[发明专利]多源变载荷冲击实验装置

权利要求书

1.多源变载荷冲击实验装置，特征在于：包括冲击实验平台和冲击控制系统。

2.如权利要求1所述的多源变载荷冲击实验装置，特征在于：冲击实验平台包括：可动承载杆（7）、顶部固定架（8）、加强筋（9）、底部固定架（10）、立杆（11）、滑轨（12），底部固定架（10）、顶部固定架（8）、立杆（11）、可动承载杆（7）和加强筋（9）构成的长、宽和高分别为a、a和h的长方体结构，边长为a的正方形底部固定架（10）的边角通过螺栓与长度为h的立杆（11）下端连接，立杆（11）上端通过螺栓与边长为a的正方形的顶部固定架（8）的边角连接；正方形顶部固定架（8）的对边固定有滑轨（12），可动承载杆（7）可沿滑轨（12）平行移动，可动承载杆（7）用于固定冲击控制系统的步进电机（3），在冲击实验平台各个侧面的沿对角安装长度为的加强筋（9），通过调整可动承载杆（7）和步进电机（3）的位置和数量来实现对多源冲击位置的设定。

3.如权利要求1所述的多源变载荷冲击实验装置，特征在于：冲击控制系统由硬件和软件两个模块组成。

4.如权利要求3所述的多源变载荷冲击实验装置，特征在于：冲击控制系统硬件模块包括：单片机（1）、步进电机控制器（2）、步进电机（3）、转轴（4）、绳索（5）、冲击锤（6），单片机（1）IO端口通过杜邦线与步进电机控制器（2）的信号输入端口相连接，步进电机控制器（2）的信号输出端口通过导线与步进电机相连（3），步进电机（3）固定于可动承载杆（7）上，冲击锤（6）通过绳索（5）悬挂于转轴（4）上。

5.如权利要求3或4所述的多源变载荷冲击实验装置，特征在于：硬件模块中步进电机转轴的最小半径需结合最大冲击程度要求和步进电机转速进行确定，具体过程如下：

（1）最大冲击高度h_max

冲击锤采用自由落体方式完成冲击，如需满足最大冲击载荷F_max的实验要求，则相应最大冲击高度h_max：

（1）

式中m为冲击锤的质量，t_c为冲击时间

（2）转轴的最小半径R_min

为保证冲击锤以自由落体方式完成冲击，要求冲击发生时，步进电机释放绳索的长度和冲击锤自由落体的高度相同，如需满足最大冲击载荷F_max的实验要求，则：

（2）

式中，f为步进电机转速，h_max为最大冲击高度，R_min为步进电机转轴的最小半径，t_max为最大冲击高度h_max对应的自由落体时间，式（2）表明当步进电机转速确定后，步进电机转轴的最小半径存在一个最小值。

6.如权利要求3所述的多源变载荷冲击实验装置，特征在于：冲击控制系统软件模块通过设定冲击程度系数、步进电机脉冲信号周期、步进电机的释放、休止和复位时间实现对变载荷冲击过程的自动控制，具体过程为：

（1）冲击载荷系数r

不同冲击载荷F的调整是通过设定不同冲击高度来实现的，定义冲击载荷系数r为当前冲击载荷F与最大冲击载荷F_max之比：

（3）

即，

式中h为当前冲击高度，

（2）步进电机脉冲信号周期T

根据步进电机转速f，计算步进电机脉冲信号周期T：

（4）

式中，k为步进电机的细分倍数，

（3）冲击高度初始化时间t₀

系统启动后，冲击锤从最大冲击高度h_max降至当前冲击高度h的时间t₀：

（5）

式中，T₀为冲击锤恢复静止状态的时间，

（4）释放时间t_s

冲击过程中，在步进电机转速不变的情况下，要求步进电机释放绳索的长度与冲击高度相同，电机释放绳索的时间t_s小于等于冲击锤的自由落体时间：

（6）

（5）休止时间t_x

由于步进电机的释放时间t_s小于或等于冲击锤自由落体时间，为保证冲击锤完成冲击，需要设定休止时间t_x，在该时间内，电机处于休止状态，休止时间的计算如下：

（7）

（6）复位时间t_f

为保证冲击完成后，冲击锤可以复位至冲击高度h，并等待冲击锤恢复静止状态，步进电机应在休止时间结束后，立即复位（反转）后，停止转动，根据电机转速可以计算该复位时间：

（8）。