一种非单一冲击位置点的落锤式冲击夹具设计与制造方法与流程

本发明涉及金属、非金属和复合材料冲击性能测试与评价领域，尤其涉及一种冲击位置点可调整的落锤式冲击试验机板状试件夹具的设计与制造。

背景技术：

层合板结构复合材料具有轻质高强、耐疲劳和可设计性好等独特优点，在航空、航天、交通运输、建筑等领域获得广泛应用。但是，层合板结构复合材料也有限制其发展的致命缺点，即在低能量冲击作用下，层合板结构复合材料的内部或外部会出现基体开裂、纤维断裂以及片层间分层等问题。特别是在多次往复冲击条件下，这些损伤累积会大大降低层合板结构复合材料的冲击后压缩性能，严重影响复合材料的服役安全性能。因此，测试表征复合材料的冲击损伤性能对复合材料结构设计、制备以及应用是非常必要的。在现有的复合材料冲击试验方法中，落锤式冲击试验以其较高的冲击速度，较大的冲击能量以及较高的测试精度而受到广泛地应用。

但目前国内外生产的落锤式冲击试验机普遍采用固定式单点冲击夹具，该夹具对于试验的冲击位置点设定过于单一化和理想化，采用该夹具仅能实现矩形板状试件几何中心位置点的冲击测试，其他位置区域的冲击点无法实现。在材料服役过程中，通常所受的冲击载荷是随机性多点的反复冲击，由于冲击位置点固定于试验件几何中心，目前落锤式冲击试验机无法实现实际服役条件下材料某一区域或范围内的冲击性能测试与评价。

技术实现要素：

针对现有冲击试验夹具冲击点位置不可调整的问题，本发明提供了一种冲击点可调整的落锤式冲击试验机板状试验夹具。本发明可通过操作夹具来调整落锤冲击试验机冲头在板状试件上冲击点的位置，并且可以达到快速精准定位冲击位置点，完成对板状试件进行反复冲击，测试及表征材料性能的目的。另外还能在一块板状试件上对多个点(本发明可以准确定位9点)进行反复冲击，实现对实际服役条件下材料某一区域或范围内的冲击性能测试与评价。

具体技术方案为：一种冲击位置点可调整的落锤式冲击试验机板状试件夹具包括压紧模块、横向移动模块、纵向移动模块、支撑底座和定位挡板。横向移动模块、纵向移动模块和支撑底座上层板的中心设有竖向贯穿的矩形通孔；压紧模块设有放置冲击试验板件的矩形卡槽和四个铰接夹；横向移动模块一侧安装滚动丝杠传动装置，另一侧安装圆柱导杆装置，下端面安装三组导轨，一、三组导轨用于导向和双侧定位，第二组导轨用于导向和支撑，前后端面中心设置定位销孔，在靠近滚动丝杠传动装置一侧的端面设置两个止退销孔；纵向移动模块置于横向移动模块下方，一侧安装滚动丝杠传动装置，另一侧安装圆柱导杆装置，上端面设置两条横向导轨槽，下端面安装三组导轨，一、三组导轨用于导向和双侧定位，第二组导轨用于导向和支撑，左右端面中心设置定位销孔，在靠近滚动丝杠传动装置一侧的端面设置两个止退销孔；支撑底座上层板的上端面设有两条纵向导轨槽，下层板设有四个沉头孔，上下层板由四个立柱连接支撑；定位挡板设置于支撑底座上层板四周，表面设置固定和支撑滚动丝杠、圆柱导杆和弹簧锁紧销的通孔。

横向移动模块和纵向移动模块采用偏轴滚动丝杠传动装置进行双向位移调整。

夹紧模块采用四个手动铰接夹或者气动铰接夹实现对试验件的夹紧功能。铰接夹夹头可以采用弹簧夹头，配合压力传感器，实现铰接夹预锁紧力的调整和表征。

左右定位挡板中心和纵向移动模块前后安装弹簧锁紧柱销或锥销，与设置在横向移动模快前后端面销孔和纵向移动模块左右端面的定位销孔配合实现中心定位；与靠近滚动丝杠传动装置一侧的端面设置的两个止退销孔配合有效防止定位后滚动丝杠倒退。

纵向移动模块上端面设置的轨道槽是长度一定的横向滑槽，与横向移动模块下端面安装的导轨配合实现横向双侧定位。

支撑底座上层板上端面设置的轨道槽是长度一定的纵向滑槽，与纵向移动模块下端面安装的导轨配合实现纵向双侧定位。

本发明可通过横向移动模块和纵向移动模块之间相对位置的调整精准定位试验板件的九个不同冲击位置点。开始落锤式冲击试验时，首先要利用安装在左右定位挡板和纵向移动模块前后两侧的弹簧锁紧销进行零点定位操作，根据设置于左右定位挡板上端面标注的刻度进行纵向辅助定位操作，根据纵向移动模块上端面四周标注的刻度进行横向辅助定位操作。然后根据试验设计，手动操作摇杆转动滚动丝杠传动装置移动横向移动模块和纵向移动模块，利用双侧限位的横向导轨槽和纵向导轨槽以及弹簧锁紧销完成冲击位置点的准确定位。若试验要求进行多点反复冲击试验，可利用上述步骤完成所设计冲击位置点的定位操作。每次冲击完成后，根据标注的刻度线辅助观察并调整各移动模块位置，保证冲击位置点与所设计的冲击位置点一致。

附图说明

下面结合在十一张附图中绘制的实施例详细阐述本发明。其中：

图1为本发明的整体正三轴测图；

图2为本发明的整体内部结构示意图；

图3为落锤式冲击试验板件示意图；

图4和图5为本发明压紧模块结构示意图；

图6为本发明横向移动模块结构示意图；

图7和图8为本发明纵向移动模块结构示意图；

图9为本发明支撑底座结构示意图；

图10为本发明定位挡板结构示意图。

图11为本发明铰接夹螺栓夹头和弹簧夹头示意图。

具体实施方式

如图3所示，根据《astm美国材料与试验协会标准》，复合材料板状冲击试验件为100mm×150mm的矩形板状试件，除去边缘支撑部分，可冲击范围为75mm×125mm的矩形区域。本发明根据试验设计可精准定位落锤式冲击试验件可冲击范围内的九个位置点。图3中圆形区域代表本发明所设计的可冲击位置点。

以落锤式冲击试验机冲头直径dh＝12.7mm为例，本发明可实现的最大冲击面积计算如下：

根据《astm美国材料与试验协会标准》，试验件规格为100mm×150mm矩形板状，除去四周支撑边缘，理论上冲击范围为75mm×125mm的矩形区域；压紧模块中夹头压紧位置在距离试验件上下边缘的25mm处，压头半径＝4mm；考虑对落锤冲击试验机冲头的保护，冲击位置点至少距离障碍物边缘＝5mm；

x方向可冲击最大距离：xmax＝x2-dh-2xp＝75-12.7-2×5＝52.3mm

y方向可冲击最大距离：ymax＝y1-2le-2r-dh-2xp

＝150-2×25-2×4-12.7-2×5

＝69.3mm

实际可冲击最大面积：smax＝xmax·ymax＝52.3×69.3＝3624.39mm²

其中x2表示《astm美国材料与试验协会标准》规定可冲击范围的宽度，x2＝75mm；y1表示试验件的长度，y1＝150mm。

以上计算是针对落锤冲击试验机冲头直径为dh＝12.7mm为例所做的实际可冲击最大面积的计算过程，如果使用其他规格的冲头，可根据以上公式变化所需数据进行推导计算。

如图2所示，一种冲击位置点可调整的落锤式冲击试验机板状试件夹具包括压紧模块1、横向移动模块2、纵向移动模块3、支撑底座4和定位挡板5。

如图4和图5为两种不同类型的压紧模块，中间设有放置试验件的矩形卡槽103，卡槽规格为100mm×150mm的矩形镂空区域。在卡槽两侧固定四个手动铰接夹101或者气动铰接夹104，用于夹紧试验板件，防止落锤冲击过程中板件回弹。使用螺钉102将压紧模块与横向移动模块2固定连接。

如图6为横向移动模块，中间设有竖向贯穿的矩形通孔205，一侧安装滚动丝杠传动装置206，另一侧安装圆柱导杆装置204，下端面设有三组导轨，一、三组导轨201、203用于导向和双侧定位，第二组导轨202用于导向和支撑，前后端面中心设置定位销孔207，在靠近滚动丝杠传动装置一侧的端面设置两个防止滚动丝杠倒退的销孔208；手动操作滚动丝杠传动装置206可以使横向移动模块2完成所需位移，圆柱导杆装置204对横向移动模块起到导向纠偏作用。下端面安装的三组导轨在纵向移动模块上端面设置的限位滑槽303、304中滑动，一、三组导轨201、203与限位滑槽303、304配合，在横向上精准定位横向移动模块的两个位置；前后端面中心设置的定位销孔207和安装在纵向移动模块前后两侧的弹簧锁紧销302配合完成中心一点的定位。

如图7和图8为纵向移动模块，中间设有竖向贯穿的矩形通孔307，一侧安装滚动丝杠传动装置301，另一侧安装圆柱导杆装置308，下端面设有三组导轨，一、三组导轨309、312用于导向和双侧定位，第二组导轨310用于导向和支撑，左右端面中心设置定位销孔306，在靠近滚动丝杠传动装置的一侧端面设置两个防止滚动丝杠倒退的销孔311；手动操作滚动丝杠传动装置301使纵向移动模块3完成所需位移，圆柱导杆装置308对纵向移动模块起到导向纠偏作用。纵向移动模块上端面设有两条横向导轨槽303、304，两条导轨槽长度一定，对横向移动模块2起到限位作用。下端面安装的三组导轨在支撑底座上层板的上端面限位滑槽404、405中滑动，一、三组导轨309、312与限位滑槽404、405配合，在纵向上精准定位纵向移动模块的两个位置；左右端面中心设置的定位销孔306和安装在左右定位挡板中部的弹簧锁紧销508配合完成中心一点的定位。

本发明中对横向移动模块和纵向移动模块的滚动丝杠传动装置要求有较高的精度和稳定性，根据jis标准，选择采用精度等级至少为c5等级滚动丝杠装置。

本发明中对横向移动模快和纵向移动模块所使用的滑轨要求有较高的耐磨性和减震性，所以选择采用淬火处理的钢导轨或者淬火处理的低合金铸铁导轨。

如图9为支撑底座，支撑底座下层板设有四个沉头孔401，用于安装螺栓，以便夹具与落锤式冲击试验机固定连接，上下层板由四个立柱403支撑连接。支撑底座上层板上端面设有两条纵向导轨槽404、405，导轨槽长度一定，与纵向移动模块下端面设置的三组轨道配合完成纵向移动模块的位移且对纵向移动模块位移起到限位作用。

上述纵向移动模块上表面的横向限位导轨槽长度和支撑底座上表面的纵向限位导轨槽的长度可表示为：

l横＝x横+xmax

l纵＝y纵+ymax

其中l横、l纵分别表示横向限位槽长度和纵向限位槽长度，x横表示横向移动模快的宽度，y纵表示纵向移动模块的长度，xmax表示x方向可冲击最大距离，ymax表示y方向可冲击最大距离。

如图10为定位挡板，定位挡板设置于支撑底座上层板四周，由前后左右四块定位挡板组成。前后定位挡板设有通孔501，用于安装纵向移动模块的滚动丝杠传动装置301；设有通孔503，用于安装纵向移动模块的圆柱导杆装置308。左右定位挡板设有通孔504，用于安装横向移动模块的滚动丝杠传动装置206；设有通孔506，用于安装横向移动模块的圆柱导杆装置204；中部设置矩形通孔505，用于安装弹簧锁紧销。前后定位挡板中部设置矩形通孔502，使定位挡板对纵向移动模块上安装的两个弹簧锁紧销302不产生阻挡。

综上所述，横向移动模块2与纵向移动模块3在各自方向上能够精准定位三个冲击位置点，两个模块相互配合就可完成冲击试验件可冲击范围内的九个冲击位置点的定位操作。

下面给出非单一冲击位置点落锤式冲击实验夹具定位阶段的实施例：

在进行落锤式冲击试验时，首先将切割成矩形板状，规格为100mm×150mm的复合材料板状试验件放置于卡槽103，将四个手动铰接夹101或者气动铰接夹104压紧试验件。然后进行冲击位置点调零操作，摇动横向移动模块的滚动丝杠装置206，利用安装在纵向移动模块前后两侧的弹簧锁紧销302进行横向调零操作，根据设置在纵向移动模块上端面四周标注的刻度305进行横向辅助调零操作。手动摇动纵向移动模块的滚动丝杠传动装置301，利用安装在左右两侧定位挡板的弹簧锁紧销508进行纵向调零操作，可根据设置在左右定位挡板上端面四周标注的刻度507进行纵向辅助调零操作。冲击点位置调零是确定落锤冲击位置点的初始位置与试验件的几何中心保持一致，从而保证接下来其他位置点的精确调整。若发现落锤冲击位置点的初始位置与试验件的几何中心不一致，则需调整夹具与落锤式冲击试验机的相对位置。

根据试验设计的冲击位置点，利用此发明精准定位各点完成落锤冲击试验。在进行冲击位置点定位时，操作横向移动模块的滚动丝杠传动装置206进行横向位移，利用设置在纵向移动模块上的限位卡槽303、304完成两侧点的精准定位，弹簧锁紧销302配合止退销孔208防止丝杠倒退；利用安装在移动模块上的弹簧锁紧销302与横向移动模快上的销孔207配合完成中心定位，可根据设置在纵向移动模块上端面四周标注的刻度305进行横向各点辅助定位操作。完成横向定位操作后，操作纵向移动模块的滚动丝杠传动装置301进行纵向位移，利用设置在支撑底座上层板上端面的限位卡槽404、405完成两侧点的精准定位，弹簧锁紧销508配合止退销孔311防止丝杠倒退；利用安装在左右定位挡板上的弹簧锁紧销508与纵向移动模块上的销孔306配合完成中心定位；可根据左右定位挡板上端面标注的刻度507进行纵向各点辅助定位操作。

完成横向和纵向定位操作后，利用设置的刻度线再次确定冲击点位置，确认铰接夹夹紧试验件，之后可进行落锤冲击试验。

在落锤冲击试验过程中，压紧模块对试验件的锁紧起到关键作用。当压紧模块对试验件的锁紧力没有达到要求时，会导致试验件在被冲击过程中产生相对冲头的位置滑移，造成冲击位移的减小和冲击位置点的变动。如果产生上述问题，会导致试验结果产生较大偏差。因此，本发明针对压紧模块提出两种实施例。这些实施例仅用于进一步说明本发明，并不限制本发明申请权利要求保护范围。

实施例1

如图4所示，本实施例在压紧模块中采用简易手动铰接夹101。如图11所示，铰接夹夹头采用螺栓夹头1014或者弹簧夹头1012。当试验设计对预锁紧力不做表征要求时，可选择使用简易操作的螺栓夹头1014进行试验件的压紧操作。

若试验要求表征出铰接夹对试验件的预锁紧力，则选择采用弹簧夹头1012。弹簧夹头的弹簧部分1011采用螺旋金属压缩弹簧，根据hooke定律，锁紧力计算公式为：

f＝-kx

其中k是弹簧的弹性系数，负号表示弹簧产生的弹力与其它本身压缩的方向相反，x表示弹簧的压缩量。

经试验测试，复合材料板的预锁紧力一般要求在100～280n，即每个铰接夹为25n～70n可以保证试验件在落锤冲击过程中不回弹且对复合材料试验件不造成破坏性损伤。若要求测量表征预锁紧力，则需要配合压力传感器测量出夹头对试件的压力大小。由于试验件的材料或者结构不同，可以通过调整螺母位置来调节弹簧的具体压缩量从而改变夹头对试验件的压力。使用压力可表征的弹簧夹头，可以保证不同试验组试验中铰接夹对试验件预锁紧力保持不变，从而减少试验中的无关变量对结果的影响，增加试验结果的准确性。

实施例2

如图5所示，本实施例在压紧模块中采用气动铰接夹104。通过气缸控制铰接夹头的压紧和放松。与实施例1类似，气动铰接夹夹头可以根据试验需要采用螺栓夹头1014或者弹簧夹头1012。测试表征方法和压力大小调节方式与实施例1相同。

以上两个实施例对本发明的压紧模块提出了两种不同方案，并设计出两种不同类型的夹头。实验人员设计试验时可根据需要选择合适类型的铰接夹和夹头。

以上实施例仅用于说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同代替，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或者局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。