一种冲击实验装置及实验方法与流程
本发明属于材料力学实验领域，提供了一种冲击实验装置及实验方法。
背景技术：
目前材料力学有关冲击教学的实验，主要开展测量材料冲击韧性的破坏性实验，利用冲击摆测量开有V型切口试样的冲击韧性，目前还没有用于验证材料力学中与冲击相关动应力、变形以及动载系数等相关计算公式的实验装置。
技术实现要素：
本发明实施例提供一种冲击实验装置，旨在提供用于验证材料力学中与冲击相关动应力、变形以及动载系数等相关计算公式的实验装置。
本发明是这样实现的，一种冲击实验装置，所述装置包括：
支撑架，由两相互平行的横梁、及两相互平行的纵梁组成，横梁包括顶部横梁和底部横梁、纵梁包括第一纵梁及第二纵梁；
冲击拉杆，一端固定于顶部横梁，另一端为自由端，在冲击拉杆靠近顶部横梁的一端设有凸起；
挡板，与冲击拉杆自由端端部可拆卸连接；
第一位移同步延伸杆，平行于横梁设置，一端与挡板底面可拆卸连接，另一端为自由端；
冲击锤，中心设有通孔，通孔的尺寸与冲击拉杆尺寸相匹配的，在冲击锤内壁设有与凸起相适配的凹槽；
测量仪安放杆，两端分别固定于顶部横梁和底部横梁，测量仪安放杆上设有与测量仪安放杆滑动连接的电涡流传感器，电涡流传感器能够接触到第一位移同步延伸杆的自由端。
进一步的，所述装置包括：
设于冲击拉杆的电阻应变片，电阻应变片的设置位置高于冲击锤固定位置，冲击锤的固定位置为冲击锤固定于凸起时顶端对应的位置。
进一步的，所述装置包括：
两梁支撑杆，两支撑杆均垂直于底部横梁固定；
实验梁，可拆卸固定在两支撑杆的顶部，实验梁的中点位于冲击拉杆自由端的正下方；
第二位移同步延伸杆，平行于横梁设置，一端与实验梁底面可拆卸连接，另一端为自由端，第二位移同步延伸杆的自由端能够接触到电涡流传感器。
进一步的，所述装置包括：
导向柱，位于两支撑杆之间且平行于支撑杆设置，
弹簧挡板，固定于导向柱的顶端，弹簧挡板的中心与冲击拉杆的中点在同一竖直线上；
第三位移同步连接杆，一端与弹簧挡板底面的边缘可拆卸连接，另一端为自由端，第三位移同步延伸杆的自由端能够接触到电涡流传感器；
弹簧，套设在导向柱上，弹簧的一端与弹簧挡板接触，另一端与底部横梁接触。
进一步的，将冲击拉杆刚度系数、实验梁刚度系数及弹簧挡板刚度系数设为一个相等值。
本发明实施例提供的基于上述实验装置的冲击拉杆冲击实验，所述实验包括如下步骤：
S11、将冲击锤从冲击拉杆自由端端部套入，并上升至凸起处，转动冲击锤以使冲击拉杆的凸起对准冲击锤的凹槽，在冲击锤越过冲击拉杆上的凸起后，转动冲击锤，以使冲击拉杆的凸起错开冲击锤的凹槽，即实现了冲击锤的在冲击拉杆上的固定；
S12、将挡板固定于冲击拉杆自由端的端部；
S13、沿测量仪安放杆移动点涡流传感器，至涡流传感器与第一位移同步延伸杆接触；
S14、将电涡流传感器调零；
S15、旋转冲击锤，至冲击锤的凹槽对准冲击拉杆的凸起，以使冲击锤从固定点处自由下落至挡板，通过电涡流传感器测量与冲击拉伸杆发生同步位移的第一位移同步延伸杆的位移，称为动位移Δ1d；
S16、将冲击锤再次提升至冲击拉杆的凸起物上方，直至电涡流传感器示数置零，将冲击锤轻放在挡板上，通过电涡流传感器测量与冲击拉杆发生同步位移的第一位移同步延伸杆的位移，称为静位移Δ1st；
S17、基于公式(1)和公式(2)分别获取冲击拉杆的动荷因数实验值K1ds及动荷因数理论值K1dl，计算动荷因数实验值与理论值的相对误差。
其中，h为冲击锤自由下落高度，即冲击拉杆的凸起顶部距挡板的距离。
本发明实施例提供的基于上述实验装置的冲击拉杆冲击实验，所述实验包括如下步骤：
S21、将冲击锤从冲击拉杆自由端端部套入，并上升至凸起处，转动冲击锤以使冲击拉杆的凸起对准冲击锤的凹槽，在冲击锤越过冲击拉杆上的凸起后，转动冲击锤，以使冲击拉杆的凸起错开冲击锤的凹槽，即实现了冲击锤的在冲击拉杆上的固定；
S22、将挡板固定于冲击拉杆自由端的端部；
S23、将电阻应变片连接至动态电阻应变仪；
S24、旋转冲击锤，至冲击锤的凹槽对准冲击拉杆的凸起，以使冲击锤从固定点处自由下落至挡板，读取冲击过程电阻应变仪检测到的最大应力σd；
S25、将冲击锤再次提升至冲击拉杆的凸起物上方，直至电阻应变仪的示数置零，将冲击锤轻放在挡板上，读取电阻应变仪示数σst，即为静应力；
S26、基于公式(3)和公式(4)分别获取冲击拉杆的动荷因数实验值Kds及动荷因数理论值Kdl，计算动荷因数实验值与理论值的相对误差。
其中，h为冲击锤自由下落高度，即冲击拉杆的凸起顶部距挡板的距离。
本发明实施例提供的基于上述实验装置的实验梁冲击实验，所述实验包括如下步骤：
S31、确认实验梁固定在两支撑杆的顶部、位于冲击拉杆底部的挡板已取下；
S32、沿测量仪安放杆移动点涡流传感器，至涡流传感器与第二位移同步延伸杆接触；
S33、将电涡流传感器置零；
S34、将冲击锤从冲击拉杆自由端端部套入，并上升至凸起处，转动冲击锤以使冲击拉杆的凸起对准冲击锤的凹槽，在冲击锤越过冲击拉杆上的凸起后放下冲击锤，冲击锤自由下落至实验梁，通过电涡流传感器测量与实验梁发生同步位移的第二位移同步延伸杆的位移，称为动挠度Δ2d；
S35、将冲击锤轻放在实验梁的中点，通过电涡流传感器测量与实验梁发生同步位移的第二位移同步延伸杆的位移，称为静挠度Δ2st；
S36、基于公式(5)和公式(6)分别获取冲实验梁的动荷因数实验值K2ds及动荷因数理论值K2dl，计算动荷因数实验值与理论值的相对误差。
其中，h为冲击锤自由下落高度，即冲击拉杆的凸起顶部距冲击梁中点的距离。
本发明实施例提供的基于上述实验装置的弹簧振子冲击实验，所述实验包括如下步骤：
S41、确认冲击拉杆自由端端部的挡板及位于两支撑杆上的实验梁均已经取下；
S42、沿测量仪安放杆移动点涡流传感器，至涡流传感器与第三位移同步延伸杆接触；
S43、将电涡流传感器置零；
S44、将冲击锤从冲击拉杆自由端端部套入，并上升至凸起处，转动冲击锤以使冲击拉杆的凸起对准冲击锤的凹槽，在冲击锤越过冲击拉杆上的凸起后放下冲击锤，冲击锤自由下落至弹簧挡板，通过电涡流传感器测量与弹簧挡板发生同步位移的第三位移同步延伸杆的位移，称为动位移Δ3d；
S45、将冲击锤轻放在弹簧挡板的中心，通过电涡流传感器测量与弹簧挡板发生同步位移的第三位移同步延伸杆的位移，称为静位移Δ3st；
S46、基于公式(7)和公式(8)分别获取弹簧振子的动荷因数实验值K3ds及动荷因数理论值K3dl，计算动荷因数实验值与理论值的相对误差。
其中，h为冲击锤自由下落高度，即冲击拉杆的凸起顶部距弹簧挡板的距离。
本发明实施例提供的基于上述冲击实验装置的冲击实验，所述冲击实验包括如下步骤：
S51、进行步骤S11至步骤S17所述的冲击拉杆冲击实验、进行步骤S31至步骤S36所述的实验梁冲击实验、进行步骤S41至步骤S46所述的弹簧振子冲击实验；
S52、计算冲击拉杆的动荷因数实验值K1ds、实验梁的动荷因数实验值K2ds、及弹簧振子的动荷因数值K3ds的相对误差。
本发明提供的冲击实验装置可以用于材料力学中与冲击相关动应力、变形以及动载系数等相关计算公式的实验验证，可以帮助学习材料力学的学生加深理解“杆件在冲击载荷作用下的应力与应变计算方法，动载系数的概念以及冲击载荷作用下弹性体等效力学模型的概念及意义”。
附图说明
图1为本发明实施例提供的冲击实验装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的冲击锤与冲击拉杆配合连接的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的第一位移同步延伸杆与电涡流位置传感器配合连接的结构示意图；
1.顶部横梁，2.底部横梁、3.冲击拉杆、4.凸起、5.冲击锤、6、挡板、7、第一位移同步延伸杆、8.测量仪安放杆、9.电涡流传感器、10.支撑杆、11.实验梁、12.导向柱、13.弹簧挡板、14、弹簧、15、第三位移同步延伸杆。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明实施例提供的冲击实验装置的结构示意图，图2为本发明实施例提供的冲击锤与冲击拉杆配合连接的结构示意图，图3为本发明实施例提供的第一位移同步延伸杆与电涡流位置传感器配合连接的结构示意图，为了便于说明，仅示出与本发明实施例相关的部分。
实施例一提供的冲击实验装置包括：
支撑架，由两相互平行的横梁、及两相互平行的纵梁组成，横梁包括顶部横梁1和底部横梁2、纵梁包括第一纵梁及第二纵梁；
冲击拉杆3，一端固定于顶部横梁1，另一端为自由端，在冲击拉杆3靠近顶部横梁1的一端设有凸起4，
挡板6，与冲击拉杆3自由端端部可拆卸连接；
第一位移同步延伸杆7，平行于横梁(1；2)设置，一端与挡板6底面可拆卸连接，另一端为自由端；
冲击锤5，中心设有通孔，通孔的尺寸与冲击拉杆3尺寸相匹配的，在冲击锤5内壁设有与凸起4相适配的凹槽；
测量仪安放杆8，两端分别固定于顶部横梁1和底部横梁2，测量仪安放杆8上设有与测量仪安放杆滑动连接的电涡流传感器9，电涡流传感器9能够接触到第一位移同步延伸杆7的自由端；
实施例二提供的冲击实验装置是基于实施例一提供的冲击实验装置来实现的，在实施例一提供的冲击实验装置的基础上，实施例二提供的冲击实验装置还包括：
设于冲击拉杆的电阻应变片，电阻应变片的设置位置高于冲击锤固定位置，冲击锤的固定位置为冲击锤固定于凸起时顶端对应的位置。
实施例三提供的冲击实验装置，是基于实施例一提供的冲击实验装置或实施例二提供的冲击实验装置的基础来实现的，在实施例一提供的冲击实验装置或实施例二提供的冲击实验装置的基础上，实施例三所述的冲击实验装置还包括：
两梁支撑杆10，两支撑杆10均垂直于底部横梁2固定；
实验梁11，可拆卸固定在两支撑杆10的顶部，实验梁11的中点位于冲击拉杆3自由端的正下方，实验梁11通过插销实现两端与支撑杆10的可拆卸连接；
第二位移同步延伸杆，平行于横梁(1；2)设置，一端与实验梁11底面可拆卸连接，另一端为自由端，第二位移同步延伸杆的自由端能够接触到电涡流传感器9。
实施例四提供的冲击实验装置，是基于实施例三提供的冲击实验装置基础来实现的，在实施例三提供的冲击实验装置的基础上，实施例四所述的冲击实验装置还包括：
导向柱12，位于两支撑杆10之间且平行于支撑杆10设置，
弹簧挡板13，固定于导向柱12的顶端，弹簧挡板13的中心与冲击拉杆3的中点在同一竖直线上；
第三位移同步连接杆15，一端与弹簧挡板14底面的边缘可拆卸连接，另一端为自由端，第三位移同步延伸杆15的自由端能够接触到电涡流传感器9；
弹簧14，套设在导向柱12上，弹簧14的一端与弹簧挡板13接触，另一端与底部横梁2接触。
实施例五供的冲击实验装置，是基于实施例四提供的冲击实验装置基础来实现的，在实施例四提供的冲击实验装置的基础上，实施例五提供的冲击实验装置还包括：
将冲击拉杆、实验梁及弹簧挡板的刚度系数设为一个相等值；
冲击拉杆等效弹簧刚度系数为其中E为冲击拉杆材料的弹性模量，A为拉杆的截面面积，l为冲击拉杆长度；实验梁中点冲击时刚度系数其中E为材料的弹性模量，I为拉杆的对中性轴的惯性矩，l为梁的跨度；螺旋弹簧的刚度系数计算公式为其中G为弹簧材料的切变模量，d为弹簧钢丝的直径，D为弹簧中经，n为弹簧有效圈数，在同一冲击高度h下进行的冲击实验，便于比较3中情况测得的动荷因数的实验值Kds是否相同，并计算误差。
通过上述实施例一、实施例二、实施例三、实施例四及实施例五提供的实验装置可以实现冲击拉杆实验，实验方法包括如下步骤：
S11、将冲击锤从冲击拉杆自由端端部套入，并上升至凸起处，转动冲击锤以使冲击拉杆的凸起对准冲击锤的凹槽，在冲击锤越过冲击拉杆上的凸起后，转动冲击锤，以使冲击拉杆的凸起错开冲击锤的凹槽，即实现了冲击锤的在冲击拉杆上的固定；
S12、将挡板固定于冲击拉杆自由端的端部；
S13、沿测量仪安放杆移动点涡流传感器，至涡流传感器与第一位移同步延伸杆接触；
S14、将电涡流传感器调零；
S15、旋转冲击锤，至冲击锤的凹槽对准冲击拉杆的凸起，以使冲击锤从固定点处自由下落至挡板，通过电涡流传感器测量与冲击拉伸杆发生同步位移的第一位移同步延伸杆的位移，称为动位移Δ1d；
S16、将冲击锤再次提升至冲击拉杆的凸起物上方，直至电涡流传感器示数置零，将冲击锤轻放在挡板上，通过电涡流传感器测量与冲击拉杆发生同步位移的第一位移同步延伸杆的位移，称为静位移Δ1st；
S17、基于公式(1)和公式(2)分别获取冲击拉杆的动荷因数实验值K1ds及动荷因数理论值K1dl，计算动荷因数实验值与理论值的相对误差。
其中，h为冲击锤自由下落高度，即冲击拉杆的凸起顶部距挡板的距离。
通过实施例二提供的实验装置可以实现冲击拉杆实验，实验方法包括如下步骤：
S21、将冲击锤从冲击拉杆自由端端部套入，并上升至凸起处，转动冲击锤以使冲击拉杆的凸起对准冲击锤的凹槽，在冲击锤越过冲击拉杆上的凸起后，转动冲击锤，以使冲击拉杆的凸起错开冲击锤的凹槽，即实现了冲击锤的在冲击拉杆上的固定；
S22、将挡板固定于冲击拉杆自由端的端部；
S23、将电阻应变片连接至动态电阻应变仪；
S24、旋转冲击锤，至冲击锤的凹槽对准冲击拉杆的凸起，以使冲击锤从固定点处自由下落至挡板，读取冲击过程电阻应变仪检测到的最大应力σd；
S25、将冲击锤再次提升至冲击拉杆的凸起物上方，直至电阻应变仪的示数置零，将冲击锤轻放在挡板上，读取电阻应变仪示数σst，即为静应力；
S26、基于公式(3)和公式(4)分别获取冲击拉杆的动荷因数实验值Kds及动荷因数理论值Kdl，计算动荷因数实验值与理论值的相对误差。
其中，h为冲击锤自由下落高度，即冲击拉杆的凸起顶部距挡板的距离。
基于实施例三提供的冲击实验装置能够实现简支梁的冲击实验，简支梁冲击实验包括如下步骤：
S31、确认实验梁固定在两支撑杆的顶部、位于冲击拉杆底部的挡板已取下；
S32、沿测量仪安放杆移动点涡流传感器，至涡流传感器与第二位移同步延伸杆接触；
S33、将电涡流传感器置零；
S34、将冲击锤从冲击拉杆自由端端部套入，并上升至凸起处，转动冲击锤以使冲击拉杆的凸起对准冲击锤的凹槽，在冲击锤越过冲击拉杆上的凸起后放下冲击锤，冲击锤自由下落至实验梁，通过电涡流传感器测量与实验梁发生同步位移的第二位移同步延伸杆的位移，称为动挠度Δ2d；
S35、将冲击锤轻放在实验梁的中点，通过电涡流传感器测量与实验梁发生同步位移的第二位移同步延伸杆的位移，称为静挠度Δ2st；
S36、基于公式(5)和公式(6)分别获取冲实验梁的动荷因数实验值K2ds及动荷因数理论值K2dl，计算动荷因数实验值与理论值的相对误差。
其中，h为冲击锤自由下落高度，即冲击拉杆的凸起顶部距实验梁中点的距离。
基于实施例四提供的冲击实验装置能够实现弹簧振子的冲击实验，弹簧振子冲击实验包括如下步骤：
S41、确认冲击拉杆自由端端部的挡板及位于两支撑杆上的实验梁均已经取下；
S42、沿测量仪安放杆移动点涡流传感器，至涡流传感器与第三位移同步延伸杆接触；
S43、将电涡流传感器置零；
S44、将冲击锤从冲击拉杆自由端端部套入，并上升至凸起处，转动冲击锤以使冲击拉杆的凸起对准冲击锤的凹槽，在冲击锤越过冲击拉杆上的凸起后放下冲击锤，冲击锤自由下落至弹簧挡板，通过电涡流传感器测量与弹簧挡板发生同步位移的第三位移同步延伸杆的位移，称为动位移Δ3d；
S45、将冲击锤轻放在弹簧挡板的中心，通过电涡流传感器测量与弹簧挡板发生同步位移的第三位移同步延伸杆的位移，称为静位移Δ3st；
S46、基于公式(7)和公式(8)分别获取弹簧振子的动荷因数实验值K3ds及动荷因数理论值K3dl，计算动荷因数实验值与理论值的相对误差。
其中，h为冲击锤自由下落高度，即冲击拉杆的凸起顶部距弹簧挡板的距离。
基于实施例五提供的冲击实验装置能够实现冲击拉杆冲击实验、实验梁冲击实验、及弹簧振子的冲击实验，基于冲击实验装置的冲击实验具体包括如下步骤：
S51、进行如步骤S11至步骤S17所述的冲击拉杆的冲击实验、进行如步骤S31至步骤S36所述的实验梁冲击实验、进行步骤S41至步骤S46所述的弹簧振子冲击实验，进行上述三个冲击实验的顺序可以是任一顺序；
S52、计算冲击拉杆的动荷因数实验值K1ds、实验梁的动荷因数实验值K2ds、及弹簧振子的动荷因数值K3ds的相对误差。
本发明提供的冲击实验装置可以用于材料力学中与冲击相关动应力、变形以及动载系数等相关计算公式的实验验证，可以帮助学习材料力学的学生加深理解“杆件在冲击载荷作用下的应力与应变计算方法，动载系数的概念以及冲击载荷作用下弹性体等效力学模型的概念及意义”。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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