電磁感應(yīng)式霍普金森拉壓桿加載裝置及實(shí)驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試的應(yīng)力波發(fā)生裝置及方法，具體說是一種基于電磁力的應(yīng)力波發(fā)生裝置及方法，所述裝置可以作為分離式霍普金森拉桿和壓桿的應(yīng)力波輸入裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，在材料科學(xué)領(lǐng)域中測(cè)量材料在高應(yīng)變率下的力學(xué)性能時(shí)使用最廣泛的就是分離式霍普金森壓桿技術(shù)和拉桿技術(shù)。這一方法的基本原理是:將短試樣置于兩根拉桿或壓桿之間，通過某種方式對(duì)入射桿輸入拉伸應(yīng)力波或者壓縮應(yīng)力波，對(duì)試樣進(jìn)行加載。同時(shí)利用粘在拉桿或壓桿上并距桿端部一定距離的應(yīng)變片來記錄脈沖信號(hào)。如果拉桿或壓桿保持彈性狀態(tài)，那么桿中的脈沖將以彈性波速無失真地傳播。這樣粘貼在拉桿或壓桿上的應(yīng)變片就能夠測(cè)量到作用于桿端的載荷隨時(shí)間的變化歷程。
[0003]對(duì)于霍普金森壓桿，產(chǎn)生入射波的普遍方式是通過氣槍將撞擊桿高速發(fā)射，與入射桿同軸撞擊產(chǎn)生入射脈沖。這種方法的缺點(diǎn)在于:由于每次發(fā)射時(shí)撞擊桿在氣槍中的安裝位置不盡相同，且撞擊速度與氣壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系很難確定，因此無法準(zhǔn)確地控制入射波的幅值，所以需要嘗試多次實(shí)驗(yàn)才能得到所需的應(yīng)變率。其次，對(duì)于應(yīng)變率跨度過大的實(shí)驗(yàn)，由于氣槍氣壓的限制，需要更換撞擊桿的長度來得到不同的應(yīng)變率，應(yīng)變率越高，所用撞擊桿越短，實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的應(yīng)力波寬度越短，這就限制了實(shí)驗(yàn)所得到的應(yīng)變范圍，而且操作繁瑣。更重要的是，由于撞擊桿的發(fā)射速度有一個(gè)下限，一些更低的應(yīng)變率在實(shí)際試驗(yàn)中無法用傳統(tǒng)霍普金森壓桿得到，比如10s—1的應(yīng)變率。由于不同的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)也不同，使得分離式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)的規(guī)范化一直是一個(gè)國際性的難題。
[0004]對(duì)于霍普金森拉桿，目前普遍所采用的加載方法是:將拉桿的撞擊桿做成空心圓管，通過氣槍將撞擊管高速發(fā)射，當(dāng)該撞擊管運(yùn)動(dòng)至入射桿端時(shí)，撞擊管與入射桿端的凸臺(tái)碰撞產(chǎn)生一列壓縮波向入射桿凸臺(tái)端傳播，并在自由端反射成拉伸波，該拉伸波通過入射桿對(duì)試樣進(jìn)行加載。但是這種加載方法有很多的缺點(diǎn):I，由于撞擊桿是從入射桿一端發(fā)射到另一端，所以在入射桿上的凸臺(tái)到氣槍的那一段，入射桿處于無支撐的自由狀態(tài)，這使得入射桿容易彎曲；2，這種設(shè)計(jì)限制了撞擊筒的長度在500_左右，所以產(chǎn)生的入射波長度為
0.2ms左右，但對(duì)于延展性材料和低應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)，需要更長的入射波;3，撞擊筒的更換很不方便;4，由于撞擊筒的筒壁厚度限制，需要很高的氣壓來加速撞擊筒。也有很多學(xué)者提出了不同的設(shè)計(jì)思路:I，在撞擊筒的一端加一個(gè)凸臺(tái)來提高撞擊筒的發(fā)射速度，但是這種方式產(chǎn)生的波形受凸臺(tái)影響而不再正規(guī);2，使用空的入射桿，撞擊桿從入射桿里面穿過，這種方式使得波形整形變得困難。
[0005]由于撞擊桿的形狀不同，氣槍的位置不同，傳統(tǒng)的霍普金森壓桿和拉桿的加載系統(tǒng)無法在同一裝置上實(shí)現(xiàn)。
[0006]20世紀(jì)60年代美國波音公司為解決普通鉚接存在的問題，由HuberASchmitt等人率先開始研究電磁鉚接技術(shù)，并于1968年申請(qǐng)了強(qiáng)沖擊電磁鉚接裝置的專利。1986年ZievePeter研制成功低壓電磁鉚接，解決了高壓鉚接在鉚接質(zhì)量及推廣應(yīng)用方面存在的問題，從而使電磁鉚接技術(shù)得到較快發(fā)展。電磁鉚接技術(shù)已在波音、空客系列飛機(jī)制造中得到應(yīng)用。如今，低壓電磁鉚接技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，鉚接力的大小和持續(xù)時(shí)間可以得到比較精確的控制。電磁鉚槍的技術(shù)原理是:在放電線圈和工件之間增加了一個(gè)線圈和應(yīng)力波放大器。放電開關(guān)閉合的瞬間，主線圈中通過快速變化的沖擊電流，在線圈周圍產(chǎn)生強(qiáng)磁場。與主線圈耦合的次級(jí)線圈在強(qiáng)磁場作用下產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而產(chǎn)生渦流磁場，兩磁場相互作用產(chǎn)生渦流斥力，并通過放大器傳至鉚釘，使鉚釘成形。渦流力的頻率極高，在放大器和鉚釘中以應(yīng)力波的形式傳播，故電磁鉚接也稱應(yīng)力波鉚接。如果將電磁鉚槍的原理應(yīng)用到分離式霍普金森壓桿中代替?zhèn)鹘y(tǒng)分離式霍普金森壓桿中的氣槍和撞擊桿，通過電磁斥力產(chǎn)生直接產(chǎn)生應(yīng)力波，將會(huì)使分離式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)的規(guī)范化成為可能。另外，由于電磁感應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力波脈沖寬度可以通過電路參數(shù)調(diào)節(jié)，脈沖寬度可達(dá)毫秒量級(jí)，因此可以實(shí)現(xiàn)一些傳統(tǒng)霍普金森桿無法實(shí)現(xiàn)的低應(yīng)變率加載(例如102/s以下)。在申請(qǐng)?zhí)枮?01420098605.4和201410161610.X的專利中，提出了將電磁鉚接裝置直接應(yīng)用在霍普金森壓桿裝置中的設(shè)備方案和實(shí)驗(yàn)方法，但是此方法所獲得的波形具有局限性，在申請(qǐng)?zhí)柗謩e為201410173843.1和201410171963.8的兩個(gè)發(fā)明創(chuàng)造中，提出兩種既可以用于霍普金森拉桿又可用于霍普金森壓桿的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和使用方法，但是這兩種方案結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且傳統(tǒng)的波形整形技術(shù)無法應(yīng)用于拉伸情況。在申請(qǐng)?zhí)枮?01510051071的發(fā)明創(chuàng)造中，提出了一種電磁式應(yīng)力波發(fā)生器的主線圈結(jié)構(gòu)和使用方法，以提高電磁式應(yīng)力波發(fā)生器所產(chǎn)生的幅值和脈沖寬度的變化范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的入射波幅值難以控制，操作繁瑣、應(yīng)變范圍有限、無法實(shí)現(xiàn)一些低應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)的不足，以及拉伸和壓縮加載裝置無法統(tǒng)一的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種電磁感應(yīng)式霍普金森拉壓桿加載裝置及實(shí)驗(yàn)方法。
[0008]本發(fā)明包括電源、電容充電器和加載槍。電容充電器采用現(xiàn)有電磁鉚接設(shè)備的供電部分，并將所述電容充電器的輸出的正極輸出線與加載槍的正極線相接，負(fù)極輸出線與加載槍的負(fù)極線相接。所述加載槍包括加載槍殼體、主線圈、定位筒、次級(jí)線圈、絕緣層和放大器。主線圈和次級(jí)線圈依次套裝在所述定位筒上，并使所述次級(jí)線圈一個(gè)端面與所述定位筒的定位端面相鄰。所述次級(jí)線圈的另一個(gè)端面與主線圈的一個(gè)端面相鄰并自由貼合。將套裝有主線圈和次級(jí)線圈的定位筒裝入加載槍殼體內(nèi)中段，將放大器安裝在所述定位筒的一端，并在所述放大器內(nèi)端面與次級(jí)線圈的端面之間套裝有絕緣層。所述主線圈、次級(jí)線圈、放大器和定位筒均與加載槍殼體同軸。所述定位筒一端與次級(jí)線圈通過螺紋連接。進(jìn)行霍普金森壓縮實(shí)驗(yàn)時(shí)，將壓縮頭的連接段裝入所述放大器的內(nèi)螺紋孔中，將壓縮頭與放大器螺紋連接。使壓縮頭的壓縮波輸出段的內(nèi)端面與入射桿接觸，從而將應(yīng)力波傳播到入射桿中。進(jìn)行霍普金森拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，將入射桿帶有外螺紋的一端依次穿過定位筒和放大器的通孔，并在放大器的應(yīng)力波輸出段一側(cè)與凸臺(tái)進(jìn)行螺紋連接。當(dāng)放大器的應(yīng)力波輸出段傳出的壓縮應(yīng)力波進(jìn)入凸臺(tái)時(shí)，所述壓縮應(yīng)力波在凸臺(tái)的自由端面反射成拉伸波并進(jìn)入入射桿形成霍普金森拉桿的入射波。
[0009]所述加載槍的主線圈采用寬銅帶或銅導(dǎo)線繞制在橫截面為工字形的芯體上，銅帶匝與匝之間用絕緣材料隔開。主線圈的外徑與加載槍殼體的內(nèi)徑相同，當(dāng)該主線圈裝入加載槍殼體內(nèi)后，兩者之間干涉配合。主線圈的芯體中心開有通孔，用于自由穿過定位筒。
[0010]所述次級(jí)線圈為銅質(zhì)圓盤，并在該次級(jí)線圈的中心開有與定位筒配合的螺紋通孔。
[0011]所述放大器中心孔的內(nèi)表面為與壓縮頭的外螺紋相互配合的螺紋面。該放大器中心孔的內(nèi)徑略大于霍普金森拉桿的入射桿的外徑，當(dāng)所述霍普金森拉桿的入射桿穿入該中心孔后，兩者之間間隙配合。該放大器的外圓周表面為階梯狀，包括分別位于該放大器兩端的等徑段和位于該放大器中間的錐段。所述放大器兩端的等徑段中，位于放大器一端的等徑段的外徑最大，為應(yīng)力波接收段;位于放大器另一端的等徑段的外徑最小，為應(yīng)力波的輸出段。將兩段等徑段過渡連接的錐段形組成了放大器的應(yīng)力波放大反射段。所述放大器的應(yīng)力波接收段的外徑與次級(jí)線圈的外徑相同。所述放大器應(yīng)力波接收段的直徑:應(yīng)力波輸出段直徑的比值= 5:2;所述放大器的大外徑段的軸向長度:錐段的軸向長度= 1:1。
[0012]所述壓縮頭的大直徑段是壓縮波輸出段，小直徑段是連接段;所述壓縮波輸出段的外
[0013]圓周表面對(duì)稱的加工有平面；
[0014]所述壓縮波輸出段波阻抗與霍普金森壓桿的波阻抗相同，波阻抗R定義為
[0015]R = pCA
[0016]其中，0為材料的密度，C為材料的應(yīng)力波速，A為橫截面積。
[0017]本發(fā)明提出的利用基于電磁力的霍普金森拉壓桿應(yīng)力波發(fā)生器實(shí)驗(yàn)中包括霍普金森壓縮實(shí)驗(yàn)和霍普金森拉伸實(shí)驗(yàn)。
[0018]I所述霍普金森壓縮實(shí)驗(yàn)的具體過程是:
[0019]步驟1.排布器材。
[0020]步驟2.粘貼應(yīng)變片。排布所述應(yīng)變片引線時(shí)，先使所述各應(yīng)變片引線與入射桿或透射桿的軸線平行分布，再垂直于軸線方向成直角彎折引出，使引線呈直線狀態(tài)接入數(shù)據(jù)采集器。粘貼應(yīng)變片時(shí)，以所述入射桿或透射桿軸線為對(duì)稱軸，將兩片參數(shù)完全相同的應(yīng)變片對(duì)稱粘貼在入射桿和透射桿表面，在應(yīng)變片的引腳上焊接應(yīng)變片引線，并將所述應(yīng)變片引線接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的惠斯通電橋中。
[0021]將排布好的應(yīng)變片采用常規(guī)方法粘貼在入射桿或透射桿的1/2長度處的圓周上。
[0022]步驟3.進(jìn)行加載并處理數(shù)據(jù)?；羝战鹕瓑簵U應(yīng)力波發(fā)生器與入射桿連接配合，將壓縮頭與放大器連接，定位筒穿過主線圈的通孔，加載槍的壓縮頭所在的一端靠近入射桿。將壓縮頭的應(yīng)力波輸出段與霍普金森壓桿的入射桿的端面同軸充分貼合。
[0023]對(duì)電容充電器充電后，使電容充電器對(duì)加載槍的主線圈放電，在次級(jí)線圈與主線圈之間產(chǎn)生電磁斥力，所述電磁斥力在放大器內(nèi)部表現(xiàn)為壓縮應(yīng)力波并被放大器放大后形成入射波，該入射波通過壓縮頭傳入霍普金森壓桿的入射桿，當(dāng)該入射波傳至入射桿與試樣接觸面時(shí)，由于波阻抗不匹配，該入射波的一部分被反射，在入射桿中形成反射波，另一部分則通過試樣透射入透射桿中，形成透射波。
[0024]數(shù)據(jù)采集器通過粘貼在入射桿上的應(yīng)變片將入射波和反射波信號(hào)記錄下來，通過粘貼在透射桿上的應(yīng)變片將透射波的信號(hào)記錄下來。利用數(shù)據(jù)采集器記錄的反射波和透射波信號(hào)，通過一波法得到試件的動(dòng)態(tài)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線。
[0025]Π所述霍普金森拉伸實(shí)驗(yàn)的具體過程是:
[0026]步驟1.排布器材。
[0027]步驟2.粘貼應(yīng)變片。按照霍普金森壓縮實(shí)驗(yàn)中的方法排布所述應(yīng)變片引線。具體是:排布所述應(yīng)變片引線時(shí)，先使所述各應(yīng)變片引線與入射桿或透射桿的軸線平行分布，再垂直于軸線方向成直角彎折引出，使引線呈直線狀態(tài)接入數(shù)據(jù)采集器。粘貼應(yīng)變片時(shí)，以所述入射桿或透射桿軸線為對(duì)稱軸，將兩片參數(shù)完全相同的應(yīng)變片對(duì)稱粘貼在入射桿和透射桿表面，在應(yīng)變片的引腳上焊接應(yīng)變片引線，并將所述應(yīng)