多源變載荷沖擊實驗裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及多源變載荷沖擊實驗裝置，屬于結構沖擊監測領域。
【背景技術】
[0002] 材料及其構件在服役期間常因遭受各類不同載荷的沖擊，致使材料及其構件易產 生各類損傷，導致結構的力學性能劣化，帶來嚴重的安全隱患。近年來，結構沖擊監測已成 為結構狀態監測的一個重要研究方向，其研究內容主要包括：沖擊定位和沖擊程度的監測。 為更好的開展該領域的研究，設計有效的多源變載荷沖擊實驗裝置具有重要的意義。
[0003]目前，國內外為開展結構沖擊監測研究，均設計了相應的沖擊實驗，實驗過程主要 依靠手動或機械裝置完成。其中，手動沖擊實驗采用定點定載荷的沖擊方法，實驗員手持沖 擊鍵進行沖擊實驗來獲取研究所需的沖擊信號；而機械沖擊實驗則是根據沖擊位置和載荷 大小的要求，設計某一特定機械裝置來完成沖擊實驗。
[0004] 上述沖擊實驗為目前沖擊監測研究提供了必要的實驗手段，然而尚存在一些不 足：（1)人工沖擊實驗較難保證多次沖擊位置和載荷大小的穩定性；（2)機械沖擊實驗雖然 解決了多次沖擊位置和載荷大小不穩定的問題，然而沖擊類型不具可調性；（3)傳統沖擊 實驗主要服務于單源沖擊監測研究，無法滿足多源沖擊監測研究的要求；（4)傳統沖擊實 驗均需不同程度的人工參與，在需要獲取大量沖擊數據時，實驗量巨大。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提供多源變載荷沖擊實驗裝置，可W完成不同載荷情況下的沖擊 實驗。
[0006] 多源變載荷沖擊實驗裝置，包括沖擊實驗平臺和沖擊控制系統。
[0007] -、沖擊實驗平臺 沖擊實驗平臺包括：可動承載桿、頂部固定架、加強筋、底部固定架、立桿、滑軌，底部 固定架、頂部固定架、立桿、可動承載桿和加強筋構成的長、寬和高分別為3、a和A的長 方體結構，邊長為a的正方形底部固定架的邊角通過螺栓與長度為A的立桿下端連接，立 桿上端通過螺栓與邊長為a的正方形的頂部固定架的邊角連接；正方形頂部固定架的對 邊固定有滑軌，可動承載桿可沿滑軌平行移動，可動承載桿用于固定沖擊控制系統的步進 電機，為了保證沖擊實驗平臺的穩定性，在沖擊實驗平臺各個側面的沿對角安裝長度為 的加強筋，通過調整可動承載桿和步進電機的位置和數量來實現對多源沖擊位置 的設定。
[000引二、沖擊控制系統 沖擊控制系統由硬件和軟件兩個模塊組成。
[000引（一）沖擊控制系統的硬件模塊 硬件模塊包括：單片機、步進電機控制器、步進電機、轉軸、繩索、沖擊鍵，單片機10端 口通過杜邦線與步進電機控制器的信號輸入端口相連接，步進電機控制器的信號輸出端口 通過導線與步進電機相連，步進電機固定于可動承載桿上，沖擊鍵通過繩索懸掛于轉軸上， 硬件模塊中步進電機轉軸的最小半徑需結合最大沖擊程度要求和步進電機轉速進行 確定，具體過程如下： (1) 最大沖擊高度么3^ 沖擊鍵采用自由落體方式完成沖擊，如需滿足最大沖擊載荷/心j勺實驗要求，則相應最 大沖擊局度么ar:
式中a?為沖擊鍵的質量，片為沖擊時間 (2) 轉軸的最小半徑A,。 為保證沖擊鍵W自由落體方式完成沖擊，要求沖擊發生時，步進電機釋放繩索的長度 和沖擊鍵自由落體的高度相同。如需滿足最大沖擊載荷勺實驗要求，則：
(2) 式中，/為步進電機轉速，么3為最大沖擊高度，也。為步進電機轉軸的最小半徑，為 最大沖擊高度Am。、對應的自由落體時間。式（2)表明當步進電機轉速確定后，步進電機轉軸 的最小半徑存在一個最小值。
[0010] 仁）沖擊控制系統的軟件模塊 沖擊控制系統軟件模塊通過設定沖擊程度系數、步進電機脈沖信號周期、步進電機的 釋放、休止和復位時間實現對變載荷沖擊過程的自動控制，具體過程如下： (1)沖擊載荷系數r 不同沖擊載荷佩]調整是通過設定不同沖擊高度來實現的，定義沖擊載荷系數r為當 前沖擊載荷/^最大沖擊載荷/：3^之比：
(3) 式中A為當前沖擊高度。
[0011] (2)步進電機脈沖信號周期r 根據步進電機轉速/，計算步進電機脈沖信號周期r:
(4) 式中，衫3步進電機的細分倍數。
[0012] (3)沖擊高度初始化時間而 系統啟動后，沖擊鍵從最大沖擊高度么J華至當前沖擊高度A的時間如
(5) 式中，^為沖擊鍵恢復靜止狀態的時間。
[001引（4)釋放時間is 沖擊過程中，在步進電機轉速不變的情況下，要求步進電機釋放繩索的長度與沖擊高 度相同，電機釋放繩索的時間i/J、于等于沖擊鍵的自由落體時間：
(6) (5) 休止時間 由于步進電機的釋放時間i/J、于或等于沖擊鍵自由落體時間，為保證沖擊鍵完成沖 擊，需要設定休止時間在該時間內，電機處于休止狀態。休止時間的計算如下：
(7) (6) 復位時間?/ 為保證沖擊完成后，沖擊鍵可W復位至沖擊高度知并等待沖擊鍵恢復靜止狀態，步進 電機應在休止時間結束后，立即復位(反轉）后，停止轉動，根據電機轉速可W計算該復位時 間：
(8) 基于上述過程，沖擊控制系統通過增加步進電機的數量，可實現對多源變載荷沖擊過 程的控制。
[0014] 本發明所設計的多源變載荷沖擊實驗裝置的優點在于：（1)可保證多次沖擊的位 置和載荷大小的穩定性；（2)可通過靈活地調整可動承載桿及固定于其上的步進電機的位 置和數量，實現多源沖擊位置的設定，W及靈活調整沖擊鍵的高度實現變載荷的設定；（3) 可實現多源沖擊，滿足了多源沖擊監測研究的要求；（4)可實現沖擊實驗過程的自動控制， 無需人工參與。
【附圖說明】
[0015] 圖1為多源變載荷沖擊實驗裝置示意圖 圖2為沖擊控制系統硬件模塊中步進電機轉軸最小半徑設計流程圖 圖3為沖擊控制系統軟件設計流程圖 在附圖1中：1、單片機2、步進電機控制器3、步進電機4、轉軸5、繩索6、沖擊鍵7、 可動承載桿8、頂部固定架9、加強筋10、底部固定架11、立桿、12滑軌。
【具體實施方式】
[0016] 下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明： 實施例1 :多源變載荷沖擊實驗平臺的設計 沖擊實驗平臺包括：可動承載桿（7)、頂部固定架（8)、加強筋（9)、底部固定架（10)、立 桿（11)、滑軌（12)，底部固定架（10)、頂部固定架（8)、立桿（11)、可動承載桿（7)和加強筋 (9)構成的長、寬和高分別為70cm、70cm和100cm的長方體結構。邊長為70cm的正方形底 部固定架（10)的邊角通過螺栓與長度為100cm的立桿（11)下端連接，立桿（11)上端通過 螺栓與邊長為70cm的正方形的頂部固定架（8)的邊角連接；正方形頂部固定架（8)的對邊 固定有滑軌（12)，可動承載桿（7)可沿滑軌（12)平行移動，可動承載桿（7)用于固定沖擊控 制系統的步進電機（3);為了保證沖擊實驗平臺的穩定性，在其各個側面的沿對角安裝長度 為
的加強筋（9)。通過調整可動承載桿（7)和步進電機（3)的位置和數 量來實現對多源沖擊位置的設定。
[0017]實施例2 :沖擊控制系統硬件模塊的設計 沖擊控制系統硬件模塊包括單片機（1)、步進電機控制器（2)、步進電機（3)、步進電機 轉軸（4)和沖擊鍵（6)。本實施例中單片機選用STC89C52RC型單片機、步進電機驅動器選 用42/57兩相混合式步進電機驅動器、步進電機選用57BYGH兩相混合式步進電機W及沖擊 鍵選用質量為0. 0362kg的小鍵。
[001引單片機（1)的I/O端口P0.X和P1.X分別通過杜邦線與步進電機控制器（2)的脈 沖信號端口PUk和方向信號端口DIR-相連接；步進電機控制器（2)的脫機信號端口EN-懸 空，脫機信號端口EN+、脈沖信號端口PUL+和方向信號端口DIR+接高電平。步進電機控制 器（2)的信號輸出端口A+和A-、B+和B-分別通過導線與步進電機（3)的藍、黑、紅、綠信 號輸入接口相連，步進電機（3)的轉軸（4)半徑為化沖擊鍵（6)通過繩索（5)懸掛于步進電 機轉軸（4)上，通過上述步驟實現了對步進電機的脈沖及方向的控制，進而搭建了沖擊控制 系統硬件模塊。
[0019] 硬件模塊中步進電機轉軸（4)的最小半徑需結合最大沖擊程度要求和步進電機 (3)轉速進行確定，具體過程如下： (1) 最大沖擊高度么3^ 沖擊鍵（6)采用自由落體方式完成沖擊，當沖擊鍵（6)質量m=0. 0362kg，重力加速度 思=時，如需滿足最大沖擊載荷產 16N的實驗要求(假設沖擊時間為片=0. 01s)， 則可計算出相應最大沖擊高度么
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