落球模擬沖擊試驗機的研究與開發

摘? 要：文章介紹了一種新型落球模擬沖擊試驗機的主要特性，該機是專門為研究結構樣品的動態力學性能而設計的，這種類型的設備已被用于在中高速加載速率下產生簡單且可測量的斷裂過程。該機器由兩個主要部分組成，即機械結構和數據采集系統，前者只是一個落球，由兩個堅固的柱子引導，可以用于高能量撞擊樣本。后者由壓電力傳感器、加速度計和光纖光電傳感器以及示波器和信號調節器組成。

關鍵詞：落球；沖擊試驗機；動態力學性能；加載速率

中圖分類號：TP212.9；TH87 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）23-0177-05

Research and Development of Falling Ball Simulation Impact Testing Machine

HAN Zhanzheng

（Hefei LCFC Information Technology Co.， Ltd.， Hefei? 230031， China）

Abstract： This paper introduces the main characteristics of a new type of falling ball simulation impact testing machine， which is specifically designed to study the dynamic mechanical performance of structural samples. This type of equipment has been used to generate simple and measurable fracture process at medium to high loading rates. The machine consists of two main components， namely a mechanical structure and a data acquisition system. The former is just a falling ball， guided by two sturdy pillars， and can be used for high-energy impact samples. The latter consists of piezoelectric sensors， accelerometers， fiber optic optoelectronic sensors， as well as oscilloscopes and signal conditioners.

Keywords： falling ball; impact testing machine; dynamic mechanical performance; loading rate

0? 引? 言

結構對動態載荷的響應在各種民用和軍事應用中都很受關注。例如，核電站的防護殼預計能夠承受來襲導彈甚至軍用噴氣式飛機撞擊的沖擊載荷；由于飛機起飛和降落，機場跑道必須承受重復的動態載荷；自然災害（如龍卷風、地震和海浪）、意外撞擊或故意爆炸引起的結構或建筑物的動態荷載也是一個非常值得關注的實際問題。結構在沖擊或沖擊載荷下的性能表征是這些結構設計和分析的先決條件[1]。針對沖擊或沖擊載荷下的性能表征的研究主要有數值模擬的話方法和落球試驗等。

在數值模擬方法方面，有限元（FE）方法不僅用于提供一種強大的方法來預測結構動態載荷的響應，還用于模擬試樣在過渡溫度下的斷裂行為。模擬試樣在轉變溫度下的動態載荷的響應需要同時模擬相互作用的響應，這一問題迄今尚未解決。文獻中的大多數工作都考慮了結構損傷模擬[2]。例如，我國利用裂紋尖端張開角（CTOA）概念分析了室溫下各種管線鋼在沖擊或沖擊載荷下的動態響應行為。在其他研究中，二維共粘性區模型用于模擬結構中穩定的動態響應行為。后來，我國使用三維模型進行了類似的研究，并將模擬吸收能與實驗吸收能進行了比較。美國使用Gurson-Tvergaard Needleman（GTN）模型模擬了結構的動態響應行為。上述螺柱在上層擱板溫度下對結構試樣進行了動態響應行為模擬。事實上，有許多研究提供了上述動態響應行為模擬技術的解釋，這些技術結合了基于Beremin模型的解理失效概率。歐洲試圖通過結合GTN模型來預測動態響應行為的失效概率，從而確定與溫度無關的Beremin參數[3]。我國結合GTN和Beremin模型對動態響應行為進行了表征。然而，國內外還沒有發表一項同時模擬相互作用的動態響應行為的研究?，F有研究僅計算了一定量損傷的動態響應行為失效概率。由于威布爾應力只能通過模擬結果的后處理來計算，因此無法從模擬中獲得按韌性或解理分類的詳細動態響應行為。此外，威布爾應力方法僅假設在超過參考值后發生完全損傷，因此無法適應損傷開始后發生的動態響應行為。我國已經提出了一種同時模擬相互作用的動態響應行為的數值方法，并將其應用于模擬延性-脆性轉變溫度下的沖擊試驗。為了模擬韌性撕裂，應用了應力修正斷裂應變（SMFS）模型，其中斷裂應變被假設為應力三軸度的逆指數函數。盡管該模型很簡單，但將模擬結果與我們之前工作中的裂管試驗數據進行比較表明，該模型非常有效，預測非常準確。為了模擬動態響應行為，使用了最大主應力標準。需要注意的是，盡管威布爾應力方法已被廣泛用于量化動態響應行為，但它只能根據后處理的有限元結果進行計算，因此不適用于相互作用的動態響應行為。然而，根據夏比沖擊試驗的有限元分析，表明最大主應力標準相當于威布爾應力。通過使用有限元分析對夏比沖擊試驗進行分析，建立了夏比沖擊試驗能量與最大主應力之間的關系，作為動態響應行為的標準，模擬的斷裂面與不同溫度下的夏比沖擊試驗數據吻合良好，表明了所提方法的有效性。當高斯點的最大主應力達到預先定義的臨界值時，動態響應行為也由用戶子程序函數實現。在動態響應行為模擬中，通過相同的機制來定義損傷。一個值得注意的點是元素的大小。單元尺寸對有限元損傷模擬結果的影響是眾所周知的。這只是因為損傷模型取決于應力和應變狀態，而應力和應力狀態取決于有限元分析中的元素尺寸。例如，對于給定的損傷模型，使用較大單元尺寸預測的裂紋萌生和擴展往往會延遲。因此，應調整損傷模型中的一些參數，以補償元件尺寸的影響。請注意，在我們之前研究的夏比沖擊試驗模擬中，使用了0.1 mm的元件尺寸，而沒有造成任何數值困難，因為夏比試樣的無缺口韌帶尺寸僅為8 mm。然而，在模擬韌帶更長的較大樣本的損傷時，很難使用這樣一個小元素來保持數值穩定性。因此，我們認為，在對長裂紋擴展進行數值裂紋擴展建模時，單元尺寸對損傷模型的影響是一個需要解決的重要問題[4]。

相比與數值模擬，落球試驗更容易得到結構的動態力學性能。目前，我國已經發展了幾種技術來研究結構的動態力學行為。例如，改良的夏比沖擊試驗，如冶金學家使用的傳統夏比沖擊機，允許擺動擺錘在其路徑上撞擊試樣，從而傳遞動量并導致高應力率。其他重要的沖擊試驗包括分離式霍普金森壓桿試驗，其中試樣夾在兩個彈性壓桿之間，通過使用落球或拋射物產生應力波。由于樣品的尺寸，上述兩種技術不便于測試結構的抗沖擊性。相反，落球沖擊試驗可方便地用于研究結構的沖擊響應[5]。在小型化落球機研究方面，近年來，筆記本電腦、智能手機和平板電腦等小型電氣設備被要求具有高可靠性，即使它們掉在地上，或者它們的屏幕被物體撞擊。因此，在設計電氣設備時，必須確定電氣基板與毫米或微米大小的電氣部件（如電阻器和電容器）之間的焊點的沖擊強度。在生產許多部件時，由于在電路板上高速安裝了許多小型電氣設備，因此還必須考慮設備的沖擊斷裂。因此，用沖擊試驗機評估小部件的強度是很重要的。到目前為止，已經開發了幾種小型沖擊試驗機，尤其是用于測量焊點強度的沖擊試驗機。焊點的斷裂能可以通過使用小型擺錘試驗機進行測量。焊點的沖擊載荷-位移曲線可以使用帶有稱重傳感器的微沖擊測試儀系統進行測量。通過應用分離式霍普金森壓桿測試來評估電子電路板上焊點的沖擊強度。這些機器中的傳感器，如應變計和稱重傳感器，被限制在幾毫米或更多，從而限制了沖擊測試機器本身。因此，需要一種新的測量方法來縮小沖擊試驗機的尺寸，以測量較小試樣的沖擊載荷和變形[6]。

目前，已經開發了幾種沖擊測試方法來評估結構或結構材料，其中許多方法被用作行業標準。通常對電氣產品進行跌落產品測試和振動測試，以驗證產品的耐久性。雖然無須特殊設備即可輕松進行跌落試驗，但無法定量評估產品的機械財產[6-8]。擺錘試驗，如夏比和伊祖德沖擊試驗，是眾所周知的常用沖擊試驗方法。然而，試樣的機械財產，如機械設計所需的彈性模量、強度和斷裂韌性，無法通過普通擺錘試驗進行測量，因為只有斷裂能是根據試樣沖擊斷裂導致的擺錘損失能量來評估的。目前，通常使用分離式霍普金森壓力棒試驗機或改進型機器來測量機械財產，這些機械性能是通過使用應變計在機器桿中傳播的應力波計算得出的。還開發了單棒法來測量機械財產?；蛘?，可以使用稱重傳感器進行落球試驗來評估財產[9，10]。

在本文中，我們描述了一種新的落球沖擊機，該機器專門設計用于結構樣品的動態試驗，并在高強度材料上進行了一些沖擊試驗。這臺機器使我們能夠將對結構動態性能的研究擴展到比標準伺服液壓機更快的加載速率。事實上，我們已經進行了一系列測試，以測量不同類型的高強度材料的斷裂功，跨度為六個數量級位移速率的大小。當速率高于10 mm/s時，斷裂功增加。由于我們的伺服液壓裝置可實現的最快加載速率約為30 mm/s，我們需要新的裝置來研究更高加載速率下的速率敏感性。文中還舉例說明了如何使用該裝置來測量高強度材料的斷裂動態功。本文的結構如下：首先對該機器進行了描述，進而介紹了動態三點彎曲試驗的詳細信息，再對結果進行介紹和討論。最后，得出了一些結論。

1? 落球模擬沖擊試驗機簡介

如圖1所示，該落球模擬沖擊試驗機由機械結構和數據采集系統兩個主要部分組成，前者是一個落球，由兩個堅固的柱子引導，可以用于高能量撞擊樣本。后者由壓電力傳感器、加速度計、光纖光電傳感器、示波器和信號調節器組成。落球沖擊機經過初步設計，引導錘子的兩個立柱被預應力作用在高3.7 m的1.2 m厚的強樓層上下板上。立柱推動強樓層下板穿過95 mm厚的鋼板，試樣的支架可以連接在鋼板上。在鋼板之間，我們鋪設了一層非常薄的氯丁橡膠層（0.5 mm），以便盡可能均勻地分布傳遞到樓板的應力。通過這種方式，堅固的地板充當了一個非常堅硬的反應框架；同樣，它可以以可忽略的運動耗散通過試樣傳輸的能量。此外，機器的操作不會對包含實驗室的建筑結構造成任何損壞或干擾，因為堅固的地板是一個完全獨立的結構?？蚣苤蝺蓚€直徑為90 mm的導柱（導軌），其中錘子可以通過起重機和鏈條系統提升到預定高度，然后允許其自由下落，以撞擊支撐在兩個支架上的樣品。

該機器能夠在支架上方提供2 595 mm的自由下落高度。設計了兩種類型的錘子，用于對不同類型的試樣進行測試。一種是質量為18.60 kg的鋁錘，另一種是鋼錘，質量可以在60.55到315.55 kg之間，增量為15 kg。通過從不同高度落下錘子，可以改變施加的加載速率。

1.1? 力學傳感器

錘擊錘與試樣之間的沖擊力由204C型壓電力傳感器（由美國紐約州紐約市PCB公司制造）測量，測量范圍高達177.92 kN。此外，支撐件與試樣間的反作用力由另外兩個203B型力傳感器確定，該傳感器可測量高達89 kN。傳感器的校準也由PCB公司提供，傳感器的精度為0.7 N。

1.2? 加速度傳感器

沿著梁的長度安裝的加速度計也是壓電傳感器，其諧振頻率大于70 kHz。加速度計的分辨率為0.1 g，讀數可達±1 000 g（其中g是地球的重力加速度）。加速度計的校準由PCB公司提供。

1.3? 磁條和磁傳感器

錘沿立柱的位置可以通過安裝在立柱上的磁條和固定在錘側面的磁性傳感器（型號MSK 5 000；SIKO GmbH，Kirchzarten，德國）檢測，其分辨率為0.001 mm。

1.4? 光纖光電傳感器

當固定在沿立柱滑動的錘子上的鋼板經過光學纖維光電傳感器（型號：OMRON E3x NA；OMRON Electronics，Sidney，Australia）的光路時，傳感器會發出24-V信號，用于觸發數據采集系統。

1.5? 數據采集系統

數據采集系統由兩個Tektronix示波器（型號：TDS3014B；美國俄勒岡州比弗頓Tektroniz）、兩個信號調節器（型號：482A22；Tektronis）和一臺計算機組成。

信號調節器是一個四通道、線性操作的傳感器系統。該裝置為內置傳感器放大器提供恒定電流激勵，并將交流信號與直流偏置電壓解耦。恒定電流輸出范圍為2至20 mA。示波器有四個通道，用于記錄沖擊過程中傳感器的數據。該設備的帶寬為100 MHz，最大采樣率為1.25 GHz。

2? 動態三點彎曲試驗

測試梁的尺寸為橫截面為100 mm×100 mm，總長度為420 mm。初始缺口深度比約為0.5，試驗期間跨度固定在400 mm。在準靜態加載條件下，我們使用Elices、Guinea和Plana設計的程序來測量材料的斷裂能，這導致了斷裂能的尺寸無關結果。因此，在動態加載條件下，采用相同尺寸的試樣來測量斷裂功。跌落高度錘擊設定為300 mm，錘擊加速度為9.42±0.25 m/s），沖擊速度為2.40±0.05 m/s）。對于數據采集系統，采樣率設置為1 MHz。

2.1? 材料特性

在整個實驗中使用單一的高強度材料，該材料由最大尺寸為12 mm的安山巖骨料和ASTM I型水泥制成。在材料組合物中使用微硅粉漿和高效減水劑（ACE 325，B225；Evonik Degussa GmbH，Essen，Germany）。水灰比（w/c）固定為0.33。

對樣品制作過程進行了嚴格控制，以最大限度地減少測試結果中的散射。所有試樣均在鋼模中鑄造，通過振動臺振動，包裹固化24小時，脫模并在20 ℃的潮濕室內儲存4周，98%的相對濕度，直到進行測試。

根據ASTM C39和C469在75 mm × 150 mm（直徑×高度）圓柱體上進行壓縮試驗。巴西的試驗也按照ASTM C496推薦的程序使用相同尺寸的圓柱體進行。我們制作了八個氣缸，其中四個用于壓縮測試，四個用于分裂測試。顯示了材料的特征力學參數在各種表征和控制測試中確定。材料的質量密度為2 337.5 kg/m。

2.2? 加載點位移的確定

有幾種技術可以測量動態加載條件下的加載點位移。例如，非接觸式線性接近測量系統、高速攝像機和加速度計。在這里，加速度計被用來確定加載點的位移。沿梁的長度安裝了三個加速度計，相鄰加速度計之間的距離為40 mm，左側加速度計距離試樣中心80 mm。位移可以通過加速度的二重積分來獲得，然后可以通過線性外推來確定加載點位移。

3? 實驗結果與討論

使用落球式沖擊機進行了五次沖擊試驗，典型結果如圖2所示。實際沖擊脈沖是第一個脈沖，振幅為40.24 kN。第二個小振幅脈沖對應于試樣失效后記錄的反彈。沖擊力實際上在0.010 26秒開始，因為信號沒有時間偏移。

將沖擊力與反作用力進行比較，如圖3所示，可以明顯看出，沖擊力的峰值載荷（40.24 kN）遠大于反作用力的峰值負荷（7.06 kN），而后者僅為前者的17.5%。這表明，在加載過程中，大部分沖擊力用于保持與慣性力的平衡，而實際上只有一小部分沖擊力用于使試樣變形和斷裂，這一小部分等于反作用力。隨后，使用反作用力計算動態載荷下的斷裂功。

值得注意的是，沖擊力和反作用力的起始點之間的時間間隔約為294 ms。然而，剪切應力波從沖擊點傳播到支撐點只需要大約92 ms。因此，存在約200 ms的明顯時間延遲。盡管國外使用鋼軛來限制加固梁的垂直運動。這種時間延遲的原因可以解釋如下。盡管試樣在到達試樣時開始受到沖擊脈沖的沖擊，但其初始上升期的振幅太小，無法使試樣充分變形，從而產生接觸電阻的變化。因此，在這個初始加載期間，反作用力的信號沒有顯示出明顯的變化。然而，當試樣吸收的沖擊能量足夠大時，由于試樣變形引起的接觸電阻發生相對較大的變化，因此開始出現可測量的信號變化。

由于反作用力的初始時間已經改變，因此，沖擊和反作用力具有相同的起點。試樣消耗的能量由荷載-位移曲線下的面積決定。也就是說，沖擊能量是通過沖擊力—位移曲線下的面積來計算的，而斷裂功是通過反作用力—位移曲線來獲得的。很明顯，梁吸收的大部分沖擊能量（9.91 J）用于與動能、應變能以及機器彈性變形吸收的一些能量保持平衡。只有一小部分沖擊能量，即斷裂功（1.3 J）用于使梁變形和斷裂。該能量表示創建兩個新的斷裂表面所需的能量。在這種情況下，錘子提供的總能量為53.57 J。

通過沖擊載荷下的反作用力和靜態載荷條件下的彎曲載荷之間的比較。沖擊載荷下的斷裂功（1.3 J）遠高于靜態載荷下的（0.7 J），這意味著可以注意到顯著的加載速率敏感性。結構在沖擊荷載下比在靜態荷載條件下更堅固（高峰荷載）和更堅硬（更多的斷裂功）。高強度材料的這種趨勢與其他研究人員獲得的結果一致。

4? 結? 論

本文介紹了一種新型落球模擬沖擊試驗機的主要特性，該機是專門為研究結構樣品的動態力學性能而設計的，這種類型的設備已被用于在中高速加載速率下產生簡單且可測量的斷裂過程，通過研究得到以下結論：

1）一種新型落球沖擊機已成功設計、制造、安裝和調試，用于研究材料和結構的沖擊行為。它由一個由兩個柱子引導的錘子組成，可以用高達8 kJ的能量撞擊試樣。該設備配備了一個數據采集系統，該系統可以精確測量沖擊力和支撐力以及試樣幾個選定點的加速度。

2）這臺機器使我們能夠將我們對結構動態性能的研究擴展到一個新的加載速率范圍，超過液壓機提供的加載速率。

3）本文中的驗證試驗證實，高性能材料結構是一種對荷載率敏感的材料。它在沖擊載荷下比在靜態載荷下承受更高的載荷并吸收更多的能量。

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作者簡介：韓占政（1987—），男，漢族，江蘇連云港人，中級工程師，學士學位，研究方向：機械工程。