[发明专利]一种颗粒材料缓冲性能的测量系统

说明书

技术领域

本发明提供一种颗粒材料缓冲性能的测量系统属于垂直冲击领域，涉及到如何准确测量垂直冲击作用下颗粒材料的缓冲性能。

背景技术

颗粒物质是一种能量快速耗散体系，主要通过颗粒间的滑动摩擦和非弹性碰撞消耗能量。在外荷载作用下，颗粒间内部复杂的力链结构发生断裂和重组，进而消耗大量能量，同时，力链结构又可将瞬时局部冲击荷载进行空间扩展和时间延长，从而达到良好的缓冲效果。目前，对于颗粒物质能量耗散方面的工作主要局限于数值模拟计算，相关的试验研究有：垂直振动激发下颗粒物质的能量耗散；彭政,蒋亦民,刘锐,厚美瑛；物理学报,2013,62(2):1-5；颗粒物质在微剪切振动下的能量耗散研究；汪盼盼,王万景,刘长松,朱震刚；岩土力学,2009,30:129-134；但是关于冲击荷载作用下颗粒物质缓冲特性的研究却鲜有。随着颗粒系统研究的成熟发展，颗粒材料逐渐被应用到各领域作为冲击的减振材料，因此，开发一种测量颗粒材料缓冲性能的系统，开展颗粒物质在冲击载荷作用下缓冲特性的试验研究对其工程应用具有一定的实用价值。

发明内容

本发明提供了一种颗粒材料缓冲性能的测量系统，可以实现冲击物对颗粒物质的垂直冲击，测量冲击物的加速度、底板所受的冲击力以及冲击深度，研究颗粒物质对冲击载荷的缓冲效果。本装置还能够实现对冲击高度和颗粒层厚度的自由控制，并记录冲击过程中颗粒表面形态和冲击物运动的变化。

本发明的技术方案如下：

一种颗粒材料缓冲性能的测量系统，包括固定支架、颗粒冲击系统、力学响应测量系统和图像采集系统；

固定支架由竖直杆和横杆组成；标有刻度值的竖直杆固定在底座上，横杆和竖直杆之间活动连接，可以自由调节横杆的高度；

颗粒冲击系统包括颗粒物质和冲击物两部分；颗粒物质置于圆筒内，圆筒壁上标有刻度值，其底部设有3个用于安放力传感器的孔，力传感器之间的夹角度120°；冲击物通过细线悬挂在横杆上，位于圆筒的正上方；细线、加速度传感器的重心及冲击物的重心三者在同一条直线上；

力学响应测量系统包括力传感器和加速度传感器，加速度传感器固定在冲击物上方，以便测量冲击物在竖直方向的加速度；力传感器和加速度传感器分别与动态数据采集仪相连接；3个力传感器测量值之和即为圆筒所受冲击力；

图像采集系统包括摄像机，将摄像机放置在距离颗粒冲击系统适当的位置处，用来记录冲击过程中颗粒层表面和冲击物运动的变化。

本发明的技术特点有：

1、本发明能够实现冲击物自由下落对颗粒物质产生冲击作用。

2、能够直接测量冲击球加速度a，由牛顿第二定律F_p-mg＝ma，得到冲击力F_p。

3、能够准确测量底板作用力，3个力传感器之和即为底板冲击力F_w。

4、通过对F_p和F_w作比较分析，可以获知颗粒物质的减振效果。

5、能够实现对颗粒层厚度和冲击高度的自由控制，操作简单方便。

6、可以根据需要更换不同的颗粒介质，测量不同颗粒材料的缓冲特性。

7、能够粗略测量冲击深度。

附图说明

图1为本发明外置型颗粒阻尼器结构的示意图。

图2为圆筒底部的剖面图。

图中：1圆筒；2冲击物；3加速度传感器；4细线；5横杆；6摄像机；A1和A2为竖直杆；B1和B2为十字夹；C1-C3为力传感器。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案，对本发明的具体安装过程和实施方式做进一步的说明。

图1中，首先把横杆5通过十字夹C1、C2固定在竖直杆A1、A2上；把力传感器C1-C3安装在圆筒1的底部，加速度传感器3固定在冲击物2上方，传感器通过L5线连接在动态数据采集仪上；细线的一端连接冲击物，另一端固定在横杆上，细线的连接必须保证加速度传感器和冲击物两者的重心与细线在同一条直线上，避免出现偏心，防止冲击物在下落过程中发生翻转；将摄像机放置在距离颗粒冲击系统适当的位置处，使能够清晰的观察并记录颗粒层表面的变化和冲击物的运动。

实验过程中，首先根据所需颗粒层厚度h，将颗粒物质放置在圆筒内，调整颗粒层表面使其尽量保持平整，记下其所对应的刻度值Z₁，则有h＝Z₁；然后参照竖直杆上的刻度值，调节横杆高度，记下其所对应的刻度值Z₂，则有冲击高度ΔH＝Z₂-Z₁；最后，打开动态数据采集仪和图像采集系统，待冲击物达到静止平衡状态时，剪断或烧断细线，使冲击物自由下落；当冲击物达到静止状态时，停止数据采集和图像采集，用直尺粗略测量冲击坑的深度。测量过程完成后，根据采集到的数据，分别计算冲击球和底板所受的冲击力并作比较分析，即可获知颗粒材料的缓冲性能。