本實(shí)用新型屬于測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，涉及材料動(dòng)態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，特別涉及霍普金森壓桿試驗(yàn)壓縮應(yīng)變控制技術(shù)。

背景技術(shù)：

在許多情況下，材料及其結(jié)構(gòu)部件在應(yīng)用過程中所承受的載荷為沖擊加載，而大多數(shù)材料在沖擊載荷下的力學(xué)性能與準(zhǔn)靜態(tài)下的有明顯不同，材料在沖擊加載下的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性是材料應(yīng)用的重要力學(xué)性能參量，開展材料沖擊載荷下力學(xué)性能的測(cè)試與分析對(duì)材料研制和部件的設(shè)計(jì)具有重要的意義。

一維霍普金森桿試驗(yàn)裝置是目前開展材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試與表征的主要試驗(yàn)手段，典型的一維霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置示意圖如圖1。在常規(guī)的霍普金森壓桿試驗(yàn)中，由發(fā)射裝置1發(fā)射打擊桿2打擊入射桿3，在入射桿3中形成壓縮入射應(yīng)力波脈沖，脈沖傳播至入射桿的加載端對(duì)試樣4進(jìn)行壓縮并在透射桿5中產(chǎn)生壓縮透射應(yīng)力波，同時(shí)在入射桿3加載端將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向的拉伸應(yīng)力波脈沖。當(dāng)反射波到達(dá)入射桿3的打擊端(自由端)，再次反射成為二次壓縮波，會(huì)對(duì)試樣進(jìn)行二次壓縮加載，并以此形式循環(huán)。由于加載脈沖時(shí)長(zhǎng)很短，通常為幾十微秒到幾百微秒，整個(gè)沖擊壓縮過程即為壓縮入射波脈沖對(duì)試樣的加載歷程，壓縮瞬間完成。因此，對(duì)于傳統(tǒng)的一維霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置，在試驗(yàn)中無法對(duì)試樣的壓縮應(yīng)變量進(jìn)行準(zhǔn)確控制。

在材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究中，利用霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置進(jìn)行試樣的沖擊壓縮試驗(yàn)時(shí)，得到的試驗(yàn)結(jié)果是整個(gè)加載脈沖作用下的試驗(yàn)結(jié)果，而試驗(yàn)后的試樣損傷狀態(tài)是被多次加載之后的狀態(tài)，對(duì)于破壞應(yīng)變量較小的材料，試驗(yàn)后的試樣通常為破碎狀態(tài)。根據(jù)材料使用工況的要求，有時(shí)需要在試驗(yàn)中對(duì)試樣壓縮應(yīng)變量進(jìn)行設(shè)定和控制，來研究材料在特定應(yīng)變量下的力學(xué)性能和材料破壞形貌分析。因此，需要在傳統(tǒng)的霍普金森壓桿試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)有效地壓縮應(yīng)變控制。

目前，未見關(guān)于霍普金森壓桿壓縮應(yīng)變量控制試驗(yàn)技術(shù)的報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種霍普金森壓桿壓縮應(yīng)變控制的試驗(yàn)裝置，有效地實(shí)現(xiàn)霍普金森壓桿試驗(yàn)對(duì)試樣壓縮應(yīng)變量的準(zhǔn)確控制。

本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，基于一維霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置，引入套裝在入射桿3和透射桿5加載端之間的試樣4外周的應(yīng)變控制裝置，由承載環(huán)8承受試樣達(dá)到預(yù)期應(yīng)變后的加載波脈沖對(duì)試樣4的沖擊載荷，有效地限制后續(xù)加載脈沖對(duì)試樣的持續(xù)壓縮加載，實(shí)現(xiàn)壓縮應(yīng)變的準(zhǔn)確控制。

本實(shí)用新型涉及的霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置，包括發(fā)射裝置1、打擊桿2、入射桿3、透射桿5、吸收桿6和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，其特征在于：在入射桿3和透射桿5之間設(shè)置由承載環(huán)8和固定套筒7組成的應(yīng)變控制結(jié)構(gòu)；承載環(huán)8與入射桿3和透射桿5外徑相同，固定套筒7與承載環(huán)8、入射桿3和透射桿5均為間隙配合；承載環(huán)8套裝在固定套筒7內(nèi)部中心位置，固定套筒7的兩端分別與入射桿3和透射桿5的加載端套裝，組裝后的結(jié)構(gòu)如圖2所示；承載環(huán)8用材料的強(qiáng)度和彈性模量不小于加載桿用材料的強(qiáng)度和彈性模量；承載環(huán)8的結(jié)構(gòu)參數(shù)：

l₁＝l₀(1-ε_L) (1)

d₁>d₀(1+μ·ε_L) (2)

其中：

l₁為承載環(huán)的長(zhǎng)度；

l₀為試樣的初始長(zhǎng)度；

ε_L為試樣的預(yù)期應(yīng)變量；

d₁為承載環(huán)的內(nèi)徑；；

d₀為試樣的初始直徑；

μ為試樣材料的泊松比。

本實(shí)用新型涉及的霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置，包括發(fā)射裝置1、打擊桿2、入射桿3、透射桿5、吸收桿6和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，其特征在于：固定套筒7的與承載環(huán)8的長(zhǎng)度差不小于20mm。

本實(shí)用新型涉及的霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置，包括發(fā)射裝置1、打擊桿2、入射桿3、透射桿5、吸收桿6和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，其特征在于：固定套筒7與承載環(huán)8、入射桿3、透射桿5的配合間隙0.1mm～0.2mm，彼此獨(dú)立。

本實(shí)用新型涉及的霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置，包括發(fā)射裝置、打擊桿2、入射桿3、透射桿5、吸收桿6和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，其特征在于：承載環(huán)8的環(huán)形截面面積不低于加載桿的截面面積的1/2。

本實(shí)用新型涉及的霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置，包括發(fā)射裝置、打擊桿2、入射桿3、透射桿5、吸收桿6和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，其特征在于：承載環(huán)8與試樣同心。

本實(shí)用新型涉及的霍普金森壓桿壓縮應(yīng)變控制的試驗(yàn)裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、壓縮的應(yīng)變量可控，壓縮應(yīng)變量控制準(zhǔn)確可靠。適用于試樣在特定壓縮應(yīng)變下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試與破壞形貌分析，可獲得試樣在沖擊載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率等動(dòng)態(tài)力學(xué)參量。本實(shí)用新型還可有效地避免一維霍普金森壓桿試驗(yàn)中反射波對(duì)試樣的多次加載問題；特別適用于大口徑霍普金森壓桿的試驗(yàn)中對(duì)試樣進(jìn)行單脈沖加載條件下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能表征與分析。

附圖說明

圖1一維霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置示意圖

圖2本實(shí)用新型涉及的霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置壓縮應(yīng)變控制部分在沖擊加載前的組裝結(jié)構(gòu)示意圖

圖3本實(shí)用新型涉及的霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置壓縮應(yīng)變控制部分在試樣壓縮應(yīng)變達(dá)到預(yù)期值時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖

圖4本實(shí)用新型實(shí)施例一涉及的Φ37mm壓桿加載桿上的應(yīng)力波信號(hào)曲線

圖5本實(shí)用新型實(shí)施例一涉及的Φ37mm壓桿測(cè)得的試樣壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖6傳統(tǒng)方法Φ37mm壓桿加載桿上的應(yīng)力波信號(hào)曲線

圖7傳統(tǒng)方法Φ37mm壓桿測(cè)得的試樣壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖8本實(shí)用新型實(shí)施例二涉及的Φ100mm壓桿加載桿上的應(yīng)力波信號(hào)曲線

圖9本實(shí)用新型實(shí)施例二涉及的Φ100mm壓桿測(cè)得的試樣壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖10傳統(tǒng)方法Φ100mm壓桿加載桿上的應(yīng)力波信號(hào)曲線

圖11傳統(tǒng)方法Φ100mm壓桿測(cè)得的試樣壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線

其中：1-發(fā)射裝置，2-打擊桿，3-入射桿，4-試樣，5-透射桿，6-吸收桿，7-固定套筒，8-承載環(huán)

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。并給出與常規(guī)裝置的試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)，但不作為對(duì)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
的限制。

實(shí)施例一

以Φ37mm口徑霍普金森壓桿裝置的壓縮試驗(yàn)為例，對(duì)霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置進(jìn)行詳細(xì)描述。并給出與常規(guī)裝置的試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)。

加載桿直徑為Ф37mm，入射桿3長(zhǎng)度為2m，透射桿5長(zhǎng)度為2m，吸收桿6長(zhǎng)度為1m。

試樣4材料為纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，長(zhǎng)度為l₀＝12mm，直徑d₀＝22mm，材料的泊松比為μ＝0.33。預(yù)期壓縮應(yīng)變值為5％。

承載環(huán)的長(zhǎng)度由公式(1)計(jì)算得到l₁＝11.4mm；外徑：Ф37mm，內(nèi)徑由公式(2)計(jì)算得到d₁大于22.36mm，考慮到復(fù)合材料的變形與破壞特點(diǎn)，內(nèi)徑d₁取23mm。

固定套筒：內(nèi)徑Ф37.15mm，外徑Ф47mm，長(zhǎng)度50mm。

將承載環(huán)8套裝入固定套筒7中心位置后，固定套筒7的一端與入射桿3加載端套裝，將試樣4兩端面涂潤(rùn)滑脂后置于承載環(huán)8內(nèi)并于與入射桿3加載端面對(duì)接壓緊，試樣4吸附在入射桿3加載端中心，承載環(huán)8與試樣4等間距。固定套筒的另一端與透射桿5加載端對(duì)接組裝，將入射桿3、試樣4和透射桿5壓緊，試樣端面與入射桿3、透射桿5的加載端面充分貼合，組裝后的壓縮應(yīng)變控制裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

按常規(guī)方法對(duì)試樣4進(jìn)行沖擊壓縮試驗(yàn)，當(dāng)試樣的壓縮應(yīng)變達(dá)到預(yù)期值時(shí)的應(yīng)變控制裝置結(jié)構(gòu)狀態(tài)示意圖如圖3所示。試驗(yàn)后的試樣外形基本保持完好，試樣側(cè)面出現(xiàn)部分裂紋，入射桿和透射桿上應(yīng)力波信號(hào)如圖4，試樣的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5，有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)試樣5％壓縮應(yīng)變量的準(zhǔn)確控制。

對(duì)比組：將試樣4兩端面涂潤(rùn)滑脂后直接置于入射桿3和透射桿5之間進(jìn)行沖擊壓縮試驗(yàn)，入射桿和透射桿上的應(yīng)力波信號(hào)如圖6，試樣的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖7。試驗(yàn)后的試樣為壓剪破碎狀態(tài)，試樣達(dá)到最大破壞應(yīng)變，無法對(duì)試樣的壓縮應(yīng)變量進(jìn)行控制，試樣被加載至破壞應(yīng)變6.3％。

實(shí)施例二

本實(shí)施例以Φ100mm大口徑霍普金森壓桿裝置的壓縮試驗(yàn)為例，對(duì)霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置進(jìn)行詳細(xì)描述。

加載桿直徑為Ф100mm，入射桿3長(zhǎng)度為5m，透射桿5長(zhǎng)度為5m，吸收桿6長(zhǎng)度為2m。

試樣4材料為維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，試樣4長(zhǎng)度為l₀＝40mm，直徑為d₀＝60mm，試樣4材料的泊松比為μ＝0.33。預(yù)期壓縮應(yīng)變值為1.5％。

承載環(huán)的長(zhǎng)度由公式(1)計(jì)算得到l₁＝39.4mm；外徑：Ф100mm，內(nèi)徑由公式(2)計(jì)算得到d₁大于60.3mm，考慮到復(fù)合材料的變形與破壞特點(diǎn)，內(nèi)徑d₁取62mm。

固定套筒：內(nèi)徑Ф100.15mm，外徑Ф110mm，長(zhǎng)度100mm。

將承載環(huán)8套裝入固定套筒7中心位置后，固定套筒7的一端與射桿3加載端套裝，將試樣4兩端面涂潤(rùn)滑脂后置于承載環(huán)8內(nèi)并于與入射桿3加載端面對(duì)接壓緊，使試樣4吸附在入射桿3加載端，使承載環(huán)8與試樣4等間距。再將固定套筒的另一端與透射桿5加載端對(duì)接組裝，將入射桿3、試樣4和透射桿5用力壓緊，使試樣端面與入射桿3、透射桿5的加載端面充分貼合，組裝后的壓縮應(yīng)變控制裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，然后進(jìn)行沖擊壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)后的試樣外形基本保持完好，試樣外形無明顯變化。試驗(yàn)測(cè)得的入射桿和透射桿上的應(yīng)力波信號(hào)如圖8，試樣的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖9。在該試驗(yàn)中有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)試樣1.5％壓縮應(yīng)變量的準(zhǔn)確控制。

對(duì)比組：將試樣4兩端面涂潤(rùn)滑脂后直接置于入射桿3和透射桿5之間進(jìn)行沖擊壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)后的試樣均為壓剪破碎狀態(tài)，即試樣達(dá)到了最大破壞應(yīng)變，試驗(yàn)測(cè)得的入射桿和透射桿上的應(yīng)力波信號(hào)如圖10，試樣的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖11。在此試驗(yàn)中無法對(duì)試樣的壓縮應(yīng)變量(1.5％)進(jìn)行控制，試樣被加載至破壞應(yīng)變2.5％，試驗(yàn)后試樣狀態(tài)為破碎。