專利名稱：模擬碰撞試驗裝置及其試驗方法
技術領域：
本發明涉及的是一種測試技術領域的裝置及方法，特別是涉及一種用于檢測 高強鋼碰撞性能的模擬碰撞試驗裝置及其試驗方法。
背景技術：
在汽車制造中應用高強鋼材料，可以在保證汽車安全性能的前提下達到很好 的減重效果從而有效地降低油耗、減少污染。碰撞性能是汽車被動安全性的一個 重要指標，為了在早期設計階段利用計算模擬的方法更準確地預測汽車的被動安 全性能，對高強鋼板的碰撞性能進行評估是十分必要的。汽車工業發達國家針對 本國制定了汽車被動安全標準，并且都形成了各自的標準體系。同樣，依據各自 的標準，進行的被動安全性試驗也相應地設計有各自的試驗設備。雖然這些試驗 設備是不盡相同的，但仍可以歸納為以下兩大類即(1)模擬碰撞試驗(2) 實車碰撞試驗。其中模擬碰撞試驗，例如臺架試驗就是在試驗臺上模擬整車或者 某些汽車零部件碰撞過程，主要用于評價零部件對沖擊能量的吸能性能和部件本
身的安全性能這種模擬碰撞試驗具有試驗成本低，易于改變試驗環境及條件，重 復性好等優點。
目前，實車碰撞試驗設備和模擬碰撞試驗設備中，如日本汽車研究院(JARI) 使用的HYGE裝置，中國汽車技術研究中心(CATARC)、荷蘭國家技術研究院(TNO)、 法國汽車摩托車自行車聯合會(UTAC)使用的模擬碰撞試驗裝置，美國MTS模 擬碰撞試驗裝置，VIA碰撞試驗裝置等， 一般主要由加速軌道、動力彈射系統、 固定壁、導向系統、照明系統及電測量系統等構成。通常，加速軌道采用較大型 鋼作為導軌，或者直接在水平地面上滾動；動力則多采用大功率電機直接驅動巻 筒，利用巻筒上纏繞鋼絲繩牽引被試驗的實車或臺車來實現，這樣構成的系統比 較龐大，尤其操作比較繁瑣。
經對現有技術文獻的檢索發現，專利申請號200420045743.2，授權公告號 CN2769876Y，授權公告日期為2006年4月5日，記載了一種"模擬碰撞試驗
4裝置"，包括導軌、碰撞板、動力裝置、緩沖裝置及電信號釆集裝置。所述的 導軌由兩根平行的直線軸承軌道組成，其上設有直線軸承；所述的碰撞板固定在 直線軸承之上與之成為一體;所述的緩沖裝置是固定在試驗臺上的，包括碰撞塊、 滑桿、支撐架、鋼絲和擋柱。動力裝置驅使碰撞板產生高速碰撞過程。其不足在 于高速撞擊能量低，試驗范圍有限，多應用于汽車安全氣囊的碰撞試驗中，不 能應用于高強度結構件的沖擊碰撞試驗。
發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種模擬碰撞試驗裝置及其試驗 方法，能夠承受高速撞擊能量，可廣泛應用于高強度結構件的沖擊碰撞試驗。 本發明是通過以下技術方案實現的
本發明涉及的模擬碰撞試驗裝置，包括落錘式沖擊試驗模塊、傳感器模塊、 電荷放大器模塊、A/D釆集計算機模塊、高速相機模塊、照明模塊和待測試件， 其中傳感器模塊的輸出端與電荷放大器模塊的輸入端連接以傳輸傳感信號，電 荷放大器模塊的輸出端與A/D采集計算機模塊的輸入端相連以傳輸模擬信號， 待測試件固定在落錘式沖擊試驗模塊的工作臺上，高速相機模塊固定在落錘式沖 擊試驗模塊的待測試件一側并對準待測試件，高速相機模塊與A/D采集計算機 模塊相連接以傳輸形變圖像，照明模塊設置于落錘式沖擊試驗模塊的待測試件的 相對一側并對準待測試件。
所述的落錘式沖擊試驗模塊包括落錘、導向柱支架和工作底座，其中.*工 作底座與導向柱支架相固定，落錘設置于導向柱支架上，落綞位于工作底座的正 上方，該落錘式沖擊試驗模塊是整個試驗裝置基礎，負責高速碰撞過程的發生。
所述的傳感器模塊包括速度傳感器、加速度傳感器和力傳感器，其中速 度傳感器活動設置于落錘式沖擊試驗模塊的外側并與落錘運動方向相平行，加速 度傳感器安裝在落錘式沖擊試驗模塊的上端，力傳感器固連在待測試件的底部。
所述的速度傳感器采用非接觸式的光電傳感器，所述的加速度傳感器采用壓 電式傳感器，所述的力傳感器采用應變式力傳感器。
所述的電荷放大器模塊為具有振動測量單元和放大單元的二次儀表，該電荷 放大器模塊負責接收傳感器模塊產生的傳感信號，并將傳感信號放大后輸出至 A/D采集計算機模塊。所述的A/D采集計算機模塊包括A/D采集單元、數據處理單元和顯示單元， 其中A/D采集單元接收電荷放大器模塊輸出的模擬信號，該A/D采集單元分別 將數字信號輸出至數據處理單元并將模擬信號輸出至顯示單元，數據處理單元將 接收到的來自A/D采集單元的數字信號經處理后將數字處理結果輸出至顯示單 元，顯示單元實時顯示A/D采集單元輸出的模擬信號以及數據處理單元輸出的 數字處理結果。
所述的高速相機模塊為具有防抖動單元電子攝像機，該電子攝像機的解析度 在1280*1024以上，幀速在3000幀/秒以上，該高速相機模塊負責采集待測試 件在短暫的沖擊碰撞過程中的形變圖像，以助于更全面地了解轉瞬即逝的碰撞過 程，而且還可以利用圖像計算出碰撞過程中被測構件的變形位移、速度等一系列 參數。
所述的待測試件為截面薄壁直梁結構件，該待測試件的截面形狀為凹字形、
凸字形或呂字形中的一種，在待測試件的頂端設有觸發器且該觸發器與A/D采
集計算機模塊相連接。
所述的截面薄壁直梁結構件為用于材料碰撞性能檢測的新型結構型式。 所述的觸發器在當碰撞發生時產生感應信號并輸出至A/D采集計算機模塊，
該感應信號用于啟動采樣，作為碰撞零時刻的基準。
本發明涉及的模擬碰撞試驗裝置的試驗方法，包括以下步驟
第一步、將速度傳感器安裝在固定臺上，將加速度傳感器安裝在落錘試驗機
的落錘的頂部，將力傳感器固連在待測試件的底部；
第二步、將待測試件固定在落錘式沖擊試驗模塊工作臺上；
第三步、將傳感器模塊、電荷放大器模塊和A/D采集計算機模塊依次相連；
第四步、架起高速相機模塊使其對準待測試件，調整照明系統使得高速相機
模塊達到其最佳的工作狀態；
所述的工作狀態，是指高速相機模塊的視角正對待測試件且高速相機模塊的
解析度設置于1280*1024，快門設置于1/3000秒；
第五步、啟動落錘式沖擊試驗模塊進行碰撞試驗，即讓試驗機落錘撞擊待測
試件，傳感器模塊和高速相機模塊將記錄下碰撞的全部過程；
第六步、傳感器模塊將接收到的傳感信號經電荷放大器模塊放大后傳輸至
6A/D采集計算機模塊，高速相機模塊將整個碰撞過程中待測試件的變形信息也傳 輸至A/D采集計算機模塊，A/D采集計算機模塊通過通用的信號處理以及圖像處 理手段根據獲得的模擬信號和形變圖像計算得出整個碰撞過程中的位移、速度、 加速度及碰撞力信息。
本發明結構簡便，無需臺車、軌道等設備，裝置所需場地要求相對較低；產 生的高速撞擊能量可調，不僅可以用于檢測普通材料的碰撞性能，而且適合用于 檢測高強度鋼及超高強度鋼的碰撞性能；操作簡便，由試件頂端的觸發器自動觸 發采樣而不再單純地利用加速度信號啟動采樣，降低了后續數據處理分析的困 難；可直接獲取位移、速度、加速度及碰撞力的完整信息。
圖l為本發明結構示意圖2為實施例結構示意圖3a為凹字形結構待測試件示意圖3b為凸字形結構待測試件示意圖3c為呂字形結構待測試件示意圖。
具體實施例方式
下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下 進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限 于下述的實施例。
如圖1所示，本實施例包括落錘式沖擊試驗模塊l、傳感器模塊2、電荷 放大器模塊3、 A/D采集計算機模塊4、高速相機模塊5、照明模塊6和待測試 件7，其中傳感器模塊2的輸出端與電荷放大器模塊3的輸入端連接以傳輸傳 感信號，電荷放大器模塊3的輸出端與A/D采集計算機模塊4的輸入端相連以 傳輸模擬信號，待測試件7固定在落錘沖擊試驗模塊1上，高速相機模塊5固 定在落錘沖擊試驗模塊1的待測試件7 —側并對準待測試件7，高速相機模塊5 與A/D采集計算機模塊4相連接以傳輸形變圖像，照明模塊6設置于落錘式沖 擊試驗模塊1的待測試件7的相對一側并對準待測試件7。
如圖2所示，所述的落錘式沖擊試驗模塊1包括落錘8、導向柱支架9和 工作底座IO，其中工作底座10與導向柱支架9相固定，落錘8設置于導向柱支架9上，落綞8位于工作底座10的正上方，該落錘8式沖擊試驗模塊1是整 個試驗裝置基礎，負責高速碰撞過程的發生。
如圖2所示，所述的傳感器模塊2包括速度傳感器11、加速度傳感器12 和力傳感器13，其中速度傳感器11活動設置于落錘8式沖擊試驗模塊的外側 并與落錘8運動方向相平行，加速度傳感器12安裝在落錘8式沖擊試驗模塊的 上端，力傳感器13固連在待測試件7的底部。
所述的速度傳感器11采用非接觸式的光電傳感器，所述的加速度傳感器12 采用壓電式傳感器，所述的力傳感器13采用應變式力傳感器13。
所述的電荷放大器模塊3為具有振動測量單元和放大單元的二次儀表，該電 荷放大器模塊3負責接收傳感器模塊2產生的傳感信號，并將傳感信號放大后 輸出至A/D采集計算機模塊4。
所述的A/D采集計算機模塊4包括A/D采集單元、數據處理單元和顯示單 元，其中A/D采集單元接收電荷放大器模塊3輸出的模擬信號，該A/D采集單 元分別將數字信號輸出至數據處理單元并將模擬信號輸出至顯示單元，數據處理 單元將接收到的來自A/D采集單元的數字信號經處理后將數字處理結果輸出至 顯示單元，顯示單元實時顯示A/D采集單元輸出的模擬信號以及數據處理單元 輸出的數字處理結果。
所述的高速相機模塊5為具有防抖動單元電子攝像機，該電子攝像機的解析 度在1280*1024以上，幀速在3000幀/秒以上，該高速相機模塊5負責采集待 測試件7在短暫的沖擊碰撞過程中的形變圖像，以助于更全面地了解轉瞬即逝的 碰撞過程，而且還可以利用圖像計算出碰撞過程中被測構件的變形位移、速度等 一系列參數。
所述的待測試件7為截面薄壁直梁結構件，該待測試件7的截面形狀為凹 字形、凸字形或呂字形中的一種，在待測試件7的頂端設有觸發器且該觸發器與 A/D采集計算機模塊4相連接。
如圖2所示，所述的待測試件7為截面薄壁直梁結構件，該待測試件7的 截面形狀分別為圖3a中的凹字形結構、圖3b中的凸字形結構或圖3c中的呂字 形結構，在待測試件7的頂端設有觸發器14且該觸發器14與A/D采集計算機 模塊4相連接。所述的截面薄壁直梁結構件為用于材料碰撞性能檢測的新型結構型式。 所述的觸發器14在當碰撞發生時產生感應信號并輸出至A/D采集計算機模 塊4，該感應信號用于啟動采樣，作為碰撞零時刻的基準。 本實施例以下方式進行測試
第一步、使用本發明首先將速度傳感器11安裝在固定臺8上，將加速度傳 感器12安裝在落錘8試驗機1的落錘8的頂部，將力傳感器13固連在待測試 件7的底部；
第二步、將待測試件7與傳感器6的組合體安裝在落錘8試驗機1的工作底 座107上；
第三步、將速度傳感器11、加速度傳感器12以及力傳感器13分別與電荷 放大器模塊3連接，并且將電荷放大器模塊3與A/D采集計算機模塊4相連；
第四步、最后架起高速相機模塊5并使其對準待測試件7，并調整照明模塊 6使得高速相機模塊5設置于其視角正對待測試件7且高速相機模塊5的解析度 設置于1280*1024，快門設置于1/3000秒。
第五步、安裝調試工作完成之后，啟動落錘8進行試驗，通過A/D采集計算 機模塊4和高速相機模塊5記錄下碰撞的全部過程。
第六步、速度傳感器11、加速度傳感器12以及力傳感器13將接收到的模 擬信號經電荷放大器模塊3傳遞給A/D采集計算機模塊4，高速相機模塊5將整 個碰撞過程中待測試件7的變形信息也傳輸至A/D采集計算機模塊4， A/D采集 計算機模塊4通過通用的信號處理以及圖像處理手段獲得碰撞的位移、速度、加 速度及碰撞力信息。
權利要求
1、一種模擬碰撞試驗裝置，其特征在于，包括落錘式沖擊試驗模塊、傳感器模塊、電荷放大器模塊、A/D采集計算機模塊、高速相機模塊、照明模塊和待測試件，其中傳感器模塊的輸出端與電荷放大器模塊的輸入端連接以傳輸傳感信號，電荷放大器模塊的輸出端與A/D采集計算機模塊的輸入端相連以傳輸模擬信號，待測試件固定在落錘式沖擊試驗模塊的工作臺上，高速相機模塊固定在落錘式沖擊試驗模塊的待測試件一側并對準待測試件，高速相機模塊與A/D采集計算機模塊相連接以傳輸形變圖像，照明模塊設置于落錘式沖擊試驗模塊的待測試件的相對一側并對準待測試件。
2、 根據權利要求l所述的模擬碰撞試驗裝置，其特征是，所述的落錘式沖擊試驗模塊包括落錘、導向柱支架和工作底座，其中工作底座與導向柱支架 相固定，落錘設置于導向柱支架上，落錘位于工作底座的正上方，該落錘式沖擊 試驗模塊是整個試驗裝置基礎，負責高速碰撞過程的發生。
3、 根據權利要求l所述的模擬碰撞試驗裝置，其特征是，所述的傳感器模 塊包括速度傳感器、加速度傳感器和力傳感器，其中速度傳感器活動設置于 落錘式沖擊試驗模塊的外側并與落錘運動方向相平行，加速度傳感器安裝在落錘 式沖擊試驗模塊的上端，力傳感器固連在待測試件的底部。
4、 根據權利要求l所述的模擬碰撞試驗裝置，其特征是，所述的電荷放大 器模塊為具有振動測量單元和放大單元的二次儀表，該電荷放大器模塊負責接收傳感器模塊產生的傳感信號，并將傳感信號放大后輸出至A/D采集計算機模塊。
5、 根據權利要求l所述的模擬碰撞試驗裝置，其特征是，所述的A/D采集計算機模塊包括A/D采集單元、數據處理單元和顯示單元，其中A/D采集單元接收電荷放大器模塊輸出的模擬信號，該A/D采集單元分別將數字信號輸出 至數據處理單元并將模擬信號輸出至顯示單元，數據處理單元將接收到的來自 A/D采集單元的數字信號經處理后將數字處理結果輸出至顯示單元，顯示單元實 時顯示A/D采集單元輸出的模擬信號以及數據處理單元輸出的數字處理結果。
6、 根據權利要求l所述的模擬碰撞試驗裝置，其特征是，所述的待測試件 為截面薄壁直梁結構件，該待測試件的截面形狀為凹字形、凸字形或呂字形中的 一種，在待測試件的頂端設有觸發器且該觸發器與A/D采集計算機模塊相連接。
7、 根據權利要求1所述的模擬碰撞試驗裝置的試驗方法，其特征在于，包 括以下步驟第一步、將速度傳感器安裝在固定臺上，將加速度傳感器安裝在落綞試驗機 的落錘的頂部，將力傳感器固連在待測試件的底部；第二步、將待測試件固定在落錘式沖擊試驗模塊工作臺上；第三步、將傳感器模塊、電荷放大器模塊和A/D采集計算機模塊依次相連；第四步、架起高速相機模塊使其對準待測試件，調整照明系統使得高速相機模塊達到其最佳的工作狀態；第五步、啟動落錘式沖擊試驗模塊進行碰撞試驗，即讓試驗機落錘撞擊待測 試件，傳感器模塊和高速相機模塊將記錄下碰撞的全部過程；第六步、傳感器模塊將接收到的傳感信號經電荷放大器模塊放大后傳輸至 A/D采集計算機模塊，高速相機模塊將整個碰撞過程中待測試件的變形信息也傳 輸至A/D采集計算機模塊，A/D采集計算機模塊通過通用的信號處理以及圖像處 理手段根據獲得的模擬信號和形變圖像計算得出整個碰撞過程中的位移、速度、 加速度及碰撞力信息。
8、 根據權利要求7所述的模擬碰撞試驗裝置的試驗方法，其特征是，所述的工作狀態，是指高速相機模塊的視角正對待測試件且高速相機模塊的解析度設 置于1280*1024，快門設置于1/3000秒。
全文摘要
一種測試技術領域的模擬碰撞試驗裝置及其試驗方法，包括落錘式沖擊試驗模塊、傳感器模塊、電荷放大器模塊、A/D采集計算機模塊、高速相機模塊、照明模塊和待測試件。本發明適合用于檢測高強度鋼及超高強度鋼的碰撞性能；由試件頂端的觸發器自動觸發采樣而不再單純地利用加速度信號啟動采樣，降低了后續數據處理分析的困難。
文檔編號G01M7/08GK101551293SQ20091004901
公開日2009年10月7日 申請日期2009年4月9日 優先權日2009年4月9日
發明者史文超, 張卿卿, 彭穎紅, 李大永, 晨 汪 申請人:上海交通大學