CN103091159B - 新型分离式霍普金森拉杆装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种新型分离式霍普金森拉杆装置，以解决现有分离式霍普金森拉杆存在的问题，涉及材料动态力学性能实验设备领域，主要包括吸收杆、空心入射杆、高压气室、撞击塞、撞击杆、空心透射杆、填充塞等。撞击杆（子弹）在高压气室高压气体驱动下沿入射杆内壁运动，以一定速度撞击撞击塞，在入射杆中形成一个拉伸脉冲。本发明提供的新型分离式霍普金森拉杆装置，可以弥补现有分离式霍普金森拉杆的缺陷，能够满足对混凝土类材料及其它一些内部不甚均匀材料的实验研究要求；该装置结构设计合理，入射杆产生的拉伸脉冲的质量高，进一步保证实验结果的有效性。
Description
技术领域：
本发明涉及材料动态力学性能实验设备领域，尤其涉及一种新型分离式霍普金森拉杆装置。
背景技术：
分离式霍普金森杆是一种研究一维应力状态下材料动态力学性能的有效实验装置。自从1949年Kolsky发明分离式霍普金森压杆装置并用其研究一维应力状态下材料动态力学性能以来，动态压缩实验技术不断提高。其应用领域从最初研究金属材料的动态力学性能到现在可研究岩石、混凝土、陶瓷、高聚物、含能材料、泡沫材料等多种材料的动态力学性能。
对某些材料而言，其动态拉伸性能比其动态压缩性能更加重要。但是，由于动态拉伸设备的高度复杂性，至今还没有一种比较理想的研究材料动态拉伸性能的实验设备。分离式霍普金森拉杆还是目前做材料动态拉伸力学性能研究的主要设备之一。20世纪60年代以来，随着研究材料动态拉伸性能的需求的不断增加，很多学者设计了不同的拉伸实验装置。Hauser(1966),Saka,Harding(1990)研制了杆杆型直接式霍普金森拉杆装置，它利用拉杆外面的套管子弹撞击法兰盘所产生的压缩波，通过法兰盘转换为入射杆中的拉伸波，直接对试件进行冲击拉伸。Nicholas提出反射式霍普金森拉杆装置，利用压缩波到达自由端时反射产生拉伸波。以前者应用为多。但是，它还有许多不足之处影响其进一步发展与应用。存在的不足之处主要有：
1.杆径没有足够大，据目前所能查阅的资料，其最大杆径只有75mm，不能满足对混凝土类材料及其它一些内部不甚均匀材料的实验要求。
2.随着杆径的增大，杆的几何弥散效应日趋明显，影响了实验结果的有效性。
3.现有装置入射杆撞击端的法兰盘有两种加工方式：第一种是用一根大直径的棒料，将其它部分车削至入射杆尺寸，仅留下长度与法兰盘厚度相等的一小段，将其加工成法兰盘。这种方式加大了材料和加工成本，而且在杆与法兰盘界面上存在应力集中问题。第二种是将杆与法兰盘分别加工，然后通过螺纹或胶粘方式将其连接。这种方式一方面存在螺纹和胶的抗冲击强度问题，另一方面是无法消除螺纹间隙，而这种间隙严重影响所产生的拉伸脉冲的质量。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种新型分离式霍普金森拉杆装置。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种新型分离式霍普金森拉杆装置，包括入射杆，其特征在于：所述入射杆设置有两端开口的中空腔体，所述入射杆一端口安装有封盖，另一端口为内径逐渐缩小的锥形口，所述入射杆的中空腔体内设置有填充塞、撞击塞和撞击杆，所述填充塞设置在近封盖端，所述撞击塞安装在入射杆的锥形口内，所述撞击杆设置在填充塞与撞击塞之间，所述填充塞与撞击杆之间的入射杆内壁上设置有止推限位机构，所述止推限位机构与填充塞之间的入射杆上设置有连通高压气室和中空腔体的进气槽，所述撞击杆与撞击塞之间的入射杆上设置有泄气槽。
所述撞击塞为圆台状，与入射杆的锥形口过盈配合，用于承受撞击杆的撞击，并将此撞击力转换为入射杆中的拉伸应力脉冲。
所述撞击杆为可在入射杆的中空腔体内移动的实心圆柱体，长度可变，在高压气体作用下向前运动，运行前方是撞击塞，后方受止推限位机构限制定位，使之被人工退回时不会越位。
所述填充塞为轻质材料制成的实心圆柱体，作填充入射杆的中空腔体用，保证由高压气室进入入射杆内部的高压气体向撞击塞一端运动而更有更有效驱动撞击杆（子弹）。
所述入射杆右端设置有吸收杆，左端设置有透射杆。
所述透射杆为一端设置有封头的中空结构，透射杆有封头的一端与试件相连，试件又与入射杆相连；入射杆中的入射拉伸脉冲遇试件时一部分反射回入射杆，一部分经试件透射到透射杆中形成透射脉冲。
本发明进一步的技术方案是所述封盖处设置定位销，通过所述定位销将封盖与入射杆的端部紧密连接。
所述入射杆在其本体上制有贯穿孔，所述封盖为一短圆柱，在其圆柱面上开有锥形盲孔。所述定位销穿过入射杆上的贯穿孔后打入所述封盖使后者与入射杆紧密连接。
所述定位销外形酷似普通步枪子弹，由后端面向前开有螺纹盲孔。在所述撞击塞和撞击杆需要更换时，只须在所述螺纹盲孔中拧进一螺栓，用一简易装置向外拉动该螺栓即可拔出定位销，将所述封盖和入射杆分离后即可进行上述更换。
本发明提供的新型分离式霍普金森拉杆装置，可以弥补现有分离式霍普金森拉杆的缺陷，能够满足对混凝土类材料及其它一些内部不甚均匀材料的实验要求；该装置结构设计合理，入射杆产生的拉伸脉冲的质量高，进一步保证实验结果的有效性。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的局部放大图。
其中，1.吸收杆；2.撞击塞；3.撞击杆；4.入射杆；5.止推限位机构；6.高压气室；7.填充塞；8.封头；9.透射杆；10.封盖；11.定位销；12.螺纹盲孔；41.泄气槽；42.进气槽；43.中空腔体。
具体实施方式：
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明，但不是用来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种新型分离式霍普金森拉杆装置，包括入射杆4，入射杆4设置有两端开口的中空腔体43，入射杆4一端口安装有封盖10，另一端口为内径逐渐缩小的锥形口，入射杆4的中空腔体43内设置有填充塞7、撞击塞2和撞击杆3。填充塞7设置在近封盖10端，撞击塞2安装在入射杆4的锥形口内，撞击杆3设置在填充塞7与撞击塞2之间，填充塞7与撞击杆3之间的入射杆4内壁上设置有止推限位机构5，止推限位机构5与填充塞7之间的入射杆4上设置有连通高压气室6和中空腔体43的进气槽42，撞击杆3与撞击塞2之间的入射杆4上设置有泄气槽41。
入射杆4右端设置有吸收杆1，左端设置有透射杆9，透射杆9为一端设置有封头8的中空结构，透射杆9有封头8的一端与试件相连，试件又与入射杆4相连；入射杆4中的入射拉伸脉冲遇试件时一部分反射回入射杆4，一部分经试件透射到透射杆9中形成透射脉冲。
入射杆4一端为内壁逐渐缩小的锥形口，从另一端进入入射杆4中的撞击塞2压合在锥形口内，止推限位机构5包括止推定位销孔和止推定位销，一定长度的撞击杆3（子弹）安装在入射杆4的中空腔体43内，处于止推定位销孔与撞击塞2之间的一个适当位置，插入止推定位销，安装环形高压气室，插入填充塞7，安装入射杆4的封盖10；将入射杆4、试件、透射杆9轴向相连，试验时高压气体迅速进入高压气室6，进而进入入射杆4的中空腔体43内，驱动入射杆4中的撞击杆3（子弹）向前运动，撞击杆3（子弹）运行前方的空气经泄气槽41外泄，于是撞击杆3（子弹）便能以一定速度撞击撞击塞2，从而在入射杆4中形成一个由撞击端向试件端传播的入射脉冲，该脉冲遇试件后一部分透射到透射杆9中，另一部分反射回入射杆4中。记录这些脉冲信号并按有关方式进行处理便可获得试件材料在一定变形速率单向动态拉伸条件下的力学响应。
如图1、2所示，封盖10处设置定位销11，通过定位销11将封盖10与入射杆4的端部紧密连接。入射杆4在其本体上制有贯穿孔，封盖10为一短圆柱，在其圆柱面上开有锥形盲孔。定位销11穿过入射杆4上的贯穿孔后打入封盖10使后者与入射杆4紧密连接。
定位销11外形酷似普通步枪子弹，由后端面向前开有螺纹盲孔12。在撞击塞2和撞击杆3需要更换时，只须在螺纹盲孔12中拧进一螺栓，用一简易装置向外拉动该螺栓即可拔出定位销11，将封盖10和入射杆4分离后即可进行上述更换。
本发明较好地弥补了上文所述的现有分离式霍普金森拉杆的不足之处。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种新型分离式霍普金森拉杆装置，包括入射杆，其特征在于：所述入射杆设置有两端开口的中空腔体，所述入射杆一端口安装有封盖，另一端口为内径逐渐缩小的锥形口，所述入射杆的中空腔体内设置有填充塞、撞击塞和撞击杆，所述填充塞设置在近封盖端，所述撞击塞安装在入射杆的锥形口内，所述撞击杆设置在填充塞与撞击塞之间，所述填充塞与撞击杆之间的入射杆内壁上设置有止推限位机构，所述止推限位机构与填充塞之间的入射杆上设置有连通高压气室和中空腔体的进气槽，所述撞击杆与撞击塞之间的入射杆上设置有泄气槽。
2.根据权利要求1所述的新型分离式霍普金森拉杆装置，其特征在于：所述撞击塞为圆台状，与入射杆的锥形口过盈配合。
3.根据权利要求1所述的新型分离式霍普金森拉杆装置，其特征在于：所述撞击杆为可在入射杆的中空腔体内移动的实心圆柱体。
4.根据权利要求1所述的新型分离式霍普金森拉杆装置，其特征在于：所述填充塞为轻质材料制成的实心圆柱体。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的新型分离式霍普金森拉杆装置，其特征在于：所述入射杆右端设置有吸收杆，左端设置有透射杆。
6.根据权利要求5所述的新型分离式霍普金森拉杆装置，其特征在于：所述透射杆为一端设置有封头的中空结构。
7.根据权利要求1所述的新型分离式霍普金森拉杆装置，其特征在于：所述封盖处设置定位销，通过所述定位销将封盖与入射杆的端部紧密连接。
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