一種高速動態(tài)試驗(yàn)力測量環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高速動態(tài)試驗(yàn)力測量環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：(1)對預(yù)測試試件的材料進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)，取得試件材料的屈服極限并得到準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)的力-時間載荷歷程曲線，根據(jù)力-時間載荷歷程曲線確定試件的材料屈服時所對應(yīng)的力，在此稱為屈服點(diǎn)力；(2)根據(jù)屈服點(diǎn)力及試件材料的屈服極限來設(shè)計(jì)測力傳感器，測力傳感器包括用于安裝應(yīng)變片的測力部和用于安裝試件的連接部；(3)選擇制造測力傳感器的材料并估算測力傳感器的固有頻率f0；(4)確定測力系統(tǒng)的信號最大頻率fmax，測力系統(tǒng)的信號最大頻率為試件進(jìn)行動態(tài)試驗(yàn)測試時由測力傳感器和試件這個測力系統(tǒng)輸出的信號的最大頻率；(5)校核固有頻率f0，當(dāng)f0≧4fmax時，完成設(shè)計(jì)，否則回到步驟(2)~(4)。
【專利說明】一種高速動態(tài)試驗(yàn)力測量環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明主要涉及一種高速動態(tài)試驗(yàn)力測量環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方法，屬于傳感器設(shè)計(jì)領(lǐng) 域，應(yīng)用于材料力學(xué)測試。
【背景技術(shù)】
[0002]高速動態(tài)試驗(yàn)載荷信號的準(zhǔn)確測量是一個關(guān)鍵的問題。由于連接環(huán)節(jié)質(zhì)量和剛度 匹配不好，使用傳統(tǒng)方法測得的力信號常呈現(xiàn)較大震蕩，這類震蕩信號屬于包括測量連接 環(huán)節(jié)在內(nèi)的測試系統(tǒng)的整體響應(yīng)，而非被測材料本身的力學(xué)響應(yīng)。
[0003]相比被測材料試件，現(xiàn)有的商用傳感器質(zhì)量和體積偏大，導(dǎo)致測試系統(tǒng)固有頻率 偏低，不適用于金屬材料的高應(yīng)變率動態(tài)試驗(yàn)。另一種業(yè)界常用的方法是直接在材料試件 上靠近測量段的彈性區(qū)域上粘貼應(yīng)變片測量載荷信號，其缺點(diǎn)是操作復(fù)雜，應(yīng)變片不可重 復(fù)使用，效率低，且對不同試件的測試不是同一應(yīng)變片，測量條件一致性差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高速動態(tài)試驗(yàn)力測 量環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方法。
[0005]為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]一種高速動態(tài)試驗(yàn)力測量環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方法，所述設(shè)計(jì)方法包括以下步驟:
[0007](I)、對預(yù)測試試件的材料進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)，取得所述試件材料的屈服極限并得到 準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)的力-時間載荷歷程曲線，根據(jù)所述力-時間載荷歷程曲線確定所述試件的材 料屈服時所對應(yīng)的力，在此稱為屈服點(diǎn)力；
[0008](2)、根據(jù)所述屈服點(diǎn)力及所述試件材料的屈服極限來設(shè)計(jì)測力傳感器，所述測力 傳感器包括用于安裝應(yīng)變片的測力部和用于安裝所述試件的連接部；
[0009](3)、選擇制造測力傳感器的材料并估算所述測力傳感器的固有頻率fQ ；
[0010](4)、確定所述測力系統(tǒng)的信號最大頻率，所述測力系統(tǒng)的信號最大頻率為所 述試件進(jìn)行動態(tài)試驗(yàn)測試時由所述測力傳感器和所述試件這個測力系統(tǒng)輸出的信號的最 大頻率；
[0011](5)、校核固有頻率&，當(dāng)L 3 4fmax時，完成設(shè)計(jì)，否則回到步驟⑵?⑷。
[0012]本發(fā)明的一種具體實(shí)施方案，所述步驟(2)中，所述測力傳感器的設(shè)計(jì)方法包括 以下步驟:
[0013]a、確定所述測力傳感器的力的量程，所述測力傳感器的力的量程根據(jù)所述屈服點(diǎn) 力來確定，所述屈服點(diǎn)力為所述測力傳感器的力的量程的0.3?0.8倍；
[0014]b、確定所述測力傳感器材料的屈服極限，所述測力傳感器材料的屈服極限根據(jù)所 述試件材料的屈服極限來確定，所述試件材料的屈服極限為所述測力傳感器材料的屈服極 限的0.3?0.8倍；
[0015]C、根據(jù)公式F= O XA，確定所述測力傳感器的測力部的粘貼所述應(yīng)變片處的橫向截面面積A，其中，F(xiàn)為所述測力傳感器的力的量程，0為制造所述測力傳感器的材料的屈 服極限，A為所述測力傳感器的測力部的粘貼所述應(yīng)變片處的橫向截面面積。
[0016]本發(fā)明的一種具體實(shí)施方案，所述步驟(3)中，所述固有頻率&的計(jì)算方法包括 以下步驟:
[0017]a、根據(jù)公式k=EA/l計(jì)算所述測力部的剛度k，其中，E為制造所述測力傳感器的材 料的彈性模量，A為所述測力部的粘貼所述應(yīng)變片處的橫向截面面積，I為所述測力部的長 度，且取所述測力部的長度I大于所述應(yīng)變片的長度；所述測力部的長度I具體取值時，取 方便所述應(yīng)變片測量的最小值，以增大所述測力部的剛度k，增大系統(tǒng)自由振蕩頻率；
[0018]b、根據(jù)公式T0 = ylkImIlK計(jì)算所述固有頻率fd，其中，k為所述測力部的剛度，
m為所述連接部的質(zhì)量和用于將所述試件和所述連接部相連的輔助連接器件的質(zhì)量的總質(zhì)量。
[0019]本發(fā)明的一種具體實(shí)施方案，所述步驟(4)中，所述信號最大頻率f_通過測定所 述測力系統(tǒng)的自由振蕩頻率的試驗(yàn)來確定。
[0020]本發(fā)明的另一種具體實(shí)施方案，所述步驟(4)中，所述信號最大頻率f_的計(jì)算方 法包括以下步驟:
[0021]a、將步驟⑴得到力-時間載荷歷程曲線的時間軸坐標(biāo)縮小一定倍數(shù)，得到近似 動態(tài)力響應(yīng)曲線，而所述屈服點(diǎn)力的力值保持不變，其中，所述一定倍數(shù)的數(shù)值為目標(biāo)應(yīng)變 率與所述準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)應(yīng)變率的比值；
[0022]b、根據(jù)公式/max =4來確定所述信號最大頻率f_，其中，At為上述步驟中得
至IJ的所述近似動態(tài)力響應(yīng)曲線中的從原點(diǎn)到所述屈服點(diǎn)力時對應(yīng)的時間點(diǎn)的時間值。
[0023]由于上述技術(shù)方案的實(shí)施，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0024]本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出的測量傳感器響應(yīng)頻率高，成本低，質(zhì)量輕，剛度匹配 好，且測試結(jié)果震蕩小，可靠性高。本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法可提前預(yù)測試驗(yàn)結(jié)果是否會出現(xiàn)震 蕩，并可根據(jù)不同材料設(shè)計(jì)不同的測力傳感器，使用更靈活。本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出的測 力傳感器，效率高，測量條件一致性好。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)流程圖。
[0026]圖2為具體實(shí)施例的鋁板材料的準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)曲線圖。
[0027]圖3為圖2的準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)曲線的時間軸坐標(biāo)縮小后的曲線圖。
[0028]圖4為本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法所設(shè)計(jì)出的一種測力傳感器與試件連接的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖中數(shù)字所示的相應(yīng)部件名稱分別為:
[0030]1、測力部；2、連接部；3、應(yīng)變片；4、試件。
[0031]圖5為具體實(shí)施例中鋁板試件的高速動態(tài)試驗(yàn)曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0033]以材料為某鋁板的試件4為研究對象，設(shè)計(jì)方法為:[0034](I)對某鋁板進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，該準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)的應(yīng)變率為0.01s—1，試件4的材料的屈服極限為200MPa，其線彈性范圍取屈服極限的2/3 (即為133MPa)，試件4的材料通過準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)得到準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)的力-時間載荷歷程曲線，如圖2所示，得到該試件 4的材料的屈服時所對應(yīng)的力(即屈服點(diǎn)力)為2750N ；
[0035](2)設(shè)計(jì)測力傳感器，如圖4所示，測力傳感器包括用于安裝試件4的測力部I及用于安裝應(yīng)變片3的連接部2，測力傳感器還包括其他用于將試件4和連接部2相連的輔助連接器件。
[0036]測力傳感器的力的量程和測力傳感器材料的屈服極限按下列規(guī)則來取:試件4的材料的屈服點(diǎn)力為測力傳感器力的量程的0.3~0.8倍；試件4的材料的屈服極限為測力傳感器的材料的屈服極限的0.3~0.8倍。
[0037]由此，可取測力傳感器力的量程F為8000N，屈服極限O為400MPa，然后根據(jù)公式 F=o XA,計(jì)算得到測力部2的粘貼應(yīng)變片3處的橫向截面面積A為20mm2。
[0038](3)選擇鋁合金材料來制造測力傳感器，并計(jì)算測力傳感器的固有頻率fQ:鋁合金材料的彈性模量E為70GPa，密度為2.8 X 103kg/m3，取測力部I的長度I為40mm，計(jì)算連接部2的質(zhì)量和用于將試件4和連接部2相連的輔助連接器件的質(zhì)量的總質(zhì)量m為10g，然后
根據(jù)公式
【權(quán)利要求】
1.一種高速動態(tài)試驗(yàn)力測量環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述設(shè)計(jì)方法包括以下步驟:(1)、對預(yù)測試試件的材料進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)，取得所述試件材料的屈服極限并得到準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)的力-時間載荷歷程曲線，根據(jù)所述力-時間載荷歷程曲線確定所述試件的材料屈服時所對應(yīng)的力，在此稱為屈服點(diǎn)力；(2)、根據(jù)所述屈服點(diǎn)力及所述試件材料的屈服極限來設(shè)計(jì)測力傳感器，所述測力傳感器包括用于安裝應(yīng)變片的測力部和用于安裝所述試件的連接部；(3)、選擇制造測力傳感器的材料并估算所述測力傳感器的固有頻率fQ；(4)、確定所述測力系統(tǒng)的信號最大頻率，所述測力系統(tǒng)的信號最大頻率為所述試件進(jìn)行動態(tài)試驗(yàn)測試時由所述測力傳感器和所述試件這個測力系統(tǒng)輸出的信號的最大頻率；(5)、校核固有頻率&，當(dāng)&3 4f_時，完成設(shè)計(jì)，否則回到步驟⑵~⑷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(2)中，所述測力傳感器的設(shè)計(jì)方法包括以下步驟:a、確定所述測力傳感器的力的量程，所述測力傳感器的力的量程根據(jù)所述屈服點(diǎn)力來確定，所述屈服點(diǎn)力為所述測力傳感器的力的量程的0.3~0.8倍；b、確定所述測力傳感器材料的屈服極限，所述測力傳感器材料的屈服極限根據(jù)所述試件材料的屈服極限來確定，所述試件材料的屈服極限為所述測力傳感器材料的屈服極限的0.3 ~0.8 倍； C、根據(jù)公式F= O XA，確定所述測力傳感器的測力部的粘貼所述應(yīng)變片處的橫向截面面積A，其中，F(xiàn)為所述測力傳感器的力的量程，O為制造所述測力傳感器的材料的屈服極限，A為所述測力傳感器的測力部的粘貼所述應(yīng)變片處的橫向截面面積。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(3)中，所述固有頻率&的計(jì)算方法包括以下步驟:a、根據(jù)公式k=EA/l計(jì)算所述測力部的剛度k，其中，E為制造所述測力傳感器的材料的彈性模量，A為所述測力部的粘貼所述應(yīng)變片處的橫向截面面積，I為所述測力部的長度， 且取所述測力部的長度I大于所述應(yīng)變片的長度；b、根據(jù)公式=計(jì)算所述固有頻率&，其中，k為所述測力部的剛度，m為所述連接部的質(zhì)量和用于將所述試件和所述連接部相連的輔助連接器件的質(zhì)量的總質(zhì)量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(4)中，所述信號最大頻率 f_通過測定所述測力系統(tǒng)的自由振蕩頻率的試驗(yàn)來確定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(4)中，所述信號最大頻率 f_的計(jì)算方法包括以下步驟:a、將步驟(1)得到力-時間載荷歷程曲線的時間軸坐標(biāo)縮小一定倍數(shù)，得到近似動態(tài)力響應(yīng)曲線，而所述屈服點(diǎn)力的力值保持不變，其中，所述一定倍數(shù)的數(shù)值為目標(biāo)應(yīng)變率與所述準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)應(yīng)變率的比值；b、根據(jù)公式/max來確定所述信號最大頻率f_，其中，At為上述步驟中得到的ZAt所述近似動態(tài)力 響應(yīng)曲線中的從原點(diǎn)到所述屈服點(diǎn)力時對應(yīng)的時間點(diǎn)的時間值。
【文檔編號】G01L1/22GK103604537SQ201310606117
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月25日
【發(fā)明者】夏勇, 汪凱, 顧功堯, 周青, 王磊 申請人:清華大學(xué)蘇州汽車研究院（相城）