[发明专利]基于折链高度非线性孤立波的杨氏模量测试装置及方法

权利要求书

1.一种基于折链高度非线性孤立波的杨氏模量测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在光滑管道的中部放置有若干个钢球组成球体链，对球体链端部的电磁铁加电，光滑管道最顶部的钢球被吸起；

2)对电磁铁断电，无磁性控制，被吸起第一颗球体下落，沿着光滑管道运动，以一定的初速度撞击成钝角状斜折链结构的球体链，产生孤立波；

3)在水平面光滑管道中设有传感器，孤立波沿球体链传播至传感器，球体链对传感器左侧钢柱产生压力，在光滑管道的水平面端部设有薄铝片，压力传播到PZT薄片上，信号采集装置采集产生的信号；

4)孤立波经由传感器之后继续传播至光滑管道底端产生反射波；反射波沿球体链往回传播，再次经过传感器时，再次采集一次信号传输至信号采集装置；

5)重复步骤1)～4)，信号采集装置将获取的若干次孤立波和反射波信号，利用钢球与钢球、钢球与钢柱、钢球与被测材料之间的相对位移与杨氏模量的关系，利用MATLAB解算出被测材料杨氏模量，得出被测材料杨氏模量与时间差的关系，从而得到折链高度非线性孤立波的杨氏模量。

2.根据权利要求1所述的基于折链高度非线性孤立波的杨氏模量测试方法，其特征在于，所述钢球与钢球、钢球与钢柱之间的相互作用力均为赫兹接触力F，钢球与钢球、钢球与钢柱之间的杨氏模量的计算如下：

F＝Aδ^3/2

式中，r为钢球半径，mm；v为钢球泊松比；E为钢球杨氏模量，GPa；δ为钢球间相对位移，mm；A为钢球与钢球、钢球与钢柱之间的接触系数。

3.根据权利要求1所述的基于折链高度非线性孤立波的杨氏模量测试方法，其特征在于，钢球与被测材料之间的相互作用力为赫兹接触力Fw，钢球与被测材料之间的杨氏模量的计算如下：

F_w＝A_wδ′^3/2

式中，r为钢球半径，mm；v为钢球泊松比；E为钢球杨氏模量，GPa；ν_w为被测材料泊松比；E_w为被测材料杨氏模量，GPa；δ′为球体与被测材料间相对位移，mm；A_w为钢球与被测材料之间的接触系数。

4.根据权利要求1所述的基于折链高度非线性孤立波的杨氏模量测试方法，其特征在于，F1，F2分别为拐角处相邻钢球之间的赫兹接触力，Ft为光滑管道对钢球的支撑力，其关系式如下：

Ft＝F1+F2。

5.一种权利要求1-4任一项所述方法采用的基于折链高度非线性孤立波的杨氏模量测试装置，其特征在于，包括电磁铁、光滑管道、钢球、细导线、传感器、薄铝片和信号采集装置；在光滑管道的中部放置有若干个钢球组成球体链，球体链成钝角状斜折链结构，在光滑管道的顶部设有一个电磁铁，在水平面光滑管道中设有传感器，传感器连接信号采集装置，在光滑管道的水平面端部设有薄铝片进行封底，被测材料置于薄铝片侧部。

6.根据权利要求5所述的一种基于折链高度非线性孤立波的杨氏模量测试装置，其特征在于，所述传感器包括钢柱、PZT薄片和细导线；两个钢柱分别通过绝缘双面胶带把两个钢柱分别连接于PZT薄片两侧，PZT薄片连接两根细导线连接至信号采集装置。

7.根据权利要求5所述的一种基于折链高度非线性孤立波的杨氏模量测试装置，其特征在于，所述薄铝片正中间打有一个5mm直径的孔。