一種材料旋轉(zhuǎn)沖擊響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】一種材料旋轉(zhuǎn)沖擊響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及一種材料旋轉(zhuǎn)沖擊響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)，一種用于測(cè)試材料在旋轉(zhuǎn)-沖擊荷載下的響應(yīng)特性的測(cè)試技術(shù)，可用于在不同沖擊荷載及不同旋轉(zhuǎn)速率下材料的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度以及入、反、透射應(yīng)力波峰值特征與能量特征的測(cè)試與分析，可用以研究受荷材料的結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)特性；也可用于不同沖擊速率下沖擊荷載特性的測(cè)試，屬材料及巖土工程領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0003]目前，在地質(zhì)、巖土工程等勘察以及礦業(yè)工程等生產(chǎn)中，通常需要采用鉆孔/探方法，其主要的鉆進(jìn)方法為沖擊式、旋轉(zhuǎn)式或旋轉(zhuǎn)-沖擊式。地質(zhì)材料在旋轉(zhuǎn)沖擊荷載下的破碎效果與荷載特性之間的關(guān)系、地層結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度特性與荷載特性的關(guān)系，以及材料抵抗高速旋轉(zhuǎn)脈沖荷載如飛彈等的破壞特性，都需要測(cè)試材料在旋轉(zhuǎn)沖擊荷載下的結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)特性。
[0004]在材料動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性測(cè)試中，分離式霍普金森壓桿(separate Hopkinsonpressure bar: SHPB)是研究材料高應(yīng)變率力學(xué)響應(yīng)的基本方法，它通過測(cè)定材料在一定應(yīng)變率范圍的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變行為來分析試樣材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，其基礎(chǔ)是線彈性波動(dòng)理論。自1914年B.Hopkinson建立該方法以來,經(jīng)過Davies、Kolsky等人的發(fā)展,SHPB技術(shù)在加載波形的整形、彌散的處理、可控雙脈沖加載等方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，不僅能測(cè)量試件在沖擊荷載下的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，而且可以測(cè)量試件的動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度。由于SHPB技術(shù)可以獲得試件中的壓力脈沖，計(jì)算試件在沖擊荷載下的變形及試件應(yīng)力，已成為材料動(dòng)力學(xué)響應(yīng)測(cè)試方面簡(jiǎn)單、有效的方法，因而在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用，并逐漸成為材料動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。
[0005]但是，SHPB存在以下不足:(1)不能進(jìn)行旋轉(zhuǎn)沖擊，即不能施加旋轉(zhuǎn)脈沖荷載；(2)輸入桿的沖擊端為自由端，輸入桿不能施加靜壓；(3) SHPB的基礎(chǔ)是線彈性波動(dòng)理論，在求解應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系時(shí)要求系統(tǒng)中桿和試樣均應(yīng)滿足一維線彈性體的基本條件。然而，在很多情況下，受荷體相對(duì)于脈沖荷載加載體而言，為非線性體的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。如勘探或生產(chǎn)鉆孔時(shí)，孔底巖體為無限大非線性體；彈體飛行撞擊物體也屬于非線性、非對(duì)稱的情況。均屬于非線性體+線性桿的情況，不能簡(jiǎn)單運(yùn)用線彈性波動(dòng)理論計(jì)算和分析材料的強(qiáng)度特性。
[0006]本發(fā)明基于沖擊及旋轉(zhuǎn)-沖擊破碎巖石的原理，在SHPB的基礎(chǔ)上，研發(fā)一套材料旋轉(zhuǎn)-沖擊相應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)，通過測(cè)量沖頭瞬發(fā)脈沖速率、沖擊能以及沖擊桿入/反射應(yīng)力波，分析受荷材料的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度特性。同時(shí)，通過設(shè)定特征材料，測(cè)試和分析不同觸發(fā)壓力下沖頭幾何結(jié)構(gòu)特征、穿透性能與脈沖荷載特性的關(guān)系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種克服現(xiàn)有材料動(dòng)力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)中不能實(shí)施旋轉(zhuǎn)脈沖加載以及給輸入桿施加軸向靜荷載等局限性的材料旋轉(zhuǎn)-沖擊響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種材料旋轉(zhuǎn)-沖擊響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括(i)旋轉(zhuǎn)與沖擊單元、(ii)數(shù)據(jù)采集單元及(iii)數(shù)據(jù)分析單元，
所述旋轉(zhuǎn)與沖擊單元由系統(tǒng)平臺(tái)、脈沖發(fā)生單元、載樣倉(cāng)及旋轉(zhuǎn)單元組成；
所述脈沖發(fā)生單元由壓力源、壓力調(diào)節(jié)器、脈沖發(fā)射器、脈沖整形器、轉(zhuǎn)換閥、動(dòng)量陷波器及實(shí)驗(yàn)桿組成；
所述載樣倉(cāng)用以承載試樣；
所述旋轉(zhuǎn)單元由旋轉(zhuǎn)電機(jī)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器及輸出軸組成；
所述數(shù)據(jù)采集單元由壓力傳感器、應(yīng)變傳感器、激光測(cè)速傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換盒、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀及數(shù)據(jù)集成箱組成；
所述數(shù)據(jù)分析單元，將所述轉(zhuǎn)換和數(shù)字集成的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)接口及電纜傳輸?shù)剿鰯?shù)據(jù)分析單元進(jìn)行分析、存儲(chǔ)和輸出，并對(duì)材料的結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)特性進(jìn)行分析；
其中，所述系統(tǒng)平臺(tái)為水平剛性支架，直接安裝在水平地面上，所述脈沖發(fā)射器、動(dòng)量陷波器及實(shí)驗(yàn)桿固定安裝在所述水平剛性支架上；壓力源為空壓機(jī)，空壓機(jī)通過壓力管網(wǎng)與調(diào)壓器聯(lián)通，通過調(diào)節(jié)器的標(biāo)準(zhǔn)壓力表進(jìn)行標(biāo)定，壓力傳感器設(shè)置在調(diào)壓器管路中位于輸入1-輸出O回路中壓力表的前方，通過聯(lián)接頭與管路聯(lián)通，所述調(diào)壓器通過管道與所述脈沖發(fā)射器聯(lián)通，脈沖發(fā)射器、脈沖整形器、轉(zhuǎn)換閥、動(dòng)量限波器、實(shí)驗(yàn)桿、鉆頭、載樣倉(cāng)和調(diào)速器位于同一水平軸線上，所述脈沖整形器、轉(zhuǎn)換閥、動(dòng)量限波器、實(shí)驗(yàn)桿從左到右依次連接，應(yīng)變傳感器設(shè)置在所述實(shí)驗(yàn)桿上，所述載樣倉(cāng)的一端與輸出軸固聯(lián)，輸出軸通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與旋轉(zhuǎn)電機(jī)固聯(lián)，由激光發(fā)射頭和激光傳感器的接收器組成的激光測(cè)速傳感器設(shè)置在脈沖發(fā)射器和轉(zhuǎn)換閥之間，探針安裝在所述載樣倉(cāng)上，轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)置在與載樣倉(cāng)上的探針對(duì)應(yīng)的位置上，應(yīng)變傳感器與壓力傳感器通過線纜、接口與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換盒數(shù)據(jù)連接，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換盒與數(shù)字動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀數(shù)據(jù)連接，數(shù)字動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀與數(shù)據(jù)集成箱數(shù)據(jù)連接；測(cè)速傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器經(jīng)線纜接入數(shù)據(jù)集成箱，數(shù)據(jù)集成箱將數(shù)據(jù)集成后輸送到數(shù)據(jù)分析單元，所述數(shù)據(jù)分析單元包括遠(yuǎn)程終端、其它終端、計(jì)算機(jī)和打印機(jī)。
[0009]進(jìn)一步，所述載樣倉(cāng)為剛性柱形圓筒，其底座與調(diào)速器11輸出軸聯(lián)接，載樣倉(cāng)內(nèi)根據(jù)試樣規(guī)格設(shè)置有載樣套倉(cāng)，載樣套倉(cāng)內(nèi)安裝試樣，試樣直徑與套倉(cāng)內(nèi)徑之間的配合誤差以及同軸度應(yīng)滿足有關(guān)材料測(cè)試的要求，載樣倉(cāng)的軸向長(zhǎng)度大于試樣套倉(cāng)和試樣長(zhǎng)度，超出的長(zhǎng)度應(yīng)滿足試樣沖擊碎裂時(shí)飛濺的安全防護(hù)要求。
[0010]進(jìn)一步，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)的工作電壓為380V。
[0011]進(jìn)一步，所述數(shù)字式動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的工作電壓為220V。
[0012]進(jìn)一步，所述激光測(cè)速儀的工作電壓為220V。
[0013]進(jìn)一步，所述數(shù)據(jù)集成盒的工作電壓為DC12V。
[0014]本發(fā)明的有益效果是，由于采用上述技術(shù)方案，一方面，可以將旋轉(zhuǎn)與沖擊荷載有效結(jié)合，在旋轉(zhuǎn)-沖擊耦合荷載下測(cè)試材料的抗壓強(qiáng)度、入/反射應(yīng)力波峰值、應(yīng)變能等動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)特征參數(shù)；同時(shí)，測(cè)試材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征與撞擊桿或彈頭沖擊能的關(guān)系。另一方面，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速率設(shè)置為O時(shí)，可實(shí)現(xiàn)單沖擊脈沖荷載下的材料動(dòng)態(tài)特性測(cè)試，獲取材料在沖擊荷載下的物理力學(xué)特性。
[0015]本發(fā)明可以用于測(cè)試旋轉(zhuǎn)-沖擊以及單沖擊脈沖荷載作用下的材料特性，例如沖擊鉆進(jìn)、旋轉(zhuǎn)-沖擊鉆進(jìn)以及旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中的沖擊效應(yīng)以及其他旋轉(zhuǎn)-沖擊荷載，通過測(cè)試輸入桿中的應(yīng)力波特征，可以揭示材料的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度特性。反過來，也可用于研究沖擊彈頭的結(jié)構(gòu)形狀與材料特性，以獲得好的入射波形和破壞效果。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明材料旋轉(zhuǎn)沖擊響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)造框圖。
[0017]圖2為壓力傳感器的連接結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3為測(cè)速傳感器的連接結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖4為應(yīng)變測(cè)量的連接結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖5為旋轉(zhuǎn)傳感器的連接結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖6為材料旋轉(zhuǎn)沖擊響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)布置圖。
[0022]圖中:
1.壓縮空氣壓力源，2.調(diào)壓器，3.脈沖發(fā)射器，4.激光源，5.轉(zhuǎn)換