三維霍普金森壓桿轉(zhuǎn)向頭裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種沖擊加載實(shí)驗中應(yīng)力波轉(zhuǎn)向裝置，特別是一種三維霍普金森桿轉(zhuǎn)向頭裝置。所述三維霍普金森桿轉(zhuǎn)向頭裝置包括環(huán)形陣列的三個尺寸相同的轉(zhuǎn)向頭；所述轉(zhuǎn)向頭與入射桿接觸的一端為圓形端面，轉(zhuǎn)向頭與試件接觸的一端為正方形端面；圓形端面的直徑與正方形端面的邊長比為50：48，圓形端面與正方形端面的夾角為54.55°～54.85°；三個轉(zhuǎn)向頭的圓形端面處于同一平面；相鄰兩轉(zhuǎn)向頭的正方形端面的邊緣相接，并且三個轉(zhuǎn)向頭的正方形端面形成一底部封閉的容納體。該三維霍普金森桿轉(zhuǎn)向頭裝置能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)力波轉(zhuǎn)向，從而解決三維霍普金森壓桿的入射波同步性問題。
【專利說明】三維霍普金森壓桿轉(zhuǎn)向頭裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種沖擊加載實(shí)驗中應(yīng)力波轉(zhuǎn)向裝置，特別是一種用于三維霍普金森壓桿試驗中入射波轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向頭裝置，屬于沖擊動力學(xué)試驗裝置領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]材料強(qiáng)度是保證各種工程結(jié)構(gòu)安全使用的一個最重要的基本條件。一般人們對材料強(qiáng)度的認(rèn)識是材料在單向拉伸或單向壓縮時的強(qiáng)度。例如金屬類材料的強(qiáng)度一般指的是它們在單向拉伸時的強(qiáng)度?；炷梁蛶r石的強(qiáng)度一般指的是它們在單向壓縮時的強(qiáng)度，這些都是材料的一維強(qiáng)度，可以在常規(guī)實(shí)驗中直接得出。但是在工程結(jié)構(gòu)中的材料大多數(shù)是在二維或三維應(yīng)力的作用下(統(tǒng)稱為復(fù)雜應(yīng)力)，這時的材料強(qiáng)度確定就是一個十分復(fù)雜和困難的問題，需要研制二維和三維的加載設(shè)備，才能對該問題展開研究。
[0003]材料在動載下的力學(xué)性能與其在靜載下的力學(xué)性能不同。高速加載下材料的動態(tài)變形和靜態(tài)(準(zhǔn)靜態(tài))變形之間存在根本的差異，具體表現(xiàn)出的動力學(xué)行為主要有高速變形、強(qiáng)度的增加、動態(tài)破壞及其它物理、化學(xué)響應(yīng)等。如前所述，在工程結(jié)構(gòu)中材料多處于二維或三維應(yīng)力狀態(tài)；復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，材料的應(yīng)變率效應(yīng)則表現(xiàn)為高度的復(fù)雜性。如材料的應(yīng)變率效應(yīng)對于材料的剪切強(qiáng)度并不明顯，而對于抗拉強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度則十分明顯。這種差異導(dǎo)致材料的破壞面與應(yīng)變率有關(guān)，但是目前來說，我們對材料的應(yīng)變率效應(yīng)的認(rèn)識也僅僅來自于一維試驗的結(jié)果，急需研制開發(fā)二維或三維情況下高速加載設(shè)備，進(jìn)而對多維沖擊荷載作用下材料的動態(tài)強(qiáng)度進(jìn)行研究。
[0004]19世紀(jì)末和20世紀(jì)初，人們已經(jīng)研制出了圍壓三軸試驗機(jī)，或稱加三軸試驗機(jī)，來研究靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)荷載下材料復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度。這種試驗機(jī)僅能產(chǎn)生某一個方向上的連續(xù)應(yīng)力，在另外兩個方向上僅能提供固定的圍壓(圍壓大小在試驗前可調(diào))。而到了 20世紀(jì)60年代，世界各國相繼展開了靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)荷載的真三軸試驗機(jī)的研究，目前，靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)荷載的真三軸試驗機(jī)技術(shù)已比較成熟，有了比較完備的商業(yè)產(chǎn)品問世。與此形成鮮明對比的是，雖然早在1897年，第一臺高應(yīng)變率試驗機(jī)就已經(jīng)產(chǎn)生，1914年，B.Hopkinson便設(shè)計了 Hopkinson壓桿,后經(jīng)Kolsky改進(jìn),使霍普金森壓桿成為研究材料動態(tài)力學(xué)性能的一種重要手段。然而，截止到目前，國內(nèi)外的高速加載試驗裝置多為一維。而針對混凝土、巖石等脆性材料，研發(fā)了假三軸動態(tài)加載設(shè)備，即圍壓SHPB系統(tǒng)，但未得到大的發(fā)展。迄今為止，國內(nèi)外尚未有一臺真三軸動態(tài)加載設(shè)備，用于研究材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的動態(tài)強(qiáng)度。
[0005]綜上所述，人們對材料的應(yīng)變率效應(yīng)的認(rèn)識還僅僅來自于一維霍普金森桿試驗，在多維的空間里還有很多未知，急需研制開發(fā)三維情況下材料實(shí)驗的高速加載裝置。三維霍普金森桿的難點(diǎn)是如何保證三根入射桿中入射波的同步性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的在于，提供一種三維霍普金森桿轉(zhuǎn)向頭裝置，該三維霍普金森桿轉(zhuǎn)向頭裝置能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)力波轉(zhuǎn)向，從而解決三維霍普金森壓桿的入射波同步性問題。
[0007]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)該目的:
[0008]一種三維霍普金森桿轉(zhuǎn)向頭裝置，包括環(huán)形陣列的三個尺寸相同的轉(zhuǎn)向頭；所述轉(zhuǎn)向頭與入射桿接觸的一端為圓形端面，轉(zhuǎn)向頭與試件接觸的一端為正方形端面；圓形端面的直徑與正方形端面的邊長比為50:48,圓形端面與正方形端面的夾角為54.55°?54.85° ;三個轉(zhuǎn)向頭的圓形端面處于同一平面；相鄰兩轉(zhuǎn)向頭的正方形端面的邊緣相接，并且三個轉(zhuǎn)向頭的正方形端面形成一底部封閉的容納體。
[0009]優(yōu)選的，所述轉(zhuǎn)向頭的圓形端面與正方形端面的夾角為54.7°。
[0010]本發(fā)明三維霍普金森桿轉(zhuǎn)向頭裝置可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力波轉(zhuǎn)向，而且轉(zhuǎn)向頭的正方形端面各個位置處的波形幅值相等，到達(dá)的時間相同，保證了波形的一致性，可解決三維霍普金森壓桿的入射波同步性問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明其中一個實(shí)施例的俯視圖。
[0012]圖2為圖1中轉(zhuǎn)向頭的主視圖。
[0013]圖3為圖2中轉(zhuǎn)向頭的A-A剖視圖。
[0014]圖4為包含圖1中三維霍普金森桿轉(zhuǎn)向頭裝置的三維霍普金森桿整體裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖5為加載到三根入射桿的入射波波形。
[0016]圖6至圖8為三根入射桿中入射波與反射波波形。
[0017]圖9至圖15為轉(zhuǎn)向頭正方形端面處七個位置的應(yīng)力波波形。
[0018]附圖標(biāo)記說明:1-轉(zhuǎn)向頭裝置，2-轉(zhuǎn)向頭，3-圓形端面，4-正方形端面，5-加載桿,6-入射桿，7-透射桿。
【具體實(shí)施方式】
[0019]為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，下面將結(jié)合附圖以及實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述。
[0020]圖1所示為本發(fā)明三維霍普金森桿轉(zhuǎn)向頭裝置其中一個實(shí)施例。
[0021]參見圖1，所述三維霍普金森桿轉(zhuǎn)向頭裝置包括環(huán)形陣列的三個尺寸相同的轉(zhuǎn)向頭。參見圖2、圖3，所述轉(zhuǎn)向頭一端為圓形端面，另一端為正方形端面。本實(shí)施例中，圓形端面的直徑為50mm,正方形端面的邊長為48mm,圓形端面與正方形端面的夾角α為54.7°。
[0022]參見圖1，三個轉(zhuǎn)向頭的圓形端面處于同一平面；相鄰兩轉(zhuǎn)向頭的正方形端面的邊緣相接，并且三個轉(zhuǎn)向頭的正方形端面形成一底部封閉的容納體。進(jìn)行沖擊動力學(xué)試驗時，入射桿與圓形端面接觸；試件放置于容納體內(nèi)，試件與正方形端面接觸。
[0023]應(yīng)該理解，所述圓形端面與正方形端面的夾角α還可以為54.55°?54.85°中其它角度。
[0024]本發(fā)明三維霍普金森桿轉(zhuǎn)向頭裝置對波影響試驗
[0025]圖4為包含上述三維霍普金森桿轉(zhuǎn)向頭裝置的三維霍普金森桿整體裝置，其包括加載桿、入射桿、轉(zhuǎn)向頭裝置、試件、透射桿。其中，加載桿直徑為110.0mm，入射桿的直徑50.0mm。入射波按圖5所示的壓縮波加載到三根入射桿中，入射波的壓力幅值為IOOMPaJ^寬約為160.0μ S。三根入射桿中的入射波與反射波波形如圖6、圖7、圖8所不,三根入射桿中波形一致，入射波波形幅值為100.0MPa,反射波的波形幅值約為60.0MPa左右。從波形可得，通過轉(zhuǎn)向頭能夠很好的改變?nèi)肷洳ǖ姆较颉?br> [0026]在轉(zhuǎn)向頭的正方形端面上，選擇7個位置檢測應(yīng)力波情況。實(shí)驗數(shù)據(jù)如圖9至圖15所示，從7個位置處的應(yīng)力波形來看，波形吻合的非常好，說明通過轉(zhuǎn)向頭后應(yīng)力波能夠很好的轉(zhuǎn)向，并且轉(zhuǎn)向頭正方形端面各個位置處的波形幅值相等，到達(dá)的時間相同，保證了波形的一致性。
[0027]通過分析可以看出，三根應(yīng)力波傳播方向相同的入射桿，通過本發(fā)明設(shè)計的轉(zhuǎn)向頭裝置，能夠很好的實(shí)現(xiàn)應(yīng)力波的轉(zhuǎn)向功能，并且轉(zhuǎn)向后的應(yīng)力波所到達(dá)端面的時間相同，波形也能夠保持很好的一致性。
[0028]以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的一種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明`專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種三維霍普金森桿轉(zhuǎn)向頭裝置，其特征在于:包括環(huán)形陣列的三個尺寸相同的轉(zhuǎn)向頭；所述轉(zhuǎn)向頭與入射桿接觸的一端為圓形端面，轉(zhuǎn)向頭與試件接觸的一端為正方形端面；圓形端面的直徑與正方形端面的邊長比為50:48,圓形端面與正方形端面的夾角為54.55°?54.85° ;三個轉(zhuǎn)向頭的圓形端面處于同一平面；相鄰兩轉(zhuǎn)向頭的正方形端面的邊緣相接，并且三個轉(zhuǎn)向頭的正方形端面形成一底部封閉的容納體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維霍普金森桿轉(zhuǎn)向頭裝置，其特征在于:所述轉(zhuǎn)向頭的圓形端面與正方形端面的夾角為54.7°。
【文檔編號】G01N3/02GK103776687SQ201410013027
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月10日
【發(fā)明者】郝洪, 浣石, 李忠獻(xiàn), 陶為俊, 師燕超, 譚湘倩, 丁陽, 蔣國平 申請人:天津大學(xué)