一種力電耦合動態斷裂實驗系統的製作方法
2023-07-08 16:33:36
專利名稱：一種力電耦合動態斷裂實驗系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於力學結構形變及力學實驗技術領域，尤其涉及一種力電耦合動態斷裂實驗系統。
背景技術：
壓電材料、鐵電材料具有特殊的壓電和介電性質，在現代科學技術中得到廣泛應用，從電力電子、航空航天、核能工程，到機器人智能系統、信息存儲系統和智能傳感系統等各領域都起到重要作用。一方面，壓鐵電材料在服役過程中往往受到動態機械載荷和動態脈衝電載荷作用，在動態機械荷載方面典型的如美俄核武器、高功率微波武器和常規武器戰鬥部觸發引信，利用炸藥爆炸等方式產生衝擊波，壓電鐵電陶瓷將去極化，釋放電荷，在微秒或亞微秒時間內提供大電流或大電壓輸出；在動態脈衝電載荷方面典型的如鐵電陰極材料在反向極化方向外加電場脈衝作用下，處於陶瓷-真空界面的大量自由電子發射， 使得螢光粉發光，可用於加速器、平板顯示、微波源等領域。由於在製備過程中不可避免的存在一些裂紋，在使用過程中由於動態加載，壓電鐵電器件容易發生失效，開展相關研究有著巨大的工程需求。另一方面，力電耦合動態斷裂屬於典型的動態、多場耦合物理力學問題，國內外只進行壓電、鐵電動態斷裂的理論研究，還沒有實驗研究結果報導，開展相關研究有著重要的科學意義。因此，急需研製力電耦合動態斷裂試驗系統，發展力電耦合動態加載的能力，模擬工程中的實際工況，解決工程問題；同時發現新的動態多場耦合物理現象，滿足多場、動態等複雜科學問題的研究需求。
發明內容
本發明的目的在於，提供一種力電耦合動態斷裂實驗系統，用於搭建動態多場耦合實驗平臺，以實現壓電鐵電材料在動態力電耦合載荷場下的斷裂特性的實驗研究。為實現上述目的，本發明提供的技術方案是，一種力電耦合動態斷裂實驗系統，通過對由壓電鐵電材料製成的實驗試件施加動態機械載荷和/或動態脈衝電載荷，並採集施加載荷條件下實驗試件的相關數據，獲得壓電鐵電材料在動態力電耦合載荷場下的斷裂特性，其特徵是所述系統包括動態機械載荷加載單元、動態脈衝電載荷加載單元、絕緣支撐保護單元、動態控制單元、數據採集單元和數據處理單元；所述動態機械載荷加載單元，用於向實驗試件施加動態機械載荷；所述動態脈衝電載荷加載單元，用於向實驗試件施加動態脈衝電載荷；所述絕緣支撐保護單元，用於為實驗試件提供絕緣和支撐保護。所述動態控制單元分別與動態機械載荷加載單元、動態脈衝電載荷加載單元和數據採集單元相連，用於在動態機械載荷加載單元向實驗試件施加動態機械載荷或動態脈衝電載荷加載單元向實驗試件施加動態脈衝電載荷時，設定採樣初始時間和採樣頻率，並控制數據採集單元從採樣初始時間開始，按照採樣頻率採集實驗試件在動態力電耦合載荷場下的數據；
所述數據採集單元與數據處理單元相連，用於採集實驗試件在動態力電耦合載荷場下的數據，並將採集的數據發送至數據處理單元；所述數據處理單元用於根據採集的數據進行計算分析，進而獲得壓電鐵電材料在動態力電耦合載荷場下的斷裂特性。所述數據採集單元包括動態機械加載應力測量單元、動態脈衝電場測量單元、裂尖應力信息光測單元和裂紋擴展測量單元；動態機械加載應力測量單元、動態脈衝電場測量單元、裂尖應力信息光測單元和裂紋擴展測量單元分別與動態控制單元和數據處理單元相連；所述動態機械加載應力測量單元用於測量動態機械載荷信息；所述動態脈衝電場測量單元用於測量動態脈衝電載荷信息；
所述裂尖應力信息光測單元用於測量動態荷載作用下裂尖信息場信息；所述裂紋擴展測量單元用於測量裂紋擴展全過程的圖像信息。所述絕緣支撐保護單元包括安全保護裝置、液體絕緣材料、絕緣支座、絕緣加載頭、和支撐架。本發明提供的力電耦合動態斷裂實驗系統能夠得到精確的測量信號，從而為壓電、鐵電的動態斷裂性能測試提供有力的保障；同時，該系統還能夠有效地保護實驗過程中實驗人員的安全以及實驗裝置的安全。
圖I是本發明提供的力電耦合動態斷裂實驗系統結構示意圖；圖2是實施例提供的絕緣支撐保護單元結構圖；圖3是機械動態加載示意圖； 圖4是電脈衝電路圖；圖5是動態控制設備結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖，對優選實施例作詳細說明。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發明的範圍及其應用。圖I是本發明提供的力電耦合動態斷裂實驗系統結構示意圖。圖I中，本發明提供的力電稱合動態斷裂實驗系統包括動態機械載荷加載單元101、動態脈衝電載荷加載單元102、絕緣支撐保護單元200、動態控制單元300、數據採集單元400和數據處理單元500。動態機械載荷加載單元101與絕緣支撐保護單元200相連,用於通過絕緣支撐保護單元200將動態機械載荷施加給實驗試件600。絕緣支撐保護單元200與實驗試件相連600,用於將動態機械載荷加載單元101施加的動態機械載荷傳遞給實驗試件600並用於為實驗試件600提供絕緣和緩衝保護。動態脈衝電載荷加載單元102與實驗試件600相連，用於向實驗試件600施加動態脈衝電載荷。動態控制單元300分別與動態機械載荷加載單元101、動態脈衝電載荷加載單元102和數據採集單元400相連,用於在動態機械載荷加載單元向實驗試件施加動態機械載荷或者動態脈衝電載荷加載單元102向實驗試件600施加動態脈衝電載荷時,設定採樣初始時間和採樣頻率，並控制數據採集單元從採樣初始時間開始，按照採樣頻率採集實驗試件在動態力電耦合載荷場下的數據。數據採集單元400與數據處理單元500相連，用於採集實驗試件600在動態力電耦合載荷場下的數據，並將採集的數據發送至數據處理單元500。數據處理單元500用於根據採集的數據進行計算分析，進而獲得壓電鐵電材料在動態力電耦合載荷場下的斷裂特性。數據採集單元400包括動態機械加載應力測量單元401、動態脈衝電場測量單元402、裂尖應力信息光測單元403和裂紋擴展測量單元404。動態機械加載應力測量單元401、動態脈衝電場測量單元402、裂尖應力信息光測單元403和裂紋擴展測量單元404分別與動態控制單元300和數據處理單元500相連。動態機械加載應力測量單元401用於測量動態機械載荷信息，動態脈衝電場測量 單元402用於測量動態脈衝電載荷信息，裂尖應力信息光測單元403用於測量動態荷載作用下裂尖信息場信息，裂紋擴展測量單元404用於測量裂紋擴展全過程的圖像信息。圖2是實施例提供的絕緣支撐保護單元結構圖。對於絕緣支撐保護單元200，本實施例給出的結構如圖2所示,其中絕緣支撐保護單元200包括安全保護裝置201、液體絕緣材料202、第一絕緣支座203、第一絕緣加載頭204、第二絕緣支座205、第二絕緣加載頭206、第三絕緣支座207、第三絕緣加載頭208和支撐架209。安全保護裝置201中注入液體絕緣材料202，且實驗試件600浸泡到液體絕緣材料202中。液體絕緣材料202可以採用矽油。安全保護裝置201的一側開I個孔，用於插入第一絕緣支座203 ;同時，安全保護裝置201的另一側開2個孔，分別用於插入第二絕緣支座205和第三絕緣支座207。安全保護裝置201的頂部開I個孔，用於插入連接動態脈衝電載荷加載單元102和實驗試件600 —極的導線；安全保護裝置的底部開I個孔，用於插入連接實驗試件600另一極的地線210。安全保護裝置201兩側的開孔、頂部的開孔以及底部的開孔密封。第一絕緣支座203的一端固定安裝第一絕緣加載頭204，第一絕緣支座203的另一端與動態機械載荷加載單元101相連。第二絕緣支座205的一端和第三絕緣支座207的一端分別固定安裝第二絕緣加載頭206和第三絕緣加載頭208，第二絕緣支座205的另一端和第三絕緣支座207的另一端同時與支撐架209相連。第一絕緣加載頭203與實驗試件600的一側接觸，第二絕緣加載頭205和第三絕緣加載頭207分別與實驗試件600的另一側接觸。動態控制單元300可以安裝在第一絕緣支座203上。動態機械加載應力測量單元401分別安裝在第二絕緣支座205和第三絕緣支座207上；動態脈衝電場測量單元402與地線相連。裂尖應力信息光測單元403和裂紋擴展測量單元404分別採用高速攝像機，安裝在便於觀察實驗試件的地方。使用本發明提供的力電耦合動態斷裂實驗系統進行實驗試件斷裂特性研究具體是，動態機械載荷加載單元101通過落錘、霍普金森杆等設備將衝擊力傳動給實驗試件，並在加載機械載荷時觸發動態控制單元300,自動控制數據採集單元400,完成對實驗試件的三點彎、四點彎等斷裂實驗，並根據實驗需求給實驗試件加載穩恆電場，實現電場作用下動態機械加載斷裂實驗。動態脈衝電載荷加載單元102通過高壓脈衝加載到實驗試件上，並在加載時觸發動態控制單元300,自動控制數據採集單元400,完成對實驗試件的三點彎、四點彎等斷裂實驗，並根據實驗需求給試件加載穩恆力場，實現力場作用下動態脈衝電加載斷裂實驗。動態機械加載應力測量單元401具體用於測量動態機械加載全過程中的加載應力峰值、加載速率和脈寬。動態脈衝電場測量單元402具體用於測量動態脈衝電加載全過程中的加載電場峰值、脈寬和頻率。裂尖應力信息光測單元403利用高速攝像機、焦散線等光學測試方法記錄動態荷載作用下裂尖信息場。裂紋擴展測量單元404利用高速攝像機記錄裂紋擴展全過程圖像。數據處理單元500根據數據採集的信息進行計算分析，得出不同力電動態加載速率、脈寬、峰值條件下，壓電鐵電材料的動態斷裂韌性、裂紋擴展規律等。
選用國內某壓電陶瓷PZT進行動態斷裂實驗，將PZT加工成三點彎試件601，試件尺寸參照「ASTM C 1421-Olb室溫下高級陶瓷斷裂韌性測定的標準試驗方法」和「GB23806-2009-T精細陶瓷斷裂韌性試驗方法的單邊預裂紋梁(SEPB)法」，並根據實驗要求鍍上電極，進行極化，預製裂紋，焦散線反射裂紋鍍膜。完成一系列準備工作後，將實驗試件600浸泡在液體絕緣材料202 (如矽油)中，放置於絕緣支座204、206和208上。分別進行穩恆電場下機械動態荷載和穩恆力場下脈衝電荷載實驗。其中，穩恆電場下機械動態荷載的穩恆電場由高壓電源提供，本實驗中選用60kV高壓直流電源，機械動態載荷由改裝落錘試驗機提供；穩恆力場下脈衝電載荷的穩恆力場由改裝後落錘試驗機提供，脈衝電壓由高壓脈衝電源提供，本實驗選用幅度、頻率及脈寬可遠程控制的脈衝電壓。參照圖2，在動態機械載荷和動態脈衝電載荷加載時，觸發動態控制單元300，通過該動態控制單元啟動採集數據工作，包括動態機械加載應力測量單元401,動態脈衝電場測量單元402，裂尖應力信息光測單元403和裂紋擴展測量單元404。本實驗中，選用動態應變儀記錄動態機械加載全過程加載應力峰值、加載速率，選用脈衝電壓測量設備用於記錄動態脈衝電加載全過程加載電場峰值、脈寬、頻率等；選用高速攝像機、焦散線等觀測儀器記錄動態荷載作用下裂尖信息場；設備利用高速攝像機記錄裂紋擴展全過程圖像，測量裂紋擴展速度和路徑。本實驗經過多次嘗試，採樣初始時間延時40 μ s和採樣頻率間隔IOus0根據數據採集設備的信息進行計算分析，得到不同力電動態加載速率、脈寬、峰值條件下，PZT材料的動態斷裂韌性、裂紋擴展規律等。圖3是機械動態加載示意圖。圖3給出了通過動態機械載荷加載單元向實驗試件施加動態機械載荷的實例。圖3中，落錘動態斷裂加載設備採用半自動氣動夾緊裝置，可自動控制落錘的升降；電磁鐵自動捕捉，防止實驗試件被二次衝擊；設備配有緩衝裝置以防止損壞落錘衝擊表面；試驗結束後，衝擊破損質量及相應數據可由計算機自動計算並顯示。圖4是電脈衝電路圖。圖4給出了通過動態脈衝電載荷加載單元向實驗試件施加動態脈衝電載荷的實例。動態脈衝電載荷加載單元採用如圖4所示的電脈衝電路，基高壓脈衝電源工作過程如下交流220V電源供給調壓器，經調壓器調壓後供給直流高壓電源，直流高壓電源給儲能電容器充電，儲能電容器上的電壓值由調壓器控制。觸發高壓IGBT開關導通，在高壓脈衝變壓器初級產生方波脈衝，經過高壓脈衝變壓器升壓後加在負載上，同時供給高壓分壓器。最終輸出脈衝的幅度由調壓器控制，脈衝寬度由高壓IGBT開關的導通時間控制。圖5是動態控制設備結構示意圖。圖5給出了通過動態控制單元進行控制採樣的實例。圖5中，動態控制設備(相當於動態控制單元)用於協同動態加載設備(相當於動態機械載荷加載單元和/或動態脈衝電載荷加載單元)和數據採集設備(相當於數據採集單元)，當動態加載發生後，通過該設備控制數據採集設備的採樣初始時間和採樣頻率。本發明提供的力電耦合動態斷裂實驗系統具有如下技術效果I)功能拓展。傳統的動態斷裂實驗裝置只能進行單一的動態機械加載，不能進行力電耦合動態加載，本發明瞄準工程應用和科學研究的實際需求，首次實現了力電多場動態加載。2)測量精確。本發明大量採用精確測量設備和控制設備，如動態加載應力測量儀、脈衝電源測量儀、光學測量系統，能夠得到精確的測量信號，從而為壓電、鐵電的動態斷裂 性能測試提供了有力的保障。3)控制準確。動態斷裂實驗由於其發生時間極短，常出現無法捕捉斷裂全過程全場的問題，本發明通過控制設備，協同加載設備和數據採集設備之間的工作關係，從而有效的解決了這一問題。4)安全保證。高壓實驗過程中絕緣、電弧放電和電擊穿等問題，如何有效的保護實驗過程實驗人員的安全以及實驗裝置的安全是重中之重。本發明專門設置絕緣安全保護設備，提高了實驗的安全性，確保了實驗人員、設備的安全。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。
權利要求
1.一種力電耦合動態斷裂實驗系統，通過對由壓電鐵電材料製成的實驗試件施加動態機械載荷和/或動態脈衝電載荷，並採集施加載荷條件下實驗試件的相關數據，獲得壓電鐵電材料在動態力電耦合載荷場下的斷裂特性，其特徵是所述系統包括動態機械載荷加載單元、動態脈衝電載荷加載單元、絕緣支撐保護單元、動態控制單元、數據採集單元和數據處理單元； 所述動態機械載荷加載單元，用於向實驗試件施加動態機械載荷； 所述動態脈衝電載荷加載單元，用於向實驗試件施加動態脈衝電載荷； 所述絕緣支撐保護單元，用於為實驗試件提供絕緣和支撐保護。
2.根據權利要求I所述的力電耦合動態斷裂實驗系統，其特徵是所述動態控制單元分別與動態機械載荷加載單元、動態脈衝電載荷加載單元和數據採集單元相連，用於在動態機械載荷加載單元向實驗試件施加動態機械載荷或動態脈衝電載荷加載單元向實驗試件施加動態脈衝電載荷時，設定採樣初始時間和採樣頻率，並控制數據採集單元從採樣初始時間開始，按照採樣頻率採集實驗試件在動態力電耦合載荷場下的數據； 所述數據採集單元與數據處理單元相連，用於採集實驗試件在動態力電耦合載荷場下的數據，並將採集的數據發送至數據處理單元； 所述數據處理單元用於根據採集的數據進行計算分析，進而獲得壓電鐵電材料在動態力電耦合載荷場下的斷裂特性。
3.根據權利要求2所述的力電耦合動態斷裂實驗系統，其特徵是所述數據採集單元包括動態機械加載應力測量單元、動態脈衝電場測量單元、裂尖應力信息光測單元和裂紋擴展測量單元；動態機械加載應力測量單元、動態脈衝電場測量單元、裂尖應力信息光測單元和裂紋擴展測量單元分別與動態控制單元和數據處理單元相連； 所述動態機械加載應力測量單元用於測量動態機械載荷信息； 所述動態脈衝電場測量單元用於測量動態脈衝電載荷信息； 所述裂尖應力信息光測單元用於測量動態荷載作用下裂尖信息場信息； 所述裂紋擴展測量單元用於測量裂紋擴展全過程的圖像信息。
4.根據權利要求3所述的力電耦合動態斷裂實驗系統，其特徵是所述絕緣支撐保護單元包括安全保護裝置、液體絕緣材料、絕緣支座、絕緣加載頭、和支撐架。
全文摘要
本發明公開了力學結構形變及力學實驗技術領域中的一種力電耦合動態斷裂實驗系統，用於實現壓電鐵電材料在動態力電耦合載荷場下的斷裂特性的實驗研究。該系統包括動態機械載荷加載單元、動態脈衝電載荷加載單元、絕緣支撐保護單元、動態控制單元、數據採集單元和數據處理單元；動態機械載荷加載單元與絕緣支撐保護單元相連，絕緣支撐保護單元與實驗試件相連，動態脈衝電載荷加載單元與實驗試件相連，動態控制單元分別與動態機械載荷加載單元、動態脈衝電載荷加載單元和數據採集單元相連，數據採集單元與數據處理單元相連。本發明為壓電、鐵電的動態斷裂性能測試提供了有力的保障。
文檔編號G01N3/00GK102706726SQ20121012352
公開日2012年10月3日 申請日期2012年4月24日 優先權日2012年4月24日
發明者方岱寧, 李應衛, 李法新, 裴永茂, 陳浩森 申請人:清華大學