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浙江大学硕士学位论文冲击动力学综合实验系统的开发与研究 摘要 论文立足于研究型大学新世纪教学改革，开发了一套“d c s 一1 型冲击动力 学综合实验系统( d y n a m i c sc o l l i s i o n e x p e r i m e n ts y s t e m ) ”。 本文详细论述了冲击动力学综合实验系统的设计方案；研制成功能多、兼 容性强、扩展性好的斜面冲击试验台架；创造性地提出了“双挡光片法”测速 方法，推论出用“多挡光片法”精确测定交加速运动速度的新构想；在此基础 上应用电子、光学和单片机技术，研制成多功能的“m c v 一1 微机速度测试仪” ( m i c r o c o m p u t e rv e l o c i t ym e a s u r i n gi n s t r u m e n t ) 。该仪器除能精确测定物 体的速度、加速度外，还具有周期、频率等测试功能。 论文后期，在冲击实验台架和智能化测试系统上进行了包装件冲击和车辆 碰撞的初步模拟试验，获得了若干有意义的规律。 在这套系统上，完成了一组由理论力学基本实验和拓展研究型实验组成的 分层次实验，并编写了配套的实验指导书和仪器使用说明书。 在国家工科基础课程力学教学基地建设中，本文工作对理论力学创新应用 实验室水平的提升有重要作用；同时为浙江大学力学实验中心开展动力学方向 的科学研究提供了一个有特色的实验平台。 关键词：冲击动力学教学基地创新实验科研平台商品易损度车辆工程 浙江大学硕士学位论文冲击动力学综合实验系统的开发与研究 a b s t r a c t b a s e do nt h ee d u c a t i o ni n n o v a t i o no ft h er e s e a r c h i n gu n i v e r s i t yi n n e wc e n t u r y , t h ea u t h o rd e v e l o p e dt h e “d y n a m i c sc o l l i s i o n e x p e r i m e n t s y s t e m ”f d c s 一1 ) f i r s t l y , t h e a u t h o rd i s c u s s e dt h e d e s i g n o ft h e d y n a m i c s c o l l i s i o n e x p e r i m e n ts y s t e m i nd e t a i l ，a n dt h e n ，d e v e l o p e di tw h i c hh a s m a n y v i r t u e ss u c ha s m u l t i f u n c t i o n ，g o o dc o m p a t i b i l i t y a n d e x p a n s i b i l i t y t h ea u t h o rb r o u g h tf o r w a r dan e wv e l o c i t ym e a s u r e m e n t c a l l e d “t h em e t h o dw i t hd u a ll i g h ts h i e l d i n gs e c t i o n s ”c r e a t i v e l y , a n d r e a s o n e do u tan e w w a y w i t h “m u l t il i g h ts h i e l d i n gs e c t i o n s ”t om e a s u r e 恤ev e l o c i t yo fo b j e c tu n d e rv a r i a b l ea c c e l e r a t i o n b a s e do nt h e s e ，t h e a u t h o ra l s o d e v e l o p e d a “m i c r o c o m p u t e rv e l o c i t ym e a s u r i n g i n s t r u m e n t ( m c v - nw h i c hc a nb eu s e dn o to n l y i n m e a s u r i n gt h e v e l o c i t ya n dt h ea c c e l e r a t i o n ，b u ta l s oi nm e a s u r i n gt h ec y c l ea n dt h e f e q u e n c y a tt h ee n do ft h ep a p e r , t h ea u t h o ru s e dt h en e w d e v e l o p e ds y s t e m s i n s o m eb a s i cs i m u l a t e de x p e r i m e n t a t i o ns u c ha sp a c k a g i n gi m p a c tt e s ta n d a u t oc o l l i s i o nt e s t a n dg o ts o m eu s e f u li n f o r i l l a t i o n u s i n gt h es y s t e m s ，t h ea u t h o rp r o g r a m m i n gas e r i e s o ft h e o r e t i c a l m e c h a n i c se x p e r i m e n t a t i o n s ，w h i c ha r ec o n s i s to fb a s i ce x p e r i m e n ta n d s e n i o re x p e r i m e n t i nt h ee s t a b l i s h m e n to f t h es t a t e e n g i n e e r i n gc o u r s er e s e a r c h c e n t e ro fm e c h a n i c s z h e j i a n gu n i v e r s i t y ”t h ea u t h o r sw o r ki m p r o v e d t h er e s e a r c hl e v e lo ft h e “t h e o r e t i c a lm e c h a n i c sl a b o r a t o r y ”。a l s o ， p r o v i d e dau n i q u ee x p e r i m e n t a ls t a g ef o rt h ed y n a m i c sr e s e a r c h k e y w o r d s ：i m p a c td y n a m i c s ，e d u c a t i o nb a s e ，o r i g i n a l e x p e r i m e n t a t i o n ，r e s e a r c hs t a g e ，c o m m o d i t yf r a g i l i t y , a u t oe n g i n e e r i n g n 浙江大学硕士学位论文冲击动力学综合实验系统的开发与研究 1 1 研制背景 第一章绪论 1 1 1 理论力学实验教学创新改革 浙江大学“国家工科基础课程力学教学基地”是全国六个力学教学基地之一。 她肩负着理论力学、材料力学、工程流体力学和结构力学四门工科 主干基础技术课程新世纪教学改革，并将相关教学科研成果向全国工科院校推广 和示范辐射的使命。 理论力学是研究物体机械运动一般规律的科学。它运用逻辑推理和数学演绎 的方法，从少数最基本的规律出发，得到了一系列揭示机械运动规律的定理、定 律和公式，建立了严密而完整的理论体系【”。这对于理解、掌握阻及应用理论力 学都是极为有利的。但是，如果认为理论力学已建立了完整的理论体系，就可以 仅仅依靠数学演绎，得出新的理论与结论，则是完全错误的，即便对于学习理论 力学本身也是有害的。这是因为，一任何物理定律、物理概念，必须和物质对象联 系起来，才能为人们深刻认识，而且随着科学的发展，人们的认识会不断加深， 产生新的概念。因此，必须进一步建立新的、更符合实际的力学模型和相应的理 论。只有这样，理论力学的内容才能日益丰富。 自上世纪五十年代以后，我国高等工程教育一直仿效前苏联模式，在许多专 业中开设理论力学课程。而在该课程的教学大纲中只有理论讲授部分而无实验内 容。作为一门重要的工科技术基础课，理论力学涉及大量的概念、公理、定律、 原理、定理、力学模型 2 1 ，许多力学规律客观存在但并不直观。理论性强，内容 较为抽象，用纯课堂讲授的方式很难达到满意的教学效果。长期以来，学生反映 理论力学有些高深莫测，比同类的材料力学掌握起来较为困难例。 英国科学家培根说过：“没有实验，便没有科学”。长期通过实验探索自然奥 浙江大学硕士学位论文冲击动力学综台实验系统的开发与研究 妙，并取得重大成功的丁肇中教授说：“做实验确实非常重要，因为任何理论没 有实验证明，是没有用的。实验可以推翻理论，理论绝对不能推翻实验。”【3 力学实验可以把抽象的力学行为形象地表现出来，有助于学生对力学概念的 理解。随着高等学校基础设施建设的投入和力学学科的发展，学校开设较高水平、 较多内容的力学实验课的条件已逐渐成熟 4 】【5 1 。为此，国家工科力学课程指导委 员会要求有条件的院校，通过教学改革，使理论力学课程实验达到1 5 二2 0 学时。 教育部也正组织国内重点大学的专家制订基础力学实验的教学基本要求并编写 教材，推广开设力学实验课的教学经验，制订力学实验项目( 模块) 、基本要求和 标准，从而逐步实现基础力学实验的通用化、标准化。力学实验教材可采用模块 化设计，要求有代表性、普遍性和可选择性，使较多的学校能根据自己的实际情 况开设基础力学实验课，并选用教材【6 】。 浙江大学是全国著名的研究型高等院校之一。她的定位和目标要求其在教学 内容与方法上进行有创新性的改革。实验教学是本科基础教学的一个重要内容和 环节，尤其对于理工科学生 _ ”。无论毕业以后从事教学、科研、设计、测量、生 产等工作，实验都将是一种十分重要的基础训练。世界上，许多科学发明也都出 自实验室惮j 。 在浙江大学国家工科基础课程力学教学基地建设中，对理论力学实验教学大 纲和与之适应的实验室建设进行了重新规划。从无到有地建立起了“理论力学创 新应用实验室”。经过几年的努力探索，从参观示范到学生自己动手，从开设基 本实验到研究型工程实验开发，目前已经初步建立起以创新应用为主线的理论力 学实验体系。在基地中期评估时，理论力学创新应用实验室的一期建设被教育部 专家誉为“在全国是独有的”。在2 0 0 4 年4 月份的基地终期验收中，理论力学实 验新体系的初步建成为基地创优提供了新的“亮点”。 动力学是理论力学课程的基本模块之一，与工程的关系非常密切。其中，冲 击动力学又是动力学中的重要内容之- - 9 1 。它在航天、航空、船舶、兵器、交通、 包装等领域有着极其广泛的应用【1 0 i 1 1 1 】。在本文中，将重点介绍在基地平台上进 行的“冲击动力学综合实验系统”研究项目及其阶段性成果。在这套系统上，已 经开设了数个新的分层次教学实验。 2 浙江大学硕士学位论文 冲击动力学综合实验系统的开发与研究 1 1 2 动力学方向科研的实验平台 冲击动力学在航天、航空、兵器、电子、动力、车辆、包装等行业具有十分 重要的地位【l ”。冲击动力学实验装置的开发和试验技术的研究将具有重要意义。 例如，随着国民经济的飞速发展，商品包装已经成为一个新兴行业。冲击是 运输包装过程中普遍存在的一种危险因素。它对产品包装系统所造成的危害也最 为直观【l ”。因此，在包装业的各个标准体系中，甚至是公司的企业标准中，都必 然涉及到冲击试验项目 1 4 1o 在对运输包装件实施缓冲设计时，确定被包装产品的 冲击易损度是首要前提之一。目前，易损度取自于对实物的批量冲击试验，或由 实验获取产品的破损边界试验曲线进行求解【l 5 1 。 又例如，车辆工程方向的碰撞模拟实验，也需要冲击试验平台。有了冲击动 力学综合实验系统，就可在模拟碰撞工况下，研究缓冲装置性能及对象的动力响 应【1 6 】，如：汽车座椅在碰撞激励下的动力学模型研究：车载体的动力响应特性研 究及安全系统的考核与论证掣1 7 1 。 冲击动力学综合实验系统的研制和开发也可为高校教师和研究生的科学研 究提供一个良好的实验平台。 1 2 冲击动力学实验概述 1 2 1 动力学参数及其测量 实验总是以参数为条件和目的的。冲击动力学参数主要包括：位移、速度、 加速度、动量、冲量、动能、势能等。动力学实验中，参数的测量是重要的。而 其中最基本的就是速度、加速度的测量，因为动量、冲量、动能等都与速度密切 相关【1 蚋。 速度的测量按是否接触可分为：接触式和非接触式两种；按照历采用的技术 手段类型又可以分为：机械接触式、电磁感应、红外、激光、图像相关技术【1 9 1 ， 声光技术【2 0 】等。它们各有其自身的特点，也分别有其适用的场合。 就机械力学方向的速度测量而言，常用的是机械接触式、电磁感应、红外和 浙江大学硕士学位论文冲击动力学综合实验系统的开发与研究 激光等手段1 2 l l 。 加速度测量一般采用加速度传感器【埘。其主要类型有压电式、伺服式、电阻 应变片式等【2 3 1 。 随着纳米材料、微机电系统等技术不断取得进展，近年间加速度传感器在微 型化方面有了长足的发展 2 4 1 。例如，其中的微机电系统( m e m s ) 是由微传感器、 微作动器( 执行器) 以及信号处理和控制电路组成的微系统，其尺度在1 0 1 tm 1 0 m m 之间，是当今学科交叉的一个前沿研究领域。微机电系统因具有体积小、 重量轻、性能稳定、可大批量生产、一致性好、成本低等特点，在惯性测量中具 有重要的发展前景。其中加速度测量便是当前m e m s 最重要的应用领域之一【2 ”。 加速度测量在运动控制中也起着重要作用。近几年，汽车上的安全气囊采用 微加速度计m e m s 器件，在安全方面取得了明显效果。一些发达国家现已可批 量生产微加速度计，其售价仅为几美元，而传统的机电加速度计每个则需要5 0 美元。成本的降低与体积的减小，为m e m s 加速度计在汽车及其他领域开辟了 更加广阔的应用前景1 2 4 1 。 有的还利用光学原理研制出二维加速度激光传感器 2 6 1 。该传感器设计以角锥 棱镜作为惯性摆，利用光学干涉原理，可以实现对运动物体的二维加速度测量口7 1 。 在本文所述的实验系统中，速度的测量采用光电脉冲传感技术。针对实验需 要，开发了一套智能化测试仪“m c v _ 一1 型微机速度测试仪”。而加速度的 测量则采用电荷型的加速度传感器和大容量数据采集系统。 1 2 2 冲击试验装置概述 冲击试验装置有多种类型。按试验装置的形式，可分为卧式、立式、倾斜式 等。从试验冲击模式分，有自由落体式、落锤( 落球) 式、水平冲击式、转筒落 下式、倾斜冲击式、摆锤式、振动式、脉冲式、弹射式等冲击试验装置。 水平冲击试验装置、弹射式冲击试验装置一般用于车辆的碰撞试验；跌落式 试验装置一般用于产品的包装、某些产品( 如头盔等) 的抗冲击性能；自由落体 式、转筒落下式和倾斜式试验装置也主要应用于包装领域。其中倾斜式试验装置 具有加速度调整灵活、牵引方便等特点；摆锤式主要应用于材料的耐冲击强度试 验；振动和脉冲式则主要应用于电子产品的寿命试验或冲击强度考核。 4 浙江大学硕士学位论文冲击动力学综合实验系统的开发与研究 据报道的日本吉田精机株式会社最具有代表性的冲击试验装置产品有： a s q 系列：从微型至大型商品，可以以半正弦波、梯形波脉冲实施冲击试 验。 m d s t 系列：可产生广范围、任意作用时间的半正弦波脉冲可变装置。 s d s t 系列：换装橡胶片，可产生脉宽和冲击强度可调节的半正弦波冲击。 h d s t 系列：可对计算机零件、移动电话等小型轻量产品加以高加速度冲击， 试验其耐冲击性。 h g p - - 2 0 ：可产生的冲击速度波形是半正弦波，给试验品加以2 0 0 0 5 0 0 0 0 m s 2 范围内可任意设定的冲击加速度。 c d s 系列：以半正弦波的冲击试验、可设定试验次数、试验间隔。 p s t 系列：从微型至小型商品之广范围加速度的半正弦波脉冲试验。 各种安全帽用试验机：各种安全帽的吸收冲击能力试验机、耐久性试验、下 巴束带试验机等。 其它冲击试验机如：手提电话用落下试验机、转筒式落下试验机、包装货物 试验机、包装用缓冲材料试验机、倾斜冲击试验机、离心加速度试验机等。 1 3 本文的研究目标和主要工作 1 3 1 研究目标 本文的研究目标为： l 、研制开发一套多工况、多用途的冲击动力学综合实验系统，为本科生进行 理论力学基本实验和工程研究型实验创造条件；为教师和研究生的科学研究提供 一个基本的实验平台。 2 、研制一套智能化、多功能的速度、加速度等动力参数测试仪，为在教学、 科研中能准确、有效、便利地开展冲击动力学实验提供硬件和技术支持。 3 、在动力学运动参数测试的原理和方法方面，进行一些有益的探索。 4 、编写有关的实验指导书和使用说明书，为教学、科研的顺利进行，提供软 件支持。 浙江大学硕士学位论文冲击动力学综合实验系统的开发与研究 1 3 2 主要工作 论文期间，主要完成了以下工作： 1 、设计和研制“d c s 一1 型冲击动力学综合实验系统” 针对国家工科基础课程力学教学基地建设和浙江大学力学实验中心建设的 需要，结合与冲击试验关系密切的包装工程、车辆工程等方向科研的需求，设计 并制作一套“d c s 一1 型冲击动力学综合实验系统”。从设计构思开始，我们就 竭力主张实验系统应具有一定的通用性。它除了可以满足研究性大学基础力学和 相关专业课程实验需要的同时，还特别兼顾了运输包装件冲击试验、车辆碰撞试 验等研究方向的科研所需。 2 、根据实验需要，开发了智能化的速度、加速度测试仪 速度、加速度是动力学实验中重要的基本参数。为了获得准确、高精度的实 验数据，结合本系统特点自主开发了主要针对速度、加速度测试的智能化仪器一 一“m c v 一1 型微机速度测试仅”。使本实验系统的动力参数测试具有独特的快 速、准确、高精度等特点，体现7 钡t j 试技术的创新。 3 、提出了旨在提高精度的“双挡光片法”和“多挡光片法”速度测量新方 法 速度的直接测量只能是某一段时间内的平均值。在运用光电技术测量速度方 法中，由两个挡光条组成的挡光片，比起只有一个挡光条的挡光片而言，具有较 高的精度。它较好地解决了匀速运动动点的速度测量问题。但对于运动速度变化 的动点，上述方法存在有原理上的缺陷。尤其是当运动加速度较大或挡光片上两 个挡光条之间的距离间隔较大时，测量的系统误差将比较大。 针对这个缺陷，本文提出了“双挡光片法”钡速的新方法。这个方法可以圆 满地解决匀加速动点的测速问题。就一般冲击试验的测置而言，它足以满足测速 精度的要求了。 本文还进一步提出，对于变加速运动动点速度的测量可以采用“多挡光片法” 的测量技术。这个问题的提出与研究，对测速精度要求比较高的场合，具有理论 指导意义。 6 浙江大学硕士学位论文冲击动力学综合实验系统的开发与研究 4 、以本文的实验系统为依托，设计开发了六个理论力学教学实验，并编写 配套的实验指导书和仪器使用说明书 为了适应教学改革的步伐，以本文所设计的实验系统为依托，设计开发了6 个理论力学教学实验，并编写了配套的实验指导书和使用说明书( 见附录) ，以 方便本科生进行教学实验。为“浙江大学国家工科基础课程力学教学基地”于 2 0 0 4 年4 月通过教育部的终期评估验收，作出了应有的贡献。 5 、对包装工程和车辆工程中的典型冲击实验进行了初步模拟 利用冲击动力学综合实验系统进行了针对性的工程模拟实验。选取了包装工 程中的冲击试验和车辆工程中的碰撞试验进行了初步的模拟试验，并取得了预期 的良好效果。 浙江大学硕士学位论文 冲击动力学综合实验系统的开发与研究 2 1 设计思想 第二章多工况实验台 根据理论力学课程动力学分层次实验和相关工程科研兼容的指导思想，在多 工况冲击实验系统设计中，遵循了以下原则： ( 1 ) 试验台架应有必要的冲程和轨道宽度，以满足不同工况和试验对象的 尺寸要求； ( 2 ) 轨道应有一定的倾角，并能实现角度调整。必要时，可增设橡筋助力 机构以满足高速冲击试验的需要； ( 3 ) 碰撞壁障的刚度系数具有可调节性； ( 4 ) 冲击实验台车有良好的通用性，有足够的强度和刚度： ( 5 ) 在数据可靠的前提下，参数测试力求方便、快捷，尽可能实现信号采 集和分析的智能化； ( 6 ) 外观和操作上，追求美学和人机工程的结合。 在上述原则指导下，论文期间研制成一套d c s 一1 型( d y n a m i c s c 0 1 1 i s i o n e x p e r i m e n ts y s t e m ) 冲击动力学综合实验系统。 2 2 系统构成 “d c s 一1 型冲击动力学综合实验系统”由斜面冲击实验台架、实验台车、 微机速度测试仪、智能化动力响应测量系统等部分组成。其整个实验系统结构， 如图2 - l 所示。 图2 1 中，a 为实验台架，包括斜面冲击实验台、实验台车和人工壁障等； b 为信息传感系统，包括速度信号传感系统( 含光电门和挡光片) 、加速度传感 器等；c 为智能化测试系统，包括智能速度加速度测试仪、信号放大器、数据采 集系统、信号分析软件等：d 为结果显示部分。 浙江大学硕士学位论文冲击动力学综合实验系统的开发与研究 斜面冲击 叫 光电门 h i 速度，加速度 试验台架 一 jm c v - 1 测试仪1 ll e d 显示 ( 缓冲壁障) 一挡光片组 卜j 实验台车 一 h 加速度传感器卜卡号放大陋据采集1 处理分析卜_ - 4 响应显示 l 实验台架 ( a ) 信息传感系统 ( b ) 智能测试系统 ( c ) 图2 1d c s 一1 冲击动力学综合实验系统构成示意图 2 3 部件设计 2 3 1 实验台架 8 结果显示 ( d ) 6 7 图2 - 2实验台架主体结构图 1 人工壁障支撑架；2 人工壁障：3 弹射橡筋钩架；4 斜面轨道； 5 羁4 性连接条；6 斜面支撵立柱：7 底盘 8 转动轴。 实验台架的主体部分又可分为：底盘、倾角可调的斜面冲击轨道、碰撞壁障、 刚性结构支架、弹射橡筋钩架等组成，如图2 - 2 所示。 本实验系统的主体结构连成一体，以提高整体结构的刚性。斜面轨道与底盘 的骨架均采用8 号槽钢。斜面轨道的一端通过转轴与底盘连接。人工壁障采用 9 浙江大学硕士学位论文冲击动力学综合实验系统的开发与研究 2 0 m m 厚的钢板，其后背支撑架与斜面固连，以保证具足够的刚性。斜面支撑立 柱和刚性连接条采用5 0 5 0 通用角铁。 斜面轨道采用倾角可调节设计，能满足运输包装件冲击试验国家标准所要求 的夹角为1 0 。1 。的要求【2 8 】。必要时，甚至可阻使斜面轨道倾角成0 。以满足 水平冲击试验的要求。支撑立柱和轨道上均设计有若干腰孔，用于斜面倾角的调 节固定。 槽钢凹槽朝向内侧，兼作滑行导向轮轨道。 壁障采用厚实钢板( 厚度2 0 r a m ) 加“加强筋”的一体性结构，并与斜面保 持刚性连接。底盘与地面也采用刚性连接，以最大限度地满足“固定壁障”的要 求。 壁障钢板上开有一组安装孔，可用于不同缓冲垫层的固定，以满足刚度系数 可调、壁障型式可换的要求。在壁障的迎撞面，可置换不同类型的挡板以改变碰 撞工况，如车辆碰撞试验所要求的正面碰撞、斜角碰撞、偏置碰撞等。 2 3 2 实验台车 在台车设计中，充分考虑了其通用性的要求。其结构如图2 3 所示。 1 0 浙江大学硕士学位论文冲击动力学综合实验系统的开发与研究 禽一n nn 0 0 一一。二一0 9 扩 i，r一一 li l000 ，00 00 阿 图2 - 3实验台车结构图 ( a ) 为俯视图、( b ) 为正视图、( c ) 为侧视图。其中。1 台车框架；2 台车底板； 3 滑轮 4 底板上预留的安装孔；5 台车复位牵引吊环；6 助力弹射橡筋钩架；7 滚轮、 导向轮组合钢架；8 导向轮。 组合滚轮由互相垂直的滚轮和导向轮用5 m m 厚钢板支架组合而成，结构如 图2 - 4 所示。 5 图2 - 4 组合滚轮( 滚轮与导向轮组合) 局部图 1 滚轮；2 实验台板i3 组合钢架；4 导向轮；5 斜面轨道。 实验台车的主要特点是：车体刚性好、运行阻力小、直行性好、噪声低、安 装方便等，并具有动力牵引和台车复位牵引等辅助机构。 实验台车首先应满足强度和刚度的要求。实验台车四周采用5 0 5 0 角钢焊 接成一个框架，内置整块性钢板，并相互固连，以满足台车的刚性要求3 0 】。它被 要求可以重复进行合理的碰撞试验( 带有缓冲装置的碰撞试验) 。 浙江大学硕士学位论文冲击动力学综合实验系统的开发与研究 为了尽可能地降低试验过程中台车的运行噪声，选用了尼龙质料的滚轮【3 “。 台车底部安装有4 个尼龙导向轮，可保证实验台车在运行时的保持直线。 本实验系统是实验教学和科学研究等多工况冲击实验平台，因此在结构设计 上考虑了通用性的要求。为便于安装不同的实验对象，在实验台车的钢质底板上 布置有4 排安装孔。其上可以方便地安置各种车载体，如模拟小汽车座椅、各种 运输包装件等。 2 3 3 动力助力系统 为在高速冲击试验时增加冲击能量，设计了一套橡筋助力系统。其结构如图 2 5 所示。 图2 5弹射橡筋助力系统结构示意图 1 固定钩架；2 弹射橡筋；3 与实验台车固连的钩架；4 台车底板。 在实验台车前端和壁障下方各有一个橡筋钩架以安装弹射橡筋。为了能方便 调节弹射力，本系统设有1 1 对弹射橡皮钩孔。可以通过改变助力橡筋数量以调 节冲击速度或冲击能量【1 1 。 当然，还可以通过选择不同弹性系数的橡筋，以调节冲击能量或速度。 2 3 4 复位牵引系统 图2 - 6 给出了每次冲击后台车复位牵引系统的构造。 浙江大学硕士学位论文冲击动力学综台实验系统的开发与研究 7 图2 6 复位牵引系统构造示意图 1 实验台车：2 自动脱扣装置：3 实验台架斜面轨道；4 定滑轮；5 牵引钢丝缆绳；6 牵引电机；7 电气控制台。 自动脱扣装置与牵引电机通过钢缆连接。当台车需上拉复位时，电机低速反 向运转【3 2 】，自动脱扣装置沿斜面下滑并与实验台车对接。然后，电机正转，以一 定的速度将台车拉至预定高度等待释放。 试验者只要在控制台发出冲击指令，脱扣装置将自动释放台车完成一次实验 冲击。 浙江大学硕士学位论文 冲击动力学综合实验系统的开发与研究 2 4 参数调整与控制 1 、斜面倾角调节 斜面轨道倾角的调节采用纵、横腰孔配合调节的工艺结构。在轨道的侧面开 有横向腰孔，而在轨道支撑立柱上开有纵向腰孔。轨道的斜面长度为6 m ，斜面 顶端部高程达1 5 r n 。这样整个斜面可以在o 1 4 。的倾角范围内任意调节，并近 乎连续可调。将斜面倾角调整到1 0 。1 。，即符合国家关于包装运输件的斜面 试验标准中的倾角条件口8 1 ；将斜面倾角调整到0 。，在动力协助系统的作用下， 即可实现水平冲击试验。 2 、碰撞速度控制 不同的实验，都可能要求对碰撞速度进行调节和控制。速度的调节控制可以 按以下先后顺序：首先，采用最为简便的方法，即调整实验台车在斜面轨道上的 初始位置，从而实现实验台车预置势能的调节；其次，可以增加或调整弹射橡皮 的数量，必要时还可改用不同弹性系数的弹射橡皮；最后，还可以调节轨道的倾 角。 3 、刚度系数调整 在实验系统的固定壁障上，预先配置了合理数量的安装孔。可以在固定壁障 的迎撞面，增设不同刚度系数、不同厚度和不同规格的缓冲材料。充分表现出了 本系统参数调整灵活、方便的特点。 2 5 多工况冲击 能实现多工况冲击是d c s l 型冲击动力学综合实验系统的基本要求之一。 本系统在以下两个领域有着良好的适用性。 1 、运输包装件的冲击 随着经济的发展和人们生活水平的不断提高，包装已经成为日常生活、商品 1 4 浙扛大学硕士学位论文 冲击动力学综合实验系统的开发与研究 流通和工业生产中重要的一环。商品包装在运输和装卸过程中，难免会受到不同 方式、不同程度的碰撞或冲击。运输包装质量评定、缓冲防护效果分析等均需要 按相关标准或规范进行冲击模拟试验。在冲击激励下，运输包装件的动力响应特 性研究是包装领域基础性的课题之一。而各种激励下的碰撞试验是获取动力响应 基本而有效的方法。 本文将在后续章节介绍运输包装件碰撞试验装置的原理、特点和结构设计； 描述碰撞激励、碰撞条件和整个碰撞过程；对测试手段和动力响应测试效果也将 进行必要的分析。 2 、模拟车辆的冲击 实车碰撞试验的成本很高。它不仅需要大量的资金，需要很大的场地，而且 其致命弱点在于试验难以重复多次进行，不利于碰撞效应和规律的深化研究。 很多汽车生产厂家还不具备实车碰撞试验条件。国内从1 9 9 2 年开始进行汽 车被动安全性研究工作，仅中国汽车技术研究中心、清华大学汽车研究所、国家 汽车质量监督检验中心( 襄樊、长春) 等少数单位建有滑车模拟碰撞试验台。即使 是国家级的汽车碰撞试验基地或者发达国家的大型汽车集团，也是难得做上几次 实车碰撞试验。 从降低成本、方便研究、改变碰撞工况、可重复性等试验需要出发，采用模 拟试验方法具有重要现实意义。 因此，采用小规模的实验系统，来研究汽车的碰撞、货物的运输和车载体的 动力响应特性等是很有必要的，而且在原理上也是可行的。实验结果所具有的普 遍性、规律性可以用来作为实车分析、设计的依据。 碰撞肇事汽车与迎面汽车或其他障碍物的接触情况千变万化。然其中三种接 触类型具有代表性，即正面、斜角和偏置三种基本的典型碰撞 3 3 1 。图2 7 给出了 汽车行业标准中提供的实车碰撞类型。 浙江大学硕士学位论立冲击动力学综台实验系统的开发与研究 图2 7 碰撞试验中几种标准的碰撞类型 在本文的实验系统中，轨道方向是固定的。只要在壁障迎碰面按试验要求增 设斜置钢板毗调整角度或增设偏置钢板等，即可模拟上述各碰撞工况。 2 6 小结 本章首先阐述了多工况实验台设计的指导思想，并自始至终将系统的通用性 贯彻于具体研制开发的各个环节中。 对系统的实验主台架、实验台车、动力协助系统、台车复位牵引系统等的结 构设计进行了描述和特点分析。 对系统参数( 斜面倾角、碰撞速度和壁障的刚度系数等) 调整的意义和具体 方法作了比较详细的说明。 本章针对该系统在包装工程和车辆工程中的应用作了简要的分析。 浙江大学硕士学位论文冲击动力学综合实验系统的开发与研究 第三章智能化动力学参数测试仪设计 与多工况冲击实验相配套，运用力学、电学、光学和微处理器等多学科技术， 论文期间专门开发了一台“m c v l 型微机速度澳4 试仅”。 3 1m c v - 1 型微机速度测试仪 3 3 1 设计思想 随着电子技术，特别是微电子技术的发展以及电子器件的进步，测试仪的设 计向着数字化、智能化口4 1 、模块化的方向发展。在现代仪器的设计中，越来越提 倡“器件解决”的理念。所谓“器件解决”，是指在电路设计中尽可能地采用有 “特点”的器件，如：专用集成电路、可编程集成电路等。尽量采用高度集成的 芯片去简化电路和电路设计，从而提高仪器的整体电气性能和工艺性、可靠性， 并降低成本t 3 副。 在本仪器的研制过程中，遵循了多功能、智能化、高精度、抗干扰、简单化 的设计原则： 1 、高精度：采用先进的光电技术和微机控制，一致性好、精度高； 2 、抗干扰性好：采用高门槛信号检测电路，可以有效地防止干扰信号的侵 入： 3 、智能化：采用目前流行的m c s 5 l 系列的单片机主芯片，实现程序 控制。其中的速度测量采取了以加速度值进行修正的智能化算法； 4 、多功能：为了适应教学实验发展的需要，尽可能地考虑仪器的通用性， 在满足测量基本参数速度和加速度外，还可以满足测量机械周期性振动或摆动周 期的需求。通过增设接口电路，甚至还可以测量电信号的周期和频率。使本仪器 最大限度地发挥多功能效用，以满足教学实验多样化的特点： 5 、简单化：在满足仪器基本功能要求的同时，必须考虑结构、电路的简单 化。采用集成电路、专用器件就是一种简单化的表现。简单化对于仪器的可靠性、 1 7 浙江盔学硕士学位论文冲击动力学综合实验系统的开发与研究 小型化和成本控制都有很大的帮助【3 7 1 。 3 3 2 仪器特点和功能 “m c v 1 型微机速度测试仪”采用单片微处理器进行程序化控制，是一种 智能化多功能动力学参数测试仪器。它主要用于测试物体运动的速度和加速度， 同时还可用于其他参数，如计时、计数、周期和频率测量等。 本仪器以单片机为中央处理器，具备多组实验的记忆存储功能。实验时，通 过按键选择相应功能和参数设定。由p l l 、p 1 2 、p 2 1 、p 2 2 等四个光电信号输入 端口采集信号，经中央处理器处理，在l e d 数码显示屏上显示测量数据。 图3 一lm c v 一1 型微机速度测试仪面板图 ( a ) 为前面板，( b ) 为后面板。 浙江大学硕士学位论文冲击动力学综合实验系统的开发与研究 本仪器能实现时间和速度、加速度值之间的转换。还具有记忆存储功能，可 存储多组实验数据，使得测试人员可以在较短时间内完成一系列分组实验。 这台仪器具有集成度高、体积小、测量功能强、测量精度高、操作方便快 捷等特点。 仪器箱前后操作面板，如图3 - 1 ( a ) 、( b ) 所示。 前面板上的三个功能按键为： 1 、“f u n c t i o n ”键：用于功能切换选择。同时兼作“取消显示数据复位” 功能键。 若在按“f u n c t i o n ”键前光电门曾被遮过光，则按此键的功能为清0 ， 即功能复位。如果在按“f u n c t i o n ”键前光电门未被遮过光，则转至下一功 能。持续按下此键，可循环选择不同功能，直至所需的功能指示灯亮时，释放此 键即锁定该功能。 2 、“c h a n g e o v e r ”键：用于单位转换和档光片上挡光条间隔的设定。 在计时、加速度、碰撞等功能时，按此键的时间小于1 5 秒时，将在时间和 速度之间转换。大于1 5 秒时，可重新选择您所需要的挡光片宽度( 1 o c m 、2 o c m 、 5 0 c m 、1 0 0 c m 、2 0 0c m ) 。 3 、“d a t a ”键：在计时1 ( t 1 ) 、计时2 ( t 2 ) 、加速度( a ) 、碰撞( c o l ) 、 周期( t m ) 、和重力加速度( g ) 等功能时，仪器可自动保存前几次实验测量值。 按下此“d a t a ”( 取数) 键，可显示存贮值。当显示“e x ”，提示将显示存入 的第“”次实验值。在这个过程中，按下功能键，将会清除已存入的数据。 1 9 坚生壁塑翌主塑堡壅 翌圭垫垄兰堡鱼塞墼墨竺墼堑垄兰堕塞 3 2 硬件系统设计 3 2 1 硬件系统结构 仪器硬件系统以m c s 一5 1 系列的8 0 3 1 作为c p u 芯片。其系统结构框图 示于图3 - 2 。 图3 - 2 硬件结构框图 相对应电路图如图3 3 、3 4 所示。 2 0 浙江大学硕士学位论文冲击动力学综合实验系统的开发与研究 2 l 浙江大学硕士学位论文 冲击动力学综合实验系统的开发与研究 浙江大学硕士学位论文冲击动力学综合实验系统的开发与研究 3 2 2 硬件模块设计 整机硬件系统由电源、光电检测、c p u 、外部r o m 、显示、键控等六个功 能模块组成。 1 、电源 图3 5 中，d 1 表示整流桥堆；u l 为专用的稳压集成块；c i c 4 为电源滤波 电容。 图3 5 电源电路图 设计要点：桥堆前的电压需经过变压器变为约9 v 的低电压。在设计变压时， 要兼顾电源的波动和电路的功耗。二次侧电压过低，将会造成市电下浮后无法稳 压的现象；而过高，则将增加稳压电路的功耗负担。特别是当市电上浮时，容易 烧坏稳压电路【3 钔。 2 ：光电检测电路： 光电检测电路图，如图3 - 6 所示。j 1 、j 2 分别为光电信号输入接口端：u 3 为与或门集成电路【3 9 】；j l 与u 3 、j 2 与u 3 之间的电路为信号接口电路。 设计要点：信号接口电路与外接的光电门组成信号采样触发系统。r 2 、r 4 、 r 6 、r 8 接光电门的发射管。设计时，在电流允许的范围内，可以适当减少阻值， 增加发射管的发射功率以增加信号检测的灵敏度【3 8 】。r 3 、r 5 、r 7 、r 9 接光f g l 7 的接收管。参数设计应保证使接收管处于饱和导通或完全关断两个状态以增强信 号电路的抗干扰能力。 浙江大学硕士学位论文冲击动力学综合实验系统的开发与研究 图3 - 6 光电检测电路图 工作原理：p 3 6 和p 3 7 初始化为0 。当有物体进入时，光电门被挡光，第一 次产生i n t o 或者i n t l ，同时p 3 6 或者p 3 7 置l ，当物体从光电门移出时，第二 次产生i n t o 或者i n t l ，同时清零p 3 6 、p 3 7 。当第二次又有物体进入时，光电 门再一次被挡光，第二次产生i n t o 或者i n t l ，同时p 3 6 或者p 3 7 置1 。在两次 外部中断1 之间完成时间的测量。 3 、外部r o m r r i l li 了 - f h叫 l j ：l 制一卜 降1 “li 一 l柚l也 女日砷 卜 一 l巍l i l j 【ld i 船舶 3m 舢d i 拈 6珊 村钟 b 抽 棚 l l n e h 斗 粕j ! 髻窿 o e 鱼引 l ：i ”了射i l 如5 | l 。陆 降斟醑 秘i 嘟： 皤“ ；l刚 l 囊o j * d q b 警 ；l 静娃i 口l d l 0 i l 瓢 f d ii 越f m l 引 p l 确j | q 3 g f j 嘲i 珥 d 讲 1 n i 涨l 酗 蝣 稿s 【l 置 d 6 聃 f 瑚 l 硝 h 培 盹 辨 甜 蝴j l i 昭 l 皤鞠洲 p l l 篮* l 硅 型 i “建藉船 圈巨 t 中* l 肇 船， 氍敷 i 了；l ；1l【 卜r p r - r r p “l 叶一牛 + 卧r r r广hh 雕y 麟嘲 l1 ll i 上l j 。1 li 一 ff l i ijii ir y - = i 【 醯t 礤p 鞘# l l l件 r i fll h - lfli 1 1广- 蚪阡 l+ 汁 i 图3 7 外部r o m 电路图 浙江大学硕士学位论文 冲击动力学综合实验系统的开发与研究 外部r o m 模块，如图3 7 所示。图中，u 8 为地址锁存器；u 7 为外部 e p r o m 【4 0 。 4 、显示电路 显示电路如图3 - 8 所示。u 1 、u 2 为驱动电路。 图3 - 8 显示电路 显示电路采用6 位l e d 和一组发光二极管，由两片7 4 l s l 6 4 驱动，4 个三 极管控制。显示数据由串口方式0 输出( r x d 为数据，t x d 为脉冲) 。 5 、按键控制 如图3 - 9 所示，键控电路采用了独立式按键，由p 1 3 p 1 7 驱动。 图3 - 9 键控电路 2 j 浙江大学硕士学位论文冲击动力学综合实验系统的开发与研究 3 3 软件系统设计 m c v 一1 型测试仪的速度、加速度测定软件由以下三部分组成： 1 、主程序：负责初始化微处理器、传送显示数据。将显示缓冲区的数据从 串口按方式0 送出至7 4 l s l 6 4 ，再送l e d 及发光二极管显示。 2 、外部中断程序：有外部中断0 和外部中断1 两部分。负责处理由光电门 信号检测电路产生的外部中断。在外部中断中，调用定时器0 实现3 个数据( t l 、 t 2 和t 1 2 ) 的测量。 3 、定时器1 中断程序：每2 m s 产生一次定时器溢出中断，在定时器中断时 判断按键状态，以实现各按键功能【4 0 1 。 一、主程序流程图如图3 1 0 所示： 主程序主要是完成系统初始化及显示缓冲区更新。系统初始化内容包括并 口、定时器、中断、串口等。待显示内容发生变化时，由显示缓冲区更新程序更 新显示缓冲。 图3 1 0 主程序流程图 二、外部中断程序： 外部中断0 程序和外部中断1 程序流程图如图3 1 1 ( a ) 、( b ) 所示。 浙江大学硕士学位论文冲击动力学综合实验系统的开发与研究 图3 - 1 0 ( a ) 外部中断0 程序流程图 图3 一1 1 ( b ) 外部中断i 程序流程图 浙江大学硕士学位论文冲击动力学综合实验系统的开发与研究 三、定时器中断程序如图3 1 2 所示： 图3 1 2 定时器t 1 中断程序流程 塑! 三查学碗主学位论文冲击动力学综合实验系统的开发与研究 定时器t l 每隔2 m s 中断一次，在中断程序中实现按键判断，显示功能。 1 、设立变量s ：s = l ，2 ，3 ，4 ，分别让p 1 6 ，p 1 5 ，p 1 4 ，p 1 3 为0 ，其余口均为1 ，如 s 2 1 时，p l = 0 x b f 。并且判断是否有按键按下，执行相应的按键功能，然后分别送 至显示电路，把所要显示的数据送到显示缓冲区。 2 、各按键功能部分：分别设立变量，如f u n c t i o