一种制造金属薄板规定尺寸冲击凹坑的试验系统及测试方法
【专利摘要】一种制造金属薄板规定尺寸冲击凹坑的试验系统，它是由底座、试验件、压板、冲击块、圆孔垫块、橡胶垫片和支架组成，支架垂直立于底座上并用加强筋与底座固连；圆孔垫块置于底座矩形凹槽内，其上依次放置试验件、橡胶垫片和压板，冲击块悬挂于支架中部位置。一种制造金属薄板规定尺寸冲击凹坑试验系统的测试方法，它有五大步骤。本发明提供的试验系统能用于冲击金属薄板，既能制造规定尺寸的凹坑，又能保证冲击后的金属薄面表面平整、无擦伤，可用于试验模拟真实金属薄板结构如飞机蒙皮在实际使用过程中因工具掉落或飞鸟撞击等低速冲击造成的凹坑，为进一步评估凹坑对金属薄板安全性影响奠定基础。
【专利说明】一种制造金属薄板规定尺寸冲击凹坑的试验系统及测试方法
【技术领域】
[0001]本发明提供一种制造金属薄板规定尺寸冲击凹坑的试验系统及测试方法，属试验测试【技术领域】。
【背景技术】
[0002]物体在很短时间内以一定速度作用于结构上就产生冲击，并导致冲击载荷，冲击载荷产生的应力称作冲击应力；因冲击而导致的材料与结构损伤比比皆是，比如，飞机在飞行过程中因冰雹、鸟撞或者在维修过程中不经意的工具掉落都会在结构件或蒙皮上，产生一定程度的冲击损伤，其特征是在结构件或蒙皮表面留有冲击凹坑，可以说，冲击凹坑的尺寸大小在一定意义上代表了冲击损伤和冲击能量的大小，因此，有必要在材料或结构上制造规定尺寸的冲击凹坑，用于研究其对静强度与疲劳强度性能的影响，建立凹坑尺寸与静强度和疲劳强度的关系，制定合理的维修策略。目前，复合材料层板冲击试验技术与装置发展较成熟，并已形成了冲击试验标准，但是，国内外对利用冲击制造金属薄板规定尺寸的凹坑的试验技术与装置尚不成熟，鲜有此方面技术研究报道，为此，本发明研制了一种制造金属薄板规定尺寸的冲击凹坑的试验系统，专门制造金属薄板规定尺寸的凹坑，为维修策略的制定提供技术支持。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种制造金属薄板规定尺寸冲击凹坑的试验系统及测试方法，以用于制造金属薄板规定尺寸的冲击凹坑。
[0004]本发明所采用的技术方案如下:
[0005]I)本发明一种制造金属薄板规定尺寸冲击凹坑的试验系统，它是由底座、试验件、压板、冲击块、圆孔垫块、橡胶垫片和支架组成，它们之间的位置连接关系是:支架垂直立于底座上并用加强筋与底座固连；圆孔垫块置于底座矩形凹槽内，其上依次放置试验件、橡胶垫片和压板，冲击块悬挂于支架中部位置。
[0006]所述底座是金属结构件，它由一块矩形钢板和4个角钢支腿连接而成；矩形钢板中部设有放置圆孔垫块的矩形凹槽，矩形凹槽中部设有一圆孔。
[0007]所述试验件是一块矩形钢板，其中部设有一圆孔(比如直径20毫米)，板四周均布四个圆孔；
[0008]所述压板是两长边带曲边凹槽的矩形钢板；
[0009]所述冲击块是带台阶的圆柱形件；其一端为螺柱，另一端为半球状。
[0010]所述圆孔垫块是四周带圆弧、中心带圆孔的矩形板料；
[0011]所述橡胶垫片是四周均布圆孔、中心带圆孔的矩形橡胶板料；
[0012]所述支架是由型材制作的Π字形构架，其底部用加强筋与底座固连。
[0013]本试验系统的原理及工况简介如下:[0014]工程中，金属薄板冲击凹坑的尺寸通常定义为凹坑根部直径与深度之比，因此，本试验系统通过选定底座垫块圆孔直径和调整冲击块高度的方式，制造规定根部直径和深度的凹坑，从而获得规定尺寸(即规定凹坑根部直径与深度之比)的冲击凹坑。
[0015]由于金属薄板因冲击而沿底座垫块圆孔产生塑性变形，形成凹坑，也就是说，圆孔直径决定凹坑根部直径大小，圆孔直径太大，会产生尺寸效应，导致凹坑根部沿试验件长度和宽度方向的直径不相同。一般情况下，需要根据金属薄板试验件尺寸确定不产生尺寸效应的底座垫块圆孔直径，即圆孔直径应不大于金属薄板试验件宽度的1/4，这样，制造的凹坑根部沿试验件长度和宽度方向的直径相同，从而，可制造规定根部直径的凹坑。
[0016]调整冲击块的高度，并沿着支架上的光滑导轨下滑，冲击压板固定在底座上的试验件，最终，可制造金属薄板试验件规定深度的冲击凹坑。
[0017]本试验系统仅限于金属薄板的低速冲击损伤试验模拟(即圆球形凹坑制造)，不可用于金属材料或复合材料厚板的低速冲击损伤模拟。
[0018]2)本发明一种制造金属薄板规定尺寸冲击凹坑试验系统的测试方法，该方法具体步骤如下:
[0019]步骤一，设计并制造冲击块、不同尺寸的冲击头、支架、底座、底座的圆孔垫块、橡胶垫片以及压板等零件，将这些零件装配成一整体，形成试验系统。
[0020]步骤二，将底座安放试验系统的中央位置(即冲击头对准底座中心孔洞)，安装圆孔垫块，并铺放带有标记试验件放置位置标记的橡胶垫片，保证试样中心精确对准底座中心，并防止试样因冲击变形而导致表面擦伤；再将金属薄板置于橡胶垫片的试验件标记线内；最后，用钢制压板固定，保证金属薄板冲击后(除冲击凹坑外)的其余部分不发生塌陷，仍保持平整。
[0021]步骤三，将冲击块抬到预定高度释放，冲击块将沿着竖直的导轨自由下落，冲击金属薄板试样。实验过程中，要保证不发生二次冲击，即发生第I次冲击后，采用双手托住冲击块，防止二次冲击。
[0022]步骤四，取下冲击后的金属薄板，利用游标卡尺和钢尺对凹坑深度和凹坑直径进行测定并作好记录。凹坑深度定义为从凹坑最低点至薄板水平面之间的距离，将钢尺横在凹坑上，用游标卡尺测量钢尺上表面至凹坑最低点的距离，将读数减去钢尺厚度即为凹坑深度；凹坑直径定义为金属薄板背部冲击圆球形鼓包根部圆形痕迹的直径，采用游标卡尺即可测量此直径。
[0023]步骤五，根据凹坑尺寸的测量结果，调整冲击块的冲击高度，重复冲击试验和凹坑尺寸测量过程，直至获得规定尺寸的冲击凹坑为止。
[0024]优点及功效:本发明提供的试验系统能用于冲击金属薄板，既能制造规定尺寸的凹坑，又能保证冲击后的金属薄面表面(除凹坑外)平整、无擦伤，可用于试验模拟真实金属薄板结构(如飞机蒙皮)在实际使用过程中因工具掉落或飞鸟撞击等低速冲击造成的凹坑，为进一步评估凹坑对金属薄板安全性影响奠定基础。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]下面结合附图和实例对本发明进一步说明。
[0026]图1试验系统整体结构图。[0027]图1中:1.底座，2.试验件，3.压板，4.冲击块，5.支架。
[0028]图2冲击头结构图。
[0029]图3底座结构图。
[0030]图4圆孔垫块结构图。
[0031]图5橡胶垫片结构图。
[0032]图6冲击试验件图。
[0033]图7压板结构图。
[0034]图8底座不意图。
[0035]图8中:1.底座，6.圆孔垫块，7.橡胶垫片，2.试验件，3.压板。
【具体实施方式】
[0036]结合图1和图8说明本发明的【具体实施方式】。
[0037]I)在图1中，本发明一种制造金属薄板规定尺寸冲击凹坑的试验系统，它是由底座1、试验件2、压板3、冲击块4、圆孔垫块6、橡胶垫片7和支架5组成，它们之间的位置连接关系是:支架5垂直立于底座I上并用加强筋与底座I固连；圆孔垫块6置于底座I矩形凹槽内，其上依次放置试验件2、橡胶垫7片和压板3，冲击块4悬挂于支架5中部位置。
[0038]工作原理如下:冲击块4沿着支架5上的光滑导轨下滑，冲击压板3下固定在底座I上的试验件2，实现对试验件制造规定尺寸的冲击凹坑的目的。
[0039]图8描述了试验系统底座的详细结构。该底座I可以保证金属薄板冲击后除凹坑外的其余部分仍然保持表明平整，且不产生擦伤，仅仅产生一个圆球状的凹坑。图4所示的圆孔垫块6为含有中心圆孔、四周倒角的垫块。图3所示的底座I中央含有一方形孔，其尺寸与圆孔垫块6尺寸相同，这样圆孔垫块6能放入底座I方形孔中，可使金属薄板在受到冲击时只在圆孔垫块6中心圆孔区域产生圆球形变形。图5所示的带有试验件2位置标记的橡胶垫片7铺放在底座I上，其圆孔大小与圆孔垫块6的圆孔相同，铺放过程中，将橡胶垫片7圆孔对准底座I及圆孔垫块6的圆孔，可保证圆孔中心与冲击头同轴；橡胶垫片7作用是防止冲击后金属薄板背部表面不因冲击碰撞而产生擦伤。图6所示的试验件2放置橡胶垫片的标示位置的方框区域内，以保证试验件2中心与底座I和图2所示冲击头处于同一轴线上。图7所示的压板3用于固定试样，压板3四周通过螺栓固定在底座I上，保证金属薄板冲击后仍保持平整(除凹坑部分外)，不发生塌陷。
[0040]另外，在金属薄板的凹坑制造试验中，金属薄板试验件2 (如图6所示)的设计非常关键，必须要保证试验件中部具有足够宽度，若中部太窄，无法得到理想形状和规定尺寸的冲击凹坑。
[0041]2)本发明一种制造金属薄板规定尺寸冲击凹坑试验系统的测试方法，该方法具体步骤如下:
[0042]步骤一，设计并制造冲击块4、不同尺寸的冲击头、支架5、底座1、底座的圆孔垫块
6、橡胶垫片7以及压板3等零件，将这些零件装配成一整体，形成试验系统。
[0043]步骤二，将底座I安放试验系统的中央位置(即冲击头对准底座中心孔洞)，安装圆孔垫块6，并铺放带有标记试验件放置位置标记的橡胶垫片7，保证试样中心精确对准底座I中心，并防止试样因冲击变形而导致表面擦伤；再将金属薄板置于橡胶垫片7的试验件2标记线内；最后，用钢制压板3固定，保证金属薄板冲击后(除冲击凹坑外)的其余部分不发生塌陷，仍保持平整。
[0044]步骤三，将冲击块4抬到预定高度释放，冲击块4将沿着竖直的导轨自由下落，冲击金属薄板试样。实验过程中，要保证不发生二次冲击，即发生第I次冲击后，采用双手托住冲击块4，防止二次冲击。
[0045]步骤四，取下冲击后的金属薄板试验件2，利用游标卡尺和钢尺对凹坑深度和凹坑直径进行测定并作好记录。凹坑深度定义为从凹坑最低点至薄板水平面之间的距离，将钢尺横在凹坑上，用游标卡尺测量钢尺上表面至凹坑最低点的距离，将读数减去钢尺厚度即为凹坑深度；凹坑直径定义为金属薄板背部冲击圆球形鼓包根部圆形痕迹的直径，采用游标卡尺即可测量此直径。
[0046]步骤五，根据凹坑尺寸的测量结果，调整冲击块4的冲击高度，重复冲击试验和凹坑尺寸测量过程，直至获得规定尺寸的冲击凹坑为止。
[0047]通过上述五个步骤，通过调整底座圆孔垫块6圆孔直径和冲击块4高度的方式，制造规定根部直径和深度的冲击凹坑，从而获得规定尺寸(即规定凹坑根部直径与深度之比)的冲击凹坑
【权利要求】
1.一种制造金属薄板规定尺寸冲击凹坑的试验系统，其特征在于:它是由底座、试验件、压板、冲击块、圆孔垫块、橡胶垫片和支架组成，支架垂直立于底座上并用加强筋与底座固连；圆孔垫块置于底座矩形凹槽内，其上依次放置试验件、橡胶垫片和压板，冲击块悬挂于支架中部位置； 所述底座是金属结构件，它由一块矩形钢板和4个角钢支腿连接而成；矩形钢板中部设有放置圆孔垫块的矩形凹槽，矩形凹槽中部设有一圆孔； 所述试验件是一块矩形钢板，其中部设有一圆孔，板四周均布四个圆孔； 所述压板是两长边带曲边凹槽的矩形钢板； 所述冲击块是带台阶的圆柱形件；其一端为螺柱，另一端为半球状； 所述圆孔垫块是四周带圆弧、中心带圆孔的矩形板料； 所述橡胶垫片是四周均布圆孔、中心带圆孔的矩形橡胶板料； 所述支架是由型材制作的Π字形构架，其底部用加强筋与底座固连。
2.一种制造金属薄板规定尺寸冲击凹坑试验系统的测试方法，其特征在于:该方法具体步骤如下: 步骤一:设计并制造冲击块、不同尺寸的冲击头、支架、底座、底座的圆孔垫块、橡胶垫片以及压板零件，将这些零件装配成一整体，形成试验系统； 步骤二:将底座安放试验系统的中央位置即冲击头对准底座中心孔洞，安装圆孔垫块，并铺放带有标记试验件放置位置标记的橡胶垫片，保证试样中心精确对准底座中心，并防止试样因冲击变形而导致表面擦伤；再将金属薄板置于橡胶垫片的试验件标记线内；最后，用钢制压板固定，保证金属薄板冲击后除冲击凹坑外的其余部分不发生塌陷，仍保持平整； 步骤三:将冲击块抬到预定高度释放，冲击块将沿着竖直的导轨自由下落，冲击金属薄板试样；实验过程中，要保证不发生二次冲击，即发生第一次冲击后，采用双手托住冲击块，防止二次冲击； 步骤四:取下冲击后的金属薄板，利用游标卡尺和钢尺对凹坑深度和凹坑直径进行测定并作好记录；凹坑深度定义为从凹坑最低点至薄板水平面之间的距离，将钢尺横在凹坑上，用游标卡尺测量钢尺上表面至凹坑最低点的距离，将读数减去钢尺厚度即为凹坑深度；凹坑直径定义为金属薄板背部冲击圆球形鼓包根部圆形痕迹的直径，采用游标卡尺即可测量此直径； 步骤五，根据凹坑尺寸的测量结果，调整冲击块的冲击高度，重复冲击试验和凹坑尺寸测量过程，直至获得规定尺寸的冲击凹坑为止。
【文档编号】G01M7/08GK103454061SQ201310361548
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年8月19日 优先权日:2013年8月19日
【发明者】熊天宇, 熊峻江, 张亦波 申请人:北京航空航天大学