落球模拟冲击试验机的研究与开发

落球模拟冲击试验机的研究与开发作者：***
来源：《现代信息科技》2023年第23期
摘要：文章介绍了一种新型落球模拟冲击试验机的主要特性，该机是专门为研究结构样品的动态力学性能而设计的，这种类型的设备已被用于在中高速加载速率下产生简单且可测量的断裂过程。

该机器由两个主要部分组成，即机械结构和数据采集系统，前者只是一个落球，由两个坚固的柱子引导，可以用于高能量撞击样本。

后者由压电力传感器、加速度计和光纤光电传感器以及示波器和信号调节器组成。

关键词：落球；冲击试验机；动态力学性能；加载速率
中图分类号：TP212.9；TH87 文献标识码：A 文章编号：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
結构对动态载荷的响应在各种民用和军事应用中都很受关注。

例如，核电站的防护壳预计能够承受来袭导弹甚至军用喷气式飞机撞击的冲击载荷；由于飞机起飞和降落，机场跑道必须承受重复的动态载荷；自然灾害（如龙卷风、地震和海浪）、意外撞击或故意爆炸引起的结构或建筑物的动态荷载也是一个非常值得关注的实际问题。

结构在冲击或冲击载荷下的性能表征是这些结构设计和分析的先决条件[1]。

针对冲击或冲击载荷下的性能表征的研究主要有数值模拟的话方法和落球试验等。

在数值模拟方法方面，有限元（FE）方法不仅用于提供一种强大的方法来预测结构动态载荷的响应，还用于模拟试样在过渡温度下的断裂行为。

模拟试样在转变温度下的动态载荷的响应需要同时模拟相互作用的响应，这一问题迄今尚未解决。

文献中的大多数工作都考虑了结构损伤模拟[2]。

例如，我国利用裂纹尖端张开角（CTOA）概念分析了室温下各种管线钢在冲击或冲击载荷下的动态响应行为。

在其他研究中，二维共粘性区模型用于模拟结构中稳定的动态响应行为。

后来，我国使用三维模型进行了类似的研究，并将模拟吸收能与实验吸收能进行了比较。

美国使用Gurson-Tvergaard Needleman（GTN）模型模拟了结构的动态响应行为。

上述螺柱在上层搁板温度下对结构试样进行了动态响应行为模拟。

事实上，有许多研究提供了上述动态响应行为模拟技术的解释，这些技术结合了基于Beremin模型的解理失效概率。

欧洲试图通过结合GTN模型来预测动态响应行为的失效概率，从而确定与温度无关的Beremin参数[3]。

我国结合GTN和Beremin模型对动态响应行为进行了表征。

然而，国内外还没有发表一项同时模拟相互作用的动态响应行为的研究。

现有研究仅计算了一定量损伤的动态响应行为失效概率。

由于威布尔应力只能通过模拟结果的后处理来计算，因此无法从模拟中获得按韧性或解理分类的详细动态响应行为。

此外，威布尔应力方法仅假设在超过参考值后发生完全损伤，因此无法适应损伤开始后发生的动态响应行为。

我国已经提出了一种同时模拟相互作用的动态响应行为的数值方法，并将其应用于模拟延性-脆性转变温度下的冲击试验。

为了模拟韧性撕裂，应用了应力修正断裂应变（SMFS）模型，其中断裂应变被假设为应力三轴度的逆指数函数。

尽管该模型很简单，但将模拟结果与我们之前工作中的裂管试验数据进行比较表明，该模型非常有效，预测非常准确。

为了模拟动态响应行为，使用了最大主应力标准。

需要注意的是，尽管威布尔应力方法已被广泛用于量化动态响应行为，但它只能根据后处理的有限元结果进行计算，因此不适用于相互作用的动态响应行为。

然而，根据夏比冲击试验的有限元分析，表明最大主应力标准相当于威布尔应力。

通过使用有限元分析对夏比冲击试验进行分析，建立了夏比冲击试验能量与最大主应力之间的关系，作为动态响应行为的标准，模拟的断裂面与不同温度下的夏比冲击试验数据吻合良好，表明了所提方法的有效性。

当高斯点的最大主应力达到预先定义的临界值时，动态响应行为也由用户子程序函数实现。

在动态响应行为模拟中，通过相同的机制来定义损伤。

一个值得注意的点是元素的大小。

单元尺寸对有限元损伤模拟结果的影响是众所周知的。

这只是因为损伤模型取决于应力和应变状态，而应力和应力状态取决于有限元分析中的元素尺寸。

例如，对于给定的损伤模型，使用较大单元尺寸预测的裂纹萌生和扩展往往会延迟。

因此，应调整损伤模型中的一些参数，以补偿元件尺寸的影响。

请注意，在
我们之前研究的夏比冲击试验模拟中，使用了0.1 mm的元件尺寸，而没有造成任何数值困难，因为夏比试样的无缺口韧带尺寸仅为8 mm。

然而，在模拟韧带更长的较大样本的损伤时，很难使用这样一个小元素来保持数值稳定性。

因此，我们认为，在对长裂纹扩展进行数值裂纹扩展建模时，单元尺寸对损伤模型的影响是一个需要解决的重要问题[4]。

相比与数值模拟，落球试验更容易得到结构的动态力学性能。

目前，我国已经发展了几种技术来研究结构的动态力学行为。

例如，改良的夏比冲击试验，如冶金学家使用的传统夏比冲击机，允许摆动摆锤在其路径上撞击试样，从而传递动量并导致高应力率。

其他重要的冲击试验包括分离式霍普金森压杆试验，其中试样夹在两个弹性压杆之间，通过使用落球或抛射物产生应力波。

由于样品的尺寸，上述两种技术不便于测试结构的抗冲击性。

相反，落球冲击试验可方便地用于研究结构的冲击响应[5]。

在小型化落球机研究方面，近年来，笔记本电脑、智能手机和平板电脑等小型电气设备被要求具有高可靠性，即使它们掉在地上，或者它们的屏幕被物体撞击。

因此，在设计电气设备时，必须确定电气基板与毫米或微米大小的电气部件（如电阻器和电容器）之间的焊点的冲击强度。

在生产许多部件时，由于在电路板上高速安装了许多小型电气设备，因此还必须考虑设备的冲击断裂。

因此，用冲击试验机评估小部件的强度是很重要的。

到目前为止，已经开发了几种小型冲击试验机，尤其是用于测量焊点强度的冲击试验机。

焊点的断裂能可以通过使用小型摆锤试验机进行测量。

焊点的冲击载荷-位移曲线可以使用带有称重传感器的微冲击测试仪系统进行测量。

通过应用分离式霍普金森压杆测试来评估电子电路板上焊点的冲击强度。

这些机器中的传感器，如应变计和称重传感器，被限制在几毫米或更多，从而限制了冲击测试机器本身。

因此，需要一种新的测量方法来缩小冲击试验机的尺寸，以测量较小试样的冲击载荷和变形[6]。

目前，已经开发了几种冲击测试方法来评估结构或结构材料，其中许多方法被用作行业标准。

通常对电气产品进行跌落产品测试和振动测试，以验证产品的耐久性。

虽然无须特殊设备即可轻松进行跌落试验，但无法定量评估产品的机械财产[6-8]。

摆锤试验，如夏比和伊祖德冲击试验，是众所周知的常用冲击试验方法。

然而，试样的机械财产，如机械设计所需的弹性模量、强度和断裂韧性，无法通过普通摆锤试验进行测量，因为只有断裂能是根据试样冲击断裂导致的摆锤损失能量来评估的。

目前，通常使用分离式霍普金森压力棒试验机或改进型机器来测量机械财产，这些机械性能是通过使用應变计在机器杆中传播的应力波计算得出的。

还开发了单棒法来测量机械财产。

或者，可以使用称重传感器进行落球试验来评估财产[9，10]。

在本文中，我们描述了一种新的落球冲击机，该机器专门设计用于结构样品的动态试验，并在高强度材料上进行了一些冲击试验。

这台机器使我们能够将对结构动态性能的研究扩展到比标准伺服液压机更快的加载速率。

事实上，我们已经进行了一系列测试，以测量不同类型的高强度材料的断裂功，跨度为六个数量级位移速率的大小。

当速率高于10 mm/s时，断裂功增加。

由于我们的伺服液压装置可实现的最快加载速率约为30 mm/s，我们需要新的装置来研究更高加载速率下的速率敏感性。

文中还举例说明了如何使用该装置来测量高强度材料的断裂动
态功。

本文的结构如下：首先对该机器进行了描述，进而介绍了动态三点弯曲试验的详细信息，再对结果进行介绍和讨论。

最后，得出了一些结论。

1 落球模拟冲击试验机简介
如图1所示，该落球模拟冲击试验机由机械结构和数据采集系统两个主要部分组成，前者是一个落球，由两个坚固的柱子引导，可以用于高能量撞击样本。

后者由压电力传感器、加速度计、光纤光电传感器、示波器和信号调节器组成。

落球冲击机经过初步设计，引导锤子的两个立柱被预应力作用在高3.7 m的1.2 m厚的强楼层上下板上。

立柱推动强楼层下板穿过95 mm厚的钢板，试样的支架可以连接在钢板上。

在钢板之间，我们铺设了一层非常薄的氯丁橡胶层（0.5 mm），以便尽可能均匀地分布传递到楼板的应力。

通过这种方式，坚固的地板充当了一个非常坚硬的反应框架；同样，它可以以可忽略的运动耗散通过试样传输的能量。

此外，机器的操作不会对包含实验室的建筑结构造成任何损坏或干扰，因为坚固的地板是一个完全独立的结构。

框架支撑两个直径为90 mm的导柱（导轨），其中锤子可以通过起重机和链条系统提升到预定高度，然后允许其自由下落，以撞击支撑在两个支架上的样品。

该机器能够在支架上方提供2 595 mm的自由下落高度。

设计了两种类型的锤子，用于对不同类型的试样进行测试。

一种是质量为18.60 kg的铝锤，另一种是钢锤，质量可以在60.55到315.55 kg之间，增量为15 kg。

通过从不同高度落下锤子，可以改变施加的加载速率。

1.1 力学传感器
锤击锤与试样之间的冲击力由204C型压电力传感器（由美国纽约州纽约市PCB公司制造）测量，测量范围高达177.92 kN。

此外，支撑件与试样间的反作用力由另外两个203B型力传感器确定，该传感器可测量高达89 kN。

传感器的校准也由PCB公司提供，传感器的精度为0.7 N。

1.2 加速度传感器
沿着梁的长度安装的加速度计也是压电传感器，其谐振频率大于70 kHz。

加速度计的分辨率为0.1 g，读数可达±1 000 g（其中g是地球的重力加速度）。

加速度计的校准由PCB公司提供。

1.3 磁条和磁传感器
锤沿立柱的位置可以通过安装在立柱上的磁条和固定在锤侧面的磁性传感器（型号MSK 5 000；SIKO GmbH，Kirchzarten，德国）检测，其分辨率为0.001 mm。

1.4 光纤光电传感器
当固定在沿立柱滑动的锤子上的钢板经过光学纤维光电传感器（型号：OMRON E3x NA；OMRON Electronics，Sidney，Australia）的光路时，传感器会发出24-V信号，用于触发数据采集系统。

1.5 数据采集系统
数据采集系统由两个Tektronix示波器（型号：TDS3014B；美国俄勒冈州比弗顿Tektroniz）、两个信号调节器（型号：482A22；Tektronis）和一台计算机组成。

相比与数值模拟，落球试验更容易得到结构的动态力学性能。

目前，我国已经发展了几种技术来研究结构的动态力学行为。

例如，改良的夏比冲击试验，如冶金学家使用的传统夏比冲击机，允许摆动摆锤在其路径上撞击试样，从而传递动量并导致高应力率。

其他重要的冲击试验包括分离式霍普金森压杆试验，其中试样夹在两个弹性压杆之间，通过使用落球或抛射物产生应力波。

由于样品的尺寸，上述两种技术不便于测试结构的抗冲击性。

相反，落球冲击试验可方便地用于研究结构的冲击响应[5]。

在小型化落球机研究方面，近年来，笔记本电脑、智能手机和平板电脑等小型电气设备被要求具有高可靠性，即使它们掉在地上，或者它们的屏幕被物体撞击。

因此，在设计电气设备时，必须确定电气基板与毫米或微米大小的电气部件（如电阻器和电容器）之间的焊点的冲击强度。

在生产许多部件时，由于在电路板上高速安装了许多小型电气设备，因此还必须考虑设备的冲击断裂。

因此，用冲击试验机评估小部件的强度是很重要的。

到目前为止，已经开发了几种小型冲击试验机，尤其是用于测量焊点强度的冲击试验机。

焊点的断裂能可以通过使用小型摆锤试验机进行测量。

焊点的冲击载荷-位移曲线可以使用带有称重传感器的微冲击测试仪系统进行测量。

通过应用分离式霍普金森压杆测试来评估电子电路板上焊点的冲击强度。

这些机器中的传感器，如应变计和称重传感器，被限制在几毫米或更多，从而限制了冲击测试机器本身。

因此，需要一种新的测量方法来缩小冲击试验机的尺寸，以测量较小试样的冲击载荷和变形[6]。

目前，已经开发了几种冲击测试方法来评估结构或结构材料，其中许多方法被用作行业标准。

通常对电气产品进行跌落产品测试和振动测试，以验证产品的耐久性。

虽然无须特殊设备即可轻松进行跌落试验，但无法定量评估产品的机械财产[6-8]。

摆锤试验，如夏比和伊祖德冲击试验，是众所周知的常用冲击试验方法。

然而，试样的机械财产，如机械设计所需的弹性模量、强度和断裂韧性，无法通过普通摆锤试验进行测量，因为只有断裂能是根据试样冲击断裂导致的摆锤损失能量来评估的。

目前，通常使用分离式霍普金森压力棒试验机或改进型机器来测量机械财产，这些机械性能是通过使用应变计在机器杆中传播的应力波计算得出的。

还开发了单棒法来测量机械财产。

或者，可以使用称重传感器进行落球试验来评估财产[9，10]。

在本文中，我们描述了一种新的落球冲击机，该机器专门设计用于结构样品的动态试验，并在高强度材料上进行了一些冲击试验。

这台机器使我们能够将对结构动态性能的研究扩展到比标准伺服液压机更快的加载速率。

事实上，我们已经进行了一系列测试，以测量不同类型的高强度材料的断裂功，跨度为六个数量级位移速率的大小。

当速率高于10 mm/s时，断裂功增
加。

由于我们的伺服液压装置可实现的最快加载速率约为30 mm/s，我们需要新的装置来研究更高加载速率下的速率敏感性。

文中还举例说明了如何使用该装置来测量高强度材料的断裂动态功。

本文的结构如下：首先对该机器进行了描述，进而介绍了动态三点弯曲试验的详细信息，再对结果进行介绍和讨论。

最后，得出了一些结论。

1 落球模拟冲击试验机简介
如图1所示，该落球模拟冲击试验机由机械结构和数据采集系统两个主要部分组成，前者是一个落球，由两个坚固的柱子引导，可以用于高能量撞击样本。

后者由压电力传感器、加速度计、光纤光电传感器、示波器和信号调节器组成。

落球冲击机经过初步设计，引导锤子的两个立柱被预应力作用在高3.7 m的1.2 m厚的强楼层上下板上。

立柱推动强楼层下板穿过95 mm厚的钢板，试样的支架可以连接在钢板上。

在钢板之间，我们铺设了一层非常薄的氯丁橡胶层（0.5 mm），以便尽可能均匀地分布传递到楼板的应力。

通过这种方式，坚固的地板充当了一个非常坚硬的反应框架；同样，它可以以可忽略的运动耗散通过试样传输的能量。

此外，机器的操作不会对包含实验室的建筑结构造成任何损坏或干扰，因为坚固的地板是一个完全独立的结构。

框架支撑两个直径为90 mm的导柱（导轨），其中锤子可以通过起重机和链条系统提升到预定高度，然后允许其自由下落，以撞击支撑在两个支架上的样品。

该机器能够在支架上方提供2 595 mm的自由下落高度。

设计了两种类型的锤子，用于对不同类型的试样进行测试。

一种是质量为18.60 kg的铝锤，另一种是钢锤，质量可以在60.55到315.55 kg之间，增量为15 kg。

通过从不同高度落下锤子，可以改变施加的加载速率。

1.1 力学传感器
锤击锤与试样之间的冲击力由204C型压电力传感器（由美国纽约州纽约市PCB公司制造）测量，测量范围高达177.92 kN。

此外，支撑件与试样间的反作用力由另外两个203B型力传感器确定，该传感器可测量高达89 kN。

传感器的校准也由PCB公司提供，传感器的精度为0.7 N。

1.2 加速度传感器
沿着梁的长度安装的加速度计也是压电传感器，其谐振频率大于70 kHz。

加速度计的分辨率为0.1 g，读数可达±1 000 g（其中g是地球的重力加速度）。

加速度计的校准由PCB公司提供。

1.3 磁条和磁传感器
锤沿立柱的位置可以通过安装在立柱上的磁条和固定在锤侧面的磁性传感器（型号MSK 5 000；SIKO GmbH，Kirchzarten，德国）检测，其分辨率为0.001 mm。

1.4 光纤光电传感器
当固定在沿立柱滑动的锤子上的钢板经过光学纤维光电传感器（型号：OMRON E3x NA；OMRON Electronics，Sidney，Australia）的光路时，传感器会发出24-V信号，用于触发数据采集系统。

1.5 数据采集系统
数据采集系統由两个Tektronix示波器（型号：TDS3014B；美国俄勒冈州比弗顿Tektroniz）、两个信号调节器（型号：482A22；Tektronis）和一台计算机组成。

相比与数值模拟，落球试验更容易得到结构的动态力学性能。

目前，我国已经发展了几种技术来研究结构的动态力学行为。

例如，改良的夏比冲击试验，如冶金学家使用的传统夏比冲击机，允许摆动摆锤在其路径上撞击试样，从而传递动量并导致高应力率。

其他重要的冲击试验包括分离式霍普金森壓杆试验，其中试样夹在两个弹性压杆之间，通过使用落球或抛射物产生应力波。

由于样品的尺寸，上述两种技术不便于测试结构的抗冲击性。

相反，落球冲击试验可方便地用于研究结构的冲击响应[5]。

在小型化落球机研究方面，近年来，笔记本电脑、智能手机和平板电脑等小型电气设备被要求具有高可靠性，即使它们掉在地上，或者它们的屏幕被物体撞击。

因此，在设计电气设备时，必须确定电气基板与毫米或微米大小的电气部件（如电阻器和电容器）之间的焊点的冲击强度。

在生产许多部件时，由于在电路板上高速安装了许多小型电气设备，因此还必须考虑设备的冲击断裂。

因此，用冲击试验机评估小部件的强度是很重要的。

到目前为止，已经开发了几种小型冲击试验机，尤其是用于测量焊点强度的冲击试验机。

焊点的断裂能可以通过使用小型摆锤试验机进行测量。

焊点的冲击载荷-位移曲线可以使用带有称重传感器的微冲击测试仪系统进行测量。

通过应用分离式霍普金森压杆测试来评估电子电路板上焊点的冲击强度。

这些机器中的传感器，如应变计和称重传感器，被限制在几毫米或更多，从而限制了冲击测试机器本身。

因此，需要一种新的测量方法来缩小冲击试验机的尺寸，以测量较小试样的冲击载荷和变形[6]。

目前，已经开发了几种冲击测试方法来评估结构或结构材料，其中许多方法被用作行业标准。

通常对电气产品进行跌落产品测试和振动测试，以验证产品的耐久性。

虽然无须特殊设备即可轻松进行跌落试验，但无法定量评估产品的机械财产[6-8]。

摆锤试验，如夏比和伊祖德冲击试验，是众所周知的常用冲击试验方法。

然而，试样的机械财产，如机械设计所需的弹性模量、强度和断裂韧性，无法通过普通摆锤试验进行测量，因为只有断裂能是根据试样冲击断裂导致的摆锤损失能量来评估的。

目前，通常使用分离式霍普金森压力棒试验机或改进型机器来测量机械财产，这些机械性能是通过使用应变计在机器杆中传播的应力波计算得出的。

还开发了单棒法来测量机械财产。

或者，可以使用称重传感器进行落球试验来评估财产[9，10]。

在本文中，我们描述了一种新的落球冲击机，该机器专门设计用于结构样品的动态试验，并在高强度材料上进行了一些冲击试验。

这台机器使我们能够将对结构动态性能的研究扩展到
比标准伺服液压机更快的加载速率。

事实上，我们已经进行了一系列测试，以测量不同类型的高强度材料的断裂功，跨度为六个数量级位移速率的大小。

当速率高于10 mm/s时，断裂功增加。

由于我们的伺服液压装置可实现的最快加载速率约为30 mm/s，我们需要新的装置来研究更高加载速率下的速率敏感性。

文中还举例说明了如何使用该装置来测量高强度材料的断裂动态功。

本文的结构如下：首先对该机器进行了描述，进而介绍了动态三点弯曲试验的详细信息，再对结果进行介绍和讨论。

最后，得出了一些结论。

1 落球模拟冲击试验机简介
如图1所示，该落球模拟冲击试验机由机械结构和数据采集系统两个主要部分组成，前者是一个落球，由两个坚固的柱子引导，可以用于高能量撞击样本。

后者由压电力传感器、加速度计、光纤光电传感器、示波器和信号调节器组成。

落球冲击机经过初步设计，引导锤子的两个立柱被预应力作用在高3.7 m的1.2 m厚的强楼层上下板上。

立柱推动强楼层下板穿过95 mm厚的钢板，试样的支架可以连接在钢板上。

在钢板之间，我们铺设了一层非常薄的氯丁橡胶层（0.5 mm），以便尽可能均匀地分布传递到楼板的应力。

通过这种方式，坚固的地板充当了一个非常坚硬的反应框架；同样，它可以以可忽略的运动耗散通过试样传输的能量。

此外，机器的操作不会对包含实验室的建筑结构造成任何损坏或干扰，因为坚固的地板是一个完全独立的结构。

框架支撑两个直径为90 mm的导柱（导轨），其中锤子可以通过起重机和链条系统提升到预定高度，然后允许其自由下落，以撞击支撑在两个支架上的样品。

该机器能够在支架上方提供2 595 mm的自由下落高度。

设计了两种类型的锤子，用于对不同类型的试样进行测试。

一种是质量为18.60 kg的铝锤，另一种是钢锤，质量可以在60.55到315.55 kg之间，增量为15 kg。

通过从不同高度落下锤子，可以改变施加的加载速率。

1.1 力学传感器
锤击锤与试样之间的冲击力由204C型压电力传感器（由美国纽约州纽约市PCB公司制造）测量，测量范围高达177.92 kN。

此外，支撑件与试样间的反作用力由另外两个203B型力传感器确定，该传感器可测量高达89 kN。

传感器的校准也由PCB公司提供，传感器的精度为0.7 N。

1.2 加速度传感器
沿着梁的长度安装的加速度计也是压电传感器，其谐振频率大于70 kHz。

加速度计的分辨率为0.1 g，读数可达±1 000 g（其中g是地球的重力加速度）。

加速度计的校准由PCB公司提供。

1.3 磁条和磁传感器。