CN102706726B - 一种力电耦合动态断裂实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了力学结构形变及力学实验技术领域中的一种力电耦合动态断裂实验系统，用于实现压电铁电材料在动态力电耦合载荷场下的断裂特性的实验研究。该系统包括动态机械载荷加载单元、动态脉冲电载荷加载单元、绝缘支撑保护单元、动态控制单元、数据采集单元和数据处理单元；动态机械载荷加载单元与绝缘支撑保护单元相连，绝缘支撑保护单元与实验试件相连，动态脉冲电载荷加载单元与实验试件相连，动态控制单元分别与动态机械载荷加载单元、动态脉冲电载荷加载单元和数据采集单元相连，数据采集单元与数据处理单元相连。本发明为压电、铁电的动态断裂性能测试提供了有力的保障。
Description
技术领域
本发明属于力学结构形变及力学实验技术领域，尤其涉及一种力电耦合动态断裂实验系统。
背景技术
压电材料、铁电材料具有特殊的压电和介电性质，在现代科学技术中得到广泛应用，从电力电子、航空航天、核能工程，到机器人智能系统、信息存储系统和智能传感系统等各领域都起到重要作用。一方面，压铁电材料在服役过程中往往受到动态机械载荷和动态脉冲电载荷作用，在动态机械荷载方面：典型的如美俄核武器、高功率微波武器和常规武器战斗部触发引信，利用炸药爆炸等方式产生冲击波，压电铁电陶瓷将去极化，释放电荷，在微秒或亚微秒时间内提供大电流或大电压输出；在动态脉冲电载荷方面：典型的如铁电阴极材料在反向极化方向外加电场脉冲作用下，处于陶瓷-真空界面的大量自由电子发射，使得荧光粉发光，可用于加速器、平板显示、微波源等领域。由于在制备过程中不可避免的存在一些裂纹，在使用过程中由于动态加载，压电铁电器件容易发生失效，开展相关研究有着巨大的工程需求。另一方面，力电耦合动态断裂属于典型的动态、多场耦合物理力学问题，国内外只进行压电、铁电动态断裂的理论研究，还没有实验研究结果报导，开展相关研究有着重要的科学意义。因此，急需研制力电耦合动态断裂试验系统，发展力电耦合动态加载的能力，模拟工程中的实际工况，解决工程问题；同时发现新的动态多场耦合物理现象，满足多场、动态等复杂科学问题的研究需求。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种力电耦合动态断裂实验系统，用于搭建动态多场耦合实验平台，以实现压电铁电材料在动态力电耦合载荷场下的断裂特性的实验研究。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是，一种力电耦合动态断裂实验系统，通过对由压电铁电材料制成的实验试件施加动态机械载荷和/或动态脉冲电载荷，并采集施加载荷条件下实验试件的相关数据，获得压电铁电材料在动态力电耦合载荷场下的断裂特性，其特征是所述系统包括动态机械载荷加载单元、动态脉冲电载荷加载单元、绝缘支撑保护单元、动态控制单元、数据采集单元和数据处理单元；
所述动态机械载荷加载单元，用于向实验试件施加动态机械载荷；
所述动态脉冲电载荷加载单元，用于向实验试件施加动态脉冲电载荷；
所述绝缘支撑保护单元，用于为实验试件提供绝缘和支撑保护。
所述动态控制单元分别与动态机械载荷加载单元、动态脉冲电载荷加载单元和数据采集单元相连，用于在动态机械载荷加载单元向实验试件施加动态机械载荷或动态脉冲电载荷加载单元向实验试件施加动态脉冲电载荷时，设定采样初始时间和采样频率，并控制数据采集单元从采样初始时间开始，按照采样频率采集实验试件在动态力电耦合载荷场下的数据；
所述数据采集单元与数据处理单元相连，用于采集实验试件在动态力电耦合载荷场下的数据，并将采集的数据发送至数据处理单元；
所述数据处理单元用于根据采集的数据进行计算分析，进而获得压电铁电材料在动态力电耦合载荷场下的断裂特性。
所述数据采集单元包括动态机械加载应力测量单元、动态脉冲电场测量单元、裂尖应力信息光测单元和裂纹扩展测量单元；动态机械加载应力测量单元、动态脉冲电场测量单元、裂尖应力信息光测单元和裂纹扩展测量单元分别与动态控制单元和数据处理单元相连；
所述动态机械加载应力测量单元用于测量动态机械载荷信息；
所述动态脉冲电场测量单元用于测量动态脉冲电载荷信息；
所述裂尖应力信息光测单元用于测量动态荷载作用下裂尖信息场信息；
所述裂纹扩展测量单元用于测量裂纹扩展全过程的图像信息。
所述绝缘支撑保护单元包括安全保护装置、液体绝缘材料、绝缘支座、绝缘加载头、和支撑架。
本发明提供的力电耦合动态断裂实验系统能够得到精确的测量信号，从而为压电、铁电的动态断裂性能测试提供有力的保障；同时，该系统还能够有效地保护实验过程中实验人员的安全以及实验装置的安全。
附图说明
图1是本发明提供的力电耦合动态断裂实验系统结构示意图；
图2是实施例提供的绝缘支撑保护单元结构图；
图3是机械动态加载示意图；
图4是电脉冲电路图；
图5是动态控制设备结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
图1是本发明提供的力电耦合动态断裂实验系统结构示意图。图1中，本发明提供的力电耦合动态断裂实验系统包括动态机械载荷加载单元101、动态脉冲电载荷加载单元102、绝缘支撑保护单元200、动态控制单元300、数据采集单元400和数据处理单元500。
动态机械载荷加载单元101与绝缘支撑保护单元200相连，用于通过绝缘支撑保护单元200将动态机械载荷施加给实验试件600。
绝缘支撑保护单元200与实验试件相连600，用于将动态机械载荷加载单元101施加的动态机械载荷传递给实验试件600并用于为实验试件600提供绝缘和缓冲保护。
动态脉冲电载荷加载单元102与实验试件600相连，用于向实验试件600施加动态脉冲电载荷。
动态控制单元300分别与动态机械载荷加载单元101、动态脉冲电载荷加载单元102和数据采集单元400相连，用于在动态机械载荷加载单元向实验试件施加动态机械载荷或者动态脉冲电载荷加载单元102向实验试件600施加动态脉冲电载荷时，设定采样初始时间和采样频率，并控制数据采集单元从采样初始时间开始，按照采样频率采集实验试件在动态力电耦合载荷场下的数据。
数据采集单元400与数据处理单元500相连，用于采集实验试件600在动态力电耦合载荷场下的数据，并将采集的数据发送至数据处理单元500。
数据处理单元500用于根据采集的数据进行计算分析，进而获得压电铁电材料在动态力电耦合载荷场下的断裂特性。
数据采集单元400包括动态机械加载应力测量单元401、动态脉冲电场测量单元402、裂尖应力信息光测单元403和裂纹扩展测量单元404。动态机械加载应力测量单元401、动态脉冲电场测量单元402、裂尖应力信息光测单元403和裂纹扩展测量单元404分别与动态控制单元300和数据处理单元500相连。
动态机械加载应力测量单元401用于测量动态机械载荷信息，动态脉冲电场测量单元402用于测量动态脉冲电载荷信息，裂尖应力信息光测单元403用于测量动态荷载作用下裂尖信息场信息，裂纹扩展测量单元404用于测量裂纹扩展全过程的图像信息。
图2是实施例提供的绝缘支撑保护单元结构图。对于绝缘支撑保护单元200，本实施例给出的结构如图2所示，其中绝缘支撑保护单元200包括安全保护装置201、液体绝缘材料202、第一绝缘支座203、第一绝缘加载头204、第二绝缘支座205、第二绝缘加载头206、第三绝缘支座207、第三绝缘加载头208和支撑架209。
安全保护装置201中注入液体绝缘材料202，且实验试件600浸泡到液体绝缘材料202中。液体绝缘材料202可以采用硅油。安全保护装置201的一侧开1个孔，用于插入第一绝缘支座203；同时，安全保护装置201的另一侧开2个孔，分别用于插入第二绝缘支座205和第三绝缘支座207。安全保护装置201的顶部开1个孔，用于插入连接动态脉冲电载荷加载单元102和实验试件600一极的导线；安全保护装置的底部开1个孔，用于插入连接实验试件600另一极的地线210。安全保护装置201两侧的开孔、顶部的开孔以及底部的开孔密封。
第一绝缘支座203的一端固定安装第一绝缘加载头204，第一绝缘支座203的另一端与动态机械载荷加载单元101相连。
第二绝缘支座205的一端和第三绝缘支座207的一端分别固定安装第二绝缘加载头206和第三绝缘加载头208，第二绝缘支座205的另一端和第三绝缘支座207的另一端同时与支撑架209相连。
第一绝缘加载头203与实验试件600的一侧接触，第二绝缘加载头205和第三绝缘加载头207分别与实验试件600的另一侧接触。
动态控制单元300可以安装在第一绝缘支座203上。动态机械加载应力测量单元401分别安装在第二绝缘支座205和第三绝缘支座207上；动态脉冲电场测量单元402与地线相连。裂尖应力信息光测单元403和裂纹扩展测量单元404分别采用高速摄像机，安装在便于观察实验试件的地方。
使用本发明提供的力电耦合动态断裂实验系统进行实验试件断裂特性研究具体是，动态机械载荷加载单元101通过落锤、霍普金森杆等设备将冲击力传动给实验试件，并在加载机械载荷时触发动态控制单元300，自动控制数据采集单元400，完成对实验试件的三点弯、四点弯等断裂实验，并根据实验需求给实验试件加载稳恒电场，实现电场作用下动态机械加载断裂实验。
动态脉冲电载荷加载单元102通过高压脉冲加载到实验试件上，并在加载时触发动态控制单元300，自动控制数据采集单元400，完成对实验试件的三点弯、四点弯等断裂实验，并根据实验需求给试件加载稳恒力场，实现力场作用下动态脉冲电加载断裂实验。
动态机械加载应力测量单元401具体用于测量动态机械加载全过程中的加载应力峰值、加载速率和脉宽。动态脉冲电场测量单元402具体用于测量动态脉冲电加载全过程中的加载电场峰值、脉宽和频率。裂尖应力信息光测单元403利用高速摄像机、焦散线等光学测试方法记录动态荷载作用下裂尖信息场。裂纹扩展测量单元404利用高速摄像机记录裂纹扩展全过程图像。
数据处理单元500根据数据采集的信息进行计算分析，得出不同力电动态加载速率、脉宽、峰值条件下，压电铁电材料的动态断裂韧性、裂纹扩展规律等。
选用国内某压电陶瓷PZT进行动态断裂实验，将PZT加工成三点弯试件601，试件尺寸参照“ASTM C 1421-01b室温下高级陶瓷断裂韧性测定的标准试验方法”和“GB 23806-2009-T精细陶瓷断裂韧性试验方法的单边预裂纹梁(SEPB)法”，并根据实验要求镀上电极，进行极化，预制裂纹，焦散线反射裂纹镀膜。完成一系列准备工作后，将实验试件600浸泡在液体绝缘材料202(如硅油)中，放置于绝缘支座204、206和208上。分别进行稳恒电场下机械动态荷载和稳恒力场下脉冲电荷载实验。其中，稳恒电场下机械动态荷载的稳恒电场由高压电源提供，本实验中选用60kV高压直流电源，机械动态载荷由改装落锤试验机提供；稳恒力场下脉冲电载荷的稳恒力场由改装后落锤试验机提供，脉冲电压由高压脉冲电源提供，本实验选用幅度、频率及脉宽可远程控制的脉冲电压。
参照图2，在动态机械载荷和动态脉冲电载荷加载时，触发动态控制单元300，通过该动态控制单元启动采集数据工作，包括动态机械加载应力测量单元401，动态脉冲电场测量单元402，裂尖应力信息光测单元403和裂纹扩展测量单元404。本实验中，选用动态应变仪记录动态机械加载全过程加载应力峰值、加载速率，选用脉冲电压测量设备用于记录动态脉冲电加载全过程加载电场峰值、脉宽、频率等；选用高速摄像机、焦散线等观测仪器记录动态荷载作用下裂尖信息场；设备利用高速摄像机记录裂纹扩展全过程图像，测量裂纹扩展速度和路径。本实验经过多次尝试，采样初始时间延时40μs和采样频率间隔10μs。根据数据采集设备的信息进行计算分析，得到不同力电动态加载速率、脉宽、峰值条件下，PZT材料的动态断裂韧性、裂纹扩展规律等。
图3是机械动态加载示意图。图3给出了通过动态机械载荷加载单元向实验试件施加动态机械载荷的实例。图3中，落锤动态断裂加载设备采用半自动气动夹紧装置，可自动控制落锤的升降；电磁铁自动捕捉，防止实验试件被二次冲击；设备配有缓冲装置以防止损坏落锤冲击表面；试验结束后，冲击破损质量及相应数据可由计算机自动计算并显示。
图4是电脉冲电路图。图4给出了通过动态脉冲电载荷加载单元向实验试件施加动态脉冲电载荷的实例。动态脉冲电载荷加载单元采用如图4所示的电脉冲电路，基高压脉冲电源工作过程如下：交流220V电源供给调压器，经调压器调压后供给直流高压电源，直流高压电源给储能电容器充电，储能电容器上的电压值由调压器控制。触发高压IGBT开关导通，在高压脉冲变压器初级产生方波脉冲，经过高压脉冲变压器升压后加在负载上，同时供给高压分压器。最终输出脉冲的幅度由调压器控制，脉冲宽度由高压IGBT开关的导通时间控制。
图5是动态控制设备结构示意图。图5给出了通过动态控制单元进行控制采样的实例。图5中，动态控制设备(相当于动态控制单元)用于协同动态加载设备(相当于动态机械载荷加载单元和/或动态脉冲电载荷加载单元)和数据采集设备(相当于数据采集单元)，当动态加载发生后，通过该设备控制数据采集设备的采样初始时间和采样频率。
本发明提供的力电耦合动态断裂实验系统具有如下技术效果：
1)功能拓展。传统的动态断裂实验装置只能进行单一的动态机械加载，不能进行力电耦合动态加载，本发明瞄准工程应用和科学研究的实际需求，首次实现了力电多场动态加载。
2)测量精确。本发明大量采用精确测量设备和控制设备，如动态加载应力测量仪、脉冲电源测量仪、光学测量系统，能够得到精确的测量信号，从而为压电、铁电的动态断裂性能测试提供了有力的保障。
3)控制准确。动态断裂实验由于其发生时间极短，常出现无法捕捉断裂全过程全场的问题，本发明通过控制设备，协同加载设备和数据采集设备之间的工作关系，从而有效的解决了这一问题。
4)安全保证。高压实验过程中绝缘、电弧放电和电击穿等问题，如何有效的保护实验过程实验人员的安全以及实验装置的安全是重中之重。本发明专门设置绝缘安全保护设备，提高了实验的安全性，确保了实验人员、设备的安全。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (2)
1.一种力电耦合动态断裂实验系统，通过对由压电铁电材料制成的实验试件施加动态机械载荷和/或动态脉冲电载荷，并采集施加载荷条件下实验试件的相关数据，获得压电铁电材料在动态力电耦合载荷场下的断裂特性，其特征是所述系统包括动态机械载荷加载单元、动态脉冲电载荷加载单元、绝缘支撑保护单元、动态控制单元、数据采集单元和数据处理单元；
所述动态机械载荷加载单元,用于向实验试件施加动态机械载荷；
所述动态脉冲电载荷加载单元,用于向实验试件施加动态脉冲电载荷；动态脉冲电载荷加载单元采用高压脉冲电源；
所述绝缘支撑保护单元,用于为实验试件提供绝缘和支撑保护；
所述实验试件浸泡在液体绝缘材料中；
所述动态控制单元分别与动态机械载荷加载单元、动态脉冲电载荷加载单元和数据采集单元相连，用于在动态机械载荷加载单元向实验试件施加动态机械载荷或动态脉冲电载荷加载单元向实验试件施加动态脉冲电载荷时，设定采样初始时间和采样频率，并控制数据采集单元从采样初始时间开始，按照采样频率采集实验试件在动态力电耦合载荷场下的数据；
所述数据采集单元与数据处理单元相连，用于采集实验试件在动态力电耦合载荷场下的数据，并将采集的数据发送至数据处理单元；
所述数据处理单元用于根据采集的数据进行计算分析，进而获得不同力电动态加载速率、脉宽和峰值条件下压电铁电材料在动态力电耦合载荷场下的断裂特性；
所述数据采集单元包括动态机械加载应力测量单元、动态脉冲电场测量单元、裂尖应力信息光测单元和裂纹扩展测量单元；动态机械加载应力测量单元、动态脉冲电场测量单元、裂尖应力信息光测单元和裂纹扩展测量单元分别与动态控制单元和数据处理单元相连；
所述动态机械加载应力测量单元用于测量动态机械载荷信息，包括动态机械加载全过程中的加载应力峰值、加载速率和脉宽；
所述动态脉冲电场测量单元用于测量动态脉冲电载荷信息，包括动态脉冲电加载全过程中的加载电场峰值、脉宽和频率；
所述裂尖应力信息光测单元用于测量动态荷载作用下裂尖信息场信息；
所述裂纹扩展测量单元用于测量裂纹扩展全过程的图像信息。
2.根据权利要求1所述的力电耦合动态断裂实验系统，其特征是所述绝缘支撑保护单元包括安全保护装置、液体绝缘材料、绝缘支座、绝缘加载头和支撑架。
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| CN1945266A (zh) * | 2006-10-27 | 2007-04-11 | 清华大学 | 一种双轴力电耦合加载传动与电荷测量装置 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 万强等.铁电陶瓷PZT53复杂力电耦合行为的实验研究.《力学学报》.2005,第37卷(第4期),第413-420页. |
| 功能材料的力、电、磁耦合行为的实验研究;方岱宁等;《机械强度》;20051231;第27卷(第2期);第217-226页 * |
| 方岱宁等.功能材料的力、电、磁耦合行为的实验研究.《机械强度》.2005,第27卷(第2期),第217-226页. |
| 铁电陶瓷PZT53复杂力电耦合行为的实验研究;万强等;《力学学报》;20050731;第37卷(第4期);第413-420页 * |
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| CN102706726A (zh) | 2012-10-03 |
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