基于应力集中原理的落锤结构设计及其测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于冲击测试技术领域，具体是采用应力集中原理设计落锤结构及其冲击 力的测试方法。
【背景技术】
[0002] 材料动态力学性能的测试经常采用落锤进行加载，为了提高落锤瞬间冲击力的测 量精度，减少测试费用，需根据试件的结构和加载方式设计落锤的结构及其测试方法。目前 实验室中的落锤试验机测试冲击力采用压电传感器，其价格比较昂贵且抗干扰性差。对于 一些需要野外进行的大型结构冲击实验，自制经济实用的落锤变得非常必要。本发明是为 了研究钢筋混凝土的动态性能而提出的。由于钢筋混凝土的尺寸效应和应变率效应，研究 钢筋混凝土动载荷下的力学性能需对大尺寸钢筋混凝土结构进行冲击加载，分析冲击力和 结构响应之间的关系。对于结构分析较简单的梁的弯曲测试，需要对梁进行集中加载并测 量载荷。为此，有必要提供一种新的、设计原理科学的测量落锤冲击力的落锤结构及其测试 方法。
【发明内容】
[0003] (一)要解决的技术问题
[0004] 本发明要解决的技术问题是：提供一种新的、经济实用且设计原理科学的落锤结 构及其冲击力的测试方法，用于测量落锤对梁试件所施加的集中冲击载荷。
[0005] (二)技术方案
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供一种基于应力集中原理的落锤结构设计以及采 用惠斯通全桥电路测量冲击力的测试方法，其特征在于，通过放大落锤的应变和提高测试 的灵敏度获得冲击力，具体包括如下步骤：
[0007] 步骤S1:落锤冲击力是由落锤在弹性范围内的应变决定，落锤被当作"刚性体"，应 变非常小。为了增大应变，将落锤设计成薄板形状，在薄板中间钻孔。当落锤的侧面冲击试 件时，落锤的受力状态为平面应力;根据弹性力学的应力集中原则，孔周围的应变将增大， 如图1所示。
[0008] 步骤S2:落锤结构的力学模型简化为侧面受均布载荷的带有圆孔的无限薄板结构 的平面应力问题如图2所示。由应力集中原则可知，孔周围的应力增加;但由圣维南原理可 知，在距离远大于孔的半径处，这种增大可以忽略。
[0009] 步骤S201:当侧面均布载荷为S时，在半径b(远较a大）处径向应力〇r和剪切应力 Trf，实际上与无孔板中相同，因而是： (σΓ )r=b = -S cos2 0 = --5(1 + cos 2Θ)
[0010] * (1) feU = 25sin2(9
[0011 ]这些力作用在内半径和外半径各为r = a和r = b的圆环的外边，它们在环内引起的 应力可以看作由两部分组成。第一部分是由常量的法向力-S/2引起的，第二部分是由法向 力-(S/2)C〇s 2Θ与剪力（Tre)r=b=(S/2)sin 2Θ共同引起的。
[0012] 步骤S202:根据弹性理论，可得距离孔心不同距离r处的应力： a\ Sn 3β4 4α\ 0/3 % ^(1-^·)-j(l + ^^-) cos
[0013] ^(6,=--(1 + -) + -(^ ^-)cos2 沒 （2) ^ 尸 S,, 3a4 4a\ .. ~=7(1+7-7)c
[0014] 在孔边r = a，得：
[0015] h=^=〇
[a0=-S + 2Scos2e
[0016] 可见，在Θ =Ji/2或Θ = 331/2处，就是在垂直于压力方向的直径的两端m和n处，切向 应力σθ的绝对值最大，其值为：|〇ekx = 3S。此处压应力最大，是作用于板侧面均匀压力S的 三倍。在p和q两点，θ=3?和0 = 〇4#〇(3 = S，即在这两点有切向拉应力S。
[0017] 步骤S203:根据虎克定律： & = 士(~-νσ0) Ε _8] < εθ=^{σθ-νσΓ) ⑷ ?τβ =~^τ>·θ [0019] 可得应变： ^ =-^(-5+ 25 cos 2(9)
[0020] < - -(-+ 2iScos2沒） （5) Ε ηθ = °
[0021 ]在π^Ρη两点，θ = jt/2和θ = 3jt/2，径向应变￡1 = 3Sv/E，切向应变ee = -3S/E;在ρ和q 两点，θ = π和θ = 〇,径向应变81^ = -5￥/^：，切向应变e〇 = S/E。对于钢v = 0.29,采用应变片测试 时，忽略径向应变。
[0022]步骤S3:为了测得落锤的平均应变，将落锤薄板上钻两个孔，保证两个孔的尺寸远 小于落锤的另外两个尺寸;孔对称的分布在板的中间且孔距较远，使孔之间的相互影响可 以忽略。两个孔边对称的贴上八个应变片，如图1所示。为了改善温度误差和非线性误差，提 高测试灵敏度，应变片的电路接法采用惠斯通电桥的全桥接法如图3。
[0023] 步骤S301:惠斯通电桥将应变片阻值的微小变化转换成输出电压的变化。根据全 桥电路原理，惠斯通电桥CD间的电压用应变表示为：
[0024] VQ=^kVe(ε? + εΤι -ε€} -+ ^ + ^ -^C] -sCi) (6)
[0025] k为应变片的灵敏系数。由于&, = = =心=-35/五、气=气=~=气=￡·,. = ， 此式转化为：
[0026] V〇 = 4keTVe (7)
[0027] 此时，输出电压与应变成线性关系，电压的灵敏度为4keT，同时还具有温度补偿作 用。这样既实现了取薄板的平均值，又起到了提高测试的灵敏度。
[0028] 步骤S302:在一般情况下，由于加工误差和材料的不均匀性，很难达到上面的理想 状态，惠斯通电桥输出的电压值随着落锤的冲击力发生变化，因而需要进行标定。落锤一般 是由钢材料制成，钢在静态和动态下的力学性能几乎相同，采用伺服液压机对落锤冲击面 进行加载，用所测静载荷对所测试电压进行标定。结果发现，输出的电压与所加载荷成线性 关系。
[0029](三)有益效果
[0030] 落锤是传统动态加载设备，采用电阻应变片进行冲击力的测量比现在所采用压电 传感器经济实用。此测试方法简单实用，能够根据实验所需随时进行落锤的设计。
[0031] 当在野外进行试验时，将落锤制作成带有圆孔的薄板结构，根据应力集中原则，大 大增加了所测试的应变值，有效的减少了外界的干扰。
[0032] 测试电路采用惠斯通电桥将两个孔的应变值均匀化和检测电阻的微小变化，消除 了温度和其它干扰力的影响，提高测试精度。
【附图说明】
[0033] 图1为本发明技术方案中所设计落锤的示意图；
[0034]图2为本发明技术方案中落锤孔的应力集中所产生的应力和应变分布图；
[0035]图3为本发明技术方案中惠斯通电桥的全桥接法。<