可开展水平冲击试验的装置的制作方法

本发明涉及试验设备技术领域，具体涉及水平冲击试验装置，包含固定并夹紧结构的基座与夹具、装载冲头的冲击车、供冲击车获取速度与限制方向的轨道。

背景技术：

海洋开发是继上世纪40年代原子能开发、50年代宇宙空间开发之后，于60年代蓬勃兴起的一个具有战略意义的开发领域。与之相对应，开发和利用海洋资源，就必须在海上设置和安装一系列的工程结构物。所谓海洋工程结构物，是为海洋开发所建造的结构物的总称。

海洋平台、海上工程船、海上运输船等长期在海上工作，工作环境十分恶劣，不可避免会遇到各类碰撞、搁浅等问题，例如供应船只与平台桩腿的碰撞、上部结构的坠物到平台甲板和浮冰对平台的撞击等。碰撞经常使平台结构构件发生整体弯曲和局部凹陷，承载能力降低，影响构件的安全，有时会极大地减弱整个平台结构的强度。搁浅则会造成船舶底部破损，导致漏油甚至沉没事故的发生。

因此，研究海洋平台结构在船舶碰撞、搁浅等危险工况下的损伤及能量吸收机理、评估平台结构的耐撞性能、设计高效合理的结构型式以提高平台的耐撞能力，便成为海洋工程中的重要研究课题。

由于瞬时强非线性的结构问题过于复杂，理论分析和数值计算的结果往往需要通过实验来验证。实际碰撞现象需由大尺度模型实验研究，而此类实验又是一种极昂贵的破坏性实验，成本高，时间长。而小尺度的冲击试验具有成本相对低廉、结果可靠且直观、重复性强的特点，在工程和科学领域的应用则十分广泛，因此成为了舰船的碰撞与搁浅领域一个不可缺少的手段。

一般的落锤式冲击试验机利用重力的作用，使得冲击头自由下落获取速度，并实现对板的撞击。该种试验机存在三个明显的问题：

由于普通冲击试验机一体化设计的限制，其通用性相对较差，不能针对不同的工程场景、进行大幅度的改装：可更换的冲头种类单一，可更换的冲头尺寸范围较小，可更换的被撞结构的种类和尺寸较少。

由于落锤式冲击头由重力驱动且轨道为竖直的原因，在对结构进行了第一次碰撞并回弹后容易发生二次碰撞现象。

由于落锤式冲击头在撞击过程中受到重力的作用，冲击头所测得的加速度与其由于受到被撞结构抗力而产生的加速度之间存在1个g的系统误差。在船舶工程的低速冲击背景下，这种系统误差往往会对结果产生一些不利的影响。

因此，针对传统的落锤式冲击试验机存在的以上问题，通用式水平冲击试验机的设计便成为了一项必要之举。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：针对传统试验机的不完善之处，提供一种误差小、操作方便、通用性强的水平式冲击试验机，可以开展不同的冲击头与不同尺寸固支板的冲击试验。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的可开展水平冲击试验的装置，其包括空间上依次布置的基座、夹具机构、冲击车、轨道，以及相配合的牵引机构；它们协同工作，实现不同尺寸结构物在不同边界条件下的低速冲击实验，结构物主要为矩形板、方形板或加筋板。

所述的基座，由支撑结构、冲击面板和托板组成，其中：支撑结构固定在地基上；冲击面板位于支撑结构之前，其中部开有矩形通槽，矩形通槽周围预留螺栓孔，不同尺寸的结构物可以通过夹具机构固定在冲击面板上，以实现完全固支的边界条件；托板焊接于冲击面板靠近底部的位置，用于置放夹具机构。

所述的支撑结构，由底板、顶板、三对梯形大撑板和一块水平撑板组成，其中：三对梯形大撑板的上端与顶板和水平撑板相连接、底板相连，由此构成一体结构，并与冲击面板相连；水平撑板位于顶板下方且与三对梯形大撑板的上部相连。

所述的三对梯形大撑板，具有底宽顶高的特征，其中中间两块大撑板中间间隔距离稍大，便于在中间安置冲击试验的测量设备，中部两块大撑板与基座前端相连接部分切出凹槽，为冲击过程中结构物的变形留出空间，从面向基座前端的视角可看到中部大撑板的内凹。

所述的底板上有四排螺栓孔，地脚螺钉与地基通过钢筋混凝土灌注为一体，地脚螺钉与基座底板上开孔一一对应，通过螺帽和螺栓连接方式将基座与地基固定为一体。

所述的夹具机构，可根据试验板尺寸来布置在基座的冲击面板的位置上，以达到将试验板四边同时夹紧的目的。

所述的夹具机构，可以夹紧板或加筋板的四边以实现边界条件，该夹具机构由短夹具、长夹具和夹具支撑组成，其中：短夹具和长夹具各有两对，均为长条形钢块，厚度一致，上有螺栓开孔；每一对夹具可以夹紧试验板的一边，并与冲击面板、夹具支撑通过螺栓配合成一整体；夹具支撑为两端窄中间宽的槽口隼结构，与夹紧结合的面处设螺栓开孔，其两端所开隼槽恰好与基座上的冲击面板相合，使得夹具支撑与短夹具结合的面恰好与冲击面板前端面共面；夹具支撑共两个，中部与短夹具和试验板通过螺栓进行连接，上端槽口隼处通过螺栓依次与冲击面板、短夹具、试验板、短夹具进行配合连接，下端槽口隼处通过螺栓依次与冲击面板、长夹具、试验板、长夹具进行配合连接。

所述的轨道，由导轨、桁架构成为双轨斜坡式轨道；轨道的水平段高度与基座的冲击面板几何中心的高度一致，轨道的轨道延伸方向垂直于冲击面板；导轨的截面为圆形，采用不锈钢材质，其与冲击车的车轮接触位置进行打磨、润滑以方便滑动；桁架由若干根方形支撑管组成，其上部与两根导轨焊接为一体，每根支撑管的底面焊有脚板，脚板上开孔，可通过膨胀螺钉与地面进行固定。

所述冲击车与导轨相配合，可携带冲头在轨道上滑行并与固定于基座上的冲击面板发生水平冲击；冲击车可装载不同形状、不同种类的冲击头，车身的整体质量可调；冲击车的车轮与轨道进行配合，与轨道装配后的冲击头中心的高度与基座冲击面板几何中心的高度一致。

所述牵引机构包括定滑轮、缆绳、牵引电机、电磁释放装置，其中：定滑轮置于导轨最高位置处的双轨中心处，可拆卸；缆绳连接电磁释放装置，经过定滑轮，与牵引电机相连接；牵引电机固定在地面上，可以在不同速度下缠绕缆绳将冲击车拉到一定高度；电磁释放装置置于冲击车后部，连接缆绳，通电时产生磁力将冲击车吸住，断电释放使其沿导轨自由滑落。

本发明与现有技术相比具有以下的主要有益效果：

1.通用性好，可以针对不同的工程场景，对冲击车和试验结构进行大幅度的改装。可实现不同尺寸(长宽比、板厚等)实验板固支边界条件。除了对于光板、加筋板、板格等结构都可以实现固支边界外，还可以配合不同夹具的改装设计，固定管道、曲面板等不同结构。

2.可以有效的避免冲头在进行了第一次碰撞后回弹并产生二次碰撞的现象，也能更加真实的模拟工程中水平冲击的工况。

3.避免了落锤式冲击由重力导致的冲头加速度的系统误差。

4.基座的结构设计合理、坚实可靠，基座配合地基可以承受多次强烈撞击，并有整体位移小、局部变形微小的特征，满足长期、高载的使用要求，使用寿命长，维修方便。

5.轨道的通用性强，可更换的冲头种类多元化、尺寸范围较广，可以配合不同小车的改装设计，装载不同的冲头。

6.牵引系统、轨道系统的设计务实可靠，由电磁装置连接冲击车，开动电机即可上拉，断开电磁装置电源即可释放，操作便捷，安全性高，维修方便。

7.小车借助重力势能获取速度，能耗低，低碳绿色。

附图说明

图1为本发明一个具体实施例的结构示意图。

图2为本实施例中基座的结构示意图(前视等轴侧视图)。

图3为图2的后视等轴侧视图。

图4为本实施例中基座的安装示意图。

图5、图6为本实施例中夹具系统的安装示意图。

图7为本实施例中轨道的结构示意图。

图8为本实施例中牵引系统的安装示意图。

图中：1.基座；2.夹具机构；3.冲击车；4.轨道；5.牵引机构；6.冲击面板；7.托板；8.水平撑板；9.梯形大撑板；10.地脚螺钉；11.地基；12.短夹具；13.长夹具；14.夹具支撑；15.导轨；16.桁架；17.脚板；18.定滑轮；19.缆绳；20.牵引电机；21.电磁释放装置。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的说明，但不限定本发明。

本发明提供的可开展水平冲击试验的装置，是一种可实现不同尺寸实验板固支边界条件的水平冲击试验机，其结构如图1所示，包括自左向右依次布置的基座1、夹具机构2、冲击车3、轨道4，和与轨道4相连的牵引机构5；它们互相配合，可实现不同尺寸结构物在不同边界条件下的低速冲击实验，结构物主要为矩形板、方形板或加筋板。

所述的基座1，其结构如图2所示，由支撑结构、冲击面板6和托板7组成，其中：支撑结构由三对梯形大撑板9和两块水平撑板8组成(如图3所示)，支撑结构固定在地基11上；支撑结构的前端侧面是冲击面板6，其中部开有矩形通槽，矩形通槽周围开有预留螺栓孔，不同尺寸的矩形板、方形板、加筋板可通过夹具机构2固定在冲击面板6上，以实现完全固支的边界条件；托板7焊接于冲击面板6靠近底部的位置，方便抬放夹具机构2时将夹具放置于托板7之上。

所述的基座1，其结构如图3所示，由底板、顶板、三对梯形大撑板9和两块水平撑板8组成，其中：三对梯形大撑板9(共六块)的上下端分别与顶板、底板相连，由此构成一体结构的侧面与冲击面板6相连；两块水平撑板8位于顶板下方且与三对梯形大撑板9的上部相连。该基座为前端冲击面板6提供了强度支撑，将冲击力传递给了地基11。如图3所示，所述的三对梯形大撑板9，具有底宽顶高的特征，其中中间两块撑板中间间隔距离稍大，便于在中间安置冲击试验的测量设备，中部两块撑板与基座前端相连接部分切出凹槽，为冲击过程中结构物的变形留出空间，如图2所示，从面向基座前端的视角可看到中部撑板的内凹，在保证结构强度的同时，为试验板的变形预留出空间，整体结构可靠。

所述的基座的底板上有四排螺栓孔，如图4所示，地脚螺钉10与地基11通过钢筋混凝土灌注为一体，地脚螺钉与基座底板上开孔一一对应，通过螺帽和螺栓连接方式将基座与地基固定为一体。地基的强度和刚度足够，保证进行试验时基座发生的位移相当微小。

所述夹具机构2根据试验板尺寸来布置在冲击面板6的位置上，以达到将试验板(矩形板、方形板、加筋板)的四边同时夹紧的目的。该夹具机构2由短夹具12、长夹具13和夹具支撑14组成(图5)，短夹具12和长夹具13各有两对，夹具都为长条形钢块，厚度一致，上有开孔。如图6所示，每一对夹具可以夹紧试验板的一边，并与冲击面板6、夹具支撑14通过螺栓配合成一整体，可用“冲击面板-夹具-试验板-夹具”来形象概述；所述夹具支撑14为两端开通槽的长条形钢块，钢块的两端形状如隼头，其上下两端恰好与冲击面板6配合，使得夹具支撑14的受冲击面(即夹具支撑14与短夹具12结合的面)与冲击面板6的受冲击面共面；夹具支撑14共有两个，中部悬空部位与短夹具12和试验板通过螺栓进行配套连接。

如图1所示，所述冲击车3与导轨4相配合，可携带冲头在轨道4上滑行并与通过夹具机构2固定于基座1上的试验板(矩形板、方形板、加筋板)发生水平冲击；冲击车3可装载不同形状、不同种类的冲击头(例如楔形的钢块冲击头、圆形的钢块冲击头、楔形的冰块冲击头)。

如图7所示，所述轨道4由导轨15、桁架16构成为双轨斜坡式轨道，轨道4的水平段高度与冲击面板6几何中心的高度一致，轨道4的轨道长度方向垂直于冲击面板6。所述导轨15的截面为圆形，采用不锈钢材质制成，其与冲击车3车轮接触的上表面进行打磨、润滑以方便滑动；桁架16由若干根方形支撑管组成，其上部与两根导轨15焊接为一体，每根支撑管的底面焊有脚板17，脚板17上开孔，可通过膨胀螺钉与地面进行固定，保证整个试验过程中轨道的相对位置不发生移动；轨道中心轴线与冲击面板6的几何中心共面。

所述轨道4的斜轨部分最大坡度小于45°，并采用双轨形式，过渡段变化缓慢，提高了冲击车通过时的安全性。

如图8所示，所述牵引机构5包括定滑轮18、缆绳19、牵引电机20、电磁释放装置21等，其中：定滑轮18置于导轨15最高位置处的双轨中心处，可拆卸；缆绳19连接电磁释放装置21，经过定滑轮18，与牵引电机20相连接；牵引电机20固定在地面上，可以在不同速度下缠绕缆绳19将冲击车3拉到一定高度；电磁释放装置21置于冲击车3后部，连接缆绳19，通电时产生磁力将冲击车吸住，断电释放使其沿导轨15自由滑落。

所述电磁释放装置21采用通电即吸合，断电即分离的方式，例如可以采用型号为bj-dh-100的小型吸盘式电磁铁。

本发明提供的可开展水平冲击试验的装置，其工作过程是：

1.如图1中所示，冲击车3的冲头砝码等安装到位，重心调整完毕。

2.夹具机构2连同试验板，通过螺栓连接方式与夹具支撑一起固定到基座1之上。并调整轨道4的位置使之与基座1对中。

3.启动电磁释放装置21，使得牵引系统5与冲击车3相连接，并开始启动牵引系统，上拉冲击车3到预定高度。

4.断开牵引系统5中电磁释放装置21的电源，使冲击车3沿滑轨下滑，平稳经过曲形过渡段后速度保持水平，与固支试板发生撞击。

5.撞击结束，控制住低速回弹的冲击车3，避免其与试验板发生二次碰撞。

6.结束一次冲击试验，开始下一次冲击试验准备工作。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了详细描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。如：结构物不仅仅限于方形板，凡是可以通过夹具机构安装于基座之上尺寸合理的结构物都可以开展冲击试验，具体实施方式可有所不同；冲击车的前端不限于所示意的冲击头，不同的冲击头下实施方式可有所不同。本领域的普通技术人员来在本发明启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的实施方案均在本发明的保护范围之内。