一种用于超材料吸能减震性能测试的试验装置

1.本发明涉及超材料性能测试领域，具体说是一种用于超材料性能测试的试验装置，尤指一种用于超材料吸能减震性能测试的试验装置。


背景技术：

2.超材料(metamaterials)是一种人工设计的材料/结构。超材料与天然材料的区别之处在于：通过对材料的微观结构从关键物理尺寸上进行拓扑构型设计及空间有序分布，得到具有特殊多尺度(宏观与微观)力学设计的材料结构，这种人造材料可表现出天然材料所不具备的超常物理性质—超物性。例如：负泊松比、负磁导率、多稳态相变等等。
3.人工设计的多孔超材料不仅可用于结构承载，且具备功能材料的特殊性能，通过超材料/结构一体化优化设计可实现负刚度、负折射率、负泊松比、负热膨胀等。
4.基于力学超材料自身具备的拉涨压缩特性，其在汽车相关功能件上也具备非常优异的应用前景。
5.机械超材料是一类具有传统材料所不具备的特殊机械性能的材料，由于机械超材料的新奇性能与尺度无关，从而在宏观上能够验证具备特殊机械性能的结构形式，在微观尺度(微米级或纳米级)按相同的结构形式制成机械超材料后，机械超材料依然具备同样的特殊机械性能，这样可以先对机械超材料的宏观单元进行设计，并通过实验验证宏观单元的性能后，再进一步推广到微观尺度按相同的结构形式制成机械超材料。
6.目前，在研究超材料的吸能减震性能(吸收机械冲击能量、抗震性能)时，需要进行相应的系统性能测试，但是现有技术中缺乏专门针对超材料进行相关实验验证的实验设备。
7.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

8.针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于超材料吸能减震性能测试的试验装置，试验装置结构设计科学，操作方便，专门针对超材料进行系统性能测试，满足超材料力学性能测试的需要，为超材料的实际性能测试提供了便利。
9.为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
10.一种用于超材料吸能减震性能测试的试验装置，其特征在于，包括：
11.底座1，在其上方设有顶框3，底座1和顶框3之间设有若干立柱2；
12.在底座1的上表面，前后对称的设有分隔柱8；
13.在位于分隔柱8右侧的底座1的上表面设有螺孔区域，螺孔区域用于可拆装的固定超材料性能测试台；
14.在顶框3下表面设有第一定滑轮9和第二定滑轮10，第一定滑轮9位于分隔柱8右侧，第二定滑轮10位于分隔柱8左侧；
15.拉索5，设于第一定滑轮9或第二定滑轮10的轮槽内，拉索5的一端与配重块4连接，另一端与拉环12连接；
16.高速相机6，设置在底座1的上表面左侧，高速相机6的摄像头正对螺孔区域；
17.标尺7，设置在底座1的上表面右侧，标尺7朝向高速相机6的摄像头；
18.所述第一定滑轮9的滑轮轴11上设有编码器，编码器与高速相机6电连接，当第一定滑轮9转动时启动高速相机6工作，当第一定滑轮9停转时停止高速相机6工作。
19.在上述技术方案的基础上，第一定滑轮9和第二定滑轮10均通过连接机构与顶框3连接，所述连接机构包括：
20.安装杆27，其两端分别与顶框3固定连接；
21.安装支架28，设于安装杆27中部；
22.安装支架28的下端设有滑轮轴11，所述滑轮轴11用于与第一定滑轮9或第二定滑轮10转动连接。
23.在上述技术方案的基础上，所述超材料性能测试台为蜂窝状宏观单元超材料性能测试台或阵列结构宏观单元超材料性能测试台。
24.在上述技术方案的基础上，拉索5绕装于第一定滑轮9上，配重块4位于超材料性能测试台正上方，拉环12位于第二定滑轮10下方，通过人工牵拉拉环12控制配重块4高度；
25.或者，拉索5绕装于第一定滑轮9和第二定滑轮10上，配重块4位于第二定滑轮10下方，拉环12位于第一定滑轮9下方，且拉环12通过连接件与超材料性能测试台连接。
26.在上述技术方案的基础上，所述连接件包括：
27.连接绳20，在其两端及中部各设有一个挂钩21。
28.在上述技术方案的基础上，所述蜂窝状宏观单元超材料性能测试台包括：
29.电阻式薄膜压力传感器13，其上设有蜂窝状宏观单元15；
30.所述蜂窝状宏观单元15包括第一下底板14和顶板16，第一下底板14置于电阻式薄膜压力传感器13上，顶板16前后两侧居中设有吊环17；
31.第一下底板14上设有若干第一定位螺孔，与底座1上的螺孔区域适配；
32.圆形的配重插片18，其上设有安装槽19，所述安装槽19一端位于配重插片18的圆心，另一端开口于配重插片18的边缘，安装槽19用于容纳拉索5以使配重插片18置于配重块4的顶面。
33.在上述技术方案的基础上，第一下底板14、蜂窝状宏观单元15和顶板16为一体成型，由3d打印机利用弹性材料打印而成，蜂窝状宏观单元15包括多个六边形环结构，各个六边形环在前后方向和左右方向上分别成蜂窝排布，排布时各个六边形环的两条竖边竖直设置。
34.在上述技术方案的基础上，所述阵列结构宏观单元超材料性能测试台包括：
35.电阻式薄膜压力传感器13，第二下底板23置于电阻式薄膜压力传感器13上，上隔板25通过若干锁紧拉杆24设于第二下底板23上方，上隔板25的上表面设有限位板30，限位板30上设有若干均匀排布的通孔，所述通孔用于插入对应规格的软吸管22和/或硬质塑料棒26，软吸管22和硬质塑料棒26的下端与第二下底板23触碰；
36.所述硬质塑料棒26的直径略小于软吸管22的内孔的直径。
37.在上述技术方案的基础上，用于对蜂窝状宏观单元超材料性能测试台进行冲击、
拉伸变形性能测试，具体包括以下步骤：
38.将蜂窝状宏观单元超材料性能测试台固定在螺孔区域；
39.拉索5绕装于第一定滑轮9上，配重块4位于超材料性能测试台正上方，拉环12位于第二定滑轮10下方；
40.通过人工牵拉拉环12控制配重块4高度，使得配重块4距离蜂窝状宏观单元超材料性能测试台顶面一固定高度；
41.让配重块4自由落体冲击蜂窝状宏观单元超材料性能测试台；
42.电阻式薄膜压力传感器13检测冲击压力并传输至外部电脑进行记录，同时，编码器检测到第一定滑轮9转动，启动高速相机6工作，拍摄蜂窝状宏观单元超材料性能测试台的变化；
43.保持固定高度，加装不同重量的配重插片18，重复配重块4自由落体冲击的过程；
44.改变固定高度，重复配重块4自由落体冲击的过程；
45.直至蜂窝状宏观单元15的六边形环由外凸状态变形为内凹状态；
46.切换拉索5方向，即：拉索5绕装于第一定滑轮9和第二定滑轮10上，配重块4位于第二定滑轮10下方，拉环12位于第一定滑轮9下方，且拉环12通过连接件与超材料性能测试台连接，配重块4给顶板16施加向上的拉力；
47.向配重块4的顶面上逐次增加一组配重块4，直至蜂窝状宏观单元15的六边形环由内凹状态变形为外凸状态，同时，编码器检测到第一定滑轮9转动，启动高速相机6工作，拍摄蜂窝状宏观单元超材料性能测试台的变化。
48.在上述技术方案的基础上，用于对阵列结构宏观单元超材料性能测试台进行吸能减震性能测试，具体包括以下步骤：
49.选取不同规格的软吸管22和硬质塑料棒26，组成至少两个实验组；
50.选取与软吸管22适配的限位板30；
51.将阵列结构宏观单元超材料性能测试台固定在螺孔区域；
52.拉索5绕装于第一定滑轮9上，配重块4位于超材料性能测试台正上方，拉环12位于第二定滑轮10下方；
53.限位板30置于上隔板25的上表面；
54.每一个实验组均重复下述操作：
55.硬质塑料棒26插入限位板30上的通孔内；
56.通过人工牵拉拉环12控制配重块4高度，使得配重块4距离硬质塑料棒26一固定高度；
57.让配重块4自由落体冲击硬质塑料棒26；
58.电阻式薄膜压力传感器13检测冲击压力并传输至外部电脑进行记录，同时，编码器检测到第一定滑轮9转动，启动高速相机6工作，拍摄硬质塑料棒26的变化；
59.硬质塑料棒26插装在软吸管22的内孔中，且软吸管22超出硬质塑料棒26的高度至少20mm，软吸管22插装在限位板30上的通孔内；
60.通过人工牵拉拉环12控制配重块4高度，使得配重块4距离软吸管22一固定高度；
61.让配重块4自由落体冲击硬质塑料棒26和软吸管22；
62.电阻式薄膜压力传感器13检测冲击压力并传输至外部电脑进行记录，同时，编码
器检测到第一定滑轮9转动，启动高速相机6工作，拍摄软吸管22的变化；
63.对比各次实验结果，从而评价超材料的性能。
64.本发明所述的一种用于超材料吸能减震性能测试的试验装置，具有以下有益效果：
65.试验装置结构设计科学，操作方便，专门针对超材料进行系统性能测试，满足超材料力学性能测试的需要，为超材料的实际性能测试提供了便利。
66.本发明设计一种针对超材料结构宏观单元模型的性能测试试验装置，它能够对比不同参数的材料，在被冲击过程中的受力情况，利用控制变量法设置多组实验，探究超材料与传统的刚性材料，以及不同参数的超材料在受力情况时在力学性能上的差异，对超材料的特殊特性进行验证，为超材料的研发提供快速测试方法。
附图说明
67.本发明有如下附图：
68.附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：
69.图1为实施例1的安装蜂窝状宏观单元超材料性能测试台的试验装置的正视图；
70.图2为实施例1的安装蜂窝状宏观单元超材料性能测试台的试验装置的侧视图；
71.图3为实施例1的配重插片的结构示意图；
72.图4为实施例1的连接件的结构示意图；
73.图5为实施例1的蜂窝状宏观单元的立体结构示意图；
74.图6为实施例2的安装阵列结构宏观单元超材料性能测试台的试验装置的正视图；
75.图7为实施例2的限位板的俯视图；
76.图8为实施例2的外凸状态和内凹状态的变化示意图；
77.图中的序号和各部分结构及名称如下：
78.1-底座，2-立柱，3-顶框，4-配重块，5-拉索，6-高速相机，7-标尺，8-分隔柱，9-第一定滑轮，10-第二定滑轮，11-滑轮轴，12-拉环，13-电阻式薄膜压力传感器，14-第一下底板、15-蜂窝状宏观单元，16-顶板，17-吊环，18-配重插片，19-安装槽，20-连接绳，21-挂钩，22-软吸管，23-第二下底板，24-锁紧拉杆，25-上隔板，26-硬质塑料棒，27-安装杆，28-安装支架，29-可伸缩相机支架，30-限位板。
具体实施方式
79.以下结合附图对本发明作进一步详细说明。所述详细说明，为结合本发明的示范性实施例做出的说明，其中包括本发明实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本发明的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
80.如图1-8所示，本发明所述的一种用于超材料吸能减震性能测试的试验装置，用于从宏观上对超材料性能进行力学性能测试，包括：
81.底座1，在其上方设有顶框3，底座1和顶框3之间设有若干立柱2，例如底座1和顶框3均呈矩形，在底座1和顶框3的四角处分别设有立柱2；
82.在底座1的上表面，前后对称的设有分隔柱8，作为可选择的实施方案之一，分隔柱8设于底座1的上表面边缘中部；作为可选择的实施方案之一，分隔柱8的上下两端分别与底座1和顶框3连接；分隔柱8一方面起到加强支撑的作用，另一方面起到分隔空间标识的作用；
83.在位于分隔柱8右侧的底座1的上表面设有螺孔区域，所述螺孔区域内有若干安装螺孔，螺孔区域用于可拆装的固定超材料性能测试台，例如通过螺栓连接实现可拆装的固定蜂窝状宏观单元超材料性能测试台，又例如通过螺栓连接实现可拆装的固定阵列结构宏观单元超材料性能测试台；
84.在顶框3下表面设有第一定滑轮9和第二定滑轮10，第一定滑轮9位于分隔柱8右侧，第二定滑轮10位于分隔柱8左侧；
85.拉索5，设于第一定滑轮9或第二定滑轮10的轮槽内，拉索5的一端与配重块4连接，另一端与拉环12连接；
86.高速相机6，通过可伸缩相机支架29设置在底座1的上表面左侧，高速相机6的摄像头正对螺孔区域；
87.标尺7，设置在底座1的上表面右侧，标尺7朝向高速相机6的摄像头；
88.所述第一定滑轮9的滑轮轴11上设有编码器，编码器与高速相机6电连接，当第一定滑轮9转动时启动高速相机6工作，当第一定滑轮9停转时停止高速相机6工作。
89.在上述技术方案的基础上，第一定滑轮9和第二定滑轮10均通过连接机构与顶框3连接，所述连接机构包括：
90.安装杆27，其两端分别与顶框3固定连接；
91.安装支架28，设于安装杆27中部；
92.安装支架28的下端设有滑轮轴11，所述滑轮轴11用于与第一定滑轮9或第二定滑轮10转动连接。
93.在上述技术方案的基础上，所述超材料性能测试台为蜂窝状宏观单元超材料性能测试台或阵列结构宏观单元超材料性能测试台。
94.在上述技术方案的基础上，如图1、图2所示，拉索5绕装于第一定滑轮9上，配重块4位于超材料性能测试台正上方，拉环12位于第二定滑轮10下方，通过人工牵拉拉环12控制配重块4高度；此方案适合用于蜂窝状宏观单元超材料性能测试台和阵列结构宏观单元超材料性能测试台；
95.或者，拉索5绕装于第一定滑轮9和第二定滑轮10上，配重块4位于第二定滑轮10下方，拉环12位于第一定滑轮9下方，且拉环12通过连接件与超材料性能测试台连接；此方案适合用于蜂窝状宏观单元超材料性能测试台。
96.在上述技术方案的基础上，如图4所示，所述连接件包括：
97.连接绳20，在其两端及中部各设有一个挂钩21，共设有三个挂钩21。
98.实施例1
99.在上述技术方案的基础上，如图1、图2、图3所示，所述蜂窝状宏观单元超材料性能测试台包括：
100.电阻式薄膜压力传感器13，其上设有蜂窝状宏观单元15；
101.所述蜂窝状宏观单元15包括第一下底板14和顶板16，第一下底板14置于电阻式薄
膜压力传感器13上，顶板16前后两侧居中设有吊环17；
102.第一下底板14、蜂窝状宏观单元15和顶板16为一体成型，由3d打印机利用弹性材料打印而成，蜂窝状宏观单元15包括多个六边形环结构，各个六边形环在前后方向和左右方向上分别成蜂窝排布，排布时各个六边形环的两条竖边竖直设置；前后方向上的各个六边形环的竖边，分别为左右方向各个六边形环的竖边，参见图5所示；
103.第一下底板14上设有若干第一定位螺孔，与底座1上的螺孔区域适配；
104.圆形的配重插片18，其上设有安装槽19，所述安装槽19一端位于配重插片18的圆心，另一端开口于配重插片18的边缘，安装槽19用于容纳拉索5以使配重插片18置于配重块4的顶面。
105.实施例2
106.在上述技术方案的基础上，如图6所示，所述阵列结构宏观单元超材料性能测试台包括：
107.电阻式薄膜压力传感器13，第二下底板23置于电阻式薄膜压力传感器13上，上隔板25通过若干锁紧拉杆24设于第二下底板23上方，例如第二下底板23的四角处设有锁紧拉杆24，锁紧拉杆24的上部固定安装上隔板25，上隔板25的上表面设有限位板30，如图7所示，限位板30上设有若干均匀排布的通孔(仅示意部分通孔)，所述通孔用于插入对应规格的软吸管22和/或硬质塑料棒26，软吸管22和硬质塑料棒26的下端与第二下底板23触碰；
108.所述硬质塑料棒26的直径小于软吸管22的内孔的直径。
109.硬质塑料棒26和软吸管22作为阵列结构宏观单元超材料对比冲击试验参照，测试时，分别试验冲击力对软吸管22和硬质塑料棒26冲击时造成的结果。
110.实施例3
111.使用本发明所述用于超材料吸能减震性能测试的试验装置，对实施例1所述蜂窝状宏观单元超材料性能测试台进行冲击、拉伸变形性能测试，具体包括以下步骤：
112.将蜂窝状宏观单元超材料性能测试台固定在螺孔区域(不用压紧，只限制其移动即可)；
113.拉索5绕装于第一定滑轮9上，配重块4位于超材料性能测试台正上方，拉环12位于第二定滑轮10下方；
114.通过人工牵拉拉环12控制配重块4高度，使得配重块4距离蜂窝状宏观单元超材料性能测试台顶面一固定高度，例如固定高度为200mm；
115.让配重块4自由落体冲击蜂窝状宏观单元超材料性能测试台；
116.电阻式薄膜压力传感器13检测冲击压力并传输至外部电脑进行记录，同时，编码器检测到第一定滑轮9转动，启动高速相机6工作，拍摄蜂窝状宏观单元超材料性能测试台的变化；
117.保持固定高度，加装不同重量的配重插片18，重复配重块4自由落体冲击的过程；
118.改变固定高度，重复配重块4自由落体冲击的过程；
119.直至蜂窝状宏观单元15的六边形环由外凸状态变形为内凹状态，如图8所示；
120.切换拉索5方向，即：拉索5绕装于第一定滑轮9和第二定滑轮10上，配重块4位于第二定滑轮10下方，拉环12位于第一定滑轮9下方，且拉环12通过连接件与超材料性能测试台连接，配重块4给顶板16施加向上的拉力；
121.向配重块4的顶面上逐次增加一组配重块4，直至蜂窝状宏观单元15的六边形环由内凹状态变形为外凸状态，同时，编码器检测到第一定滑轮9转动，启动高速相机6工作，拍摄蜂窝状宏观单元超材料性能测试台的变化。
122.实施例4
123.使用本发明所述用于超材料吸能减震性能测试的试验装置，对实施例2所述阵列结构宏观单元超材料性能测试台进行吸能减震性能测试，具体包括以下步骤：
124.选取不同规格的软吸管22和硬质塑料棒26，组成至少两个实验组；例如选取直径分别为6mm，8mm，10mm，12mm的软吸管22，选取直径分别为4mm，6mm，8mm，10mm的硬质塑料棒26，分为如下四个实验组：6mm软吸管对应4mm硬质塑料棒，8mm软吸管对应6mm硬质塑料棒，10mm软吸管对应8mm硬质塑料棒，12mm软吸管对应10mm硬质塑料棒；
125.选取与软吸管22适配的限位板30；例如选取包括四种孔径6mm，8mm，10mm，12mm的限位板30；
126.将阵列结构宏观单元超材料性能测试台固定在螺孔区域；
127.拉索5绕装于第一定滑轮9上，配重块4位于超材料性能测试台正上方，拉环12位于第二定滑轮10下方；
128.限位板30置于上隔板25的上表面；
129.每一个实验组均重复下述操作：
130.硬质塑料棒26插入限位板30上的通孔内；
131.通过人工牵拉拉环12控制配重块4高度，使得配重块4距离硬质塑料棒26一固定高度，例如固定高度为200mm；
132.让配重块4自由落体冲击硬质塑料棒26；
133.电阻式薄膜压力传感器13检测冲击压力并传输至外部电脑进行记录，同时，编码器检测到第一定滑轮9转动，启动高速相机6工作，拍摄硬质塑料棒26的变化；
134.硬质塑料棒26插装在软吸管22的内孔中，且软吸管22超出硬质塑料棒26的高度至少20mm，软吸管22插装在限位板30上的通孔内；
135.通过人工牵拉拉环12控制配重块4高度，使得配重块4距离软吸管22一固定高度，例如固定高度为200mm；
136.让配重块4自由落体冲击硬质塑料棒26和软吸管22；
137.电阻式薄膜压力传感器13检测冲击压力并传输至外部电脑进行记录，同时，编码器检测到第一定滑轮9转动，启动高速相机6工作，拍摄软吸管22的变化；
138.对比各次实验结果，从而评价超材料的性能。
139.本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
140.以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。