CN102109436A

CN102109436A - 一种电磁冲击动态拉伸试验方法及装置

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Publication number: CN102109436A
Application number: CN 201010603978
Authority: CN
Inventors: 姜银方; 钱晓明; 姜文帆; 张永康; 戴峰泽; 黄勤; 何玉中; 管海兵
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2010-12-24
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2030-12-24
Also published as: CN102109436B

Abstract

本发明涉及一种电磁冲击动态拉伸试验方法及装置，涉及材料动态拉伸力学性能试验技术领域，本发明采用电磁脉冲加载，将拉伸试件（8）穿过电磁脉冲装置（16）的中心孔，电磁脉冲装置（16）激发强脉冲磁场，在靶材（14）和电磁脉冲线圈（18）之间产生电磁力的作用，使安装在靶材（14）和支架（10）间的拉伸试件（8）获得直接的瞬间拉力，完成拉伸试件（8）的动态拉伸试验。本发明方法与装置用于测量材料在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

一种电磁冲击动态拉伸试验方法及装置

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，特别是一种可实现电磁冲击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电磁高能、高应变率的方式对靶材进行冲击拉伸加载，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：

本发明采用电磁脉冲加载，将拉伸试件穿过电磁脉冲装置的中心孔，电磁脉冲装置激发强脉冲磁场，在靶材和电磁脉冲线圈之间产生电磁力的作用，使安装在靶材和支架间的拉伸试件获得直接的瞬间拉力，完成拉伸试件的动态拉伸试验。

一种电磁冲击动态拉伸试验装置包括计算机中央处理单元，电磁脉冲控制器，电磁力发生系统，夹具A，支架，定距支撑，光学引伸仪，导轨，靶材，夹具B，电磁脉冲装置。计算机中央处理单元连接电磁脉冲控制器，电磁脉冲控制器连接电磁力发生系统，电磁力发生系统连接电磁脉冲装置。电磁脉冲装置上方设有支架，电磁脉冲装置下方设有靶材，支架与靶材通过定距支撑连接，定距支撑调节支架与靶材之间的距离，靶材设于导轨上、沿导轨上下移动，支架与靶材上都设有中心孔，该中心孔的轴线与电磁脉冲装置的中心孔轴线在同一轴线上。支架的中心孔处设有夹具A，靶材的中心孔处设有夹具B，拉伸试件穿过电磁脉冲装置的中心孔通过夹具A和夹具B固定。在支架上设有应力传感器，应力传感器与计算机中央处理单元连接；在电磁脉冲装置旁设有光学引伸仪，光学引伸仪与计算机中央处理单元连接。

计算机中央处理单元通过电磁脉冲控制器控制脉冲储能电容器组的充放电时间，开始放电开关是断开的，充电开关是导通的，充电装置向脉冲储能电容器组充电，使其存储足够的能量，达到工作电压要求后，通过电磁脉冲控制器控制放电开关导通，充电开关断开，脉冲储能电容器组对电磁脉冲装置中电磁脉冲线圈快速放电，产生高压强脉冲电流，从而激发强脉冲磁场，在靶材和电磁脉冲线圈之间产生电磁力的作用。应力传感器、光学引伸仪测得的拉伸试件在电磁冲击载荷作用下各传感器处的应力和位移信号。

电磁冲击动态拉伸试验方法的具体步骤为：

（1）根据试验要求制作拉伸试件；

（2）将拉伸试件穿过电磁脉冲装置的中心孔，拉伸试件两端分别固定在支架和靶材上，定距支撑安装于支架与靶材之间，应力传感器安装于支架上，光学引伸仪安装在拉伸试件侧旁；

（3）调节电磁脉冲装置参数和电磁力发生系统装置参数，使参数满足试验要求；

（4）电磁脉冲控制器启动电磁力发生系统，电磁脉冲装置激发强脉冲磁场，在靶材和电磁脉冲线圈之间产生电磁力的作用，使安装在靶材和支架间的拉伸试件瞬间受力并失稳拉断；

（5）计算机中央处理单元记录和处理应力传感器、光学引伸仪测得的拉伸试件在电磁冲击载荷作用下各传感器处的应力和位移信号；

（6）根据计算结果绘制电磁冲击高应变率条件下拉伸试件的动态应力应变关系曲线。

本发明的技术方案之二：

本发明采用电磁脉冲加载实现拉伸试件的动态拉伸试验，电磁脉冲装置产生脉冲磁场使靶材内产生涡流形成磁场，从而在靶材和电磁脉冲线圈之间产生电磁力的作用，使安装在靶材和支架间的拉伸试件获得直接的瞬间拉力。

本发明通过改变靶材离电磁脉冲线圈的间隙2mm～10mm，放电能量0kJ～100kJ，电压0.3kV～20kV，电容20μF～1600μF来调整电磁场作用在靶材上的力的大小，从而可以根据不同的材料及不同的需求调节各种参数，以实现不同材料不同应变率的动态拉伸的试验。

本发明有益效果：

（1）本发明通过改变电磁脉冲的工件离电磁脉冲线圈的间隙2mm～10mm，放电能量0kJ～100kJ，电压0.3kV～20kV，电容20μF～1600μF来来调整电磁场作用在靶材上的力的大小，从而可以根据不同的材料及不同的需求调节各种参数，以实现不同材料不同高应变率条件下的动态拉伸的试验，而传统方法难以控制。

（2）放电能量能够准确地控制，重复性好，有利实现相同条件下重复试验，保证试验结果的准确稳定。

（3）由于电磁冲击是以磁场作介质，冲击过程无机械接触，对工作环境或工件均不污染。

（4）试验过程简单，试件装夹方便，可以进行直接的动态拉伸试验；而且试验影响因素少，后处理计算简单，试验费用较低。

（5）可以进行不同类型，不同材料的拉伸试验。

附图说明

图1为电磁冲击动态伸试验装置示意图。

图中，1.计算机中央处理单元；2.电磁脉冲控制器；3.充电装置；4.充电开关；5.脉冲储能电容器组；6.放电开关；7.电磁力发生系统；8.拉伸试件；9.夹具A；10支架；11.定距支撑；12.光学引伸仪；13.导轨；14.靶材；15.夹具B；16.电磁脉冲装置；17.集磁器；18.电磁脉冲线圈。

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，所述的电磁冲击动态拉伸试验装置包括：计算机中央处理单元1，电磁脉冲控制器2，充电装置3，充电开关4，脉冲储能电容器组5，放电开关6，电磁力发生系统7，夹具A9，支架10，定距支撑11，光学引伸仪12，导轨13，靶材14，夹具B15，电磁脉冲装置16，集磁器17，电磁脉冲线圈18。

计算机中央处理单元1通过电磁脉冲控制器2控制脉冲储能电容器组5的充放电时间，开始放电开关6是断开的，充电开关4是导通的，充电装置3向脉冲储能电容器组5充电，使其存储足够的能量，达到工作电压要求后，通过电磁脉冲控制器2控制放电开关6导通，充电开关4断开，脉冲储能电容器组5对电磁脉冲装置16中电磁脉冲线圈18快速放电，产生高压强脉冲电流，从而激发强脉冲磁场，在靶材14和电磁脉冲线圈18之间产生电磁力的作用。应力传感器、光学引伸仪12测得的拉伸试件8在电磁冲击载荷作用下各传感器处的应力和位移信号。

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支架10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。所述光学引伸仪12在拉伸试件8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，当拉伸试件8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。

本发明采用电磁脉冲加载实现拉伸试件8的动态拉伸试验，电磁脉冲装置16产生脉冲磁场使靶材14内产生涡流形成磁场，从而在靶材14和电磁脉冲线圈18之间产生电磁力的作用，使安装在靶材14和支架10间的拉伸试件8获得直接的瞬间拉力。

本发明通过改变靶材14离电磁脉冲线圈18的间隙2mm～10mm，放电能量0kJ～100kJ，电压0.3kV～20kV，电容20μF～1600μF来调整电磁场作用在靶材14上的力的大小，从而可以根据不同的材料及不同的需求调节各种参数，以实现不同材料不同应变率的动态拉伸的试验。

本发明的具体实过程为：

根据试验要求制作拉伸试件8，拉伸试件8形状根据试验要求制作，截面尺寸适当，保证试验中能将拉伸试样8拉断；将拉伸试件8穿过电磁脉冲装置16的中心孔，两端分别固定在支架10和靶材14上，定距支撑11安装于支架10与靶材14之间，应力传感器安装于支架10上，光学引伸仪12安装在拉伸试件8侧旁；调节电磁脉冲装置16参数和电磁力发生系7统装置参数，使参数满足试验要求；电磁脉冲控制器2启动电磁力发生系统7，电磁脉冲装置16激发强脉冲磁场，在靶材14和电磁脉冲线圈18之间产生电磁力的作用，使安装在靶材14和支架10间的拉伸试件8瞬间受力并失稳拉断；计算机中央处理单元1记录和处理应力传感器、光学引伸仪12测得的拉伸试件8在电磁冲击载荷作用下各传感器处的应力和位移信号；根据计算结果绘制电磁冲击高应变率条件下拉伸试件8的动态应力应变关系曲线。在拉伸试件8加载过程中，应力传感器记录的支架10应变片处的应力为

Figure 2010106039789100002DEST_PATH_IMAGE002

，通过计算可得到试件8的应力为，光学引伸仪12记录拉伸试件8标距段移动的距离为

Figure 2010106039789100002DEST_PATH_IMAGE004

，则拉伸试件8应变为

，其中

为拉伸试件8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

Figure 2010106039789100002DEST_PATH_IMAGE009

为材料的动态弹性模量。

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

1.一种电磁冲击动态拉伸试验的方法，其特征在于，采用电磁脉冲装置（16）激发强脉冲磁场，在靶材（14）和电磁脉冲线圈（18）之间产生电磁力的作用，拉伸试件（8）穿过电磁脉冲装置（16）的中心孔，安装在靶材（14）和支架（10）间，拉伸试件（8）在脉冲电磁力的作用下获得直接的瞬间拉力，完成拉伸试件（8）的动态拉伸试验。

2.根据权利要求1所述的一种电磁冲击动态拉伸试验方法，其特征在于，具体步骤为：

（A）根据试验要求制作拉伸试件（8）；

（B）将拉伸试件（8）穿过电磁脉冲装置（16）的中心孔，两端分别固定在支架（10）和靶材（14）上，定距支撑（11）安装于支架（10）与靶材（14）之间，应力传感器安装于支架（10）上，光学引伸仪（12）安装在拉伸试件（8）侧旁；

（C）调节电磁脉冲装置（16）参数和电磁力发生系统（7）装置参数，使参数满足试验要求；

（D）电磁脉冲控制器（2）启动电磁力发生系统（7），电磁脉冲装置（16）激发强脉冲磁场，在靶材（14）和电磁脉冲线圈（18）之间产生电磁力的作用，使安装在靶材（14）和支架（10）间的拉伸试件（8）瞬间受力并失稳拉断；

（E）计算机中央处理单元（1）记录和处理应力传感器、光学引伸仪（12）测得的拉伸试件（8）在电磁冲击载荷作用下各传感器处的应力和位移信号；

（F）根据计算结果绘制电磁冲击高应变率条件下拉伸试件（8）的动态应力应变关系曲线。

3.根据权利要求1或2所述的一种电磁冲击动态拉伸试验方法，其特征在于，通过改变靶材（14）离电磁脉冲线圈（18）的间隙2mm～10mm，放电能量0kJ～100kJ，电压0.3kV～20kV，电容20μF～1600μF来调整电磁场作用在靶材（14）上的力的大小和材料动态拉伸的应变率。

4.一种实施权利要求1所述的电磁冲击动态拉伸试验方法的装置，其特征在于，包括夹具A（9），支架（10），定距支撑（11），光学引伸仪(12)，导轨(13)，靶材(14)，夹具B(15)，电磁脉冲装置(16)；，电磁脉冲装置(16)上方设有支架(10)，电磁脉冲装置(16)下方设有靶材(14)，支架(10)与靶材(14)通过定距支撑(11)连接，定距支撑(11)调节支架(10)与靶材(14)之间的距离，靶材(14)设于导轨(13)上、沿导轨(13)上下移动，支架(10)与靶材(14)上都设有中心孔，该中心孔的轴线与电磁脉冲装置(16)的中心孔轴线在同一轴线上；支架(10)的中心孔处设有夹具A(9)，靶材(14)的中心孔处设有夹具B(15)，拉伸试件(8)穿过电磁脉冲装置(16)的中心孔通过夹具A(9)和夹具B(15)固定；在支架(10)上设有应力传感器；在电磁脉冲装置(16)旁设有光学引伸仪(12)。

5.根据权利要求4所述的一种电磁冲击动态拉伸试验装置，其特征在于，还包括电磁脉冲控制器（2），电磁力发生系统（7），所述电磁脉冲控制器（2）连接电磁力发生系统（7），电磁力发生系统（7）连接电磁脉冲装置（16）。

6.根据权利要求5所述的一种电磁冲击动态拉伸试验装置，其特征在于，还包括计算机中央处理单元（1），所述计算机中央处理单元（1）连接电磁脉冲控制器（2），所述应力传感器与计算机中央处理单元（1）连接，所述光学引伸仪（12）与计算机中央处理单元（1）连接。