一种施加预载荷的高速冲击试验装置及方法与流程

本发明属于高速冲击试验领域，具体涉及一种施加预载荷的高速冲击试验装置及方法。

背景技术：

航空、航天、军事等领域的结构件可能遭受高速冲击载荷，如叶片丢失、鸟/冰撞击、外物损伤等。这些结构件在正常使用时通常承受一定的载荷作用，而现有的高速冲击试验方法通常仅对未受载荷的结构件进行试验考核，因此无法评估其在受载情况下的抗冲击性能。对于结构高速或者低速冲击性能研究的试验有很多，而对于预载荷下结构冲击性能的研究却少之又少，研究方法也需要进一步改善。

预载荷对结构件抗冲击性能的影响是通过试验方式来测得的。冲击试验一般是确定军用、民用设备在经受外力冲撞或作用时产品安全性、可靠性和有效性的一种试验方法。由于复合材料广泛的应用于航空发动机上各个部件，并且航空发动机工作时压气机、涡轮转子有很大的转速，机匣部件通常承受内压载荷与轴向力，这使得发动机很多部件都是在承受相当大的载荷(如离心载荷、压力载荷等)下工作的。因此探究预载荷下高速冲击对结构件性能的影响更贴合实际，且尤为重要。目前研究预载荷下高速冲击试验大多都是使用落锤、摆锤或者空气炮来实现冲击载荷。而对于预加载的设备一般是以机械加载为主，也就是使试验件产生位移并固定此位移实现预加载。而测量所加预载荷的方法一般都是在试验件上贴应变片或者应变计，通过测量应变大小估算预载大小。这种做法费时费力且冲击试验时容易破坏应变片导致估算预载荷时增大误差。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种施加预载荷的高速冲击试验装置，该装置可实现在试验时直接施加目标预应力，且具有较高稳定性。

本发明还提供了一种采用上述试验装置的试验方法。

技术方案：本发明所述的一种施加预载荷的高速冲击试验装置，包括试件靶板、力加载装置、第一靶架、第二靶架、驱动组件和冲击装置；所述试件靶板的两端分别为固定端和连接端，所述固定端固定于所述第一靶架上，所述连接端与所述力加载装置的输出端连接；力加载装置固定于所述第二靶架上，力加载装置通过所述驱动组件驱动用以对试件靶板施加自固定端指向连接端的拉应力或者自连接端指向固定端的压应力；所述冲击装置指向试件靶板的中心。

有益效果：该试验装置通过力加载装置直接对试件靶板施加自固定端指向连接端的拉应力或自连接端指向固定端的压应力，拉应力或压应力均位于试件靶板所在平面内，从而在施加载荷时不会产生扭矩，提高试验的准确性。试件靶板上无需安装应变片，有效避免了因冲击使应变片损坏而导致所加载的预应力偏差，提高试验装置的稳定性。

具体的，所述驱动组件包括依次连接的空压机、调压阀和空气增压泵，所述空气增压泵的输出端连接所述力加载装置。通过驱动组件驱动力加载装置，可直接根据经验公式计算出预应力大小，比帖应变片操作更容易。

而本发明所述的一种采用上述试验装置的试验方法所采用的技术方案包括下述步骤：

(1)启动空压机充气，待空压机充气完毕后，将空气通入调压阀，并经过调压阀进入空气增压泵；

(2)根据公式预应力＝调压阀压力读数×空气增压泵倍数×流体压力读数；调整调节阀和空气增压泵，使得力加载装置对试件靶板施加目标大小的拉应力或者压应力；

(3)启动冲击装置冲击试件靶板的中心，完成试验。

有益效果：采用该试验方法可以通过调整调压阀来改变对试件靶板所施加的预应力大小，并可直接根据公式精确计算预应力。与粘贴应变片相比操作更简单，试验效果也更加稳定；通过控制空压气的气量，使空压机的补齐量大于空气增压泵的耗气量，实现力加载装置施加预应力后的自锁，从而保持施加的预应力不变。

附图说明

图1为本发明施加预载荷的高速冲击试验装置的结构示意图；

图2为本发明施加预载荷的高速冲击试验装置的局部结构示意图；

图3为本发明空压机的结构示意图；

图4为本发明调压阀的结构示意图；

图5为本发明空气增压泵的结构示意图；

图6为本发明第一靶架的结构示意图；其中，6a示出了第一靶架与固定端的连接螺栓孔位置，6b示出了第一靶架的固定螺栓孔位置；

图7为本发明第一靶架与固定端连接的垫片结构示意图；

图8为本发明中内侧夹板的结构示意图；其中，8a示出了内侧夹板的螺栓孔位置，8b示出了内侧夹板的截面形状；

图9为本发明中外部卡槽的结构示意图；其中，9a示出了外部卡槽的螺栓孔位置，9b示出了外部卡槽的截面形状；

图10为本发明第二靶架的结构示意图。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1、图2所示，本实施例公开了一种施加预载荷的高速冲击试验装置，该装置包括试件靶板1、力加载装置2、第一靶架3、第二靶架4、驱动组件5和冲击装置6(图中未示出)。

试件靶板1的固定端固定于第一靶架3上，试件靶板1的连接端连接于力加载装置2的输出端。具体的，本实施例中将待试验的金属或复合材料制作成长方形的试件靶板1。长方形的两条短边分别为试件靶板1的固定端和连接端。请一并参阅图6中6a所示，在第一靶架3上开设有多个连接螺栓孔，采用如图7所示在相应位置开设多个螺栓孔的垫片8，将试件靶板1的固定端压紧在第一靶架3上，并采用螺栓紧固，保证装配强度。

力加载装置2固定于第二靶架4上。实施时可选用油缸作为加载力源。力加载装置2的输出端具有夹持组件和输出轴23，夹持组件包括两个相对设置的内侧夹板21和一个外部卡槽22。请一并参照图8中8a和8b所示，内侧夹板21上开设有大小不同的两组螺栓孔，试件靶板1的连接端夹持在两个内侧夹板21对接形成的槽中并通过螺栓固定。同时参阅图9中9a、9b所示，外部卡槽22在相应位置同样设置有多个螺栓孔，两个内侧夹板21卡设于外部卡槽22的卡槽内，并通过螺栓固定。外部卡槽22上还具有设置外螺纹的连接杆，输出轴23匹配设置有内螺纹，外部卡槽22螺纹连接输出轴23。输出轴23可围绕其中心轴线转动，从而能够带动夹持组件围绕输出轴23的中心轴线转动。

如图10所示，第二靶架4的侧面和背面分别设置有多个螺栓孔，力加载装置2通过螺栓连接于第二靶架4的侧面。

驱动组件用于驱动力加载装置2，驱动组件具有空压机5、调压阀6和空气增压泵7。空压机5、调压阀6和空气增压泵7通过气管依次连接，空气增压泵7的输出端与力加载装置2连接。驱动组件向力加载装置2提供驱动力，从而使得力加载装置2对试件靶板1施加预应力。具体的当力加载装置2的输出轴23向外伸出时，会对试件靶板1施加自连接端指向固定端的压应力，当输出轴23向内收缩时，会对试件靶板1施加自固定端指向连接端的拉应力。且所述拉应力和所述压应力均位于所述试件靶板1所在的平面内。

如图3所示，空压机5具有气压表51、送气阀门52和排气阀门53。当启动空压机5时，会自动向罐体内充气，此时送气阀门52和排气阀门53均处于关闭状态，气压表51读数上升。当空压机5充气完毕时，气压表51读数稳定在某一值。如图4所示，调压阀6具有调压表61，通过旋拧调压阀6的旋钮，可调节气压，调压表61将显示调压阀6调节的气体压力。如图5所示空气增压泵7具有连接在流体管路上的流体压力表71，下部还具有储油缸。进入空气增压泵7内的压缩气体会成倍数增压，并转化为高油压推动出油缸中的油。流体压力表71将对油压进行精确显示。

送气阀门52通过气管连接调压阀6的进气端，调压阀6的出气端通过气管连接空气增压泵7的进气端。驱动组件装配完毕后，将空气增压泵7的出油管路连接至力加载装置2，也即连接到油缸上。完成驱动组件的安装。

本实施方式中，采用空气炮作为冲击装置提供冲击力，为了使试验准确，冲击装置指向试件靶板1的中心。

如图6中6b所示，第一靶架3的背面设置有与第二靶架4的背面相同的螺栓孔，第一靶架3和第二靶架4通过背面的螺栓固定在试验台的立架上，通过移动立架可以调整第一靶架3和第二靶架4的横向距离，以适应不同长度尺寸的试件靶板1。

试验前，完成各部件的安装与固定，并通过转动夹持组件使试件靶板1与夹持组件处于同一平面，使得拉应力和压应力均位于试件靶板1所在的平面内，避免施加预应力时产生扭矩。

试验时，启动空压机充气，待空压机充气完毕后，将空气通入调压阀，并经过调压阀进入空气增压泵；空气在空气增压泵内按倍数增压并推动储油缸中的液压油，驱动力加载装置。根据公式预应力＝调压阀压力读数×空气增压泵倍数×流体压力读数；调整调节阀和空气增压泵，使得力加载装置对试件靶板施加目标大小的拉应力或者压应力。然后启动冲击装置冲击试件靶板的中心，完成试验。