动量交换驱动式冲击压痕测试装置及测试方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种动量交换驱动式冲击压痕测试装置及测试方法，该装置包括驱动单元、测量单元、定位与换点单元和原位观测单元，上述模块化单元采用动量交换方式，驱动压头压入被测试件，通过测量单元拾取冲击压痕测试过程中的力与位移信息，原位观测单元实时记录被测试件的变形与热分布，驱动单元的运动特性和程序自动控制避免产生二次冲击，本发明专利技术的测试装置为高应变速率下材料力学性能测试分析提供了必要的试验手段与测试装置，对航空航天、装甲防护和物性表征等领域具有良好的应用前景。防护和物性表征等领域具有良好的应用前景。防护和物性表征等领域具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
动量交换驱动式冲击压痕测试装置及测试方法


[0001]本专利技术涉及精密仪器领域，涉及一种动量交换驱动式冲击压痕测试装置及测试方法。

技术介绍

[0002]材料是一切高新技术的支撑和先导。在军事装甲防护、超高速加工、航空航天安全防护等关键核心领域，材料均面临着高应变率的冲击工况，以传统的静力学测试手段得到的材料力学性能参数将有失效的危险。因此，提出一种可靠的高应变率冲击加载测试装置极为重要。
[0003]目前，高应变率的材料微观力学性能测试装置整体来看处于发展中阶段，具体表现在对于高应变率的冲击加载有多种实现方式而又存在诸多问题，如美国密歇根大学Ghatu Subhash等人研制的基于霍普金森杆实现的冲击压痕装置，其先后将应变片贴在霍普金森入射杆和悬臂梁上，分别采用直接应用应力波信号反推计算压入力和压入位移和采用测量悬臂梁挠度变形及压电力传感器来直接测量压入力和压入位移两种方式进行测试，由于霍普金森杆的驱动需满足一维应力波的假设，应力波在压头处会产生波形的弥散，导致冲击加载不稳定、测量信号噪声极大，且难以得到压痕曲线；又如英国Micro Materials Ltd.公司开发的基于电磁驱动摆锤式的冲击压痕测试装置，存在重复加载的问题，且其冲击加速空间受位移传感器测量范围的限制，导致压入速度小、能量低；再如美国Nanomechanics Inc.公司开发的基于音圈电机驱动的冲击压入装置，其采用阶跃电流信号驱动音圈电机实现压入，亦存在重复压入的问题，且未给出曲线；还如瑞士的Alemnis AG公司开发的利用压电驱动实现冲击压入，但是其也存在压入速度和能量太低的问题。以上要么由于测试原理的问题难以得到测试曲线，无法进行深入分析，要么测试仪器存在重复压入和压入能量低、压入速度小的问题，脱离材料的实际受载工况。
[0004]因此，亟需一种稳定可靠、压入速度和能量可调控、可防止二次加载的冲击压痕测试装置，应用在超高速加工、航空航天和军事防护等领域。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种动量交换驱动式冲击压痕测试装置，对被测试件进行可控压入速度和能量的冲击加载，获取压入过程的压入力和位移曲线，并防止压头对被测试件二次加载。
[0006]本专利技术的目的通过如下技术方案实现：
[0007]一种动量交换驱动式冲击压痕测试装置，包括原位观测单元2、定位与换点单元3、驱动单元4、测量单元5、数据采集卡6、运动控制卡7和控制系统8；所述原位观测单元2用于观测被测试件515上的压入位置，并将被测试件515的变形与热分布数据传输至控制系统8；所述驱动单元4包括重量相同的第一组件和第二组件，第一组件摆动后撞击第二组件进行平移运动；所述第一组件包括摆杆411、摆杆的下端固定连接的锤头47、锤头47前端固定连
接的球头49和锤头47下端安装的遮光板46，第一组件的重心位于球头49的中轴线上；所述第二组件包括柔性铰链43、柔性铰链43的运动部前端固定连接的压头42，柔性铰链43的运动部后端固定连接的撞击块410，第二组件的重心位于柔性铰链43运动部的中轴线上；所述球头49摆动至最低点时轴心和撞击块410轴心位于同一条水平线上；所述第一组件通过摆动控制组件驱动摆杆411摆动，所述摆动控制组件包括摆锤轴418、电机417和用于安装摆锤轴418机架412，电机轴与摆锤轴418通过电磁离合420连接，所述摆锤轴418上安装有编码器413；所述被测试件515和柔性铰链43均安装在定位与换点单元3上，由定位与换点单元3带动进行X轴定位和YZ方向换点；所述测量单元5包括待激光干涉仪、压电力传感器56、直角棱镜58、反射镜510和光电开关511，所述被测试件515和直角棱镜58安装在压电力传感器56的测量端，激光干涉仪的探头55发出光束依次进入到直角棱镜58和平面反射镜510，直角棱镜58的入射面和平面反射镜510为45度角，平面反射镜510垂直于压头42的轴线；所述压头42、被测试件515和压电力传感器56三者的轴线平行，在球头49位于最低点时，遮光板46两端位于光电开关511的狭缝中；所述控制系统8通过运动控制卡7对电磁离合420、电机417和编码器413进行信号接收和控制，通过数据采集卡6采集光电开关511和压电力传感器56数据。
[0008]作为本专利技术更优的技术方案，所述原位观测单元2包括高速相机28和热像仪24，所述高速相机28和热像仪24分别通过三维运动平台Ⅰ22和三维运动平台Ⅱ26调整空间位置使其观测轴线与压头42运动轴线在同一水平面内。
[0009]作为本专利技术更优的技术方案，所述机架412的顶部固定连接有安装板
Ⅵ
415，所述安装板
Ⅵ
415上固定连接电机415，所述摆锤轴418通过支撑座安装在安装板
Ⅵ
415上。
[0010]作为本专利技术更优的技术方案，所述电机415轴通过减速器423和传动轴422连接，所述传动轴422通过电磁离合420和摆锤轴418连接。
[0011]作为本专利技术更优的技术方案，所述定位与换点单元3包括基座31、安装板Ⅳ32、安装板
Ⅴ
33、X轴宏观定位平台36、转接板Ⅲ35、X轴微观定位平台38，安装板Ⅳ32安装在基座31上，安装板
Ⅴ
33安装在安装板Ⅳ32上，通过安装板
Ⅴ
33上的长条形钥匙孔，安装板
Ⅴ
33可沿X轴方向前后调节位置，X轴宏观定位平台36安装在安装板
Ⅴ
33上，X轴宏观定位平台36两侧各有一加固板34安装在安装板
Ⅴ
33上，加固板34厚度低于X轴宏观定位平台36安装平面高度，转接板Ⅲ35安装在X轴宏观定位平台36安装平面上，X轴微观定位平台38安装在转接板Ⅲ35上，转接板Ⅳ32、加固肋板311、转接板
Ⅴ
312固联，转接板Ⅳ39安装在X轴微观定位平台38上，YZ换点平台314安装在转接板
Ⅴ
312上，转接板
Ⅵ
315安装在YZ换点平台314上，X轴宏观定位平台36带动YZ换点平台314和X轴微观定位平台38沿X轴做宏观移动和定位，X轴微观定位平台38带动YZ换点平台314沿X轴做微观移动和定位，YZ换点平台314带动压电力传感器56和试件台59沿YZ方向换点。
[0012]作为本专利技术更优的技术方案，所述探头55通过探头座54安装在三维运动平台Ⅲ52上，探头55与激光干涉仪控制器51通过光纤连接，探头55通过三维运动平台Ⅲ52调整空间位置使其测量轴线与直角棱镜58中心和反射镜510中心在同一水平面内且反射镜510的入射光线和反射光线重合且平行于压头42轴线，实现对压入位移的测量。
[0013]作为本专利技术更优的技术方案，所述压电力传感器56的测量端固定连接有转接板
Ⅶ
57，直角棱镜58与被测试件515安装在转接板
Ⅶ
57上的同一侧。
[0014]作为本专利技术更优的技术方案，所述光电开关511通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种动量交换驱动式冲击压痕测试装置，其特征在于：包括原位观测单元、定位与换点单元、驱动单元、测量单元、数据采集卡、运动控制卡和控制系统；所述原位观测单元用于观测被测试件上的压入位置，并将被测试件的变形与热分布数据传输至控制系统；所述驱动单元包括重量相同的第一组件和第二组件，第一组件摆动后撞击第二组件进行平移运动；所述第一组件包括摆杆、摆杆的下端固定连接的锤头、锤头前端固定连接的球头和锤头下端安装的遮光板，第一组件的重心位于球头的中轴线上；所述第二组件包括柔性铰链、柔性铰链的运动部前端固定连接的压头，柔性铰链的运动部后端固定连接的撞击块，第二组件的重心位于柔性铰链运动部的中轴线上；所述球头摆动至最低点时轴心和撞击块轴心位于同一条水平线上；所述第一组件通过摆动控制组件驱动摆杆摆动，所述摆动控制组件包括摆锤轴、电机和用于安装摆锤轴机架，电机轴与摆锤轴通过电磁离合连接，所述摆锤轴上安装有编码器；所述被测试件和柔性铰链均安装在定位与换点单元上，由定位与换点单元带动进行X轴定位和YZ方向换点；所述测量单元包括待激光干涉仪、压电力传感器、直角棱镜、反射镜和光电开关，所述被测试件和直角棱镜安装在压电力传感器的测量端，激光干涉仪的探头发出光束依次进入到直角棱镜和平面反射镜，直角棱镜的入射面和平面反射镜为度角，平面反射镜垂直于压头的轴线；所述压头、被测试件和压电力传感器三者的轴线平行，在球头位于最低点时，遮光板两端位于光电开关的狭缝中；所述控制系统通过运动控制卡对电磁离合、电机和编码器进行信号接收和控制，通过数据采集卡采集光电开关和压电力传感器数据。2.如权利要求1所述的动量交换驱动式冲击压痕测试装置，其特征在于：所述原位观测单元包括高速相机和热像仪，所述高速相机和热像仪分别通过三维运动平台Ⅰ和三维运动平台Ⅱ调整空间位置使其观测轴线与压头运动轴线在同一水平面内。3.如权利要求1所述的动量交换驱动式冲击压痕测试装置，其特征在于：所述机架的顶部固定连接有安装板
Ⅵ
，所述安装板
Ⅵ
上固定连接电机，所述摆锤轴通过支撑座安装在安装板
Ⅵ
上。4.如权利要求1所述的动量交换驱动式冲击压痕测试装置，其特征在于：所述电机轴通过减速器和传动轴连接，所述传动轴通过电磁离合和摆锤轴连接。5.如权利要求1所述的动量交换驱动式冲击压痕测试装置，其特征在于：所述定位与换点单元包括基座、安装板Ⅳ、安装板
Ⅴ
、X轴宏观定位平台、转接板Ⅲ、X轴微观定位平台，安装板Ⅳ安装在基座上，安装板
Ⅴ
安装在安装板Ⅳ上，通过安装板
Ⅴ
上的长条形钥匙孔，安装板
Ⅴ
可沿X轴方向前后调节位置，X轴宏观定位平台安装在安装板
Ⅴ
上，X轴宏观定位平台两侧各有一加固板安装在安装板
Ⅴ
上，加固板厚度低于X轴宏观定位平台安装平面高度，转接板Ⅲ安装在X轴宏观定位平台安装平面上，X轴微观定位平台安装在转接板Ⅲ上，转接板Ⅳ、加固肋板、转接板
Ⅴ
固联，转接板Ⅳ安装在X轴微观定位平台上，YZ换点平台安装在转接板
Ⅴ
上，转接板...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宏伟，李聪，王顺博，王众玄，张建海，石成玉，朱志远，宗翔宇，赵泽睿，魏朋飞，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：