具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1至图3所示，根据本发明实施例的冲击试验设备100包括支架和冲击弹头1000，冲击弹头1000设置在支架上。

在一些实施例中，支架包括底座31、工字型钢32、中心支架33和缓冲器34，工字型钢32设置在底座31上，工字型钢32与底座31相连；中心支架33设置在工字型钢32的上方，中心支架33与工字型钢32相连；缓冲器34设置在底座31的长度方向的一侧，缓冲器34与底座31相连，缓冲器34作为吸能装置。

在一些实施例中，冲击试验设备100还包括入射杆1、透射杆2和吸收杆5，冲击弹头1000、入射杆1、透射杆2和吸收杆5沿中心支架33的长度方向依次布置。

在一些实施例中，冲击试验设备100还包括发射系统，发射系统设置在工字型钢32上，发射系统位于中心支架33的长度方向的一端，且邻近入射杆1设置，发射系统包括上述冲击弹头1000。

可选地，发射系统包括发射器61、发射管62和测速仪63，发射器61、发射管62和测速仪63沿中心支架33的长度方向依次排列设置，发射器61包括上述冲击弹头1000。发射器61内部可以充气，打开发射器61的阀门可以让气体从发射管62中喷涌出来，推动冲击弹头1000高速射出。

冲击试验设备100还包括电源，电源为冲击试验设备100提供工作电源。

利用冲击试验设备100进行冲击试验时，试件4放置在入射杆1和透射杆2之间，入射杆1、试样4、透射杆2和吸收杆5在中心支架33的作用下保持在同一水平线上，且可沿中心支架33的长度方向移动。

可选地，入射杆1和透射杆2的长度相同，且入射杆1和透射杆2的长度均大于目标波长，目标波长根据复杂目标波形的目标频率确定。

下面介绍本发明实施例的冲击弹头1000。

如图2至图5所示，根据本发明实施例的冲击弹头1000包括第一弹头段10和第二弹头段20，第二弹头段20和第一弹头段10沿冲击弹头1000的长度方向依次布置，第二弹头段20与第一弹头段10相连，使得第一弹头段10和第二弹头段20沿冲击弹头1000的长度方向串联。

相关技术中，冲击试验设备只能输出简单的波形，无法满足用户对复杂目标波形的需求。

根据本发明实施例的冲击试验设备100，其冲击弹头1000包括串联的第一弹头段10和第二弹头段20，第一弹头段10可以单独激发出第一波形，第二弹头段20可以单独激发出第二波形，其中，第一波形和第二波形可以相同也可以不同。例如，如图4和图5所示，第一弹头段10和第二弹头段10相同，此时第一波形和第二波形相同，而当第一弹头段和第二弹头段不同（形状或弹性模量）时，第一波形和第二波形则可以不同。如图2和图3所示，第一弹头段10和第二弹头段20串联后组成的冲击弹头1000，可以激发出图3所示的复杂波形，该复杂波形大体由第一波形和第二波形组成，，该复杂波形即为用户所需的复杂目标波形。

因此，根据本发明实施例的冲击试验设备具有可以满足用户需求等优点。

在一些实施例中，第二弹头段的形状和/或弹性模量与第一弹头段不同。

第二弹头段的形状和/或弹性模量与第一弹头段不同是指：第二弹头段与第一弹头段的形状不同；或者，第二弹头段与第一弹头段的尺寸不同；或者，第二弹头段与第一弹头段的形状和弹性模量均不同。

第二弹头段的形状和/或弹性模量与第一弹头段不同，从而，利用第一弹头段激发出的第一波形和利用第二弹头段激发出的第二波形可以不同。由此，包括第一弹头段和第二弹头段的冲击弹头可以激发出前后波形（第一波形和第二波形）不同的复杂目标波形，更好的满足用户对复杂目标波形的需求。

在一些实施例中，第一弹头段为圆柱形、纺锤形和棱锥形中的至少一者。

例如，如图3至图15所示，其中图中的箭头为冲击弹头的撞击方向，不同形状的第一冲击弹头段可以激发出不同形状的波形。

由此，利用圆柱形、纺锤形和棱锥形的第一弹头段可以激发出不同的简单波形，从而利用具有第一弹头段的冲击弹头可以激发出不同的复杂目标波形，进而可以更好的满足用户对不同复杂目标波形的需求。

在一些实施例中，第二弹头段为圆柱形、纺锤形和棱锥形中的至少一者。

由此，利用圆柱形、纺锤形和棱锥形的第二弹头段可以激发出不同的简单波形，从而利用具有第二弹头段的冲击弹头可以激发出不同的复杂目标波形，进而可以更好的满足用户对不同复杂目标波形的需求。

在一些实施例中，进一步包括连接件，第二弹头段与第一弹头段通过粘接相连。

例如，第二弹头段20和第一弹头段10通过环氧树脂胶相连。

环氧树脂胶的弹性模量远小于第一弹头段和第二弹头段中的每一者的弹性模量，利用第一弹头段激发出的第一波形和利用第二弹头段激发出的第二波形的强度远大于利用环氧树脂胶激发出的波形强度，从而冲击弹头激发出的波形主要由第一波形和第二波形组成，该波形更接近甚至等于复杂目标波形，有利于提高冲击试验精度。

在一些实施例中，第一弹头段和所述第二弹头段中的每一者采用POM材质制成。

例如，采用形状为纺锤形，长度为30cm、50cm、80cm三种第一弹头段长度，初始撞击端直径为中点直径的20%，以保证应变上升段近似直线的纺锤形，可以实现中应变率脉冲波形，如表1所示。

表1 低速撞击条件下的动力学特征参量表

同样的，此时由于POM材质较低的密度，使得单脉冲应变幅值低于合金钢或合金铝材质的金属第一弹头段，因此可提高第一弹头段初速度，在低应变率水平下实现高幅值脉冲，以保证某些动态强度偏大的材料发生冲击破坏，表2为提高一倍冲击速度后的动力学特征参量表。

表2 中速撞击条件下的动力学特征参量表

实际使用时，根据用户需求的冲击应变率，以及冲击幅值，可以根据以上表格线性内插获得所需采用的POM纺锤形第一弹头段的长度、冲击速度；亦可通过上表获知待测第一弹头段可以激发的单脉冲平均持时、在某种初速度下的应变幅值以及相应的应变率。

由此，第一弹头段和所述第二弹头段中的每一者采用POM材质制成，使得冲击试验设备可以输出中应变率的应力波，即10^-2-10¹/s范围的应力波，从而可以测试试件在不同的中应变率水平的其动力学响应与动力学参数。

可选地，冲击试验设备整体做加长处理。

具体地，冲击试验设备的支架长度大于冲击试验设备的理论长度，以满足吸能装置和发射系统的安装。其中，冲击试验设备的理论长度为目标波长的两倍和预设附加设备长度的和。

在一些实施例中，冲击弹头的设计参数采用以下方法获得：

根据用户提供的目标复杂波形的目标波形函数获得第一目标波形函数和第二目标波形函数，第一目标波形函数和第二目标波形函数组成目标波形函数；

根据第一目标波形函数获得第一弹头段的设计参数，根据第二目标波形函数获得第二弹头段的设计参数。

换言之，第一弹头段和第二弹头段均根据用户提供的目标复杂波形的目标波形函数获得。

相关技术中冲击试验设备的冲击弹头形状单一，只能输出特性形状的波形，无法满足用户对不同波形的需求。

本发明实施例的冲击试验设备，通过控制第一弹头段和第二弹头段的设计参数可以控制冲击试验设备输出的波形，从而使得冲击试验设备可以更好的满足用户对不同复杂目标波形的需求。

在一些实施例中，第一弹头段和第二弹头段中的每一者为目标弹头段，第一目标波形函数和第二目标波形函数中的每一者为预设目标波形函数，目标弹头段的设计参数采用以下方法获得：

将目标弹头段沿其长度方向进行物理上的离散化，离散为N个颗粒，任一t时刻、第i个颗粒满足第一公式，任一时刻、第i个颗粒满足第二公式、第三公式和第四公式；

第一公式为：

；

第二公式为：

；

第三公式为：

；

第四公式为：

；

其中N为大于等于2的整数，i为1到N中的任一者，t为预设计算时间，为时步长，为第i个颗粒的位移增量，为第i个颗粒的刚度系数，为第i个颗粒的质量，为第i个颗粒的加速度增量，为第i个颗粒的速度，为第i个颗粒的加速度，为第i个颗粒的位移；

利用迭代算法获得目标弹头段的离散形式的计算目标波形函数，当离散形式的计算目标波形函数与预设目标波形函数的差值小于等于预设值时，离散形式的计算目标波形函数所对应的设计参数为目标弹头段的设计参数。

离散形式的计算目标波形函数是指：计算目标波形函数以离散点的形式表达，具体以多个离散点在不同时刻的位移和内应力的形式表达。例如，第i个颗粒在初始时刻具有对应的位移和内应力，第i个颗粒在t时刻具有对应的位移和内应力。

为了实现冲击试验设备的波形可控，理论上可以归纳为：逆向求解一维波动方程的边值问题。具体来说，第五公式中给定预设目标波形函数（即目标弹头段内部任意时刻t、任意位置x下的预设目标波形函数），逆向求解目标弹头段设计过程所涉及的关键设计参数，包括体型函数A(x)、密度函数ρ(x)，以及隐含在中的弹性模量函数E(x)。

其中，第五公式为：。

实际上，不论正向或逆向求解第五公式，其计算量是巨大的，且没有定解。常规服务器计算节点无法承受如此巨大的计算量。因此，仅仅将第五公式在数学上进行离散化无法降低其计算成本。

本发明实施例中，将一维波动方程背后所代表的“连续介质动力学问题”进行物理上的离散化，可以大大降低计算成本。具体地，将目标弹头段看作一串以弹簧链接的质点小球，以颗粒自身的大小、密度以及颗粒之间的接触本构关系式来对应目标弹头段的体型函数A(x)、密度函数ρ(x)以及弹性模量分布函数E(x)。由于颗粒离散元基于牛顿第二定律控制每个颗粒的位移函数u(x,t)，因此，该数值方法天然内含了动力学中关键的惯性效应。

本发明实施例中以物理上的离散化形式间接求解第五公式，此方法由于其将连续、耦合的二阶偏微分方程转化为离散、解耦、可并行求解的常微分方程，因此在同等精度条件下，计算效率大幅提升，为逆向求解第五公式提供了一种实用的、试算方式的解决方案。具体地：

例如，第一弹头段为目标弹头段，第一目标波形函数为预设目标波形函数，目标弹头段的设计参数采用以下方法获得：

将目标弹头段沿其长度方向（X方向）进行物理上的离散化，离散为N个颗粒，任一t时刻、第i个颗粒满足第一公式，任一时刻、第i个颗粒满足第二公式、第三公式和第四公式。

对于第i个颗粒，和可以通过以下方式获得：根据预设目标波形函数给出初始试算函数、和，根据和获得，根据和获得。

具体地：；

。

其中，为目标弹头段的初始试算体形函数，为目标弹头段的初始试算密度函数，为目标弹头段的初始试算弹性模量函数。

、和采用以下方式获得：

定义归一化试算函数、、与归一化波形函数呈正比例关系，同时体型函数后缀常数C与起点跃升比例呈正比例关系，即得：

。

其中，；

；

；

。

在初始时刻，即t等于零时刻：

对于第i个颗粒，和由上述公式计算获得，、和为用户给定的，将、、、和代入第一公式，可以得到。

对于第二公式，可以通过计算获得，和为用户给定的，将、和代入公式二，可以得到；

对于第三公式，可以通过计算获得，为用户给定的，由公式二计算获得，将、和代入公式三，可以得到；

对于第四公式，可以通过计算获得，由公式三计算获得，为用户给定的，由公式一计算获得，将、、和代入公式四，可以得到。

其中，；

V为目标弹头段的初速度，N为颗粒数，L为目标弹头段的长度，V、N和L均为用户给定的。

在下一时刻，即在时刻：

对于第一公式，将初始时刻的第四公式获得的新的位移增量（更新的第i个颗粒的位移增量）代入第一公式，获得新的加速增量（更新第i个颗粒的加速增量）。

对于第二公式，由初始时刻的第四公式计算获得，由计算获得，将、和代入第二公式获得；

其中由和相加得到；

对于第三公式，由上述第四公式计算获得，由初始时刻的第三公式计算获得，将、和代入第三公式获得；

对于第四公式，由上述第二公式计算获得，由计算获得，由上述第一公式获得（更新第i个颗粒的加速增量），将、、和代入第四公式获得。

依次对上述第一公式至第五公式进行迭代计算，最后由迭代计算结果获得，即为离散形式的计算目标波形函数。

具体的迭代计算次数由以下公式计算获得：。

若与的差值小于等于预设值，则、和即为目标弹头段的设计参数，即为、为、为；若与的差值大于预设值，则重新定义目标弹头段的初始试算体形函数为、初始试算密度函数为以及初始试算弹性模量函数为，直至重新获得的与的差值小于等于预设值，此时，、和即为目标弹头段的设计参数，即为、为、为。

通过上述方法得到第一弹头段和第二弹头段的设计参数后，即可根据第一弹头段和第二弹头段的设计参数加工出冲击弹头，进而具有该冲击弹头的冲击试验设备可以输出用户所需的复杂目标波形。

根据本发明实施例的冲击试验设备具有以下优点：

（1）可以实现中应变率（10^-2-10¹/s）应力波的激发过程。相关技术中的冲击试验设备的应变率激发范围在（10^-1-10³/s）。而岩土工程、采矿工程、石油工程、水利工程等绝大多数动力灾害情境所需求的应力波，其应变率范围符合本发明所形成的激发范围。本发明实施例的冲击试验设备能够真正科学地、准确地模拟岩土动力灾害过程，为各类天然与人为地质灾害的防灾减灾、防控预测提供基础的科学试验设备保障。

（2）可以实现中应变率应力波的可控波形激发过程。根据本发明实施例的冲击弹头的设计参数的获得方法，得到的冲击弹头能够激发出用户需求的复杂目标波形。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征 “上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。