CN102072841A

CN102072841A - 一种环形激光冲击动态拉伸试验方法与装置

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Publication number: CN102072841A
Application number: CN 201010603795
Authority: CN
Inventors: 姜银方; 钱晓明; 方雷; 姜文帆; 管海兵; 张永康; 汪建敏
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2010-12-24
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2030-12-24
Also published as: CN102072841B

Abstract

本发明涉及一种环形激光冲击动态拉伸试验方法与装置，涉及材料动态拉伸力学性能试验技术领域，本发明采用高功率环形脉冲激光将试件包容在激光束中空部分，环形脉冲激光空心穿过试件，冲击靶材，使安装在支架和靶材间的试件获得瞬间拉力，以完成试件的冲击动态拉伸试验。本发明方法与装置用于测量材料在超高应变状态下的动态应力应变关系，装置结构简单、试验过程简便，可以进行直接的动态拉伸试验；可进行不同高应变率和超高应变率条件下材料动态拉伸试验，成本低廉，有良好的运用前景。

Description

一种环形激光冲击动态拉伸试验方法与装置

技术领域

本发明涉及材料动态拉伸力学性能试验技术领域，特别是一种可实现激光冲击波加载动态条件下高应变率拉伸试验的方法与装置。

背景技术

在各类工程技术、军事技术和科学研究等广泛领域的一系列实际问题中，甚至就在日常生活中，人们都会遇到各种各样的爆炸、冲击载荷问题，并且可以观察到，物体在爆炸、冲击载荷下的力学响应往往与静载荷下的有显著不同，了解材料在冲击加载条件下的力学响应必将大大有助于这些材料的工程应用和工程设计。此外，数值模拟已在工程设计中发挥着重要作用，而进行数值模拟的前提是必须首先建立一个基于材料在各种应变率下（尤其是在动态应变率下）的精确应力－应变曲线基础上的本构模型。所以，获得一套材料在高应变率下的应力—应变曲线则成为首要任务。尽管人们已经研制了多种动态实验技术，但是研制一种方便、高效的、精确的高应变率实验装置是非常重要的。

关于材料的动态性能测试方法有Hopkinson杆、分段式Hopkinson杆等，这些方法都是采用传统的物块撞击、子弹或炸药爆炸产生冲击波加载，应用Hopkinson杆原理，使材料产生间接的高应变速率动态拉伸作用。其方法使材料产生应变速率相对较低，是间接拉伸，且加载方法过程复杂，影响因素多，计算复杂，试验费用很高。

基于此，本专利首次提出采用激光高压、高能、超快、超高应变率的方式对靶材进行冲击加载，以此测量高应变率下的材料动态力学性能参数。

发明内容

本发明的目的是能克服上述缺点，提供一种经济、简便、直接的动态拉伸试验方法与装置，以获得不同应变速率及高应变速率下材料的应力应变关系。

本发明的技术方案之一：

一种环形激光冲击拉伸试验装置包括高功率脉冲激光器，45°全反镜E，光斑调节装置，轮辐式支架，定距支撑，夹具A，夹具B，靶材，光学玻璃片，导轨A，导轨B，吸收层，触发器，步进电机，计算机，激光电源，应力传感器，光学引伸仪，辅助位移传感器；所述的高功率脉冲激光器包括：全反镜，KD*P晶体，偏振器，孔径光阑，YAG晶体A，YAG晶体B，YAG晶体C，YAG晶体D，YAG晶体E，YAG晶体F，输出镜，隔离器，扩束镜A，扩束镜B，扩束镜C，45°全反镜A，45°全反镜B，45°全反镜C，45°全反镜D，45°半透半反镜，中继望远系统A，中继望远系统B，光束合并器；所述光斑调节装置包括：扩束镜D，会聚透镜，圆锥透镜A，圆锥透镜B；高功率脉冲激光器出光前方设有45°全反镜E，45°全反镜E下方设有光斑调节装置，光斑调节装置位于轮辐式支架上方，靶材设于导轨A上、沿导轨A上下移动，靶材激光照射面依次贴有吸收层和光学玻璃片，轮辐式支架和靶材通过定距支撑，定距支撑调节轮辐式支架和靶材之间的距离，轮辐式支架和靶材中间设有中心孔，轮辐式支架中心孔处设有夹具A，靶材中心孔处设有夹具B，试件通过夹具A和夹具B固定，在轮辐式支架上设有应力传感器，在试件旁设有光学引伸仪。

本发明采用高功率环形脉冲激光将试件包容在激光束中空部分，环形脉冲激光空心穿过试件，环形脉冲激光到达靶材冲击区域被吸收层吸收产生等离子体，等离子体爆炸产生的冲击波冲击靶材，使安装在靶材和轮辐式支架间的试件获得直接的瞬间拉力，完成试件的冲击动态拉伸试验。

环形激光冲击动态拉伸试验方法的具体步骤为：

（1）根据试验要求制作试件；

（2）靶材的激光照射面依次贴上吸收层和光学玻璃片；

（3）将试件两端分别固定在轮辐式支架和靶材上，定距支撑安装于轮辐式支架与靶材之间，应力传感器安装于轮辐式支架上，光学引伸仪安装在试件侧旁，辅助位移传感器安装于靶材下方；

（4）调节高功率脉冲激光器参数（激光能量，激光脉宽），使参数满足试验要求；

（5）通过光斑调节装置调节所输出的环形脉冲激光的环形光斑内径和环形光斑外径，使环形脉冲激光穿过轮辐式支架，将夹具A和试件包容在环形脉冲激光环形部分，环形脉冲激光到达靶材冲击区域被吸收层吸收产生等离子体，等离子体爆炸产生的冲击波冲击靶材，使安装在靶材和轮辐式支架间的试件获得瞬间拉力，试件在高应变速率下产生拉伸变形并拉断；

（6）计算机记录和处理应力传感器、光学引伸仪和辅助位移传感器测得的试件在冲击载荷作用下各传感器处的应力和位移信号；

（7）根据计算结果绘制激光冲击高应变率条件下试件的动态应力应变关系曲线。

本发明的技术方案之二：

本发明通过调节高功率脉冲激光器中谐振腔抽运功率来改变脉冲激光的脉宽，激光脉宽为1ns～100ns可调；所述谐振腔包括：全反镜，KD*P晶体，偏振器，孔径光阑，YAG晶体A，输出镜；脉冲激光脉冲能量在0J～100J可调。

本发明的技术方案之三：

通过步进电机驱动，调节圆锥透镜A与圆锥透镜B的间距d₁来调节环形脉冲激光的内径；调节圆锥透镜B和靶材激光照射面的间距d₂来调节环形脉冲激光外径。本发明中环形光斑调节装置调节的环形光斑内径为1mm～40mm，保证环形脉冲激光环形部分包容夹具A和试件；环形光斑外径为1mm～60mm。

本发明有益效果：

（1）试验过程简单，试件装夹方便，可以进行直接动态拉伸试验。

（2）通过改变激光脉宽、能量、环形光斑直径等激光参数来调整冲击压力(冲击波峰压达GPa量级)的大小，得到材料在不同应变率和高应变率条件下动态拉伸性能，可进行超高应变率的动态拉伸试验。

（3）加载过程简单，影响因素少，计算简单，试验费用较低。

（4）可以进行不同类型，不同材料的拉伸试验。

附图说明

图1为激光冲击拉伸试验装置示意图。

图2为激光冲击拉伸试验冲击靶示意图。

图中，1.全反镜，2.KD*P晶体，3.偏振器，4.孔径光阑，5.YAG晶体A，6.输出镜，7.隔离器，8.扩束镜A，9.YAG晶体B，10.45°全反镜A，11.45°全反镜B，12.45°全反镜C，13.45°半透半反镜，14.扩束镜B，15.YAG晶体C，16.中继望远系统A，17.YAG晶体D，18.45°全反镜D，19.扩束镜C，20.YAG晶体E，21中继望远系统B，22.YAG晶体F，23.光束合并器，24.45°全反镜E，25.扩束镜D，26.会聚透镜，27.圆锥透镜A，28.圆锥透镜B，29.夹具A，30.轮辐式支架，31.定距支撑，32.试件，33.环形脉冲激光，34.光学玻璃片，35.吸收层，36.导轨A，37.靶材，38.夹具B，39.光源，40.光纤，41.光电转换器，42.光斑外径调节间距d₂，43.光斑内径调节间距d₁，44.导轨B，45.步进电机，46.触发器，47.计算机，48.激光电源，49.高功率脉冲激光器，50.光斑调节装置，51.光学引伸仪，370.冲击区域，371.安装孔。

具体实施方式

下面结合图1详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。

如图1所示，所述的一种激光冲击动态拉伸试验装置包括：高功率脉冲激光器49，45°全反镜E24，光斑调节装置50，轮辐式支架30，定距支撑31，夹具A29，夹具B38，靶材37，光学玻璃片34，导轨A36，导轨B44，吸收层35，触发器46，步进电机45，计算机47，激光电源48，应力传感器，光学引伸仪51，辅助位移传感器；所述的高功率脉冲激光器49包括：全反镜1，KD*P晶体2，偏振器3，孔径光阑4，YAG晶体A5，YAG晶体B9，YAG晶体C15，YAG晶体D17，YAG晶体E20，YAG晶体F22，输出镜6，隔离器7，扩束镜A8，扩束镜B14，扩束镜C19，45°全反镜A10，45°全反镜B11，45°全反镜C12，45°全反镜D18，45°半透半反镜13，中继望远系统A16，中继望远系统B21，光束合并器23；所述光斑调节装置50包括：扩束镜D25，会聚透镜26，圆锥透镜A27，圆锥透镜B28；高功率脉冲激光器49由激光电源48提供能量，夹具将试件32两端分别夹持在轮辐式支架30和靶材37上，定距支撑31位于轮辐式支架30与靶材37之间，轮辐式支架30固定，轮辐式支架30上安装应力传感器，靶材37安放在导轨A36上，光学引伸仪51安装在试件侧旁，辅助位移传感器安装于靶材37下方，靶材37的激光照射面依次贴有吸收层35和光学玻璃片34，触发器46安放在环形脉冲激光33出口处；光斑调节装置50中圆锥透镜A27，圆锥透镜B28安装在导轨B44上，由步进电机45驱动；激光电源48，应力传感器，光学引伸仪51，辅助位移传感器，触发器46，步进电机45分别与计算机47相连。

所述应力传感器采用轮辐式应力传感器，可以承受大载荷，固有频率高，四个电阻应变片分别粘贴在轮辐式支架30的轮辐的侧面，且45°斜线交叉成直角的两应变片大小相等、符号相反，轮辐式支架与应变片上分别涂覆背光硅胶材料，减小激光对轮辐和应变片传感器造成的影响。所述辅助位移传感器包括：光源39，光电转换器41，光纤40；所述光学引伸仪51在试件上相距的位置(标距段)平行地粘贴两根光纤，激光器发出的激光经光纤照射在PSD器件光敏面上，PSD的位置可通过三维调整架调整，当试件发生变形时，光纤随试件移动，PSD器件输出与位移成正比的信号，经信号处理电路处理后输出与标距段变形成正比的电压信号，波形存储器采样后得到变形-时间曲线；所述辅助位移传感器为反射式光纤位移传感器，来自光源39的光束，经过光纤40传输，照射到被测物体时发生散射，入射光的散射强度将随位移d的大小而变化，则经过光纤40被光电转换器41接收到反射光束的光强发生变化，以致有光电转换器41转换为电压的信号也在变化，在一定范围内，其输出电压U与位移d呈线性关系，该传感器动态响应快，适合高频位移测量。

本发明通过调节高功率脉冲激光器49中谐振腔抽运功率来改变脉冲激光的脉宽，获得不同高应变率条件下试件32的应力应变曲线；所述谐振腔包括：全反镜1，KD*P晶体2，偏振器3，孔径光阑4，YAG晶体A5，输出镜6。

本发明中环形脉冲激光33脉宽为1ns～100ns可调，能量在0～100J可调；光斑调节装置50调节的环形脉冲激光33内径为1mm～40mm，保证环形脉冲激光33的环形部分包容夹具A29和试件32，外径为1mm～60mm，保证环形脉冲激光33充分聚焦；从而调整冲击波压力的大小和冲击作用时间。

本发明通过步进电机45驱动，调节圆锥透镜A27，圆锥透镜B28的间距d₁43来调节环形脉冲激光33的内径；调节圆锥透镜B28和靶材37激光照射面的间距d₂42来调节环形脉冲激光33外径。

本发明的具体实施步骤如下：

（1）根据试验要求制作试件32。

（2）将试件32两端分别固定在轮辐式支架30和靶材37上，定距支撑31安装于轮辐式支架30与靶材37之间，轮辐式支架30固定在床身上，靶材37安放在导轨A36上，靶材37的激光照射面依次贴有吸收层35和光学玻璃片34，应力传感器安装于轮辐式支架30上，光学引伸仪51安装在试件侧旁，辅助位移传感器安装于靶材37下方。

（3）调节高功率脉冲激光器49参数和环形脉冲激光33参数，使参数满足试验要求，所述高功率脉冲激光器49参数包括：激光能量，激光脉宽；所述环形脉冲激光33参数包括：环形光斑内径，环形光斑外径。

（4）计算机47控制高功率脉冲激光器49工作，由高功率脉冲激光器49输出的激光通过光斑调节装置50输出环形脉冲激光33，环形脉冲激光33穿过轮辐式支架30，将夹具A29和试件32包容在环形脉冲激光33环形部分，环形脉冲激光33到达靶材37冲击区域370被吸收层35吸收产生等离子体，等离子体爆炸产生的冲击波冲击靶材37，使安装在靶材37和轮辐式支架30间的试件32获得瞬间拉力，试件32在高应变速率下产生拉伸变形并拉断；计算机47记录应力传感器，光学引伸仪51和辅助位移传感器测得的试件32在冲击载荷作用下各传感器处的应力和位移信号。

（5）通过计算得到激光冲击高应变率条件下试件32的动态应力应变关系曲线。在试件32加载过程中，应力传感器记录的轮辐式支架30应变片处的应力为

Figure 2010106037957100002DEST_PATH_IMAGE003

，通过计算可得到试件32的应力为

，光学引伸仪51记录试件32标距段移动的距离为

Figure 2010106037957100002DEST_PATH_IMAGE005

，则试件32应变为

，其中

为试件32标距段长度。在t时刻的应变率为

，于是便可得到在该应变率条件下材料的本构关系为，其中为材料的动态弹性模量。辅助位移传感器测量夹具B38处的位移为

Figure 2010106037957100002DEST_PATH_IMAGE011

，该位移对时间的导数便是夹具B38处，即试件32下端在加载过程中的运动速度。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims

1.一种环形激光冲击拉伸试验方法，其特征在于，采用高功率环形脉冲激光环绕试件，试件位于环形脉冲激光中空位置，环形脉冲激光冲击靶材，使安装在支架和靶材间的试件获得瞬间拉力。

2.根据权利要求1所述的环形激光冲击拉伸试验方法，其特征在于，具体步骤为：

（A）根据试验要求制作试件（32）；

（B）靶材（37）的激光照射面依次贴上吸收层（35）和光学玻璃片（34）；

（C）将试件（32）两端分别固定在轮辐式支架（30）和靶材（37）上，定距支撑（31）安装于轮辐式支架（30）与靶材（37）之间，应力传感器安装于轮辐式支架（30）上，光学引伸仪（51）安装在试件侧旁，辅助位移传感器安装于靶材（37）下方；

（D）调节高功率脉冲激光器（49）参数，使参数满足试验要求；

（E）通过光斑调节装置（50）调节输出环形脉冲激光（33）的环形光斑内径和环形光斑外径，使环形脉冲激光（33）穿过轮辐式支架（30），使夹具A（29）和试件（32）位于在环形脉冲激光（33）中空位置，环形脉冲激光（33）到达靶材（37）冲击区域（370）被吸收层（35）吸收产生等离子体，等离子体爆炸产生的冲击波冲击靶材（37），使安装在靶材（37）和轮辐式支架（30）间的试件（32）获得瞬间拉力，试件（32）在高应变速率下产生拉伸变形并拉断；

（F）计算机（47）记录和处理测得在冲击载荷作用下试件（32）的应力和应变数据；

（G）根据计算结果绘制激光冲击高应变率条件下试件（32）的动态应力应变关系曲线。

3.根据权利要求1所述的环形激光冲击拉伸试验方法，其特征在于，所述高功率脉冲激光器（49）发出的激光脉宽为1ns～100ns，能量在0J～100J；光斑调节装置（50）调节的环形光斑内径为1mm～40mm，外径为1mm～60mm。

4.根据权利要求1所述的环形激光冲击拉伸试验方法，其特征在于，所述靶材（37）体系，靶材（37）的激光照射面涂有吸收层（35），并将光学玻璃片（34）置于吸收层（35）上作为约束层；靶材（37）和光学玻璃片（34）的中心区域都开有试件安装孔（371）。

5.一种实施权利要求1所述的环形激光冲击拉伸试验方法的装置，其特征在于，包括高功率脉冲激光器（49），45°全反镜E（24），光斑调节装置（50），轮辐式支架（30），定距支撑（31），夹具A（29），夹具B（38），靶材（37），光学玻璃片（34），导轨A（36），吸收层（35），触发器（46），应力传感器，光学引伸仪（51）；高功率脉冲激光器（49）出光前方设有45°全反镜E（24），45°全反镜E（24）下方设有光斑调节装置（50），轮辐式支架（30）位于光斑调节装置（50）下方；轮辐式支架（30）和靶材（37）通过定距支撑（31）连接，靶材（37）设于导轨A（36）上、沿导轨A（36）上下移动，靶材（37）激光照射面依次贴有吸收层（35）和光学玻璃片（34），定距支撑（31）调节轮辐式支架（30）和靶材（37）之间的距离，轮辐式支架（30）和靶材（37）中间设有中心孔，轮辐式支架（30）中心孔处设有夹具A（29），靶材（37）中心孔处设有夹具B（38），试件（32）通过夹具A（29）和夹具B（38）固定，在轮辐式支架（30）上设有应力传感器，在试件（32）旁设有光学引伸仪（51）。

6.根据权利要求5所述的环形激光冲击拉伸试验方法的装置，其特征在于，通过调节高功率脉冲激光器（49）中谐振腔抽运功率来改变脉冲激光的脉宽；所述谐振腔包括：全反镜（1），KD*P晶体（2），偏振器（3），孔径光阑（4），YAG晶体A（5），输出镜（6）。

7.根据权利要求5所述的环形激光冲击拉伸试验方法的装置，其特征在于，调节光斑调节装置（50）包括扩束镜D（25）、会聚透镜（26）、圆锥透镜A（27）和圆锥透镜B（28），所述扩束镜D（25）、会聚透镜（26）、圆锥透镜A（27）和圆锥透镜B（28）由上至下依次布置。

8.根据权利要求7所述的环形激光冲击拉伸试验方法的装置，其特征在于，还包括步进电机（45），所述步进电机（45）调节光斑调节装置（50）中的圆锥透镜A（27）与圆锥透镜B（28）的间距d₁（43），来调节环形脉冲激光（33）的内径；步进电机（45）调节圆锥透镜B（28）和靶材（37）激光照射面的间距d₂（42）来调节环形脉冲激光（33）外径。