基于加速度测量的仪器化冲击试验方法研究

摘要

夏比冲击试验长期以来被广泛应用于评价材料冲击韧性的优劣，但是传统冲击试验机测定的冲击功物理意义不明确，不能表征金属材料的冲击韧性。仪器化冲击试验通过测出试样在冲击过程中的载荷历程，能详尽地记录冲击过程中材料的弹性、塑性变形以及断裂等动态变化过程，成为冲击试验发展的新方向。本课题首先在实验室现有的摆锤式冲击试验机基础上，采用压电加速度传感器，结合最先进的虚拟仪器技术，应用LabVIEW软件平台构建一个仪器化冲击试验测试系统。其次利用该系统进行冲击试验，测出冲击过程中摆锤的加速度，一方面计算材料的冲击力.时间等特征曲线，分析摆杆的振动与冲击能量的转换关系，研究将加速度传感器用于仪器化冲击试验方法的可行性；另一方面对摆杆的振动进行理论分析，结合试验所得加速度数据的功率谱密度分析结果，研究摆杆在试样冲击过程的动态响应与材料韧脆性之间的关系。本课题的研究结果如下：
　　 (1)采用虚拟仪器的基本思想和LabVIEW的软件开发平台构建仪器化冲击测试系统，简单快捷、运行可靠，满足仪器化冲击试验方法的要求；
　　 (2)用测得的加速度计算的冲击功不受摆杆振动的影响，与试验机表盘读数吻合，计算的冲击力-时间等特征曲线能反映冲击过程材料的弹性、塑性变形以及断裂的变化过程，故将加速度传感器用于仪器化冲击试验是可行的；
　　 (3)可以用裂纹扩展功占总冲击功的百分比γ来衡量材料的韧脆性，γ越大，材料的韧性越好；
　　 (4)摆锤在冲击载荷下的动态响应是摆杆的各阶固有振动叠加的结果。韧性越好的材料，摆杆的动态响应就以低频固有振动为主，低频处所占的能量就越高；相反脆性越好的材料，摆杆的动态响应就以高频固有振动为主，高频处所占的能量就越高。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 传统冲击试验存在的问题

1.1.2 仪器化冲击试验的发展历程及研究现状

1.1.3 测量仪器的发展

1.2 课题的提出和研究意义

1.3 论文所做的工作

第二章 仪器化冲击试验的理论和方法

2.1 仪器化冲击试验原理

2.2 仪器化冲击试验系统的基本组成

2.3 仪器化冲击试验特征曲线计算原理

2.4 本章小结

第三章 摆杆的振动与材料韧性的关系

3.1 振动理论概述

3.1.1 振动系统模型

3.1.2 激励和响应

3.1.3 振动信号的频域分析方法

3.2 激励和振动响应信号的关系

3.2.1 激励和振动响应关系理论

3.2.1 冲击激励及其响应的特点

3.2.3 激励和振动响应关系的Matlab仿真

3.3 摆杆的冲击振动响应

3.3.1 摆杆所受冲击激励的特点

3.3.2 摆杆的振动数学模型的建立

3.3.3 材料的韧性与摆杆的冲击振动响应关系预测

3.4 本章小结

第四章 仪器化冲击测试系统的设计

4.1 数据采集基本原理

4.2 仪器化冲击测试系统的硬件选型

4.2.1 加速度传感器的选取

4.2.2 电荷放大器的选取

4.2.3 数据采集卡的选取

4.3 仪器化冲击试验测试系统的软件介绍

4.3.1 虚拟仪器的概述

4.3.2 LabVIEW软件开发平台

4.4 数据采集与数据分析处理程序设计

4.4.1 数据采集程序设计

4.4.2 数据分析处理程序设计

4.5 本章小结

第五章 测试实验及实例分析

5.1 试验方法

5.2 试验材料

5.3 冲击试验结果分析

5.3.1 仪器化冲击试验特征曲线分析

5.3.2 冲击加速度功率谱密度分析

5.4 结论

5.5 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文