物块碰撞物性参数识别的试验系统及试验方法与流程

本发明涉及物块碰撞试验，具体而言，涉及一种物块碰撞物性参数识别的试验系统及试验方法。

背景技术：

1、对于物块碰撞试验而言，为了使得碰撞物块获得初速度，通常借助牵引物块，通过绳索牵拉的方式使得碰撞物块获得初速度，其本质是将牵引物块的重力势能转化为碰撞物块的动能。该方法动能获取方式较为简单，适用范围广，成本较低，被广泛应用于碰撞物块的初速度获取。理论上，为了保证每次实验的初始条件相同，碰撞物块需要沿着一条直线加速，使碰撞物块每次获得相同的大小与方向的速度。

2、但是，传统的物块碰撞实验不能精确地控制碰撞物块的速度，并且在绳索牵引过程中难以保证运动轨迹的方向，使得碰撞具有较强的随机性，即每次的碰撞接触面都可能不同，从而增加碰撞动力学响应的测量难度。并且在发生碰撞时，牵引物块和牵引绳索也会参与到碰撞过程，引入附加质量从而导致实验测量过程中出现误差，在后续处理中难以对碰撞过程中物块的动力学行为进行解释。为了精确获得碰撞物块初速度，需要消除牵引物块的干扰。此外，传统装置往往存在碰撞物块与其接触面的摩擦力，该摩擦力对碰撞过程影响较大，需要尽可能降低摩擦力的影响。

3、在研究物块间的碰撞行为时，传统测量系统往往使用加速度传感器或应变计等单一测量系统记录响应，但由于碰撞时的高幅值冲击力，可能导致测量设备失效，单一测量设备的测量精度和可靠性较差。

4、在现有技术中并未发现关于物块碰撞试验的相关专利。在专利cn115561095a中公开了一种自适应智能可调节摆锤撞击试验装置，包括通过模块化基础框架、可变锤头和智能动力控制系统三部分。在专利cn106501007a中公开了一种汽车rcar及前后端低速碰撞试验装置，包括整体支撑架、摆锤安装架、摆锤、碰撞器、摆锤拉升机构、摆锤释放机构、摆锤测速机构、摆锤制动机构及主控单元。这些装置主要用于模拟撞击，与物块碰撞试验的试验目的和需解决的问题均不相同。

5、鉴于以上技术问题，特推出本发明。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种物块碰撞物性参数识别的试验系统及试验方法，用于解决传统试验研究中碰撞物块的初速度设定不精确、多次施碰和碰撞行为受摩擦影响较大等问题，并为碰撞物性参数的准确识别提供了一种可行的解决方案。

2、为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提出了一种物块碰撞物性参数识别的试验系统，包括驱动装置、碰撞物块、被碰撞物块和测量装置，驱动装置包括：装置框架；冲锤，冲锤活动连接于装置框架上；高度调节组件，高度调节组件可调节冲锤的高度；

3、碰撞物块和被碰撞物块的位置相邻，冲锤摆动下落撞击碰撞物块，使得碰撞物块获得水平方向的初速度，碰撞物块撞击被碰撞物块；

4、测量装置可同时测量碰撞物块和被碰撞物块在撞击过程中的多种动力学响应信号，多种动力学响应信号包括应变响应、加速度响应和位移响应。

5、进一步的，试验系统还包括保护装置，保护装置包括多个滚动体，多个滚动体可至少沿一个方向自由转动，碰撞物块和被碰撞物块均放置于多个滚动体上。

6、进一步的，装置框架包括底座，保护装置还包括导轨和限位组件，导轨与底座邻接，导轨位于多个滚动体两侧，限位组件围设于碰撞物块和被碰撞物块的周向上。

7、进一步的，限位组件包括侧面保护支架和前部保护支架，侧面保护支架设置于碰撞物块和被碰撞物块的两侧，侧面保护支架位于导轨上，前部保护支架位于被碰撞物块的前部。

8、进一步的，多个滚动体为多个滚柱，导轨上沿碰撞物块移动方向设置有多个卡槽，多个滚柱的两端分别活动连接于卡槽内。

9、进一步的，高度调节组件包括牵引部和高度测量部，牵引部连接至冲锤，牵引部可调节冲锤的高度值，高度测量部可读取冲锤的实时高度值。

10、进一步的，牵引部包括牵引绳、牵引转轴和调节手柄，牵引绳的一端与冲锤连接，牵引绳的另一端缠绕于牵引转轴，调节手柄可带动牵引转轴旋转。

11、进一步的，高度测量部包括具有刻度的移动标尺，装置框架包括沿水平方向延伸的标尺滑轨，移动标尺可沿标尺滑轨移动，冲锤的后部设置有标杆部，标杆部可与移动标尺抵接。

12、进一步的，装置框架还包括顶架，牵引转轴设置于顶架的后部，标尺滑轨位于顶架一侧，移动标尺包括凹陷部，凹陷部与标尺滑轨卡接。

13、进一步的，装置框架还包括挂杆支架，挂杆支架固定在顶架上，挂杆支架沿水平方向延伸，冲锤的两侧分别具有挂杆，挂杆的一端与冲锤铰接，另一端与挂杆支架铰接。

14、进一步的，冲锤两侧的挂杆之间设置有连接物块，挂杆与挂杆支架铰接处设置有滚动轴承。

15、进一步的，冲锤底部设置有制动装置，制动装置包括止动块，底座上设置有止动槽，冲锤摆动到最低位置时，止动块与止动槽配合。

16、进一步的，冲锤包括冲头和配重块，冲头位于配重块的前端部，冲头与配重块之间可拆卸的连接。

17、进一步的，装置框架还包括多个立柱和多个支撑斜杆，多个立柱和多个支撑斜杆固定于底座和顶架之间。

18、进一步的，测量装置包括多个应变片和采集仪，多个应变片均连接至采集仪，多个应变片设置在碰撞物块和被碰撞物块靠近碰撞面的位置。

19、进一步的，测量装置还包括加速度传感器和刚性基座，两个刚性基座分别设置在碰撞物块和被碰撞物块的上表面，加速度传感器位于刚性基座的侧面。

20、进一步的，测量装置还包括高速摄像机和镝灯。

21、应用本发明的上述试验系统技术方案，至少实现了如下有益效果：

22、1、本试验系统通过设置冲锤摆动下落撞击碰撞物块，使得碰撞物块获得初速度，冲锤具有较大的质量，且在速度施加的过程中，能够保证冲锤自身的运动稳定性，使得本技术的加载方式能够保证碰撞物块获得初速度的方向与速率大小，能够保证在同一种工况测量时初始条件的随机性降低，同时加载方式较为简单方便，避免了绳索牵引等方式的繁琐。

23、2、本试验系统通过设置保护装置，将两物块受到的滑动摩擦改变为滚动摩擦，从而降低摩擦力对碰撞物块和被碰撞物块动力学行为的影响，提高测量过程中的动力学响应精度，并设置限位组件，用于激发后保护试验者及试验设备。

24、3、本试验系统通过采用多种测量设备，可同时采集应变响应、加速度响应和位移响应信号，并设计了各测量设备的具体位置，从而提高了响应测量的精度和可靠性。

25、4、本试验系统通过设置纯机械结构的高度调节组件，在驱动装置使用的时候能够便捷地实现冲锤高度的微调，使得碰撞物块能够获得更高精度的速度分布。

26、5、本试验系统通过设置制动装置，冲锤和碰撞物块碰撞后即分离，避免二次碰撞，两物块碰撞过程中没有外界能量的输入，避免了牵引物块的影响，且能够避免当碰撞物块质量较小时，其对外界干扰较为敏感而导致的动力学响应误差，从而获取更为精确的动力学响应。

27、6、本试验系统通过设置设计了可替换的冲头，能够适用于多种性质物块的速度加载，如脆性物块与刚性物块的速度加载，使得本试验系统可用于多种物块的碰撞物块动力学检测，具有较广的适用范围。

28、为了实现上述目的，根据本发明的另一个方面，提出了一种物块碰撞物性参数识别的试验方法，采用根据上述的试验系统，并包括如下步骤：

29、冲锤高度设置步骤，根据碰撞物块所需的初速度值计算冲锤所需抬起的高度值，使用高度调节组件调节冲锤至所需高度值；

30、试验及响应采集步骤，释放冲锤撞击碰撞物块，使用测量装置同时采集碰撞物块与被碰撞物块发生撞击过程中的应变响应、加速度响应和位移响应；

31、物性参数识别步骤，根据应变响应判断碰撞接触面的碰撞状态，并分别对加速度响应和位移响应进行积分和微分计算处理，处理后得到速度响应信号，以获取碰撞物块与被碰撞物块撞击过程中的速度曲线图谱，基于得到的碰撞状态和速度曲线图谱识别出碰撞物性参数，碰撞物性参数包括等效刚度k和等效阻尼c。

32、进一步的，在物性参数识别步骤中，碰撞状态包括正碰和侧碰状态，以确定碰撞接触区域，用于试验坏值剔除；识别碰撞物性参数的方法如下：使用碰撞力模型建立物块碰撞时的碰撞等效模型，根据速度曲线图谱，获取碰撞物块和被碰撞物块之间的碰撞接触时间t和第二恢复系数e1，进一步结合碰撞等效模型计算得到等效刚度k和等效阻尼c。

33、进一步的，在物性参数识别步骤中，碰撞力模型为kelvin模型，建立碰撞等效模型如下：

34、x1-x2>0时，有

35、

36、

37、x1-x2≤0时，有

38、

39、

40、式中，m1是碰撞物块的质量，m2是被碰撞物块的质量，x1分别是碰撞物块对应的加速度、速度、位移，x2分别是被碰撞物块对应的加速度、速度、位移。

41、进一步的，等效阻尼c的表达式如下：

42、

43、式中，第一恢复系数e1的表达式为：δv末1是碰撞物块和被碰撞物块碰撞后速度差的绝对值，δv初1是碰撞物块和被碰撞物块碰撞前速度差的绝对值。

44、进一步的，在所述冲锤高度设置步骤中，根据以下公式计算出所述冲锤所需抬起的高度值h：

45、

46、式中：m是冲锤的质量，m1是碰撞物块的质量，g是重力加速度，v是碰撞物块所需的初速度值，e2为第二恢复系数，其表达式为：δv末2是冲锤和碰撞物块碰撞后速度差的绝对值，δv初2是冲锤和碰撞物块碰撞前速度差的绝对值，在冲锤高度设置步骤之前，还包括第二恢复系数测量步骤，以通过试验测量获取第二恢复系数e2。

47、进一步的，还包括多次重复试验步骤，根据不同使用工况时碰撞物块的所需初速度值，设置多组冲锤处于不同高度值的碰撞试验，每组进行多次试验，每次试验重复进行上述步骤，以获取各种不同初始状态下的碰撞物性参数。

48、应用本发明的上述试验方法技术方案，至少实现了如下有益效果：

49、1、本试验方法通过同时采集多种类型的响应信号，根据采集的应变响应可判断物块的碰撞状态，根据采集的加速度响应和位移响应，将多个测量结果转化为速度响应信号并相互补充验证，从而增加了碰撞实验过程和结果的可靠性。

50、2、本试验方法提出了一种通过建立碰撞等效模型精确计算等效刚度和等效阻尼的计算方法以及精确获得碰撞物块初速度的冲锤高度计算方法，对开展物块碰撞试验领域具有较大的借鉴意义。