论文实验技术与管理Vol.20No.5200322统计源期刊落锤式冲击实验系统的设计开发毛铸,桂良进,范子杰(清华大学汽车工程系汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084)摘要:落锤式冲击实验系统为我们研究动态冲击响应与结构单元吸能问题提供了简单经济的实验手段,本文介绍一套落锤式冲击实验系统的设计开发过程,同时给出该系统的实验结果与计算机模拟对照。这套设备对研究材料和汽车关键结构的冲击问题有很重要的意义。关键词:落锤;冲击实验;设计开发;有限元中图分类号:TG1155文献标识码:A文章编号:1002-4956(200
2、3)05-0022-08耐撞性是包括飞机、汽车等运载工具在内的许多承载结构的一项重要性能指标。由于冲击过程中材料与结构力学行为表现的特殊性,使得我们需要一套与对待静态问题不同的研究方法。目前以有限元方法为主要分析手段的模拟仿真技术为结构冲击性能评价提供了很好的途径,而仿真计算的建模、验模与修正全都需要以冲击实验的结果为依据。研究薄壁结构的屈曲模态、吸能规律,考察运载工具中关键结构的耐撞性,指导结构的设计,落锤式冲击实验台是一种简单、可靠、重复性好的实验装置。这类小规模、局部的撞击,无论从模型的建立还是实验消耗上都更为基础与经济。目前同类的实验台架多数采用气动式,加载精确平
3、稳,缺点是占地大,成本较高,且由于有庞大的动力装置与气体管道,造成日常维护不便。一般的落锤下落都有导轨限位,铸铁T型槽导轨精度高,刚度大,但质量太大,结构笨重。还有某些台架,重锤释放机构采用机械式行程开关,结构复杂,且重锤释放位置的高度由行程开关安装的位置决定,不易调节。因此本实验室根据具体情况与研究需要,设计开发一套结构简单、成本低廉且能够满足功能要求的冲击实验系统。1实验系统描述本套落锤冲击实验系统由机械结构系统与电测系统两大部分构成,结构组成框架如图1所示。该实验设备,能够完成冲击实验的碰撞与数据采集分析的全过程。全系统包括机械钢架、地基底板、落锤结构、提升与释放
4、机构、测量系统、数据采集系统和数据分析系统几部分。收稿日期:2002-11-11作者简介:毛铸(1980),男,学士项目基金:国家教育部高等学校博士学科点专项研究基金(编号20010000306)落锤式冲击实验系统的设计开发23对系统有几点要求:强度与刚度,由于系统在运行时,重锤被吊升至高处,故要求系统机械结构有足够的强度与刚度;导轨垂直度,实验的外载荷由落锤提供,保证重锤下落冲击试件瞬间的速度方向尽可能垂直向下;地基惯性,保证冲击过程对落锤周围的采集分析设备不产生干扰。且地基不能在若干次实验后出现裂缝或整体沉降;数据采集频率和精度,由于落锤运动的速度很快,且碰撞在
5、瞬间完成,因此对速度、加速度信号的采集电路有一定要求。图1系统结构简图(1)机械结构与功能针对上述诸多种功能要求,经过对比分析,考虑到占用空间及所需成本,最终确定如下方案。图2为系统外观的照片。图2系统外观照片该方案用电动卷扬机将落锤拉至所需高度,通过滑车上方的专用脱钩装置,将落锤释放。落锤沿两侧导轨自由下落,冲击地面上的试件。在试件上方的导轨上,布置对射式光电传感器,检测落锤经过的时刻,换算出冲击前速度大小。落锤上布置加速度传感器,采24实验技术与管理集冲击过程中的加速度信号。信号经放大转换,由计算机分析处理,得到冲击载荷特性。机械钢架钢架结构构成整
6、个台架的支撑主体,在实验中落锤升起后,承担全部落锤的重量。钢架本身采用型钢焊接的桁架结构,具有足够的强度与刚度,能够满足实验需要。同时钢架为落锤滑车提供下滑导轨。导轨对滑车起到限位作用,一方面在落锤冲击试件的过程中,不致在冲击载荷的侧向的反作用下偏离实验台;另一方面,为冲击试件之前的落锤速度方向提供导引。导轨与地面保证良好的垂直性,从而引导落锤沿垂直方向冲击试件,避免砸偏砸翻试件,也避免了能量在水平方向上损失。钢架采用六根边长70mm的方钢为立柱,50mm边长的角钢作斜拉筋。总高6米。相对的一对立柱上各扣焊一根边长50mm的角钢,作为滑车下落的导轨。地基冲击试验过程中
7、,落锤大量的动能在瞬间释放,被试件吸收。地基在吸收剩余能量时,除了要保持相当的惯性,以免影响周围仪器,自身还要有一定的抗冲击性。本系统采用钢筋混凝土地基,地坑尺寸为17m14m1m,大质量的钢筋混凝土具有大惯性,能够使周围仪器免于噪声干扰。为提高表面的局部抗冲击性能,不致在多次击打后混凝土出现剥落或与钢筋的分离,在地基的正中预埋1000mm1000mm22mm钢板一块,使作用力均匀分布在地基表面,降低局部受到的冲击。落锤与滑车结构冲击实验的能量全部来源于落锤的动能。本系统采用七块400mm400mm20mm
