CN116008101A - 落锤-电磁耦合驱动式原位冲击压痕测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种落锤‑电磁耦合驱动式原位冲击压痕测试装置，属于材料力学性能测试领域。该装置主要由落锤驱动模块、电磁驱动压痕模块、环境加载模块、原位监测模块构成。通过步进电机将可调质量的冲击落锤整体定位至特定高度，以按需获取初始落锤冲击能量；电磁能装置可通过储能弹簧瞬态弹射冲击落锤，以实现落锤重力势能和电磁能耦合的高速冲击压痕测试；测试装置可试验获取冲击载荷‑压入深度曲线，通过模块化更换不同类型的冲击压头，可实现不同模式的冲击压痕测试；通过帕尔贴制冷片与高频感应加热线圈构建被测材料的高低温环境；与此同时，利用高速相机、红外热成像实时监测材料在高速冲击压入下的变形行为与结构演化。

Description

落锤-电磁耦合驱动式原位冲击压痕测试装置

技术领域

本发明涉及材料力学性能测试领域，特别涉及电磁驱动、模块化集成、高应变率、高低温加载与实时原位监测为一体的高能冲击压痕实验装置，尤指一种落锤-电磁耦合驱动式原位冲击压痕测试装置。本发明可以实现落锤整体的质量与冲击高度的精准变化来满足不同的实验需求，通过帕尔贴制冷片与高频感应加热线圈等对被测材料进行实际服役工况构建，利用高速相机与红外热成像仪对被测材料进行实时原位监测。通过高精度传感器对相关数据进行数据采集，揭示高能冲击压入工况下材料的力学行为与变形损伤失效机制。

背景技术

在航空装备、水面舰艇等关键领域，作为承载的结构材料常需服役于高速冲击、高/低温耦合工况。冲击过程中伴随着的瞬态变形、交变动载荷与尚不明晰冲击失效机制，成为制约关键材料效能提升和安全服役的技术瓶颈。因此，很有必要通过一种特定装置实现材料力热耦合高速冲击工况构建，进一步开展原位冲击测试以揭示关键材料的损伤失效机理与服役性能退化规律。

传统的落锤试验机自动化程度不高、数据处理能力较差、只能针对各种管材、板材的抗冲击性能的测试，试验操作过程不够直观，试验次数、冲击高度与速度等信息不可视，缺少试验信息的采集、处理、分析的高效信息化与智能化管理且在冲击过程不能及时捕捉材料的形态结构变化。

而以霍普金森杆和轻气炮为代表的现有材料冲击动力学试验设备难以实现对材料“冲击响应-温度分布-缺陷形核”等多参量的并行同步检测与数据融合分析。此外，目前针对材料微区损伤、缺陷形核与生长、冲击失效的试验研究大都依赖于扫描/透射电子显微镜的静态监测，难以实现高速冲击下的实时表征分析，无法直观揭示冲击条件下材料性能演化规律，致使关键材料高速冲击损伤失效机理的研究受到了极大限制，制约了抗冲击材料的创新研制。在这种情况下，通过将传统落锤冲击装置与材料表征分析仪器集成，并结合模块化的高低温加载装置，直接获取力、热耦合高速冲击工况下材料的多重性能与显微结构演化的实时相关性，成为揭示材料变温冲击失效机理的有力工具。

发明内容

本发明涉及一种落锤-电磁耦合驱动式原位冲击压痕测试装置，具备模块化集成、精度高、实时原位监测、高低温连续等特点。可研究材料在高应变率、高低温环境下的力学特性，通过对被测材料进行等价原位试验和数据融合分析，获取材料极端工况下的变形行为与性能演化规律，为揭示材料的损伤失效机理与服役性能退化规律提供了仪器支撑。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种落锤-电磁耦合驱动式原位冲击压痕测试装置，主要由落锤驱动模块、电磁驱动压痕模块、环境加载模块、原位监测模块等模块构成，包括步进电机1、加固槽钢2、滚珠丝杠3、导向轴4、磁吸电机5、储能弹簧6、磁吸盘7、落锤砝码8、保护罩9、相机支架10、高速相机11、xy轴位移导轨12、地脚螺栓13、底座14、高频感应加热控制机15、红外相机16、力传感器17、冲击压头18、高频感应加热线圈19、声发射传感器20、碰撞试验台21、帕尔贴制冷片22、冲击装置支撑台23，落锤驱动模块中的滚珠丝杠3与导向轴4通过轴承配合与电磁驱动压痕模块相连接，起到驱动压痕模块的作用。

所述的落锤驱动模块由步进电机1、滚珠丝杠3、导向轴4构成，步进电机1通过螺钉固定在加固槽钢2上方，加固槽钢2与底座14焊接为一个整体，步进电机1通过脉冲信号驱动滚珠丝杠3运动从而移动落锤整体，将落锤整体提升到需要下落的高度，滚珠丝杠3与导向轴4向下固定连接到底座14，向上连接到加固槽钢2的上，二者结合起到引导落锤整体移动的作用，保证落锤整体在落到碰撞试验台21时能够精确冲击被测材料。

所述的落锤整体由磁吸盘7、落锤砝码8、力传感器17、冲击压头18、导轨中连接板23.2、导轨下连接板23.1组成，磁吸盘7固定在导轨中连接板23.2上与之连接为一体，落锤砝码8搭在导轨下连接板23.1上由导轨中连接板23.2向下锁定卡紧，力传感器17安装在导轨下连接板23.1上与冲击压头18通过螺钉紧密连接。

所述的电磁驱动压痕模块由磁吸电机5、储能弹簧6、磁吸盘7、落锤砝码8、力传感器17、冲击压头18、冲击装置支撑台23组成，冲击装置支撑台23由磁吸电机支撑板23.4、导轨上连接板23.3、导轨中连接板23.2、导轨下连接板23.1构成，磁吸电机5通过螺钉紧定在磁吸电机支撑板23.4上，储能弹簧分为两部分即储能弹簧Ⅰ6.1与储能弹簧Ⅱ6.2，储能弹簧Ⅰ6.1连接在磁吸电机5上，储能弹簧Ⅱ6.2与导轨上连接板23.3通过点焊连接为一个整体，处于导轨上连接板23.3与导轨中连接板23.2之间。

所述的原位监测模块由相机支架10、高速相机11、xy轴位移导轨12、红外相机16、声发射传感器20、碰撞试验台21组成，相机支架10由内螺钉固定在xy轴位移导轨12上二者构成一个相机的位移装置，xy轴位移导轨12通过紧定螺钉固定在底座14上，声发射传感器20嵌入安装在碰撞试验台21上的定位孔内。

所述的环境加载模块由高频加热控制机15、高频感应加热线圈19、碰撞试验台21、帕尔贴制冷片22组成，碰撞试验台21与底座14固连，试验台上有放置被测材料的载物台，高频感应加热线圈19置于载物台上方，帕尔贴制冷片22通过强力胶粘贴在载物台四周。

所述的电磁驱动压痕模块通过磁吸电机5与储能弹簧6的协同实现对冲击压头18的瞬态弹射，磁吸电机5通电与磁吸盘7相吸，同时落锤整体向上压缩储能弹簧6，在磁吸电机5断电释放落锤整体的同时储能弹簧6回弹，并对落锤整体施加竖直向下的冲击载荷，使落锤整体获取更高的冲击能量，落锤砝码8可以根据试验需求调整质量，力传感器17用于测试落锤整体冲击被测材料的冲击载荷，通过模块化更换不同类型的冲击压头18，可实现不同模式的冲击压痕测试。

所述的原位监测模块通过一组相机支架10夹持高速相机11与红外相机16并分别调整两个相机沿z轴方向的高度，xy轴位移导轨12用于调整两个相机在水平面内的坐标，并实现对监测焦点的调节，便于分别获取被测材料微区的形貌与温度变化特征，与此同时，声发射传感器20与冲击压头18的几何轴线共线布置，碰撞试验台21定位安装孔底部靠近其表面，声发射传感器20探头前端紧贴定位安装孔底部并靠近被测材料，以削弱声宽带声发射传感器声学信号的衰减。高速相机11与红外相机16的几何轴线与冲击方向的反方向互成锐角，即光学成像与红外成像的焦点处于被测材料表面的同一微区，以确保对被测材料表面在瞬态冲击压入载荷下的结构演化与温度分布进行实时辨识。

所述的环境加载模块通过帕尔贴制冷片22与高频感应加热线圈19分别构建被测材料低温和高温服役环境，其中帕尔贴制冷片22阵列式粘贴于碰撞试验台21载物台的四个侧面，通过对四组帕尔贴制冷片22同时施加可变电压实现冷却功率的调节，即通过热传导方式对被测材料进行制冷控制，高频感应加热线圈19整体套接并包络式加热载物台，并通过热传导方式对被测材料进行大功率短时加热。

本发明的有益效果在于：同时具备模块化集成、高精度、原位监测、高低温连续加载等特点。利用压头配合落锤的冲击与高低温环境的调节来模拟材料变温冲击工况，同时通过更换砝码质量与更改锤体高度，能够递进式改变锤体冲击能量，满足不同实验要求，可研究材料在高应变率、高低温环境下的力学特性，通过对被测材料进行等价原位试验和数据融合分析，获取材料极端工况下的变形行为与性能演化规律，为揭示材料的损伤失效机理与服役性能退化规律提供了仪器支撑。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的整体外观轴测图；

图2为本发明的电磁驱动压痕模块轴测图；

图3为本发明的环境加载模块与原位监测模块轴测图；

图4为本发明的冲击压头的示意图。

图中：1、步进电机；2、加固槽钢；3、滚珠丝杠；4、导向轴；5、磁吸电机；6、储能弹簧；6.1、储能弹簧Ⅰ；6.2储能弹簧Ⅱ；7、磁吸盘；8、落锤砝码；9、保护罩；10、相机支架；11、高速相机；12、xy轴位移导轨；13、地脚螺栓；14、底座；15、高频感应加热控制机；16、红外相机；17、力传感器；18、冲击压头；19、高频感应加热线圈；20、声发射传感器；21、碰撞试验台；22、帕尔贴制冷片；23、磁吸电机支撑台；23.1导轨下连接板；23.2、导轨中连接板；23.3、导轨上连接板；23.4、吸电机支撑板。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参照图1至图4所示：本发明提供了落锤-电磁耦合驱动式原位冲击压痕测试装置，主要由落锤驱动模块、电磁驱动压痕模块、环境加载模块、原位监测模块构成。所述的落锤驱动模块由步进电机1、滚珠丝杠3、导向轴4构成，步进电机1通过螺钉固定在加固槽钢2上方，加固槽钢2与底座14焊接为一个整体，步进电机1通过脉冲信号驱动滚珠丝杠3运动从而移动落锤整体，将落锤整体提升到需要下落的高度，滚珠丝杠3与导向轴4向下固定连接到底座14，向上连接到加固槽钢2，二者结合起到引导落锤整体移动的作用，保证落锤整体在落到碰撞试验台21时能够精确冲击被测材料。

本实施例中，所述的落锤整体由磁吸盘7、落锤砝码8、力传感器17、冲击压头18、导轨中连接板23.2、导轨下连接板23.1组成，磁吸盘7固定在导轨中连接板23.2上与之连接为一体，落锤砝码8均匀放在导轨下连接板23.1上由导轨中连接板23.2向下移动锁定卡紧，通过控制放置的砝码数量来调整落锤整体的质量使之满足不同的实验需求，力传感器17安装在导轨下连接板23.1上与冲击压头18通过螺钉紧密连接。

本实施例中，所述的电磁驱动压痕模块由磁吸电机5、储能弹簧6、磁吸盘7、落锤砝码8、力传感器17、冲击压头18、磁吸电机支撑台23组成，磁吸电机支撑台23由磁吸电机支撑板23.4、导轨上连接板23.3、导轨中连接板23.2、导轨下连接板23.1构成，磁吸电机通过螺钉紧定在磁吸电机支撑板23.4上，导轨上连接板23.3通过紧固螺钉与磁吸电机支撑板23.4连接，储能弹簧分为两部分即储能弹簧Ⅰ6.1与储能弹簧Ⅱ6.2，储能弹簧Ⅰ6.1连接在磁吸电机5上，储能弹簧Ⅱ6.2与导轨上连接板23.3通过点焊连接为一个整体，处于导轨上连接板23.3与导轨中连接板23.2之间，通过步进电机1到达指定位置，利用磁吸电机5与储能弹簧6的协同实现对冲击压头18的瞬态弹射，磁吸电机5通电与磁吸盘7相吸，同时落锤整体向上压缩储能弹簧6，在磁吸电机5断电释放落锤整体的同时储能弹簧6回弹，并对落锤整体施加竖直向下的冲击载荷，使落锤整体获取更高的冲击能量，落锤砝码8可以根据试验需求调整质量，力传感器17用于测试落锤整体冲击被测材料的冲击载荷，通过模块化更换不同类型的冲击压头18，可实现不同模式的冲击压痕测试。

本实施例中，所述的原位监测模块通过一组相机支架10夹持高速相机11与红外相机16并分别调整两个相机沿z轴方向的高度，xy轴位移导轨12用于调整两个相机在水平面内的坐标，并实现对监测焦点的调节，便于分别获取被测材料微区的形貌与温度变化特征，与此同时，声发射传感器20与冲击压头18的几何轴线共线布置，碰撞试验台21定位安装孔底部靠近其表面，声发射传感器20探头前端紧贴定位安装孔底部并靠近被测材料，以削弱声发射传感器的声学信号衰减。高速相机11与红外相机16的几何轴线与冲击方向的反方向互成锐角，即光学成像与红外成像的焦点处于被测材料表面的同一微区，以确保对被测材料表面在瞬态冲击压入载荷下的结构演化与温度分布进行实时辨识。

本实施例中，所述的环境加载模块通过帕尔贴制冷片22与高频感应加热线圈19分别构建被测材料低温和高温服役环境，其中帕尔贴制冷片22阵列式粘贴于碰撞试验台21载物台的四个侧面，通过对四组帕尔贴制冷片22同时施加可变电压实现冷却功率的调节，即通过热传导方式对被测材料进行制冷控制，高频感应加热线圈19整体套接并包络式加热载物台，并通过热传导方式对被测材料进行大功率短时加热。

以上所述仅为本发明的优选实例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种落锤-电磁耦合驱动式原位冲击压痕测试装置，其特征在于：主要由落锤驱动模块、电磁驱动压痕模块、环境加载模块、原位监测模块构成，主要包括步进电机(1)、加固槽钢(2)、滚珠丝杠(3)、导向轴(4)、磁吸电机(5)、储能弹簧(6)、磁吸盘(7)、落锤砝码(8)、保护罩(9)、相机支架(10)、高速相机(11)、xy轴位移导轨(12)、地脚螺栓(13)、底座(14)、高频感应加热控制机(15)、红外相机(16)、力传感器(17)、冲击压头(18)、高频感应加热线圈(19)、声发射传感器(20)、碰撞试验台(21)、帕尔贴制冷片(22)、冲击装置支撑台(23)，落锤驱动模块中的滚珠丝杠(3)与导向轴(4)通过轴承配合与电磁驱动压痕模块相连接，起到驱动压痕模块的作用；

所述的落锤驱动模块由步进电机(1)、滚珠丝杠(3)、导向轴(4)构成，步进电机(1)通过螺钉固定在加固槽钢(2)上方，加固槽钢(2)与底座(14)焊接为一个整体，步进电机(1)通过脉冲信号驱动滚珠丝杠(3)运动从而移动落锤整体，将落锤整体提升到需要下落的高度，滚珠丝杠(3)与导向轴(4)向下固定连接到底座(14)，向上连接到加固槽钢(2)，二者结合起到引导落锤整体移动的作用，保证落锤整体在落到碰撞试验台(21)时能够精确冲击被测材料；

所述的落锤整体由磁吸盘(7)、落锤砝码(8)、力传感器(17)、冲击压头(18)、导轨中连接板(23.2)、导轨下连接板(23.1)组成，磁吸盘(7)固定在导轨中连接板(23.2)上与之连接为一体，落锤砝码(8)搭在导轨下连接板(23.1)上由导轨中连接板(23.2)向下锁定卡紧，力传感器(17)安装在导轨下连接板(23.1)上与冲击压头(18)通过螺钉紧密连接；

所述的电磁驱动压痕模块由磁吸电机(5)、储能弹簧(6)、磁吸盘(7)、落锤砝码(8)、力传感器(17)、冲击压头(18)、冲击装置支撑台(23)组成，冲击装置支撑台(23)由磁吸电机支撑板(23.4)、导轨上连接板(23.3)、导轨中连接板(23.2)、导轨下连接板(23.1)构成，磁吸电机(5)通过螺钉紧定在磁吸电机支撑板(23.4)上，储能弹簧分为两部分即储能弹簧Ⅰ(6.1)与储能弹簧Ⅱ(6.2)，储能弹簧Ⅰ(6.1)连接在磁吸电机(5)上，储能弹簧Ⅱ(6.2)与导轨上连接板(23.3)通过点焊连接为一个整体，处于导轨上连接板(23.3)与导轨中连接板(23.2)之间；

所述的原位监测模块由相机支架(10)、高速相机(11)、xy轴位移导轨(12)、红外相机(16)、声发射传感器(20)、碰撞试验台(21)组成，相机支架(10)由内螺钉固定在xy轴位移导轨(12)上二者构成一个相机的位移装置，xy轴位移导轨(12)通过紧定螺钉固定在底座(14)上，声发射传感器(20)嵌入安装在碰撞试验台(21)上的定位孔内；

所述的环境加载模块由高频感应加热控制机(15)、高频感应加热线圈(19)、碰撞试验台(21)、帕尔贴制冷片(22)组成，碰撞试验台(21)与底座(14)固连，试验台上有放置被测材料的载物台，高频感应加热线圈(19)置于载物台上方，帕尔贴制冷片(22)通过强力胶粘贴在载物台四周。

2.根据权利要求1所述的落锤-电磁耦合驱动式原位冲击压痕测试装置，其特征在于：所述的电磁驱动压痕模块通过磁吸电机(5)与储能弹簧(6)的协同实现对冲击压头(18)的瞬态弹射，磁吸电机(5)通电与磁吸盘(7)相吸，同时落锤整体向上压缩储能弹簧(6)，在磁吸电机(5)断电释放落锤整体的同时储能弹簧(6)回弹，并对落锤整体施加竖直向下的冲击载荷，使落锤整体获取更高的冲击能量，落锤砝码(8)可以根据试验需求调整质量，力传感器(17)用于测试落锤整体冲击被测材料的冲击载荷，通过模块化更换不同类型的冲击压头(18)，可实现不同模式的冲击压痕测试。

3.根据权利要求1所述的落锤-电磁耦合驱动式原位冲击压痕测试装置，其特征在于：所述的原位监测模块通过一组相机支架(10)夹持高速相机(11)与红外相机(16)并分别调整两个相机沿z轴方向的高度，xy轴位移导轨(12)用于调整两个相机在水平面内的坐标，并实现对监测焦点的调节，便于分别获取被测材料微区的形貌与温度变化特征，与此同时，声发射传感器(20)与冲击压头(18)的几何轴线共线布置，碰撞试验台(21)定位安装孔底部靠近其表面，声发射传感器(20)探头前端紧贴定位安装孔底部并靠近被测材料，以削弱声发射传感器的声学信号衰减，高速相机(11)与红外相机(16)的几何轴线与冲击方向的反方向互成锐角，即光学成像与红外成像的焦点处于被测材料表面的同一微区，以确保对被测材料表面在瞬态冲击压入载荷下的结构演化与温度分布进行实时辨识。

4.根据权利要求1所述的落锤-电磁耦合驱动式原位冲击压痕测试装置，其特征在于：所述的环境加载模块通过帕尔贴制冷片(22)与高频感应加热线圈(19)分别构建被测材料低温和高温服役环境，其中帕尔贴制冷片(22)阵列式粘贴于碰撞试验台(21)载物台的四个侧面，通过对四组帕尔贴制冷片(22)同时施加可变电压实现冷却功率的调节，即通过热传导方式对被测材料进行制冷控制，高频感应加热线圈(19)整体套接并包络式加热载物台，并通过热传导方式对被测材料进行大功率短时加热。

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