一种可调节冲击波形的电磁冲击试验装置的制作方法

本发明涉及落锤、摆锤等机械冲击试验或电磁冲击试验，特别是涉及一种可调节冲击波形的电磁冲击试验装置。

背景技术：

1、在产品、装备服役过程中，不可避免面临冲击载荷的作用，如汽车碰撞、飞机鸟撞、爆炸冲击等，为了评价材料、产品或装备在冲击载荷下的性能，需要对预期受到的冲击环境的再现和模拟。当前主要的冲击试验设备多利用自由跌落质量、摆锤、气动活塞、弹射弹等撞击另一响应结构，以产生瞬态响应环境，如广泛使用的落锤试验机等。然而此类方法存在试验流程繁琐和冲击波形单一等问题。

2、以落锤试验机为例，试验过程不同的冲击能量通过落锤的质量和释放高度控制(e＝mgh)，如果获得较大的冲击能量，往往需要提升释放高度，这就增加了试验机的体积，且无法获得特定精确的冲击能量(落锤质量误差和高度设置误差)，如果冲击试验件不同位置，需要移动试验件后重新夹持，这样很难将预期冲击点和落锤落点精确对应起来，特别对于重复冲击来说，这样会大大降低试验的一致性，在每次试验过程后需要重新挂锤，降低了试验效率且人工操作过程中存在一定危险，在冲击结束后，若不设计额外的阻拦装置，落锤还会反弹后再次或数次冲击试件，因此试验流程繁琐且试验精度较差。

3、其次，此类冲击试验平台的冲击波形往往为经典半正弦波形，并且往往仅关注脉冲主峰，对脉宽响应等并不控制，而实际工况条件下冲击波形差异很大，几乎不会遇到此类经典冲击波形，因此，此类冲击平台往往导致出现过冲击现象。为了获得不同的冲击峰值和脉宽，摆锤试验机往往需要更换不同的缓冲器和摆动角度，这同样带来操作繁琐的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种可调节冲击波形的电磁冲击试验装置，能够解决当前冲击试验设备操作繁琐和冲击波形单一的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种基于电磁加载的冲击试验装置包括：电源系统、冲击枪、传感器数据采集系统和夹具与托架系统，所述冲击枪将所述电源系统的电能转化为电磁力冲击力，以冲击载荷的形式作用于固定在所述夹具与托架系统上的待冲击试件，试验开始前，所述冲击枪与所述待冲击试件零距离接触，冲击载荷方向平行于地面水平加载，试验过程中，所述传感器数据采集系统记录试件所受的冲击力、形变位移随时间变化的数据，试验结束后，所述冲击枪与所述待冲击试件之间的反作用力通过所述冲击枪的缓冲系统以摩擦和温升的形式消耗，避免对所述待冲击试件的二次冲击；所述电源系统中储能电容和充电电压可变。

4、可选地，所述电能的单次冲击能量e的计算公式如下：

5、

6、式中，c和u分别代表电源系统中储能电容和充电电压值，η为电磁能转化效率，电源系统元器件、加载枪几何结构及材料确定后，η为一常数，改变储能电容c和充电电压u即可获得不同的单次冲击能量e；

7、单次电磁冲击力f的计算公式如下：

8、

9、式中，k为电源系统rlc振荡回路的系统常数，当电源系统元器件确定后为一常数，ω为电源系统衰减谐振圆频率，为电流相位差，t为时间；

10、单次电磁冲击力f持续的时间或冲击载荷的脉宽t的计算公式如下：

11、

12、式中，l为电源系统等效电感值，r为电源系统等效电阻值，l和r值为电源系统搭建后的常数。

13、可选地，所述通过改变储能电容充电电压得到所需的冲击能量或加载波形，实现不同冲击工况。

14、可选地，所述冲击枪包括冲头、石英压力传感器、转接头、应力波整形器、从动线圈、主动线圈、缓冲系统和顶持手柄，其中，所述冲头侧面铣有平面，便于所述冲头的拆卸更换；所述石英压力传感器用于采集试验过程中所述待冲击试件承受的冲击力，通过轴线方向的外螺纹将所述冲头和所述转接头与所述应力波整形器连接；试验前，所述从动线圈通过压缩弹簧与所述主动线圈贴合，所述电源系统产生的脉冲电流流入所述主动线圈后与所述从动线圈间产生的电磁斥力，电磁斥力推动所述从动线圈、所述应力波整形器、所述转接头、所述石英压力传感器和所述冲头沿芯轴运动，形成电磁冲击力；所述缓冲系统包括数个压缩弹簧和液压阻尼器，所述冲击枪与所述待冲击试件之间的反作用力产生的动能通过所述压缩弹簧和所述液压阻尼器被耗减，在此过程中，所述冲头始终与所述冲击枪整体连接，避免所述冲头二次甚至多次反弹撞击所述待冲击试件干扰试验结果。

15、可选地，所述冲头为16mm半球型，但按需要更换为不同直径或形状。

16、可选地，所述电源系统产生的脉冲电流流入所述主动线圈后与所述从动线圈间产生的电磁冲击力以弹性波的形式在所述应力波整形器中传播，通过所述应力波整形器几何截面积的变化，将引起弹性波的不断反射和透射，表现为电磁冲击力f(t)的放大和波形的改变，其中放大倍数n的公式计算如下：

17、

18、式中，σs和σl分别为所述应力波整形器小端和大端截面上的应力大小，通过改变应力波整形器的几何结构，修正冲击波形f(t)，使得冲击载荷更加接近真实工况。

19、可选地，所述夹具与托架系统包括导轨、夹紧气缸、伺服电机、丝杆、支撑夹具和夹持夹具，所述冲击枪固定在所述导轨上，所述冲击枪沿所述导轨垂直移动，运动到预定位置后通过所述夹紧气缸平衡所述冲击枪的重力，维持所述冲击枪在指定位置，所述冲击枪的水平移动通过所述伺服电机和所述丝杆带动所述导轨移动实现，所述待冲击试件通过所述支撑夹具和所述夹持夹具固定在夹具与托架系统的横架间，移动冲击枪即可实现不同尺寸的待冲击试件不同冲击位置的冲击试验。

20、可选地，所述支撑夹具、所述夹持夹具的尺寸和夹具与托架系统横架的间距，根据所述待冲击试件的几何尺寸调节。

21、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

22、本发明提出一种可调节冲击波形的电磁冲击试验装置，将传统的垂直加载改变为水平加载，并通过固定待冲击试件、移动冲击枪实现任意位置的便捷冲击；本发明依靠电磁加载实现冲头与待冲击试件零距离接触，大大降低了试验设备的体积与高度，并避免了对试件的二次甚至多次冲击。本发明通过改变电源系统中储能电容和充电电压的值，配合应力波整形器即可获得接近实际工况的冲击波形。

技术特征：

1.一种基于电磁加载的冲击试验装置，其特征在于，包括：电源系统、冲击枪、传感器数据采集系统和夹具与托架系统，所述冲击枪将所述电源系统的电能转化为电磁力冲击力，以冲击载荷的形式作用于固定在所述夹具与托架系统上的待冲击试件，试验开始前，所述冲击枪与所述待冲击试件零距离接触，冲击载荷方向平行于地面水平加载，试验过程中，所述传感器数据采集系统记录试件所受的冲击力、形变位移随时间变化的数据，试验结束后，所述冲击枪与所述待冲击试件之间的反作用力通过所述冲击枪的缓冲系统以摩擦和温升的形式消耗，避免对所述待冲击试件的二次冲击；所述电源系统中储能电容和充电电压可变。

2.根据权利要求1基于电磁加载的冲击试验装置，其特征在于，所述电能的单次冲击能量e的计算公式如下：

3.根据权利要求2基于电磁加载的冲击试验装置，其特征在于，所述通过改变储能电容充电电压得到所需的冲击能量或加载波形，实现不同冲击工况。

4.根据权利要求1基于电磁加载的冲击试验装置，其特征在于，所述冲击枪包括冲头、石英压力传感器、转接头、应力波整形器、从动线圈、主动线圈、缓冲系统和顶持手柄，其中，所述冲头侧面铣有平面，便于所述冲头的拆卸更换；所述石英压力传感器用于采集试验过程中所述待冲击试件承受的冲击力，通过轴线方向的外螺纹将所述冲头和所述转接头与所述应力波整形器连接；试验前，所述从动线圈通过压缩弹簧与所述主动线圈贴合，所述电源系统产生的脉冲电流流入所述主动线圈后与所述从动线圈间产生的电磁斥力，电磁斥力推动所述从动线圈、所述应力波整形器、所述转接头、所述石英压力传感器和所述冲头沿芯轴运动，形成电磁冲击力；所述缓冲系统包括数个压缩弹簧和液压阻尼器，所述冲击枪与所述待冲击试件之间的反作用力产生的动能通过所述压缩弹簧和所述液压阻尼器被耗减，在此过程中，所述冲头始终与所述冲击枪整体连接，避免所述冲头二次甚至多次反弹撞击所述待冲击试件干扰试验结果。

5.根据权利要求4基于电磁加载的冲击试验装置，其特征在于，所述冲头为16mm半球型，但按需要更换为不同直径或形状。

6.根据权利要求4基于电磁加载的冲击试验装置，其特征在于，所述电源系统产生的脉冲电流流入所述主动线圈后与所述从动线圈间产生的电磁冲击力以弹性波的形式在所述应力波整形器中传播，通过所述应力波整形器几何截面积的变化，将引起弹性波的不断反射和透射，表现为电磁冲击力f(t)的放大和波形的改变，其中放大倍数n的公式计算如下：

7.根据权利要求4基于电磁加载的冲击试验装置，其特征在于，所述夹具与托架系统包括导轨、夹紧气缸、伺服电机、丝杆、支撑夹具和夹持夹具，所述冲击枪固定在所述导轨上，所述冲击枪沿所述导轨垂直移动，运动到预定位置后通过所述夹紧气缸平衡所述冲击枪的重力，维持所述冲击枪在指定位置，所述冲击枪的水平移动通过所述伺服电机和所述丝杆带动所述导轨移动实现，所述待冲击试件通过所述支撑夹具和所述夹持夹具固定在夹具与托架系统的横架间，移动冲击枪即可实现不同尺寸的待冲击试件不同冲击位置的冲击试验。

8.根据权利要求7基于电磁加载的冲击试验装置，其特征在于，所述支撑夹具、所述夹持夹具的尺寸和夹具与托架系统横架的间距，根据所述待冲击试件的几何尺寸调节。

技术总结
本发明公开一种基于电磁加载的冲击试验装置。该装置包括：电源系统、冲击枪、传感器数据采集系统和夹具与托架系统，冲击枪将电源系统的电能转化为电磁力冲击力，以冲击载荷的形式作用于固定在夹具与托架系统上的待冲击试件，试验开始前，冲击枪与待冲击试件零距离接触，冲击载荷方向平行于地面水平加载，试验过程中，传感器数据采集系统记录试件所受的冲击力、形变位移随时间变化的数据，试验结束后，冲击枪与待冲击试件之间的反作用力通过冲击枪的缓冲系统以摩擦和温升的形式消耗，避免对待冲击试件的二次冲击；电源系统中储能电容和充电电压可变。本发明能够解决当前冲击试验设备操作繁琐和冲击波形单一的问题。

技术研发人员：曹增强,张铭豪,霍鲁斌,郭映江,龚兴隆
受保护的技术使用者：陕西大工旭航电磁科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15