本發(fā)明涉及一種評估碰撞過程中最大沖力的方法，可以用于評估物體的臨界擊穿沖力，例如子彈擊穿頭盔的臨界值。

背景技術：

在牛頓碰撞定律與彈性力學的基礎上，本發(fā)明利用測試件在碰撞前后的運動速度，來間接測量碰撞時間和最大沖力。最大沖力達10¹⁰n量級，而碰撞時間僅為us量級，理論上的基本方程表明，只要能測出測試件在碰撞前后的速度，就可間接推算出碰撞時間和最大沖力。

沖量是碰撞過程中沖力與時間的積分量。在兩個物體數(shù)10us的碰撞過程中，沖力由零升至最大又回復至零，要想定量而且精準地測量并記錄到?jīng)_量的瞬變信息，并非易事，然而這一技術領域在國防裝備工業(yè)中卻是至關重要的。傳統(tǒng)的沖量測試技術，往往是基于沖量與動量變化的規(guī)律借助于壓電式測振傳感器和復雜而昂貴的輔助設備，實現(xiàn)對沖量的間接測量。

本發(fā)明分析了這些基本方程的適用條件，并設計了以開放式光耦來測量測試件速度及其附件裝置。實驗結果表明，基準確度的評估值，可控為個位數(shù)，從而為碰撞沖量測量提供了一種簡便的新途徑。

技術實現(xiàn)要素：

根據(jù)以上現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明所要解決的技術問題是提出一種評估碰撞過程中最大沖力的方法，通過用測試件來撞擊待測件，通過數(shù)學運算的方法，求解出瞬間的碰撞力，可用于評估物體的強度。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案為：一種評估碰撞過程中最大沖力的方法，所述方法應用于評估碰撞過程中最大沖力的裝置，所述裝置包括框體、后擋板、電機轉軸、第一錐齒輪、第二錐齒輪、第一轉軸、第一滑軌、第一繞線輪、第一固定塊、第一滑塊、第一光源、第二滑塊、第二光源、凹型支架、電機、第二固定塊、第二光敏元件、第一軸承座、第二繞線輪、第二軸承座、第一拉繩、第二拉繩、第一彈簧、第二滑軌、第二彈簧、第三滑塊、第一光敏元件、第四滑塊和計時器，框體的前后側壁中心位置固定設置有凹型支架，凹型支架的右側固定設置有電機，電機的電機轉軸上固定連接有第一錐齒輪，第一錐齒輪與第二錐齒輪嚙合，第二錐齒輪連接第一轉軸，第一轉軸兩端分別連接第一軸承座和第二軸承座，第一轉軸上固定設有第一繞線輪，框體的前側壁上以螺栓連接的方式固定連接有第一滑軌，第一滑軌上嵌有第一滑塊和第二滑塊，第一滑塊上設置有第一光源，第二滑塊上設置有第二光源，第一拉繩的一端連接至第一繞線輪，另一端連接第一滑塊和第二滑塊，第二滑塊的側壁上連接有拉力彈簧，拉力彈簧另一端連接第一固定塊，后擋板與框體的前側壁鉸鏈連接，第一轉軸的另一端固定設有第二繞線輪，框體的后側壁上以螺栓連接的方式固定連接有第二滑軌，第二滑軌上嵌有第三滑塊和第四滑塊，第三滑塊上設置有第一光敏元件，第四滑塊上設置有第二光敏元件，第二拉繩的一端連接至第二繞線輪，另一端連接第三滑塊和第四滑塊，第四滑塊的一側壁上連接有第二彈簧，第二彈簧另一端連接第二固定塊，框體的后側壁末端與后擋板活動連接，第一光敏元件和第二光敏元件均連接至計時器，測試件穿過第一光敏元件和第二光敏元件產(chǎn)生的脈沖信號作為計數(shù)器的閘門，得到計數(shù)值nx，第一光敏元件與第二光敏元件距離為定距l(xiāng)；所述方法包括如下步驟：

步驟一：將待測的物體受力面放置在第一光敏元件與第二光敏元件的右側；

步驟二：將測試件以一定的速度撞擊待測的物體，先經(jīng)過第一光敏元件，然后經(jīng)過第二光敏元件，與待測的物體撞擊后，再依次經(jīng)過第二光敏元件和第一光敏元件，求解兩次經(jīng)過第一光敏元件和第二光敏元件的延時和v10和v1，其中，v10為測試件撞擊待測的物體前的速度，v1為測試件撞擊待測的物體后的速度，為發(fā)生碰撞前經(jīng)過第一光敏元件和第二光敏元件之間路程的時間，為發(fā)生碰撞后經(jīng)過第一光敏元件和第二光敏元件之間路程的時間；

步驟三：根據(jù)測試得出的v10和v1求解恢復系數(shù)e、最大沖力fmax和碰撞接觸時間τc。

作為一種優(yōu)選實施方式，所述步驟二中延時和v10和v1的具體測試方法為：當測試件兩次越過第一光敏元件和第二光敏元件后，分別產(chǎn)生兩個延時為和的脈沖信號，讓脈沖信號作為計時器的閘門，可得到計數(shù)值nx，其中，nx1和nx2分別為撞擊前的計數(shù)值和撞擊后的計數(shù)值，τ0為計時時鐘脈寬。

作為一種優(yōu)選實施方式，所述步驟三中最大沖力fmax的求解方法為：其中，n為測試件與待測的物體的平均材料形體常數(shù)，m為測試件和待測的物體的折算質量，其中，m1為測試件的質量，m2為待測的物體質量。

作為一種優(yōu)選實施方式，所述步驟三中恢復系數(shù)e的求解方法為：其中，m1為測試件的質量，m2為待測的物體質量。

作為一種優(yōu)選實施方式，所述步驟三中碰撞接觸時間τc的求解方法具體為：

作為一種優(yōu)選實施方式，所述第一光敏元件與第二光敏元件距離為定距l(xiāng)＝10cm。

本發(fā)明有益效果是:(1)本發(fā)明的檢測裝置的開放式光電耦合器可以實現(xiàn)同時移動，且保持相互間距不動；(2)墊臺為光滑平面，與待測件摩擦力小，其影響可以忽略不計；(3)本發(fā)明裝置結構簡單，通過兩個光電式耦合器就可以評估待測物體的強度。

附圖說明

下面對本說明書附圖所表達的內容及圖中的標記作簡要說明：

圖1是本發(fā)明的具體實施方式的碰撞解析圖。

圖2是本發(fā)明的具體實施方式的f、δ的變化趨勢和其極值時間。

圖3是本發(fā)明的具體實施方式的v1(t)、v2(t)變化趨勢。

圖4是本發(fā)明的具體實施方式的開放式光電耦合器布置示意圖。

圖5是本發(fā)明的具體實施方式的延時為t的兩個脈沖信號可轉化為脈寬信號。

圖6是本發(fā)明的具體實施方式的檢測裝置的結構示意圖。

其中，1-框體，2-后擋板，3-墊臺，4-電機轉軸，5-第一錐齒輪，6-第二錐齒輪，7-第一轉軸，8-第一滑軌，9-第一繞線輪，10-第一固定塊，11-第一滑塊，12-第一光源，13-第二滑塊，14-第二光源，15-凹型支架，16-電機，17-第二固定塊，18-第二光敏元件，19-第一軸承座，20-第二繞線輪，21-第二軸承座，22-第一拉繩，23-第二拉繩，24-第一彈簧，25-第二滑軌，26-第二彈簧，27-第三滑塊，28-第一光敏元件，29-第四滑塊，30-第二固定塊，31-第二光敏元件。

具體實施方式

下面通過對實施例的描述，本發(fā)明的具體實施方式如所涉及的各構件的形狀、構造、各部分之間的相互位置及連接關系、各部分的作用及工作原理、制造工藝及操作使用方法等，作進一步詳細的說明，以幫助本領域技術人員對本發(fā)明的發(fā)明構思、技術方案有更完整、準確和深入的理解。

如圖4和6所示，為本發(fā)明的測試沖力裝置的結構示意圖，包括第一光電耦合器和第二光電耦合器，第一光電耦合器和第二光電耦合器的定距是l，光電耦合器分別包括光敏元件和光源，測試件以一定的速度從第一光電耦合器的左側向右運動，經(jīng)過第二光電耦合器后與待測物體發(fā)生碰撞反彈，再依次經(jīng)過第二光電耦合器和第一光電耦合器。本發(fā)明利用牛頓碰撞定律與彈性力學規(guī)律相結合，分析與討論了碰撞過程的基本方程及其適用條件，從而設計出簡便的測速裝置和實驗驗證方法，為沖量測試新技術提供了有益的借鑒。

如圖6所示，為本發(fā)明的測試裝置的結構示意圖，包括框體1、后擋板2、墊臺3、電機轉軸4、第一錐齒輪5、第二錐齒輪6、第一轉軸7、第一滑軌8、第一繞線輪9、第一固定塊10、第一滑塊11、第一光源12、第二滑塊13、第二光源14、凹型支架15、電機16、第二固定塊17、第二光敏元件18、第一軸承座19、第二繞線輪20、第二軸承座21、第一拉繩22、第二拉繩23、第一彈簧24、第二滑軌25、第二彈簧26、第三滑塊27、第一光敏元件28、第四滑塊29。

框體1的前后側壁中心位置固定設置有凹型支架15，凹型支架15的右側固定設置有電機16，電機16的電機轉軸4上固定連接有第一錐齒輪5，第一錐齒輪5與第二錐齒輪6嚙合，第二錐齒輪6連接第一轉軸7，第一轉軸7兩端分別連接第一軸承座19和第二軸承座21，第一轉軸7上固定設有第一繞線輪9，框體1的前側壁上以螺栓連接的方式固定連接有第一滑軌8，第一滑軌8上嵌有第一滑塊11和第二滑塊13，第一滑塊11上設置有第一光源12，第二滑塊13上設置有第二光源14，第一拉繩22的一端連接至第一繞線輪9，另一端連接第一滑塊11和第二滑塊13，第二滑塊13的一側壁上連接有拉力彈簧24，拉力彈簧24另一端連接第一固定塊10。后擋板2與框體1的前側壁鉸鏈連接。

第一轉軸7的另一端固定設有第二繞線輪20，框體1的后側壁上以螺栓連接的方式固定連接有第二滑軌25，第二滑軌25上嵌有第三滑塊27和第四滑塊29，第三滑塊27上設置有第一光敏元件28，第四滑塊29上設置有第二光敏元件18，第二拉繩23的一端連接至第二繞線輪20，另一端連接第三滑塊27和第四滑塊29，第四滑塊29的一側壁上連接有第二彈簧26，第二彈簧26另一端連接第二固定塊17?？蝮w1的后側壁末端與后擋板2活動連接。

墊臺3設置在電機16的右側位置。

下文具體闡述以上測試裝置測試碰撞沖量的原理：

1.兩球體對心碰撞的基本方程

1.1動量守恒定律，在兩球體上施加的總外力為零的條件下，兩球體碰撞前后的動量之和滿足m1v10+m2v20＝m1v1+m2v2(1)。

式中m1(kg)為測試件的質量，約為10^-2kg。m2(kg)為被測物體的質量。

v10(m/s)為測試件碰前的速度，約為400-500m/s。v20(m/s)為被測物體碰前速度，在本發(fā)明后續(xù)討論中均假設v20＝0。v1為測試件碰后速度，v2為被測物體碰后速度，此時基本方程(1)變成m1v10＝m1v1+m2v2(2)。

方程(1)和(2)應滿足在兩球體對碰中所施加的外力，主要指摩擦阻力為零。對測試件而言，選用體積小運動速度高的物件，例如子彈，空氣的摩擦阻力可以忽略，而對被測物體m2的支撐應保證被測物體安裝平臺與支撐平面間的摩擦力較小。本發(fā)明中選擇鋼化玻璃與滾動軸承外鋼圈之間的支撐，故與巨大的沖力相比，外力為零的條件容易滿足，有益于推算的準確性。

1.2牛頓碰撞定律：在實際的碰撞過程中，完全的彈性碰撞是不存在的，總存在能量損耗，系統(tǒng)的機械能并不守恒，牛頓提出了恢復系數(shù)的概念。

式中分母為碰前相撞近的速度，分子為碰后分離的速度，e的取值范圍為0<e<1。對于v20＝0的設定，(3)式可寫成

如果e＝1，即v2-v1＝v10，此時機械能在碰撞前后守恒，稱為完全彈性碰撞，實際情況均為e≤1即非彈性碰撞。聯(lián)立(2)和(4)式可得：

和

1.3兩球對心碰撞中球面擠壓變形與球心距的變化關系：

參見圖1，圖1中a為碰前球心距為δ0，圖1中b表示碰后，球心o1以v1運動，o2以v2運動，球心距因擠壓變形而變化為δ，則球心距的變化增量為dδ,顯見，

dδ＝δ-δ0＝v1·dt-v2·dt(7)

即

1.4彈性變形與彈力的關系

根據(jù)彈性力學在兩球對心非彈性碰撞中的討論，其應力與應變的關系積分量的表達式為：

式中r1(m)球1的半徑，r2(m)球2的半徑，u兩球的泊松比，e(n/m²)為兩球的彈性模量，(9)也可改寫成簡單形式：

f＝n·δ3/2(10)

式中n為材料常數(shù)，

n在后面討論中可視為已知常數(shù)，其量綱為在不同材料的物體碰撞時，采用平均值計算。

由(9)式可知，無論是彈力f或變形δ都是時變函數(shù)，其變化過程如圖2所示，圖中表示了f(t)和δ(t)的變化趨勢和發(fā)生極值的時間τm點，而整個碰撞過程的全部時間為τc。

1.5兩球碰撞后的速度變化趨勢，在整個碰撞過程中，由(5)和(6)式v1＝v1(t),和v2＝v2(t)都是時變函數(shù)，其變化趨勢如圖3所示，圖中v1(t)從v10下降至與v2(t)相交在τm時刻，然后繼續(xù)下降至0，再進入負區(qū)直至τc時刻，最后保持v1(τc).v2(t)則v2(t)＝0，逐漸上升至τm時刻與v1(t)相交，最后穩(wěn)定在v2(τc).曲線③則為vδ(t)＝v1(t)-v2(t).本文的目的不在于求解v1(t)和v2(t)的具體的函數(shù)式，而是關注幾個關鍵時間節(jié)點的函數(shù)值，其中在時間軸起點的o點有v10，v20和v1(o)-v2(o)，在時間節(jié)點τm，有a點v1(τm)＝v2(τm)，因此在c點vδ(τm)＝0，而在時間節(jié)點b則表示v1(t)開始反向，由正區(qū)轉向負區(qū)，最后在時間軸τc上分別標出了碰撞后的v1(τc)，v2(τc)和vδ(τc).

2.根據(jù)基本方程求解δmax和fmax

2.1求解δmax和fmax，根據(jù)沖量與動量變化定理，可得：

式中，和為兩球之間因碰撞壓縮而產(chǎn)生的彈力，是一對作用力和反作用力，其大小相等方向則相反，分別作用于球1和球2，將上式寫成標量形式則為：

引用(8)式

作兩邊對t求導得：

將(14)-(15)并與(16)聯(lián)立可得

式中，稱為兩球的折算質量。

將上式中的f并利用(10)替換為δ后可得二階微分方程

利用積分法降階可求出，當即vδ＝v1-v2＝0時，δ(t)出現(xiàn)極值，于是得：

再利用(10)式得：

2.2求解碰撞時間τc,

圖1和圖2表示整個碰撞過程，分為變量的上升階段和下降階段兩個過程，因此總碰撞時間包括0→τm和τm→τc兩部分，利用(18)積分降階，可得：

通過參數(shù)變換和積分可得

即

上式表明第一階段碰撞時間與m1的初速度v10的次方成正比，而在碰撞過程的第二時段t2＝τm→τc,因非理想彈性碰撞中的能量損耗要比第一時段稍長，式(22)應修正為：

而總的碰撞時間：

式中，e為兩球對心碰撞時的恢復系數(shù)，e的實際大小接近于1而稍小于1。利用(5)式可知，只要能測出v10和v2即可推算出τc。

3、測試裝置設計

3.1從上節(jié)基本方程和延伸的公式可知，只要讓實驗測試裝置能測出v10和v1，前者為m1碰前的初速度，后者則為m1的碰后反彈速度v1，就能完整的得到：

和

并且e值可通過(5)算出

當m2＞＞m1時，上式可簡化為

3.2速度測量裝置

本設計中測量v10和v1合用同一個開放式光電耦合器，為把v10信號和v1信號轉變?yōu)楣饷}沖信號，子彈穿過兩個定距10cm的開放式光耦后，可產(chǎn)生兩個光脈沖信號。見圖4，第一光源和第一光敏元件組成第一個開放式光電耦合器，第二光源和第二光敏元件則組成第二個光電耦合器。

設子彈穿越定距l(xiāng)所需時間為t，則其平均速度為

即所測速度與穿越時間t成反比，當子彈越過兩個光敏元件后，將分別產(chǎn)生兩個延時為t的脈沖信號，如圖5所示，如讓脈沖信號作為計時器的閘門，便可得到計數(shù)值nx

式中，τ0(μs)為計時時鐘脈寬，于是有t＝nx·τ0m/s(30)

從而可按(28)式算出v10和v1。

本發(fā)明的檢測裝置工作原理為：將測試件放置在凹型支架15位置，被測試的物體放置在墊臺3位置，墊臺3為光滑平面，設置在第一滑塊11和第二滑塊13上的第一光源12和第二光源14為定距，相對應的，第一光敏元件28和第二光敏元件31也為定距，與第一光源12和第二光源14對應設置。電機16轉動時，通過一對錐齒輪帶動第一轉軸7轉動，第一轉軸7通過拉繩和彈簧使滑塊上的光源和光敏元件同時向左或者向右運動。來調節(jié)開放式光電耦合器與被測試的物體之間的距離，也即調整測試精度，在一定范圍內，可以近似認為反彈的測試件為反方向返回，用來評估碰撞過程中的沖力。

本發(fā)明基于彈性力學和碰撞理論的基本方程，提供了測試件與物體碰撞時的沖量測量的簡便方法。本發(fā)明解析所得最大沖擊力示于公式(20)，式中m為測試件和物體的折算質量，n為測試體的材料和形體常數(shù)，在不同材料物體碰撞時，采用兩者的平均值，通過公式(11)近似求出材料和形體常數(shù)，通過本發(fā)明的測試方法，可得到碰撞時間、碰撞最大力的基準確度的評估值，可控為個位數(shù)，可作為評價瓷器的抗震能力，v10為碰撞接觸前的子彈速度，整個碰撞接觸時間示于公式(24)，恢復系數(shù)e示于公式(27)，v1為子彈回彈速度。對v10和v1的實際測量裝置示于圖4，裝置設置簡單，實施方便。

上面對本發(fā)明進行了示例性描述，顯然本發(fā)明具體實現(xiàn)并不受上述方式的限制，只要采用了本發(fā)明的方法構思和技術方案進行的各種非實質性的改進，或未經(jīng)改進將本發(fā)明的構思和技術方案直接應用于其它場合的，均在本發(fā)明的保護范圍之內。本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求書所限定的保護范圍為準。