CN103558100B - 霍普金森拉压一体实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种霍普金森拉压一体实验装置，其拉伸和压缩实验使用的充气装置、气缸、发射炮、发射炮控制系统和子弹是两套相互独立的系统，而固定导轨、可调支撑装置、数据采集系统、入射杆、透射杆和吸收装置则是共用的系统，既可以分别进行拉伸和压缩两种实验，又可以大大降低了成本，且采用凸台螺纹，使得试件的更换更加便利，使得实验过程得到了进一步的简化，对于单一、实验量大的实验，效率有了显著的提升。

Description

霍普金森拉压一体实验装置
技术领域
本发明属于材料力学性能实验领域，特别是一种霍普金森拉压一体实验装置。
背景技术
在材料的力学研究过程中，我们经常发现其压缩和拉伸性能是不对称的，不能简单地将压缩表现出来的力学性能应用到拉伸环境中。这样就需要搭建可以研究材料拉伸性能的实验装置。目前独立存在的实验装置有霍普金森压杆和霍普金森拉杆，如果同时将两个实验装置建立起来成本很高并且十分占用空间资源。故我们考虑将两种实验装置整合为一体实验装置，这样既节约了成本，又节省了实验室的空间资源。
拉压一体霍普金森杆装置是基于霍普金森试验原理，对霍普金森压杆进行改进的用于测量材料高应变率拉伸和压缩性能的试验装置，所以对于实验装置的改进应满足波在杆中传播的一维性和均匀性。文献“Lindholm,U.S.,Yeakley,L.M.,Nagy,A.:High strainrate testing:tension and compression.Exp.Mech.8,1-9(1968)”中给出的实验装置由于杆截面的不一致性、透射杆中孔的作用以及试件与杆之间的摩擦使得上述条件很难满足。文献“Nicholas.T：Tensile testing of materials at high rates of strain.Exp.Mech,21:177–185(1980)”对于波在杆中传播一维性和均匀性有了非常大的提升，并且基本保证传入试样的那一部分压缩波不会引起试样的塑性变形，但加工和实验过程较为繁琐，不适用于实验量较大的研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实验过程简单，适用于大量实验研究的霍普金森拉压一体实验装置。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种霍普金森拉压一体实验装置，水平台上设置有固定导轨，炮管支架和压缩实验发射装置，炮管支架支撑压缩实验发射装置的炮管，固定导轨上设置有配套滑块，配套滑块上从左到右分别安装有动能吸收器和微调支撑装置，微调支撑装置从左到右支撑波吸收杆、双端面螺纹孔实验杆和单端面螺纹孔孔杆，拉伸实验发射装置设置在固定导轨上，双端面螺纹孔实验杆穿过拉伸实验发射装置，法兰盘波转换器为圆柱凸台结构，凸台上加工螺纹，螺纹与双端面螺纹孔实验杆的内螺纹配合，法兰盘波转换器通过螺纹连接在双端面螺纹孔实验杆靠近波吸收杆的一端，试件夹持装置与法兰盘波转换器结构相同，通过螺纹分别连接在双端面螺纹孔实验杆靠近单端面螺纹孔孔杆的一端和单端面螺纹孔孔杆靠近双端面螺纹孔实验杆的一端；拉伸实验发射装置的拉伸实验炮管内设置有带中心孔的活塞和管状子弹，双端面螺纹孔实验杆分别穿过带中心孔的活塞和管状子弹。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)本发明由于将拉伸发射装置有机的整合到了霍普金森压缩实验装置中，因此，可以在一个霍普金森实验装置中分别进行拉伸和压缩实验研究材料的力学性能，且除了发射系统外均采用同一实验设备，大大降低了成本。
(2)本发明由于实验设备中采用凸台螺纹，使得试件的更换更加便利，使得实验过程得到了进一步的简化；对于单一、实验量大的实验，效率有了显著的提升。
(3)本发明拉伸试验采用气体推动活塞，活塞带动子弹的方法对子弹进行加速，这样减少了子弹的加速距离，优化了实验装置。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图。
图2是本发明的拉伸实验发射装置结构示意图。
图3是本发明的压缩实验发射装置结构示意图。
图4是本发明的拉伸炮管的剖视图。
图5是本发明的法兰盘波转换器结构示意图。
具体实施方式
结合图1～图5：
本发明公开了一种霍普金森拉压一体实验装置，水平台1上设置有固定导轨2，炮管支架11和压缩实验发射装置12，炮管支架11支撑压缩实验发射装置12的炮管，固定导轨2上设置有配套滑块4，配套滑块4上从左到右分别安装有动能吸收器3和微调支撑装置5，微调支撑装置从左到右支撑波吸收杆6、双端面螺纹孔实验杆8和单端面螺纹孔孔杆10，拉伸实验发射装置9设置在固定导轨2上，双端面螺纹孔实验杆8穿过拉伸实验发射装置9，法兰盘波转换器7为圆柱凸台结构，凸台上加工螺纹，螺纹与双端面螺纹孔实验杆8的内螺纹配合，法兰盘波转换器7通过螺纹连接在双端面螺纹孔实验杆8靠近波吸收杆6的一端，试件夹持装置31与法兰盘波转换器7结构相同，通过螺纹分别连接在双端面螺纹孔实验杆8靠近单端面螺纹孔孔杆10的一端和单端面螺纹孔孔杆10靠近双端面螺纹孔实验杆8的一端；拉伸实验发射装置9的拉伸实验炮管13内设置有带中心孔的活塞30和管状子弹29，双端面螺纹孔实验杆8分别穿过带中心孔的活塞30和管状子弹29。
拉伸实验发射装置9的实验炮管13设置在固定导轨2上，拉伸实验气缸17设置在拉伸实验炮管13的上方，拉伸实验进气口14通过拉伸实验进气口电磁阀15连接拉伸实验气缸17，拉伸实验气缸17上端设置拉伸实验压力传感器16，另一端依次通过拉伸实验出气口电磁阀18、拉伸实验手动阀19和直角导气管20与拉伸实验炮管相连。
压缩实验气缸24固定在水平台1上，压缩实验气缸24通过压缩实验出气口电磁阀26和压缩实验出气口手动阀22与压缩实验炮管21相连，另一端依次通过螺纹连接有端盖27，压缩实验进气口电磁阀25和压缩实验进气口28。
在附图1中，水平台1作为整个实验装置的基座，其上安装固定导轨2使整个实验装置在一条直线上。配套滑块4可以在固定导轨2上滑动和固定，用来连接微调支撑装置5和固定导轨2。下面分别介绍压缩试验和拉伸实验的具体实施方式：
压缩试验：将试件夹持装置31螺纹连接到双端面螺纹孔实验杆8和单端面螺纹孔实验杆10的相邻端，试件置于试件夹持装置31之间进行实验。从压缩实验进气口28向压缩实验气缸24充气，此过程由压缩实验进气口电磁阀25进行控制，压缩实验气缸24内压力的大小可以通过压缩实验压力传感器23获得。压缩实验发射装置发射子弹时应同时触发压缩实验出气口电磁阀26和压缩实验出气口手动阀22才可使气体对子弹进行加速从压缩实验炮管21射出。随后子弹撞击单端面螺纹孔实验杆10并产生压缩波，压缩波经过试件后传入双端面螺纹孔实验杆8，这样就完成了压缩加载过程。双端面螺纹孔实验杆8又将波传入波吸收杆6并最终被动能吸收器3将能量吸收，数据采集卡收集双端面螺纹孔实验杆8和单端面螺纹孔实验杆10中的电压信号。
拉伸试验：将粘结有试件的试件夹持装置31螺纹连接到双端面螺纹孔实验杆8的和单端面螺纹孔实验杆10的相邻端，试件粘结于试件夹持装置31之间进行实验。充气和发射控制与压缩试验相同，气压测量通过拉伸实验压力传感器16实现。直角导气管20改变气流方向，使气流通过推动带中心孔活塞30，带中心孔活塞30推动管状子弹29完成发射过程。发射后子弹撞击法兰盘波转换器7，使产生的压缩波经过左端面后反射形成拉伸波传入双端面螺纹孔实验杆8，拉伸波经过试件后传入1单端面螺纹孔实验杆0，这样就完成了拉伸加载过程。法兰盘波转换器7撞击并将波传入波吸收杆6，最终被动能吸收器3将能量吸收，数据采集卡收集双端面螺纹孔实验杆8和单端面螺纹孔实验杆10中的电压信号。
若需要进行多次重复实验过程中，压缩试验只需对试件进行更换，拉伸实验也只是对与试件粘结在一起的试件夹持装置31进行更换。

Claims (1)

1.一种霍普金森拉压一体实验装置，水平台(1)上设置有固定导轨(2)、炮管支架(11)和压缩实验发射装置(12)，炮管支架(11)支撑压缩实验发射装置(12)的炮管，固定导轨(2)上设置有配套滑块(4)，配套滑块(4)上从左到右分别安装有动能吸收器(3)和微调支撑装置(5)，微调支撑装置从左到右支撑波吸收杆(6)、双端面螺纹孔实验杆(8)和单端面螺纹孔孔杆(10)，拉伸实验发射装置(9)设置在固定导轨(2)上，双端面螺纹孔实验杆(8)穿过拉伸实验发射装置(9)，其特征在于：法兰盘波转换器(7)为圆柱凸台结构，凸台上加工螺纹，凸台上加工的螺纹与双端面螺纹孔实验杆(8)的内螺纹配合，法兰盘波转换器(7)通过螺纹连接在双端面螺纹孔实验杆(8)靠近波吸收杆(6)的一端，试件夹持装置(31)与法兰盘波转换器(7)结构相同，通过螺纹分别连接在双端面螺纹孔实验杆(8)靠近单端面螺纹孔孔杆(10)的一端和单端面螺纹孔孔杆(10)靠近双端面螺纹孔实验杆(8)的一端；拉伸实验发射装置(9)的拉伸实验炮管(13)内设置有带中心孔的活塞(30)和管状子弹(29)，双端面螺纹孔实验杆(8)分别穿过带中心孔的活塞(30)和管状子弹(29)；所述拉伸实验发射装置(9)的拉伸实验炮管(13)设置在固定导轨(2)上，拉伸实验气缸(17)设置在拉伸实验炮管(13)的上方，拉伸实验气缸(17)上端设置拉伸实验压力传感器(16)，拉伸实验进气口(14)通过拉伸实验进气口电磁阀(15)连接拉伸实验气缸(17)的一端，拉伸实验气缸的另一端依次通过拉伸实验出气口电磁阀(18)、拉伸实验手动阀(19)和直角导气管(20)与拉伸实验炮管相连；所述压缩实验气缸(24)固定在水平台(1)上，压缩实验气缸(24)的一端通过压缩实验出气口电磁阀(26)和压缩实验出气口手动阀(22)与压缩实验炮管(21)相连，压缩实验气缸(24)的另一端依次通过螺纹连接有端盖(27)、压缩实验进气口电磁阀(25)和压缩实验进气口(28)。
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