CN101666724B - 压拉通用霍普金森杆装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压拉通用霍普金森杆装置，目的是将压缩和拉伸加载集成为一个实验系统。技术方案是它由双向发射气体炮和杆件系统组成。双向发射气体炮根据实验的需要将子弹向左或向右加速，由高压气罐、炮管、进气控制阀门、第一出气控制阀门、第二出气控制阀门、第一连接管、第二连接管、第一气体转换接头、第二气体转换接头、圆柱形或圆筒形子弹、与圆柱形或圆筒形子弹相应的圆柱形或圆筒形顶塞、顶针组成。杆件系统由压缩入射杆、压缩透射杆、拉伸入射杆、拉伸透射杆和应变片组成。本发明克服了霍普金森压杆与拉杆需要分别建立两套独立设备的困难，实现了对霍普金森压杆与拉杆的集成，并且装置在两种加载形式之间的可以方便转换。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料动态性能测试装置，特别是一种可同时测试材料压缩和拉伸应力应变关系的霍普金森杆装置。
背景技术
在许多情况下，如汽车的撞击、航天器发射等，材料受到的载荷为冲击加载。材料在冲击加载下的力学响应是材料的重要力学性能参数，而冲击加载是材料动态性能测试中的关键技术。分离式霍普金森压杆可成功地测试材料的动态压缩性能(George，T.，Gray III.，Classic Split-Hopkinson Pressure Bar Testing.ASM Handbook-Mechanical Testing and Evaluation，2000.8：1032-1036.)。如图1所示，分离式霍普金森压杆由一个发射圆柱形子弹的气体炮和压缩杆件系统组成。而霍普金森拉杆可以测试材料的动态拉伸性能(Huh，H.，et al.，A Tension Split Hopkinson Bar for Investigating the Dynamic Behavior of Sheet Metals.Experimental Mechanics，2002.42：8-17)。如图2所示，霍普金森拉杆由一个发射圆筒形子弹的气体炮及拉伸杆件系统组成。通常分离式霍普金森压杆和霍普金森拉杆是相互独立的两种设备，只能分别进行压缩、拉伸加载。要进行两种实验必须独立建立两套实验设备，需要的花费较多占用实验室空间较大。
压缩和拉伸加载的发射气路部分差异较大，且发射方向各异，压缩和拉伸加载的形成过程各不相同，难以合二为一。如果采用一定的措施将压缩和拉伸加载集成为一个实验系统，将会促进霍普金森杆的系统化和模块化。迄今为止，尚未发现相关问题的有关报道。
发明内容
为了克服现有动态压缩实验和拉伸实验必须分别在不同的实验杆上进行，集约使用实验设备，将压缩和拉伸加载集成为一个实验系统，促进霍普金森杆实验的系统化和模块化，本发明提出了压拉通用霍普金森杆的实现方案。
本发明的技术方案是：本发明由双向发射气体炮和杆件系统组成。双向发射气体炮根据实验的需要将子弹向左或向右加速，由高压气罐、炮管、进气控制阀门、第一出气控制阀门、第二出气控制阀门、第一连接管、第二连接管、第一气体转换接头、第二气体转换接头、圆柱形或圆筒形子弹、与圆柱形或圆筒形子弹相应的圆柱形或圆筒形顶塞、顶针组成。杆件系统由压缩入射杆、压缩透射杆、拉伸入射杆、拉伸透射杆和应变片组成。压缩入射杆、压缩透射杆、拉伸入射杆及拉伸透射杆上分别粘贴有应变片，拉伸入射杆一端带有突出法兰。
高压气罐为一端留有进气孔、两端均留有出气孔的圆筒形气缸，出气孔的内径与炮管内径相同。炮管为筒形长管，炮管与第一气体转换接头和第二气体转换接头连接处的侧壁分别对称分布至少三个进气孔，所有进气孔面积之和等于炮管横截面积，进使得气体转换接头内壁受力均匀，以保证气密性。第一出气控制阀门、第二出气控制阀门为通用手动阀或者电磁阀，进气控制阀门控制气体进入高压气罐，第一出气控制阀门、第二出气控制阀门控制气体出高压气罐；第一连接管、第二连接管为橡胶软管，用作气体的通路；第一气体转换接头是改变气体方向将气体导入到炮管的装置，是一内部有空腔、三面开孔的方体或圆柱体结构，其中正对两面的通孔孔径等于炮管的外径，另一面的盲孔内径与第一连接管匹配，第二气体转换接头与第一气体转换接头结构相同；进气控制阀门安装在高压气罐的进气口上，第一出气控制阀门安装在高压气罐左端 的出气口上，依次通过密封螺纹连接第一连接管、第一气体转换接头的盲孔；第一气体转换接头通过通孔套在炮管左端，通孔内侧和炮管之间加密封圈封闭；第二出气控制阀门安装在高压气罐右端的出气口上，依次通过密封螺纹连接第二连接管、第二气体转换接头的盲孔；第二气体转换接头通过通孔套在炮管右端，通孔内侧和炮管之间加密封圈封闭。
将本发明用作霍普金森压杆时，双向发射气体炮采用弹托、圆柱形子弹和圆柱形顶塞，杆件系统采用压缩入射杆、压缩透射杆和应变片；压缩试样夹在压缩入射杆和压缩透射杆之间，炮管、压缩入射杆、压缩试样、压缩透射杆安装时均在同一直线上；圆柱形顶塞是外径与炮管内径相同的圆柱，通过螺栓固定在炮管右侧顶端。在圆柱形顶塞的插入炮管内的底面的中心插有一根顶针，顶针朝向炮管内侧，起到限位的作用，防止圆柱形子弹将炮管侧壁的进气口堵塞；第二出气控制阀门控制高压气罐中的高压气体经过第二连接管及第二气体转换接头到达炮管，将弹托和圆柱形子弹加速向左发射；圆柱形子弹被加速后撞击压缩入射杆在杆中形成压缩波，压缩波对压缩试样进行压缩加载，压缩试样的应力状态由贴在压缩入射杆和压缩透射杆上的应变片测量得到；
将本发明用作霍普金森拉杆时，双向发射气体炮采用圆筒形子弹和圆筒形顶塞，杆件系统采用拉伸入射杆、拉伸透射杆和应变片；拉伸试样通过螺纹连接在拉伸入射杆和拉伸透射杆之间，炮管、拉伸入射杆、拉伸试样、拉伸透射杆安装时均在同一直线上；圆筒形顶塞外径与炮管内径气密滑动配合，内径与拉伸入射杆的外径滑动配合，通过螺栓固定在炮管左侧顶端；在圆筒形顶塞的插入炮管内的环状底面均匀插入两根顶针，顶针起到限位的作用，防止圆筒形子弹将炮管侧壁的进气口堵塞；拉伸入射杆穿过圆筒形顶塞，伸到炮管内；第 一出气控制阀门控制高压气体通过第一连接管及第一气体转换接口进入炮管，将圆筒形子弹加速向右发射；圆筒形子弹被加速后撞击拉伸入射杆顶端的法兰，在杆中形成拉伸波，拉伸波对拉伸试样进行拉伸加载，拉伸试样的应力状态由贴在拉伸入射杆和拉伸透射杆上的应变片测量得到。
与现有技术相比本发明的有益效果体现在：
本发明的有益效果是，通过双向发射气体炮，克服了传统的霍普金森压杆与霍普金森拉杆因发射气路差异较大，发射方向各异需要分别建立两套独立设备的困难，实现了对霍普金森压杆与霍普金森拉杆的集成，并且装置在两种加载形式之间的可以方便转换。
附图说明
图1是通常的霍普金森压杆装置。
图2是通常的霍普金森拉杆装置。
图3是将本发明用作霍普金森压杆时的装配示意图。
图4是将本发明用作霍普金森拉杆时的装配示意图。
图5是本发明双向气体炮示意图。
图6是图5所示第一气体转换接头401与炮管5连接方式正向剖视图。
图7是图5所示第一气体转换接头401与炮管5连接方式A向剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1给出了通常的霍普金森压杆装置。通常的霍普金森压杆装置由高压气罐1、第二出气控制阀门202、进气控制阀门203、炮管5、弹托9、圆柱形子弹10、压缩入射杆11、压缩透射杆13和应变片18组成。进气控制阀门203安装在高压气罐右侧端面上方，第二出气控制阀门202安装在高压气罐左侧端面中央，炮管5与第二出气控制阀门202之间用密封螺纹连接。圆柱形子弹10通过弹托9的配合，放在炮管5内。压缩入射杆11和压缩透射杆13的杆壁中央粘有应变片18。压缩试样12夹在压缩入射杆11和压缩透射杆13之间。炮管5、压缩入射杆11、压缩试样12、压缩透射杆13安装时均在同一直线上。高压气罐1为一端留有进气孔、一端留有出气孔的圆筒形气缸。进气控制阀门203为通用手动阀，控制气体进入高压气罐1，第二出气控制阀门202为通用手动阀或者电磁阀，控制气体出高压气罐1。炮管5为筒形长管，是子弹的加速通道。弹托9是两个圆环，弹托9的内径与圆柱形子弹10的外径紧密配合，弹托9的外径与炮管5的内径滑动配合。第二出气控制阀门202控制高压气罐1中的高压气体进入炮管5，将弹托9及圆柱形子弹10加速，圆柱形子弹10撞击压缩入射杆11在杆中形成压缩波对压缩试样12进行加载，通过粘在压缩入射杆11和压缩透射杆13上的应变片18测量压缩试样12的抗冲击压缩性能。
图2给出了通常的霍普金森拉杆装置。通常的霍普金森压杆装置由高压气罐1、第一出气控制阀门201、进气控制阀门203、炮管5、圆筒形子弹14、带突出法兰的拉伸入射杆15、拉伸透射杆17和应变片18组成。高压气罐1、第一出气控制阀门201、进气控制阀门203、炮管5、应变片18均与通常的霍普金森压杆相同。拉伸入射杆15从高压气罐1和第一出气控制阀门201的中间穿过。拉伸试样16通过螺纹连接在拉伸入射杆15和拉伸透射杆17之间，炮管5、拉 伸入射杆15、拉伸试样16、拉伸透射杆17安装时均在同一直线上。第一出气控制阀门201控制高压气罐1中的高压气体进入炮管5，将圆筒形子弹14加速，圆筒形子弹14撞击拉伸入射杆15端头的法兰，在杆中形成拉伸波对拉伸试样16进行加载，通过粘在拉伸入射杆15和拉伸透射杆17上的应变片18测量拉伸试样16的抗冲击拉伸性能。
图3是将本发明用作霍普金森压杆时的装配示意图。本发明由双向发射气体炮和杆件系统两个部分组成。用作霍普金森压杆时，双向发射气体炮包括高压气罐1、进气控制阀门203、第一出气控制阀门201和第二出气控制阀门202、第一连接管301、第二连接管302、第一气体转换接头401、第二气体转换接头402、炮管5、圆柱形顶塞6、顶针7、弹托9和圆柱形子弹10；杆件系统包括压缩入射杆11、压缩透射杆13和应变片18。双向发射气体炮的连接方式参见图5，杆件系统的连接方式与图1所示传统霍普金森压杆相同。圆柱形顶塞6是外径与炮管5内径相同的圆柱，通过螺栓固定在炮管5右侧顶端，用于封闭炮管5右端。在圆柱形顶塞6的插入炮管5内的底面的中心插有一根顶针7，顶针7朝向炮管5内侧，起到限位的作用，防止圆柱形子弹10将炮管5侧壁的进气口堵塞。压缩试样12夹在压缩入射杆11和压缩透射杆13之间。第二出气控制阀门202控制高压气罐1中的高压气体经过第二连接管302及第二气体转换接头402到达炮管5，将弹托9和圆柱形子弹10加速向左发射。圆柱形子弹10被加速后撞击压缩入射杆11在杆中形成压缩波，压缩波对压缩试样12进行压缩加载。压缩试样12的应力状态由贴在压缩入射杆11和压缩透射杆13上的应变片18测量得到。
图4是将本发明用作霍普金森拉杆时的装配示意图。用作霍普金森拉杆时， 双向发射气体炮包括：高压气罐1、进气控制阀门203、第一出气控制阀门201、第二出气控制阀门202、第一连接管301、第二连接管302、第一气体转换接头401、第一气体转换接头402、炮管5、圆筒形顶塞8、顶针7、圆筒形子弹14；杆件系统包括：拉伸入射杆15、拉伸透射杆17和应变片18。双向发射气体炮的连接方式参见图5，杆件系统的连接方式与图2所示传统霍普金森拉杆相同。圆筒形顶塞8外径与炮管5内径气密滑动配合，内径与拉伸入射杆15的外径滑动配合，通过螺栓固定在炮管5左侧顶端，用于封闭炮管5左端。在圆筒形顶塞8的插入炮管5内的环状底面均匀插入两根顶针7，顶针7起到限位的作用，防止圆筒形子弹14将炮管5侧壁的进气口堵塞。拉伸入射杆15穿过圆筒形顶塞8，伸到炮管5内。拉伸试样16通过螺纹连接在拉伸入射杆15和拉伸透射杆17之间。第一出气控制阀门201控制高压气罐1中的高压气体通过第一连接管301及第一气体转换接口401进入炮管5，将圆筒形子弹14加速向右发射。圆筒形子弹14被加速后撞击拉伸入射杆15顶端的法兰，在杆中形成拉伸波，拉伸波对拉伸试样16进行拉伸加载。拉伸试样16的应力状态由贴在拉伸入射杆15和拉伸透射杆17上的应变片18测量得到。
图5是本发明双向发射气体炮示意图。双向发射气体炮由高压气罐1、第一出气控制阀门201、第二出气控制阀门202、进气控制阀门203、第一连接管301、第二连接管302、第一气体转换接头401、第二气体转换接头402、炮管5、圆柱形顶塞6、顶针7和圆筒形顶塞8组成。圆柱形顶塞6和圆筒形顶塞8不同时使用，圆柱形顶塞6用虚线表示。高压气罐1为一端留有进气孔、两端均留有出气孔的圆筒形气缸。炮管5为筒形长管，炮管5与第一气体转换接头401和第二气体转换接头402连接处的侧壁分别对称分布至少三个进气孔，使得气体 转换接头内壁受力均匀，以保证气密性；第一出气控制阀门201、第二出气控制阀门202为通用手动阀或者电磁阀，进气控制阀门203控制气体进入高压气罐1，第一出气控制阀门201、第二出气控制阀门202控制气体出高压气罐1。第一连接管301、第二连接管302为常用的橡胶软管，用作气体的通路。第一气体转换接头401是改变气体方向将气体导入到炮管5的装置，是一内部有空腔、三面开孔的方体或圆柱体结构，其中正对两面的通孔孔径等于炮管5的外径，另一面的盲孔内径与第一连接管301匹配。第二气体转换接头402与第一气体转换接头401结构相同。进气控制阀门203安装在高压气罐1的进气口上。第一出气控制阀门201安装在高压气罐1左端的出气口上，依次通过密封螺纹连接第一连接管301、第一气体转换接头401的盲孔。第一气体转换接头401通过正对两面的通孔套在炮管5左端，通孔内侧和炮管5之间加密封圈封闭。第二出气控制阀门202安装在高压气罐1右端的出气口上，依次通过密封螺纹连接第二连接管302、第二气体转换接头402的盲孔。第二气体转换接头402通过正对两面的通孔套在炮管5右端，通孔内侧和炮管5之间加密封圈封闭。
图6是图5所示第一气体转换接头401与炮管5连接方式正向剖视图。图7是图5所示第一气体转换接头401与炮管5连接方式A向剖视图。第一气体转换接头401通过正对两面的通孔套在炮管5外，通孔内侧和炮管5之间加密封圈封闭。高压气体进入第一气体转换接头401后，充满其内部空腔，通过炮管5侧壁均布的进气孔进入炮管5内，炮管5与第一气体转换接头401连接处的侧壁均布的进气孔19至少三个，这里以四个为例。在此过程中，由于第一气体转换接头401的左右内壁受力相等，所以不会前后运动，只需要保证与炮管5外壁的气密性配合。第二气体转换接头402与炮管5的连接方式与第二气体转换 接头401一样。
Claims (4)
1.一种压拉通用霍普金森杆装置，由气体炮和杆件系统组成，其特征在于气体炮是双向发射气体炮，双向发射气体炮由高压气罐(1)、第一出气控制阀门(201)、第二出气控制阀门(202)、进气控制阀门(203)、第一连接管(301)、第二连接管(302)、第一气体转换接头(401)、第二气体转换接头(402)、炮管(5)、圆柱形顶塞(6)、顶针(7)、圆筒形顶塞(8)、弹托(9)、圆柱形子弹(10)、圆筒形子弹(14)组成；杆件系统由压缩入射杆(11)、压缩透射杆(13)、拉伸入射杆(15)、拉伸透射杆(17)和应变片(18)组成，压缩入射杆(11)、压缩透射杆(13)、拉伸入射杆(15)及拉伸透射杆(17)上分别粘贴有应变片(18)，拉伸入射杆(15)一端带有突出法兰；高压气罐(1)为一端留有气罐进气孔、两端均留有气罐出气孔的圆筒形气缸；炮管(5)为筒形长管，炮管(5)与第一气体转换接头(401)和第二气体转换接头(402)连接处的侧壁分别对称分布有炮管进气孔(19)；第一出气控制阀门(201)、第二出气控制阀门(202)为通用手动阀或者电磁阀，进气控制阀门(203)控制气体进入高压气罐(1)，第一出气控制阀门(201)、第二出气控制阀门(202)控制气体出高压气罐(1)；第一连接管(301)、第二连接管(302)为橡胶软管；第一气体转换接头(401)是改变气体方向将气体导入到炮管(5)的装置，是一内部有空腔、三面开孔的方体或圆柱体结构，第二气体转换接头(402)与第一气体转换接头(401)结构相同；进气控制阀门(203)安装在高压气罐(1)的气罐进气孔上，第一出气控制阀门(201)安装在高压气罐(1)左端的气罐出气孔上，依次 通过密封螺纹连接第一连接管(301)、第一气体转换接头(401)的盲孔；第一气体转换接头(401)通过通孔套在炮管(5)左端，通孔内侧和炮管(5)之间加密封圈封闭；第二出气控制阀门(202)安装在高压气罐(1)右端的气罐出气孔上，依次通过密封螺纹连接第二连接管(302)、第二气体转换接头(402)的盲孔；第二气体转换接头(402)通过通孔套在炮管(5)右端，通孔内侧和炮管(5)之间加密封圈封闭；将所述压拉通用霍普金森杆装置用作霍普金森压杆时，双向发射气体炮采用弹托(9)、圆柱形子弹(10)和圆柱形顶塞(6)，杆件系统采用压缩入射杆(11)、压缩透射杆(13)和应变片(18)；压缩试样(12)夹在压缩入射杆(11)和压缩透射杆(13)之间，炮管(5)、压缩入射杆(11)、压缩试样(12)、压缩透射杆(13)安装时均在同一直线上；圆柱形顶塞(6)是外径与炮管(5)内径相同的圆柱，通过螺栓固定在炮管(5)右侧顶端；在圆柱形顶塞(6)的插入炮管(5)内的底面的中心插有一根顶针(7)，顶针(7)朝向炮管(5)内侧；第二出气控制阀门(202)控制高压气罐(1)中的高压气体经过第二连接管(302)及第二气体转换接头(402)到达炮管(5)，将弹托(9)和圆柱形子弹(10)加速向左发射；圆柱形子弹(10)被加速后撞击压缩入射杆(11)在杆中形成压缩波，压缩波对压缩试样(12)进行压缩加载，压缩试样(12)的应力状态由贴在压缩入射杆(11)和压缩透射杆(13)上的应变片(18)测量得到；将所述压拉通用霍普金森杆装置用作霍普金森拉杆时，双向发射气体炮采用圆筒形子弹(14)和圆筒形顶塞(8)，杆件系统采用拉伸入射杆(15)、拉伸透射杆(17)和应变片(18)；拉伸试样(16)通过螺纹连接在拉伸入 射杆(15)和拉伸透射杆(17)之间，炮管(5)、拉伸入射杆(15)、拉伸试样(16)、拉伸透射杆(17)安装时均在同一直线上；圆筒形顶塞(8)外径与炮管(5)内径气密滑动配合，内径与拉伸入射杆(15)的外径滑动配合，通过螺栓固定在炮管(5)左侧顶端；在圆筒形顶塞(8)的插入炮管(5)内的环状底面均匀插入两根顶针(7)；拉伸入射杆(15)穿过圆筒形顶塞(8)，伸到炮管(5)内；第一出气控制阀门(201)控制高压气罐(1)中的高压气体通过第一连接管(301)及第一气体转换接头(401)进入炮管(5)，将圆筒形子弹(14)加速向右发射；圆筒形子弹(14)被加速后撞击拉伸入射杆(15)顶端的法兰，在杆中形成拉伸波，拉伸波对拉伸试样(16)进行拉伸加载，拉伸试样(16)的应力状态由贴在拉伸入射杆(15)和拉伸透射杆(17)上的应变片(18)测量得到。
2.如权利要求1所述的压拉通用霍普金森杆装置，其特征在于所述高压气罐(1)的气罐出气孔的内径与炮管(5)内径相同。
3.如权利要求1所述的压拉通用霍普金森杆装置，其特征在于所述第一气体转换接头(401)、第二气体转换接头(402)的正对两面的通孔孔径等于炮管(5)的外径，另一面的盲孔内径分别与第一连接管(301)、第二连接管(302)匹配。
4.如权利要求1所述的压拉通用霍普金森杆装置，其特征在于所述炮管(5)与第一气体转换接头(401)和第二气体转换接头(402)连接处的侧壁分别对称分布至少三个炮管进气孔(19)，所有炮管进气孔(19)面积之和等于炮管(5)横截面积。
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