一种评估碰撞过程中最大冲力的装置的制作方法

本实用新型涉及一种评估碰撞过程中最大冲力的装置，可以用于评估物体的临界击穿冲力，例如子弹击穿头盔的临界值。

背景技术：

在牛顿碰撞定律与弹性力学的基础上，本实用新型利用测试件在碰撞前后的运动速度，来间接测量碰撞时间和最大冲力。最大冲力达10¹⁰N量级，而碰撞时间仅为us量级，理论上的基本方程表明，只要能测出测试件在碰撞前后的速度，就可间接推算出碰撞时间和最大冲力。

冲量是碰撞过程中冲力与时间的积分量。在两个物体数10us的碰撞过程中，冲力由零升至最大又回复至零，要想定量而且精准地测量并记录到冲量的瞬变信息，并非易事，然而这一技术领域在国防装备工业中却是至关重要的。传统的冲量测试技术，往往是基于冲量与动量变化的规律借助于压电式测振传感器和复杂而昂贵的辅助设备，实现对冲量的间接测量。

本实用新型分析了这些基本方程的适用条件，并设计了以开放式光耦来测量测试件速度及其附件装置。实验结果表明，基准确度的评估值，可控为个位数，从而为碰撞冲量测量提供了一种简便的新途径。

技术实现要素：

根据以上现有技术的不足，本实用新型所要解决的技术问题是提出一种评估碰撞过程中最大冲力的装置，通过用测试件来撞击待测件，通过数学运算的方法，求解出瞬间的碰撞力，可用于评估物体的强度。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种评估碰撞过程中最大冲力的装置，包括框体、后挡板、电机转轴、第一锥齿轮、第二锥齿轮、第一转轴、第一滑轨、第一绕线轮、第一固定块、第一滑块、第一光源、第二滑块、第二光源、凹型支架、电机、第二固定块、第二光敏元件、第一轴承座、第二绕线轮、第二轴承座、第一拉绳、第二拉绳、第一弹簧、第二滑轨、第二弹簧、第三滑块、第一光敏元件、第四滑块和计时器，框体的前后侧壁中心位置固定设置有凹型支架，凹型支架的右侧固定设置有电机，电机的电机转轴上固定连接有第一锥齿轮，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合，第二锥齿轮连接第一转轴，第一转轴两端分别连接第一轴承座和第二轴承座，第一转轴上固定设有第一绕线轮，框体的前侧壁上以螺栓连接的方式固定连接有第一滑轨，第一滑轨上嵌有第一滑块和第二滑块，第一滑块上设置有第一光源，第二滑块上设置有第二光源，第一拉绳的一端连接至第一绕线轮，另一端连接第一滑块和第二滑块，第二滑块的侧壁上连接有拉力弹簧，拉力弹簧另一端连接第一固定块，后挡板与框体的前侧壁铰链连接，第一转轴的另一端固定设有第二绕线轮，框体的后侧壁上以螺栓连接的方式固定连接有第二滑轨，第二滑轨上嵌有第三滑块和第四滑块，第三滑块上设置有第一光敏元件，第四滑块上设置有第二光敏元件，第二拉绳的一端连接至第二绕线轮，另一端连接第三滑块和第四滑块，第四滑块的一侧壁上连接有第二弹簧，第二弹簧另一端连接第二固定块，框体的后侧壁末端与后挡板活动连接，第一光敏元件和第二光敏元件均连接至计时器，测试件穿过第一光敏元件和第二光敏元件产生的脉冲信号作为计数器的闸门，得到计数值N_x，第一光敏元件与第二光敏元件距离为定距L。

作为一种优选实施方式：所述第一光敏元件与第二光敏元件距离为定距L＝10cm。

作为一种优选实施方式：所述装置还包括垫台，垫台设置在电机的右侧位置。

本实用新型有益效果是:

(1)本实用新型的检测装置的开放式光电耦合器可以实现同时移动，且保持相互间距不动；(2)垫台为光滑平面，与待测件摩擦力小，其影响可以忽略不计；(3)本实用新型装置结构简单，通过两个光电式耦合器就可以评估待测物体的强度。

附图说明

下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1是本实用新型的具体实施方式的碰撞解析图。

图2是本实用新型的具体实施方式的F、δ的变化趋势和其极值时间。

图3是本实用新型的具体实施方式的v₁(t)、v₂(t)变化趋势。

图4是本实用新型的具体实施方式的开放式光电耦合器布置示意图。

图5是本实用新型的具体实施方式的延时为t的两个脉冲信号可转化为脉宽信号。

图6是本实用新型的具体实施方式的检测装置的结构示意图。

其中，1-框体，2-后挡板，3-垫台，4-电机转轴，5-第一锥齿轮，6-第二锥齿轮，7-第一转轴，8-第一滑轨，9-第一绕线轮，10-第一固定块，11-第一滑块，12-第一光源，13-第二滑块，14-第二光源，15-凹型支架，16-电机，17-第二固定块，18-第二光敏元件，19-第一轴承座，20-第二绕线轮，21-第二轴承座，22-第一拉绳，23-第二拉绳，24-第一弹簧，25-第二滑轨，26-第二弹簧，27-第三滑块，28-第一光敏元件，29-第四滑块，30-第二固定块，31-第二光敏元件。

具体实施方式

下面通过对实施例的描述，本实用新型的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本实用新型的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

如图4和6所示，为本实用新型的测试冲力装置的结构示意图，包括第一光电耦合器和第二光电耦合器，第一光电耦合器和第二光电耦合器的定距是L，光电耦合器分别包括光敏元件和光源，测试件以一定的速度从第一光电耦合器的左侧向右运动，经过第二光电耦合器后与待测物体发生碰撞反弹，再依次经过第二光电耦合器和第一光电耦合器。本实用新型利用牛顿碰撞定律与弹性力学规律相结合，分析与讨论了碰撞过程的基本方程及其适用条件，从而设计出简便的测速装置和实验验证方法，为冲量测试新技术提供了有益的借鉴。

如图6所示，为本实用新型的测试装置的结构示意图，包括框体1、后挡板2、垫台3、电机转轴4、第一锥齿轮5、第二锥齿轮6、第一转轴7、第一滑轨8、第一绕线轮9、第一固定块10、第一滑块11、第一光源12、第二滑块13、第二光源14、凹型支架15、电机16、第二固定块17、第二光敏元件18、第一轴承座19、第二绕线轮20、第二轴承座21、第一拉绳22、第二拉绳23、第一弹簧24、第二滑轨25、第二弹簧26、第三滑块27、第一光敏元件28、第四滑块29。

框体1的前后侧壁中心位置固定设置有凹型支架15，凹型支架15的右侧固定设置有电机16，电机16的电机转轴4上固定连接有第一锥齿轮5，第一锥齿轮5与第二锥齿轮6啮合，第二锥齿轮6连接第一转轴7，第一转轴7两端分别连接第一轴承座19和第二轴承座21，第一转轴7上固定设有第一绕线轮9，框体1的前侧壁上以螺栓连接的方式固定连接有第一滑轨8，第一滑轨8上嵌有第一滑块11和第二滑块13，第一滑块11上设置有第一光源12，第二滑块13上设置有第二光源14，第一拉绳22的一端连接至第一绕线轮9，另一端连接第一滑块11和第二滑块13，第二滑块13的一侧壁上连接有拉力弹簧24，拉力弹簧24另一端连接第一固定块10。后挡板2与框体1的前侧壁铰链连接。

第一转轴7的另一端固定设有第二绕线轮20，框体1的后侧壁上以螺栓连接的方式固定连接有第二滑轨25，第二滑轨25上嵌有第三滑块27和第四滑块29，第三滑块27上设置有第一光敏元件28，第四滑块29上设置有第二光敏元件18，第二拉绳23的一端连接至第二绕线轮20，另一端连接第三滑块27和第四滑块29，第四滑块29的一侧壁上连接有第二弹簧26，第二弹簧26另一端连接第二固定块17。框体1的后侧壁末端与后挡板2活动连接。

垫台3设置在电机16的右侧位置。

下文具体阐述以上测试装置测试碰撞冲量的原理：

1.两球体对心碰撞的基本方程

1.1动量守恒定律，在两球体上施加的总外力为零的条件下，两球体碰撞前后的动量之和满足m₁v₁₀+m₂v₂₀＝m₁v₁+m₂v₂ (1)。

式中m₁(kg)为测试件的质量，约为10^-2kg。m₂(kg)为被测物体的质量。

v₁₀(m/s)为测试件碰前的速度，约为400-500m/s。v₂₀(m/s)为被测物体碰前速度，在本实用新型后续讨论中均假设v₂₀＝0。v₁为测试件碰后速度，v₂为被测物体碰后速度，此时基本方程(1)变成m₁v₁₀＝m₁v₁+m₂v₂ (2)。

方程(1)和(2)应满足在两球体对碰中所施加的外力，主要指摩擦阻力为零。对测试件而言，选用体积小运动速度高的物件，例如子弹，空气的摩擦阻力可以忽略，而对被测物体m₂的支撑应保证被测物体安装平台与支撑平面间的摩擦力较小。本实用新型中选择钢化玻璃与滚动轴承外钢圈之间的支撑，故与巨大的冲力相比，外力为零的条件容易满足，有益于推算的准确性。

1.2牛顿碰撞定律：在实际的碰撞过程中，完全的弹性碰撞是不存在的，总存在能量损耗，系统的机械能并不守恒，牛顿提出了恢复系数的概念。

式中分母为碰前相撞近的速度，分子为碰后分离的速度，e的取值范围为0<e<1。对于v₂₀＝0的设定，(3)式可写成

如果e＝1，即v₂-v₁＝v₁₀，此时机械能在碰撞前后守恒，称为完全弹性碰撞，实际情况均为e≤1即非弹性碰撞。联立(2)和(4)式可得：

和

1.3两球对心碰撞中球面挤压变形与球心距的变化关系：

参见图1，图1中a为碰前球心距为Δ₀，图1中b表示碰后，球心O₁以v₁运动，O₂以v₂运动，球心距因挤压变形而变化为Δ，则球心距的变化增量为dδ,显见，

dδ＝Δ-Δ₀＝v₁·dt-v₂·dt (7)

即

1.4弹性变形与弹力的关系

根据弹性力学在两球对心非弹性碰撞中的讨论，其应力与应变的关系积分量的表达式为：

式中R₁(m)球1的半径，R₂(m)球2的半径，u两球的泊松比，E(N/m₂)为两球的弹性模量，(9)也可改写成简单形式：

F＝n·δ3/2 (10)

式中n为材料常数，

n在后面讨论中可视为已知常数，其量纲为在不同材料的物体碰撞时，采用平均值计算。

由(9)式可知，无论是弹力F或变形δ都是时变函数，其变化过程如图2所示，图中表示了F(t)和δ(t)的变化趋势和发生极值的时间τ_m点，而整个碰撞过程的全部时间为τ_c。

1.5两球碰撞后的速度变化趋势，在整个碰撞过程中，由(5)和(6)式v₁＝v₁(t),和v₂＝v₂(t)都是时变函数，其变化趋势如图3所示，图中v₁(t)从v₁₀下降至与v₂(t)相交在τ_m时刻，然后继续下降至0，再进入负区直至τ_c时刻，最后保持v₁(τ_c).v₂(t)则v₂(t)＝0，逐渐上升至τ_m时刻与v₁(t)相交，最后稳定在v₂(τ_c).曲线③则为v_δ(t)＝v₁(t)-v₂(t).本文的目的不在于求解v₁(t)和v₂(t)的具体的函数式，而是关注几个关键时间节点的函数值，其中在时间轴起点的O点有v₁₀，v₂₀和v₁(o)-v₂(o)，在时间节点τ_m，有A点v₁(τ_m)＝v₂(τ_m)，因此在C点v_δ(τ_m)＝0，而在时间节点B则表示v₁(t)开始反向，由正区转向负区，最后在时间轴τ_c上分别标出了碰撞后的v₁(τ_c)，v₂(τ_c)和v_δ(τ_c).

2.根据基本方程求解δ_max和F_max

2.1求解δ_max和F_max，根据冲量与动量变化定理，可得：

式中，和为两球之间因碰撞压缩而产生的弹力，是一对作用力和反作用力，其大小相等方向则相反，分别作用于球1和球2，将上式写成标量形式则为：

引用(8)式

作两边对t求导得：

将(14)-(15)并与(16)联立可得

式中，称为两球的折算质量。

将上式中的F并利用(10)替换为δ后可得二阶微分方程

利用积分法降阶可求出，当即v_δ＝v₁-v₂＝0时，δ(t)出现极值，于是得：

再利用(10)式得：

2.2求解碰撞时间τ_c,

图1和图2表示整个碰撞过程，分为变量的上升阶段和下降阶段两个过程，因此总碰撞时间包括0→τ_m和τ_m→τ_c两部分，利用(18)积分降阶，可得：

通过参数变换和积分可得

即

上式表明第一阶段碰撞时间与m₁的初速度v₁₀的次方成正比，而在碰撞过程的第二时段t₂＝τ_m→τ_c,因非理想弹性碰撞中的能量损耗要比第一时段稍长，式(22)应修正为：

而总的碰撞时间：

式中，e为两球对心碰撞时的恢复系数，e的实际大小接近于1而稍小于1。利用(5)式可知，只要能测出v₁₀和v₂即可推算出τ_c。

3、测试装置设计

3.1从上节基本方程和延伸的公式可知，只要让实验测试装置能测出v₁₀和v₁，前者为m₁碰前的初速度，后者则为m₁的碰后反弹速度v₁，就能完整的得到：

和

并且e值可通过(5)算出

当m₂＞＞m₁时，上式可简化为

3.2速度测量装置

本设计中测量v₁₀和v₁合用同一个开放式光电耦合器，为把v₁₀信号和v₁信号转变为光脉冲信号，子弹穿过两个定距10cm的开放式光耦后，可产生两个光脉冲信号。见图4，第一光源和第一光敏元件组成第一个开放式光电耦合器，第二光源和第二光敏元件则组成第二个光电耦合器。

设子弹穿越定距L所需时间为t，则其平均速度为

即所测速度与穿越时间t成反比，当子弹越过两个光敏元件后，将分别产生两个延时为t的脉冲信号，如图5所示，如让脉冲信号作为计时器的闸门，便可得到计数值N_x

式中，τ₀(μs)为计时时钟脉宽，于是有t＝N_x·τ₀m/s (30)

从而可按(28)式算出v₁₀和v₁。

本实用新型的检测装置工作原理为：将测试件放置在凹型支架15位置，被测试的物体放置在垫台3位置，垫台3为光滑平面，设置在第一滑块11和第二滑块13上的第一光源12和第二光源14为定距，相对应的，第一光敏元件28和第二光敏元件31也为定距，与第一光源12和第二光源14对应设置。电机16转动时，通过一对锥齿轮带动第一转轴7转动，第一转轴7通过拉绳和弹簧使滑块上的光源和光敏元件同时向左或者向右运动。来调节开放式光电耦合器与被测试的物体之间的距离，也即调整测试精度，在一定范围内，可以近似认为反弹的测试件为反方向返回，用来评估碰撞过程中的冲力。

本实用新型基于弹性力学和碰撞理论的基本方程，提供了测试件与物体碰撞时的冲量测量的简便方法。本实用新型解析所得最大冲击力示于公式(20)，式中M为测试件和物体的折算质量，n为测试体的材料和形体常数，在不同材料物体碰撞时，采用两者的平均值，通过公式(11)近似求出材料和形体常数，通过本实用新型的测试方法，可得到碰撞时间、碰撞最大力的基准确度的评估值，可控为个位数，可作为评价瓷器的抗震能力，v₁₀为碰撞接触前的子弹速度，整个碰撞接触时间示于公式(24)，恢复系数e示于公式(27)，v₁为子弹回弹速度。对v₁₀和v₁的实际测量装置示于图4，装置设置简单，实施方便。

上面对本实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。