CN113008501A - 弹性体冲击力学特性测试装置及方法 - Google Patents

弹性体冲击力学特性测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种弹性体动态力学响应测试装置及方法，在现有测试装置上将前砧板、后砧板及待测弹性体的厚度进行相应改变，具体为：将待测弹性体的厚度变薄，将前后砧板厚度变厚；并利用待测弹性体波阻抗远小于前后砧板波阻抗的特性，使冲击波在待测弹性体内部来回反射。由此冲击波在待测弹性体内部多次反射后，不同反射波到达后砧板自由面的时刻不同。通过激光速度干涉仪***记录后砧板自由表面粒子速度的变化，计算出波传播时间间隔，结合待测弹性体厚度计算出不同应力状态下待测弹性体波速，达到获取待测弹性体动态力学响应的效果。采用本发明的试验方法通过一次实验就可以获取多个数据点拟合出较完整Hugoniot线。

Description

弹性体冲击力学特性测试装置及方法
技术领域
本发明涉及平板撞击实验技术领域，具体涉及一种弹性体动态力学响应测试装置及方法。
背景技术
弹性体因其优异的动态吸能特性和抗冲击能力，在防护领域有着广阔的应用前景。聚脲、双组分加成型硅橡胶等弹性体具有明显低于金属材料的波速和声阻抗，在受冲击载荷的结构***中扮演着越来越重要的角色。因此，获取弹性体的冲击力学特性对量化其防爆和抗冲击性能具有重要意义。
在实际应用中，弹性体作为防护材料，常面临高压、高应变率的冲击载荷，因此一般采用平板撞击实验获取其冲击力学特性。在平板撞击试验中，可通过不同位置锰铜压阻计测定的界面应力历史曲线计算一维应变条件下弹性体波速和粒子速度。Mock等(Mock JrW,Bartyczak S,Lee G,et al.Dynamic properties of polyurea 1000[C]//AIPConference Proceedings.American Institute of Physics,2009,1195(1):1241-1244)采用平板撞击实验装置结构如图1所示。飞片撞击包含待测弹性体6的靶板***，其中待测弹性体6前后分别装配前砧板7和后砧板4。在前砧板7与待测弹性体6界面用胶水胶粘1号锰铜压阻计9，在待测弹性体6与后砧板4界面用胶水胶粘2号锰铜压阻计10，最后利用环氧树脂夹具2将前砧板7-待测弹性体6-后砧板4“三明治”结构固定在聚碳酸酯托盘1上。不同位置锰铜压阻计可以测量界面轴向应力，并利用不同位置轴向应力随时间的变化差计算该应力水平下的冲击波波速等物理量。
但现有锰铜压阻计测量弹性体动态力学响应的平板撞击试验方法具有以下缺陷：
(1)一次实验只能获取一个应力水平下的波速等物理量，导致需要多次实验才能获取较完整的Hugoniot线(P-V曲线，其中P为压力，V为比容)；
(2)每次试验后锰铜压阻计由于受到冲击报废，不能重复使用，造成实验成本增高；
(3)不同位置锰铜压阻计必须有较高的测量精度，以及二者压阻系数尽可能相近，需动态标定锰铜压阻计；
(4)锰铜压阻计需要胶粘在待测弹性体不同位置，导致结构复杂，操作困难；
(5)锰铜压阻计需预埋在待测弹性体与前后砧板的界面处，冲击波在待测弹性体和前后砧板传播时会受到锰铜压阻计的影响，产生一定实验误差。
发明内容
本发明的目的是：针对现有技术的不足，提供一种弹性体冲击力学特性测试装置方法。
本发明的技术方案是：一种弹性体冲击力学特性测试装置，包括：靶板***；测试时，驱动飞片撞击靶板***；所述靶板***包括：托盘、夹具、反光镜、后砧板和前砧板；所述前砧板、待测弹性体、后砧板依次相连后通过所述夹具固定在所述托盘的中心孔内；
其特征在于，还包括：反光镜和激光速度干涉仪***；
在所述后砧板所在侧布置反光镜和激光速度干涉仪***，使激光速度干涉仪***激光束照射到反射镜后反射到所述后砧板自由面中心位置；
所述前砧板的厚度范围为2.5mm～4mm，所述待测弹性体的厚度范围为60.1mm～0.8mm，所述后砧板在的厚度范围为4mm～7mm；
所述飞片、前砧板以及后砧板采用相同金属材料；且所述前砧板以及后砧板的波阻抗至少为所述待测弹性体波阻抗的15倍。
优选的，所述飞片、前砧板以及后砧板所选取的金属材料在一维应变条件下轴向应力的初始屈服极限高于测试压力。
优选的，所述前砧板、待测弹性体、后砧板依次粘接后通过所述夹具粘接在所述托盘的中心孔内。
此外，基于上述测试装置，本发明提供一种弹性体冲击力学特性测试方法；
步骤一：将所述靶板***放置于靶板室内的加载***法兰上，布置所述反光镜使所述激光速度干涉仪***激光束反射到后砧板自由面中心位置；
调试激光强度到设定值后，关闭靶板室并抽真空，利用轻气炮加载飞片撞击靶板***；然后通过所述激光速度干涉仪***测得后砧板自由面粒子速度曲线；
步骤二：读取步骤一得到的后砧板自由面粒子速度曲线中各个台阶对应的粒子速度以及相邻两个台阶的时间间隔；
步骤三：计算波速及应力等物理量：
利用步骤二得到的时间间隔计算出对应时间间隔的波速，令时间间隔Δti对应的波速为Di，则Di＝2h/Δti；其中Δti指后砧板自由面粒子速度曲线中第i个台阶和第i+1个台阶的时间间隔；
同时，根据第i个台阶对应的粒子速度为ui，能够计算出对应波速Di下的应力σi＝ρ0Diui/2及压缩度
Figure BDA0002961541450000031
其中ρ0为待测弹性体的初始密度，Vi为待测弹性体的当前比容，V0为待测弹性体的初始比容。
所述步骤二中，若从所述后砧板自由面粒子速度曲线不能精确读取相邻两个台阶的时间间隔，则采取下述方式获取时间间隔：
对所述后砧板自由面粒子速度曲线求导获取加速度历史曲线；
在后砧板自由面粒子速度曲线中初步读取相邻两个台阶的时间间隔；然后在加速度历史曲线中，读取上述初步读取的时间间隔内两个波峰之间波谷所持续的时间段，将该时间段作为对应的时间间隔。
有益效果：
(1)该测试装置改变靶板***结构，利用反射波的追赶原理仅需要使用激光速度干涉仪***测量自由面粒子速度，就能够获得冲击响应及相关物理量，每次实验测试***仅损耗一面反光镜，解决了测试器材有较大损耗的问题。
(2)该测试装置通过改变待测弹性体厚度及靶板***结构，使结构简单，易于装配，解决锰铜压阻计需要胶粘在待测弹性体不同位置，导致结构复杂，操作困难的问题。
(3)改变了弹性体冲击力学特性的测试原理，使得测试***外置于靶板***，解决锰铜压阻计需预埋在待测弹性体与前后砧板界面处，冲击波在待测弹性体和前后砧板传播时会受到锰铜压阻计的影响，产生一定实验误差的问题。
(4)采用本发明的试验方法通过一次实验就可以获取多个数据点拟合出较完整Hugoniot线，解决了现有测试方法需多次实验才能够获取完整Hugoniot线的问题。
(5)采用本发明的测试方法每次实验只需要测量一个速度物理量，解决现有测试技术中必须保证不同位置锰铜压阻计有较高的测量精度，以及二者压阻系数尽可能相近，必要时需要动态标定锰铜压阻计等测量精度问题。
附图说明
图1为背景技术中锰铜压阻计测量弹性体动态力学响应的平板撞击试验的结构示意图；
图2为本发明测试装置的结构示意图；
图3为利用激光速度干涉仪***测量得到的后砧板自由面粒子速度历史曲线；
图4为粒子速度求导得到的加速度历史曲线；
图5为波传播示意图；
图6为根据实验数据点拟合Hugoniot线；
其中：1-托盘、2-夹具、3-反光镜、4-后砧板、5-激光速度干涉仪***、6-待测弹性体、7-前砧板、8-飞片、9-1号锰铜压阻计、10-2号锰铜压阻计。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明。
实施例1：
本实施例提供一种弹性体冲击力学特性测试装置，利用反射波的追赶原理仅需要使用激光速度干涉仪***测量自由面粒子速度，就能够获得冲击响应及相关物理量，且整个测试装置结构简单，易于装配。
如图2所示，该测试装置包括：托盘1、夹具2、反光镜3、后砧板4、激光速度干涉仪***5、前砧板7以及飞片8；托盘1和夹具2均为具有中心圆孔的环形结构，其中托盘1为聚碳酸酯材质，夹具2为环氧树脂材质；飞片8、前砧板7以及后砧板4采用相同金属材料，避免产生其他反射波干扰；且需保证待测弹性体6的波阻抗远小于前后砧板的波阻抗，优选的，前后砧板的波阻抗应比待测弹性体6的波阻抗大15倍。此外飞片8、前砧板7以及后砧板4所选取的金属材料在一维应变条件下轴向应力的初始屈服极限即Hugoniot弹性极限要高于实验测试压力，避免冲击波在压缩过程中形成弹塑性波双波结构干扰数据读取。
其连接关系为：夹具2同轴放置在托盘1的中心孔内；夹具2外圆周面与托盘1内圆周面粘接，由此将夹具2粘结在托盘1内侧。夹具2的中心孔内沿其轴向依次设置前砧板7、待测弹性体6和后砧板4；前砧板7、待测弹性体6和后砧板4依次粘接在一起，且前砧板7、待测弹性体6和后砧板4的外圆周面分别与夹具2的内圆周面粘接。由此托盘1、夹具2、后砧板4、待测弹性体6和前砧板7构成靶板***。
在进行靶板***的加工时，是先将托盘1放置在水平基准台上，然后将夹具2放入内侧，使用胶水将夹具2侧向粘结在托盘1内侧。之后在夹具2内侧依次使用胶水粘结前砧板7、待测弹性体6和后砧板4。同时，使用胶水依次粘结前砧板7与待测弹性体6以及待测弹性体6与后砧板4；各处粘接后，在后砧板4上放置重物压紧并静置5～10分钟，其作用是挤压胶水，使前砧板7、待测弹性体6及后砧板4之间充满胶水，避免实验时气泡对冲击波的影响。之后，取下重物。
测试时，将靶板***放置于靶板室中的加载***法兰上，在后砧板4所在侧布置反光镜3和激光速度干涉仪***5，使激光速度干涉仪***5激光束照射到反射镜3后反射到后砧板4自由面中心位置。调试激光强度后，关闭靶板室抽真空，利用轻气炮加载飞片8撞击靶板***进行测试。
该测试装置在现有测试装置上将前砧板7、后砧板4及待测弹性体6的厚度进行相应改变，具体为：将待测弹性体6的厚度变薄，并利用待测弹性体6波阻抗远小于前后砧板波阻抗的特性，使冲击波在待测弹性体6内部来回反射；将前后砧板厚度变厚；优选的，前砧板7的厚度范围为2.5mm～4mm，待测弹性体的厚度范围为60.1mm～0.8mm，后砧板在4的厚度范围为4mm～7mm。由此冲击波在待测弹性体6内部多次反射后，不同反射波到达后砧板4自由面(后砧板4自由面指后砧板4朝向外侧的轴向端面)的时刻不同。通过激光速度干涉仪***5记录后砧板4自由表面粒子速度的变化，计算出波传播时间间隔，结合待测弹性体6厚度计算出不同应力状态下待测弹性体波速，达到获取待测弹性体动态力学响应的效果。
实施例2：
基于上述实施例1的测试装置，本实施例提供一种弹性体冲击力学特性测试方法，该测试方法包括以下步骤：
步骤一：将靶板***放置于靶板室内的加载***法兰上，布置反光镜3使激光速度干涉仪***5激光束反射到后砧板4自由面中心位置。调试激光强度后，关闭靶板室抽真空，利用轻气炮加载飞片8撞击靶板***(轻气炮的炮口伸入靶板室，正对靶板***)，飞片8撞击前砧板7后会形成冲击波。
如图5所示为波传播的过程，飞片8撞击前砧板7后会形成冲击波，冲击波依次传播到前砧板7、待测弹性体6和后砧板4。当冲击波传播到待测弹性体6和后砧板4界面时，会形成反射。由于待测弹性体6厚度较薄，冲击波在待测弹性体6内部来回反射，形成的反射波依次传播到后砧板4自由面处，不同反射波的应力幅值不同，导致自由面粒子速度大小也不同，从而获得可读取时间间隔的粒子速度台阶。
通过激光速度干涉仪***5测量后砧板4自由面粒子速度，进而得到如图3所示的后砧板自由面粒子速度曲线，
步骤二：根据反射波的追赶原理，对应时间间隔。
利用测量得到的后砧板自由面粒子速度曲线读取曲线中各个台阶对应的粒子速度，令后砧板自由面粒子速度曲线中第i个台阶对应的粒子速度为ui，i＝(1,n)，n为后砧板4自由面粒子速度曲线中台阶的个数；若台阶清晰，则直接读取相邻两个台阶的时间间隔，令第i个台阶和第i+1个台阶的时间间隔为Δti；如图3中第2个台阶和第1个台阶之间的时间间隔Δt1，第3个台阶和第2个台阶之间的时间间隔Δt2；
若台阶不清晰(如图3中第4个台阶和第3个台阶之间的时间间隔，从图3中不能精确读取该时间间隔)，即可能有孔洞分布，则采取求导方式获取加速度历史曲线，如图4所示；然后依据下述方法获得台阶不清晰所在时间段对应的时间间隔：
首先依据后砧板自由面粒子速度曲线获得台阶不清晰的两个台阶的初步时间间隔，然后在加速度历史曲线中，读取上述初步时间间隔内两个波峰之间波谷所持续的时间段，将该时间段作为对应的时间间隔，如第4个台阶和第3个台阶的时间间隔Δt3。
步骤三：计算波速及应力等物理量。
试验前会先测量得到待测弹性体6的厚度h，再利用步骤二得到的时间间隔计算出对应时间间隔的波速，令时间间隔Δti对应的波速为Di，则Di＝2h/Δti。
另外，根据第i个台阶对应的粒子速度为ui，能够计算出对应波速Di下的应力σi＝ρ0Diui/2及压缩度
Figure BDA0002961541450000061
其中ρ0为待测弹性体6的初始密度，Vi为待测弹性体6的当前比容(第i个台阶对应时刻)，V0为待测弹性体6的初始比容；由此通过一次实验可获取多个数据点拟合出较完整Hugoniot线，如图6所示。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.弹性体冲击力学特性测试装置，包括：靶板***；测试时，驱动飞片(8)撞击靶板***；所述靶板***包括：托盘(1)、夹具(2)、反光镜(3)、后砧板(4)和前砧板(7)；所述前砧板(7)、待测弹性体(6)、后砧板(4)依次相连后通过所述夹具(2)固定在所述托盘(1)的中心孔内；
其特征在于，还包括：反光镜(3)和激光速度干涉仪***(5)；
在所述后砧板(4)所在侧布置反光镜(3)和激光速度干涉仪***(5)，使激光速度干涉仪***(5)激光束照射到反射镜(3)后反射到所述后砧板(4)自由面中心位置；
所述前砧板(7)的厚度范围为2.5mm～4mm，所述待测弹性体(6)的厚度范围为60.1mm～0.8mm，所述后砧板在(4)的厚度范围为4mm～7mm；
所述飞片(8)、前砧板(7)以及后砧板(4)采用相同金属材料；且所述前砧板(7)以及后砧板(4)的波阻抗至少为所述待测弹性体(6)波阻抗的15倍。
2.如权利要求1所述的弹性体冲击力学特性测试装置，其特征在于，所述飞片(8)、前砧板(7)以及后砧板(4)所选取的金属材料在一维应变条件下轴向应力的初始屈服极限高于测试压力。
3.如权利要求1所述的弹性体冲击力学特性测试装置，其特征在于，所述前砧板(7)、待测弹性体(6)、后砧板(4)依次粘接后通过所述夹具(2)粘接在所述托盘(1)的中心孔内。
4.弹性体冲击力学特性测试方法，其特征在于，采用上述权利要求1或2或3所述的测试装置；
步骤一：将所述靶板***放置于靶板室内的加载***法兰上，布置所述反光镜(3)使所述激光速度干涉仪***(5)激光束反射到后砧板(4)自由面中心位置；
调试激光强度到设定值后，关闭靶板室并抽真空，利用轻气炮加载飞片(8)撞击靶板***；然后通过所述激光速度干涉仪***(5)测得后砧板自由面粒子速度曲线；
步骤二：读取步骤一得到的后砧板自由面粒子速度曲线中各个台阶对应的粒子速度以及相邻两个台阶的时间间隔；
步骤三：计算波速及应力等物理量：
利用步骤二得到的时间间隔计算出对应时间间隔的波速，令时间间隔Δti对应的波速为Di，则Di＝2h/Δti；其中Δti指后砧板自由面粒子速度曲线中第i个台阶和第i+1个台阶的时间间隔；
同时，根据第i个台阶对应的粒子速度为ui，能够计算出对应波速Di下的应力σi＝ρ0Diui/2及压缩度
Figure FDA0002961541440000021
其中ρ0为待测弹性体(6)的初始密度，Vi为待测弹性体(6)的当前比容，V0为待测弹性体(6)的初始比容。
5.如权利要求4所述的弹性体冲击力学特性测试方法，其特征在于，所述步骤二中，若从所述后砧板自由面粒子速度曲线不能精确读取相邻两个台阶的时间间隔，则采取下述方式获取时间间隔：
对所述后砧板自由面粒子速度曲线求导获取加速度历史曲线；
在后砧板自由面粒子速度曲线中初步读取相邻两个台阶的时间间隔；然后在加速度历史曲线中，读取上述初步读取的时间间隔内两个波峰之间波谷所持续的时间段，将该时间段作为对应的时间间隔。
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