[发明专利]一种高速动态试验力测量环节的设计方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及一种高速动态试验力测量环节的设计方法，属于传感器设计领域，应用于材料力学测试。

背景技术

高速动态试验载荷信号的准确测量是一个关键的问题。由于连接环节质量和刚度匹配不好，使用传统方法测得的力信号常呈现较大震荡，这类震荡信号属于包括测量连接环节在内的测试系统的整体响应，而非被测材料本身的力学响应。

相比被测材料试件，现有的商用传感器质量和体积偏大，导致测试系统固有频率偏低，不适用于金属材料的高应变率动态试验。另一种业界常用的方法是直接在材料试件上靠近测量段的弹性区域上粘贴应变片测量载荷信号，其缺点是操作复杂，应变片不可重复使用，效率低，且对不同试件的测试不是同一应变片，测量条件一致性差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种高速动态试验力测量环节的设计方法。

为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种高速动态试验力测量环节的设计方法，所述设计方法包括以下步骤：

(1)、对预测试试件的材料进行准静态试验，取得所述试件材料的屈服极限并得到准静态试验的力-时间载荷历程曲线，根据所述力-时间载荷历程曲线确定所述试件的材料屈服时所对应的力，在此称为屈服点力；

(2)、根据所述屈服点力及所述试件材料的屈服极限来设计测力传感器，所述测力传感器包括用于安装应变片的测力部和用于安装所述试件的连接部；

(3)、选择制造测力传感器的材料并估算所述测力传感器的固有频率f₀；

(4)、确定所述测力系统的信号最大频率f_max，所述测力系统的信号最大频率为所述试件进行动态试验测试时由所述测力传感器和所述试件这个测力系统输出的信号的最大频率；

(5)、校核固有频率f₀，当f₀≧4f_max时，完成设计，否则回到步骤(2)～(4)。

本发明的一种具体实施方案，所述步骤(2)中，所述测力传感器的设计方法包括以下步骤：

a、确定所述测力传感器的力的量程，所述测力传感器的力的量程根据所述屈服点力来确定，所述屈服点力为所述测力传感器的力的量程的0.3～0.8倍；

b、确定所述测力传感器材料的屈服极限，所述测力传感器材料的屈服极限根据所述试件材料的屈服极限来确定，所述试件材料的屈服极限为所述测力传感器材料的屈服极限的0.3～0.8倍；

c、根据公式F=σ×A，确定所述测力传感器的测力部的粘贴所述应变片处的横向截面面积A，其中，F为所述测力传感器的力的量程，σ为制造所述测力传感器的材料的屈服极限，A为所述测力传感器的测力部的粘贴所述应变片处的横向截面面积。

本发明的一种具体实施方案，所述步骤(3)中，所述固有频率f₀的计算方法包括以下步骤：

a、根据公式k=EA/l计算所述测力部的刚度k，其中，E为制造所述测力传感器的材料的弹性模量，A为所述测力部的粘贴所述应变片处的横向截面面积，l为所述测力部的长度，且取所述测力部的长度l大于所述应变片的长度；所述测力部的长度l具体取值时，取方便所述应变片测量的最小值，以增大所述测力部的刚度k，增大系统自由振荡频率；

b、根据公式计算所述固有频率f₀，其中，k为所述测力部的刚度，m为所述连接部的质量和用于将所述试件和所述连接部相连的辅助连接器件的质量的总质量。

本发明的一种具体实施方案，所述步骤(4)中，所述信号最大频率f_max通过测定所述测力系统的自由振荡频率的试验来确定。

本发明的另一种具体实施方案，所述步骤(4)中，所述信号最大频率f_max的计算方法包括以下步骤：

a、将步骤(1)得到力-时间载荷历程曲线的时间轴坐标缩小一定倍数，得到近似动态力响应曲线，而所述屈服点力的力值保持不变，其中，所述一定倍数的数值为目标应变率与所述准静态试验应变率的比值；

b、根据公式来确定所述信号最大频率f_max，其中，Δt为上述步骤中得到的所述近似动态力响应曲线中的从原点到所述屈服点力时对应的时间点的时间值。

由于上述技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：