CN103033415B - 一种膨胀环加载装置及加载方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种膨胀环加载装置及加载方法，目的是解决加载过程不可控、加载可靠性差、试样温度过高、应用范围小等问题。本发明膨胀环加载装置由弹丸、驱动器和靶板组成。弹丸密度和屈服强度小，在冲击作用下易发生变形，驱动器为金属圆筒，屈服强度和密度大于弹丸，靶板为高强度高密度材料。加载方法是弹丸高速撞击靶板产生侧向膨胀导致驱动器内部压力急剧升高，驱动器受压膨胀，膨胀环在驱动器作用下沿径向膨胀。本发明加载装置简单实用，可精确加载；加载应变率范围比现有装置的加载应变率范围大；加载过程不受膨胀环的材料限制，应用范围广。

Description

一种膨胀环加载装置及加载方法

技术领域

本发明涉及一种高应变率加载装置及加载方法，特别是一种实现膨胀环高应变率的加载装置及加载方法。

背景技术

膨胀环加载技术一直是人们关注和研究的问题，在材料高应变率实验中发挥着关键作用。

常见的膨胀环加载装置和加载方法有两种：

如图1所示，第一种膨胀环加载装置，采用爆炸驱动加载。该加载装置主要由三部分组成：雷管1、柱装药2和金属圆筒3。柱装药2放入金属圆筒3，将待测膨胀环10套在金属圆筒3外侧。使用雷管1起爆柱装药2，产生的爆轰波和爆轰产物驱动金属圆筒3膨胀，待测膨胀环10随着金属圆筒3的膨胀而膨胀。1969年C.R.Hoggatt在《实验力学》杂志第10期第9卷发表一篇关于爆炸膨胀环的论文，使用爆炸驱动加载装置和加载方法测试了多种工程材料在高应变率下的本构关系数据(C.R.Hoggatt，R.F.Recht.Stress—strain data obtained at highrates using an expanding ring[J].Experimental Mechanics，1969，9(10)：441-448.)。该装置采用爆炸加载，加载过程金属圆筒运动不稳定，膨胀环运动无法控制，不利于测量。另外该装置加工、装配精度要求高，操作不方便。

如图2所示，第二种膨胀环加载装置，采用电磁驱动加载。该装置主要由螺线管线圈4、脉冲发生器5、触发开关6组成。使用触发开关6控制脉冲发生器5，为螺线管线圈4提供脉冲电流，使螺线管线圈4外侧产生很强的电磁力。待测膨胀环10在电磁力作用下高应变率膨胀。1983年D.E.Grady在《实验力学》杂志上发表一篇关于电磁驱动加载的膨胀环论文，使用电磁膨胀环技术，成功测试了纯铝和无氧铜在应变率10⁴～10⁵s^-1范围内的动态材料属性(D.E.Grady,D.A.Benson.Fragmentation of metal rings by electromagnetic loading[J].Experimental Mechanics1983:393-400.)。该加载装置和加载方法解决了第一种加载装置和加载方法中，试样膨胀环受到爆炸产生冲击波和稀疏波的影响、炸药产物的侧向效应不可避免以及金属圆环一维应力条件难以完全实现等问题，提出一种电磁驱动的加载方法。同时设计了一套相应的加载装置，实现膨胀环的高应变率加载。但是电磁加载过程中，试样膨胀环中产生大量的热，实验条件中温度无法合理控制；另外这种技术装置应用范围比较窄，膨胀环只能是高导电率材料。

以上提到的两种常用膨胀环加载装置及加载方法均存在不同程度的问题：对于爆炸驱动加载装置及方法，数据测量时，爆炸产生的干扰比较大，而且装置装配复杂，加载过程难以精确控制；电磁加载驱动加载装置及方法，应用范围小，且试样发热情况严重，影响高应变率加载过程，不适合实验室使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对目前爆炸驱动加载装置和加载方法以及电磁加载驱动装置和加载方法中的问题，提供一种操作简单、加载可控、数据测量方便、适合在实验室中进行的膨胀环加载装置及加载方法，解决加载过程不可控、加载可靠性差、试样温度过高、应用范围小等问题。

本发明的技术方案是：

本发明膨胀环加载装置由弹丸、驱动器和靶板组成。

弹丸选用高聚物材料制备，高聚物材料密度ρ<2g/cm³，屈服强度处于20MPa～50MPa范围内，在冲击作用下易发生变形，压缩率小于5％。弹丸为圆柱形，直径为C，长为H。弹丸与靶板碰撞前的速度V₁在100～1000m/s之间，弹丸需要通过加速装置将其加速到该速度范围，加速装置一般使用轻气炮。弹丸直径C由加速装置内径φ决定，C/φ的值在0.5～0.95之间。H/C的值在0.6～3之间。

驱动器为金属圆筒，由一种屈服强度小于600MPa的金属材料制备，密度2g/cm³<ρ<8g/cm³。内径为D，D/C在1.05～1.25之间，驱动器外径为F，D/F在0.7～0.9之间。驱动器的长度L，L/H在0.2～1.5之间。

靶板为高强度高密度材料，屈服强度为弹丸屈服强度的5倍以上，密度为弹丸密度8倍以上。靶板的具体形状没有要求，靶板面积为弹丸底面面积的3倍以上。靶板与驱动器底面接触的表面有平整度要求，保证其与驱动器底面接触时，95％以上的面积可以重合。

采用本发明进行加载的方法为：

第一步，将靶板放置于加速装置出口，垂直于加速装置的加速管道中轴线。靶板与加速装置出口的距离为1～2倍弹丸长度H。驱动器粘接在靶板靠近加速装置的一侧，驱动器的中轴线与加速装置中轴线重合。将待测膨胀环套在驱动器的外壁上，膨胀环与靶板的距离为0.1～0.5倍驱动器长度L。弹丸放置于弹托上，安装于加速装置的加速初始端。

第二步，利用加速装置对弹丸进行加速，使其离开加速装置出口时的速度V₀达到100～1000m/s。当弹丸飞入驱动器内后，弹丸以速度V₁垂直撞击靶板。由于弹丸密度和强度远小于靶板，弹丸无法侵彻靶板，弹丸发生侧向膨胀。通过加速装置控制弹丸的初始速度，使其产生不同的膨胀压力，为膨胀环提供应变率范围为10³～10⁵s^-1的加载条件。

第三步，膨胀环在膨胀压力作用下进行膨胀，分为三个阶段：

第一阶段，弹丸与靶板作用，在一定速度范围内，低密度低强度弹丸无法侵彻高密度高强度靶板，由于驱动器的限制，弹丸在侧向封闭的驱动器内发生侧向膨胀；

第二阶段，弹丸侧向膨胀后产生的内部高压作用于驱动器，导致驱动器内部压力急剧升高，根据等体积膨胀理论可知，驱动器内部压强可达GPa级；

第三阶段，膨胀环随着驱动器的膨胀而膨胀，当膨胀环的膨胀速度大于驱动器的膨胀速度之后，膨胀环与驱动器分离，膨胀环自由膨胀。

与现有技术相比，采用本发明可以达到以下有益效果：

本发明加载装置简单实用：利用弹丸、靶板和驱动器这些简单构件组合，达到了精确加载目的。因此本发明的加载装置和加载方法均适合在实验室内使用。

本发明的装置和方法均可应用于膨胀环动态断裂、破碎及材料的高应变率动态性能实验。采用本发明时可以通过加速装置调节弹丸初始速度，控制驱动器膨胀程度，膨胀环在驱动器的作用下达到不同的加载应变率和自由膨胀初始速度。采用本发明的加载应变率范围为10³～10⁵s^-1，比现有膨胀环加载装置实现的加载应变率范围大。

采用本发明进行加载时，在加载过程中加载过程稳定、实验数据测量方便。另外试样膨胀环不会产生大量热，膨胀环自身与加载条件无关，因此加载过程不受膨胀环的材料限制，应用范围广。

附图说明

图1是C.R.Hoggatt在《实验力学》杂志上公布的爆炸驱动加载膨胀环装置示意图；

图2是D.E.Grady在《实验力学》杂志上公布的电磁驱动加载膨胀环装置示意图；

图3是本发明加载装置主视图；

图4是本发明加载方法图。

图中标号为：1.雷管，2主装药，3.金属圆筒，4螺线管线圈，5.脉冲发生器，6.触发开关，7.弹丸，8.驱动器，9.靶板，10.膨胀环，11.加速装置

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图3是本发明加载装置主视图；如图3所示，加载装置由弹丸7、驱动器8和靶板9组成。

弹丸7选用密度ρ<2g/cm³的高聚物材料制备，屈服强度处于20MPa～50MPa范围内，在冲击作用下易发生变形，压缩率小于5％。弹丸7为圆柱形，直径为C，长为H。弹丸7与靶板9碰撞前的速度V₁在100～1000m/s之间，弹丸7需要通过加速装置11将其加速到该速度范围，加速装置11一般使用轻气炮。弹丸7直径C由加速装置11内径φ决定，C/φ的值在0.5～0.95之间。H/C的值在0.6～3之间。

驱动器8为金属圆筒采用屈服强度小于600MPa的金属材料制备，密度2g/cm³<ρ<8g/cm³。驱动器8内径为D，D/C在1.05～1.25之间，驱动器8外径为F，D/F在0.7～0.9之间。驱动器8的长度L，L/H在0.2～1.5之间。

靶板9为高强度高密度材料制备，强度为弹丸7强度的5倍以上，密度为弹丸7密度8倍以上。靶板9的具体形状没有要求，靶板9面积为弹丸7底面面积的3倍以上。靶板9与驱动器8底面接触的表面有平整度要求，保证其与驱动器8底面接触时，95％以上的面积可以重合。

图4是本发明加载方法图；如图4所示，本发明的加载方法为：

第一步，将靶板9放置于加速装置11出口，垂直于加速装置11的加速管道中轴线。靶板9与加速装置11出口的距离为1～2倍弹丸7长度H。驱动器8粘接在靶板9靠近加速装置11的一侧，驱动器8的中轴线与加速装置11中轴线重合。将待测膨胀环10套在驱动器8的外壁上，膨胀环10与靶板9的距离为0.1～0.5倍驱动器8长度L。弹丸7放置于弹托上，安装于加速装置11的加速初始端。

第二步，利用加速装置11对弹丸7进行加速，使其离开加速装置11出口时的速度V₀达到100～1000m/s。当弹丸7飞入驱动器8内后，弹丸7以速度V₁垂直撞击靶板9。由于弹丸7密度和强度远小于靶板9，弹丸7无法侵彻靶板9，弹丸7发生侧向膨胀。通过加速装置11控制弹丸7的初始速度，使其产生不同的膨胀压力，为膨胀环10提供应变率范围为10³～10⁵s^-1的加载条件。

第三步，膨胀环10在膨胀压力作用下进行膨胀，分为三个阶段：

第一阶段，弹丸7与靶板9作用，在一定速度范围内，低密度低强度弹丸7无法侵彻高密度高强度靶板9，由于驱动器8的限制，弹丸7在侧向封闭的驱动器8内发生侧向膨胀；

第二阶段，弹丸7侧向膨胀后产生的内部高压作用于驱动器8，导致驱动器8内部压力急剧升高，根据等体积膨胀理论可知，驱动器8内部压强可达GPa级；

第三阶段，膨胀环10随着驱动器8的膨胀而膨胀，膨胀到一定阶段，膨胀环10的膨胀速度大于驱动器8的膨胀速度，之后膨胀环10与驱动器8分离，膨胀环10自由膨胀。

Claims (6)

1.一种膨胀环加载装置，其特征在于膨胀环加载装置由弹丸(7)、驱动器(8)和靶板(9)组成；

弹丸(7)选用高聚物材料制备，高聚物材料密度ρ<2g/cm³，屈服强度处于20MPa～50MPa范围内，压缩率小于5％；弹丸(7)为圆柱形，弹丸(7)与靶板(9)碰撞前的速度V₁在100～1000m/s之间，弹丸(7)通过加速装置(11)将其加速到该速度范围；

驱动器(8)为金属圆筒；驱动器(8)所用的金属材料屈服强度小于600MPa，密度2g/cm³<ρ<8g/cm³；

靶板(9)为高强度高密度材料制备，屈服强度为弹丸(7)屈服强度的5倍以上，密度为弹丸(7)密度8倍以上；靶板(9)与驱动器(8)底面接触的表面有平整度要求，保证其与驱动器(8)底面接触时，95％以上的面积可以重合。

2.如权利要求1所述的一种膨胀环加载装置，其特征在于所述弹丸(7)直径C由加速装置(11)内径φ决定，C/φ的值在0.5～0.95之间，H/C的值在0.6～3之间，H为弹丸(7)的长。

3.如权利要求2所述的一种膨胀环加载装置，其特征在于所述驱动器(8)的内径为D，D/C在1.05～1.25之间，驱动器(8)外径为F，D/F在0.7～0.9之间；驱动器(8)的长度L，L/H在0.2～1.5之间。

4.如权利要求1或2所述的一种膨胀环加载装置，其特征在于所述靶板(9)面积为弹丸(7)底面面积的3倍以上。

5.如权利要求1所述的一种膨胀环加载装置，其特征在于所述加速装置(11)使用轻气炮。

6.一种采用如权利要求1所述膨胀环加载装置进行膨胀环加载的方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，将靶板(9)放置于加速装置(11)出口，垂直于加速装置(11)的加速管道中轴线，靶板(9)与加速装置(11)出口的距离为1～2倍弹丸(7)长度H；驱动器(8)粘接在靶板(9)靠近加速装置(11)的一侧，驱动器(8)的中轴线与加速装置(11)中轴线重合；将待测膨胀环(10)套在驱动器(8)的外壁上，膨胀环(10)与靶板(9)的距离为0.1～0.5倍驱动器(8)长度L；弹丸(7)放置于弹托上，安装于加速装置(11)的加速初始端；

第二步，利用加速装置(11)对弹丸(7)进行加速，使其离开加速装置(11)出口时的速度V₀达到100～1000m/s；当弹丸(7)飞入驱动器(8)内后，弹丸(7)以速度V₁垂直撞击靶板(9)；

第三步，膨胀环(10)在膨胀压力作用下进行膨胀，分为三个阶段：

第一阶段，弹丸(7)与靶板(9)作用，弹丸(7)无法侵彻靶板(9)，由于驱动器(8)的限制，弹丸(7)在侧向封闭的驱动器(8)内发生侧向膨胀；

第二阶段，弹丸(7)侧向膨胀后产生的内部高压作用于驱动器(8)，导致驱动器(8)内部压力急剧升高；

第三阶段，膨胀环(10)随着驱动器(8)的膨胀而膨胀，当膨胀环(10)的膨胀速度大于驱动器(8)的膨胀速度之后，膨胀环(10)与驱动器(8)分离，膨胀环(10)自由膨胀。