CN103868806B - 一种霍普金森压杆实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种霍普金森压杆实验装置，其特征在于包括：电磁触发开关（1）、加热炉门自动开启开关（2）、电磁驱动装置（3）、驱动平板（4）、子弹（5）、入射杆（6）、力传感器（7）、加热炉（8）、加热炉支撑装置（9）、透射杆（10）、缓冲装置（11）及空气压缩过滤装置（12），本发明设计了加热炉，能够给试件加热保温的同时避免试件在高温下被氧化，由于高温会对应力波的传导造成影响，本发明改用数字相关技术（DIC）获得试件变化照片分析其应变，利用力传感器分析应力，由此获得应力应变曲线。霍普金森压杆结合电磁驱动技术和DIC技术，扩宽了霍普金森压杆实验的运用，获得了一种新的获取高温材料动态参数的方法。

Description

一种霍普金森压杆实验装置

技术领域

本发明属于材料高温动态力学性能研究领域，具体涉及一种在高温下高精度霍普金森压杆实验的装置及测试方法，尤其是基于电磁驱动技术和DIC技术。

背景技术

霍普金森压杆实验被广泛的应用于材料性能的研究，不过大都是停留在常温下的材料实验，但是高温工况同样存在，所以对高温下材料性能的研究同样需要。进行材料高温动态性能的研究方法之一就是在实验前把试件加热到相应温度，然后快速地移到实验装置上，这样把试件置于空气中，高温下试件容易被氧化，同时试件温度也会快速下降；另一方面，当高温试件与入射杆和透射杆接触时，高温会对应力波的传导造成影响，对实验数据的精确度造成一定的影响。

名称为“用于分离式Hopkinson杆装置的一种先进气动发射机构”的文献发明了一种气动发射装置，不过作为气动发射装置，其发射装置的重复性、安全性、控制的精度及方便性还有待提高。名称为“用于高温霍普金森压杆实验的快速加热装置”的发明专利描述了一种试件快速加热方式，但是对加热炉内的空气没进行处理，试件在高温下容易被炉内空气氧化，同时为了解决入射杆进入加热炉及与高温试件接触时对入射杆及透射杆的升温作用，在入射杆和透射杆上设计了同外径的陶瓷杆，忽略了应力波在不同介质中的传播的差异性，也忽略了入射杆没有直接冲击试件带来的误差，影响了实验数据的准确度。

随着电磁驱动技术及数字图像相关（DIC:DigitalImageCorrelation）技术的发展，电磁驱动技术给我们提供了一种新型驱动方式，DIC技术为我们提供了一种实时测定应变的方法，两者结合起来给我们展现了一种高温下霍普金森压杆的新型实验装置。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种高温下霍普金森压杆实验装置，不仅能够解决传统高温下霍普金森压杆实验对试件的加热问题，避免试件在高温下被氧化，同时利用电磁驱动技术取代以往的空气炮技术，提高入射杆发射机构的重复性、安全性、控制精度及方便性，再利用数字图像相关技术（简称DIC）在线测量试件的应变，保证实验的精确度。

为了提高本发明的综合性能，实现结构及效果的优化，所采用的技术方案是提供一种霍普金森压杆实验装置，其特征在于包括：电磁触发开关、加热炉门自动开启开关、电磁驱动装置、驱动平板、子弹、入射杆、力传感器、加热炉、加热炉支撑装置、透射杆、缓冲装置及空气压缩过滤装置；

电磁触发开关和加热炉门自动开启开关以串联的形式连接，加热炉门自动开启开关可以独立工作，驱动平板和子弹连为一体，电磁驱动平板的同时也驱动了子弹；在透射杆左端面安装有力传感器。

本发明还提供了一种霍普金森压杆实验装置的实验方法：其特征在于包括如下步骤：

步骤1、安装实验设备；

步骤2、实验试件的加工：把试件加工成长80mm、直径为12.5mm；

步骤3、试件表面散斑的处理：先将试件表面打磨抛光，然后利用高压喷枪在试件表面依次喷涂黑色和白色的亚光漆；

步骤4、调整试件的位置使实验试件在加热炉中间；

步骤5、调整试件夹具的高度，保证试件轴心与入射杆轴心在同一高度；

步骤6、调整热电偶的高度，使其离试件2cm处；

步骤7、关闭加热炉门，保证其密封性；

步骤8、打开空气压缩过滤装置，排尽炉内空气；

步骤9、输入需要的实验温度，进行加热并保温；

步骤10、电磁驱动装置接通电源给电容充电，关闭加热炉门自动开启开关，加热炉打开，闭合电磁触发开关；

步骤11、高速摄像头收集实验图像并存储在电脑中，利用DIC进行分析处理；

步骤12、利用力传感器测出实时的力，并和DIC技术得到的应变曲线整合成应力应变曲线

本发明的有益效果：

（1）本发明换用电磁驱动技术代替以往的空气炮装置，这样避免空气炮操作和调控的复杂及不确定性，提高驱动装置的可重复性、安全性及控制的精度，同时电磁驱动技术使用方便且易于调节与控制。

（2）本发明设计了一款新型的加热炉，加热炉上设计了一个透明钢化玻璃的窗口，窗口的尺寸长100mm、宽60mm，以便高速摄像机对试件表面散斑的采集。

（3）本发明为了避免透射杆在加热炉内反复被加热，每次加热都相当于一次热处理，导致透射杆的材料组织性能发生变化，这样在常温实验时会对应力波的传导造成影响，因此，在透射杆和试件之间放置一根与透射杆直径相同的高温陶瓷圆杆。

（4）本发明中加热炉采用了电阻加热方式，采用数字传感器控制其加热功率。试件放于夹具上然后置于加热炉中间，开启加热装置进行加热。由热电偶实时获取炉内的温度值，达到实验温度时，反馈给加热装置，通过数字传感器控制其加热功率，超过实验温度就降低加热功率，低于实验温度就升高加热功率，等于实验温度时进行保温处理。

（5）本发明中的空气压缩过滤装置是用来给加热炉提供稳定的气体环境，该装置把空气中的氮气分离出来并压缩，然后排出加热炉内的空气，利用氮气密度比空气小，采用向下排空气法排出空气，避免试件在加热过程中被空气中的氧气氧化；同时在加热炉上设计了单向阀门，气体只能从加热炉内往外溢出，外界气体被隔阻在外。

（6）本发明为了保证入射杆驱动时，加热炉能够及时开启密封门，提高整个装置的紧凑性和可操作性，设置了加热炉门自动开启开关。加热炉门自动开启开关与电磁触发开关进行串联设置，必须先闭合加热炉门自动开启开关，再闭合电磁触发开关电磁发射装置才可以工作。

（7）本发明设计了一款新型的试件夹具，其底座装有脚轮，试件固定在夹具上，由于试件的大小形状不同，试件夹具设计为可上下调节高度，解决不同试件的对心问题，当试件与入射杆接触时，夹具与试件一起滑动，减少夹具对试件运动的阻力。

（8）本发明选用了一种高温润滑脂（320℃—1200℃）对试件进行润滑。常温实验时，试件表面的润滑剂常常为凡士林，其熔点为40℃—60℃，高温中早已失去了其润滑效果，因此发明中换用高温润滑脂，很好的解决了高温下的润滑要求。

（9）本发明利用数字相关技术（DIC）对实验图像进行采集分析，图像采集装置由两个高速摄像头组成，实时采集试件表面灰度的变化，记录下试件的变形过程，并存储在电脑中，最后利用数字图像相关技术得出材料的力学参数。

附图说明

图1为本发明所述高温下高精度霍普金森压杆实验装置的结构示意图。

图2为电磁驱动装置示意图。

图3为本发明的加热炉、试件、试件夹具相对位置示意图。

图4为可调式试件夹具的结构示意图。

图5为加热炉的支撑装置。

其中：1、电磁触发开关，2、加热炉门自动开启开关，3、电磁驱动装置，4、驱动平板，5、子弹，6、入射杆，7、力传感器，8、加热炉，9、加热炉支撑装置，10、透射杆，11、缓冲装置，12、空气压缩过滤装置，13、整流器，14、电阻，15、放电开关，16、变压器，17、电容，18、线圈，19、加热炉门，20、数字传感器，21、电阻加热装置，22、氮气入口，23、实验试件，24、透明窗口，25、高温陶瓷圆柱，26、试件夹具，27、单向阀门，28、热电偶安装孔，29、可调螺纹。

具体实施方式

下面结合附图1-5对本发明作详细说明。

图1为本发明所述的高温下高精度霍普金森压杆实验装置，包括：电磁触发开关1、加热炉门自动开启开关2、电磁驱动装置3、驱动平板4、子弹5、入射杆6、力传感器7、加热炉8、加热炉支撑装置9、透射杆10、缓冲装置11及空气压缩过滤装置12。

具体的，电磁触发开关1和加热炉门自动开启开关2以串联的形式连接，加热炉门自动开启开关2可以独立工作，而加热炉门自动开启开关没闭合就不能激发电磁驱动；驱动平板和子弹连为一体，电磁驱动平板的同时也驱动了子弹；在透射杆左端面安装有力传感器7。

图2为电磁驱动装置示意图。左边部分为充电电路，包括整流器13、电阻14、电容17及变压器16，右边部分为放电电路主要为驱动平板4、子弹5、放电开关15及线圈18。

具体的，首先给左边的充电电路充电，变压器16与电源相连以提高充电电压；当电容17达到一定的电荷量时，停止充电。

进一步，闭合放电电路放电开关15，电容17放电，线圈18中会产生巨大的变化的电流，这时根据电磁感应定理，在驱动平板4上就会产生巨大的感应电流，且产生相互排斥的力，驱动平板4获得一定的加速度加速，并带动子弹一同加速，这样子弹便获得一定的速度。

图3为本发明的加热炉、试件、试件夹具相对位置示意图。其中加热炉包括加热炉门19、数字传感器20、电阻加热装置21、氮气入口22、空气压缩过滤装置12、实验试件23、透明窗口24、高温陶瓷圆柱25、试件夹具26、单向阀门27及热电偶安装孔28。

具体的，加热炉自动开启门19设置在加热炉的左侧，电阻加热装置21设置在加热炉的周围，主要由环绕的电阻丝构成，并可由数字传感器20自动调节功率使试件达到实验要求的温度并进行保温；加热炉透明窗口24设计在加热炉的正前方，该透明窗口是为之后的高速数字图像采集设计的，其尺寸为长100mm宽60mm。实验试件24制成圆柱形状，实验时试件放于加热炉中央；氮气入口22和单向阀门27构成氮气充入与密封系统；单向阀门27，只能由内往外排放气体，以保证炉内不受外界气体影响。

进一步，高温陶瓷圆柱25设置在加热炉右边，连接透射杆和试件；实验试件的夹具26，其安装在加热炉正中间，下端有导槽牵引去左右滑动，中部有可调式螺纹调节其高度；热电偶安装孔28位于加热炉中部偏左，距离试件2cm处。

图4为实验试件夹具。该夹具由上段的定位装置、中部的可调螺纹29及下端的滑动式滑轮构成。

图5为加热炉固定支撑夹具。下端用T形螺栓与霍普金森压杆实验台固定在一起；夹具的纵向尺寸保证了加热炉中心和试件的中心具有很好的重合度；夹具的中间穿孔是为了给热电偶留有安装位置，并设计了可调螺纹，以便调节热偶在加热炉内的上下位置。

结合附图具体的实施步骤如下：

步骤1、安装实验设备；

步骤2、实验试件的加工：把试件加工成长80mm、直径为12.5mm；

步骤3、试件表面散斑的处理：先将试件表面打磨抛光，然后利用高压喷枪在试件表面依次喷涂黑色和白色的亚光漆；

步骤4、调整试件的位置使实验试件23在加热炉中间；

步骤5、调整试件夹具26的高度，保证试件轴心与入射杆轴心在同一高度；

步骤6、调整热电偶的高度，使其离试件2cm处；

步骤7、关闭加热炉门19，保证其密封性；

步骤8、打开空气压缩过滤装置12，排尽炉内空气；

步骤9、输入需要的实验温度，进行加热并保温；

步骤10、电磁驱动装置接通电源给电容17充电，关闭加热炉门自动开启开关，加热炉打开，闭合电磁触发开关1；

步骤11、高速摄像头收集实验图像并存储在电脑中，利用DIC进行分析处理；

步骤12、利用力传感器测出实时的力，并和DIC技术得到的应变曲线整合成应力应变曲线。其具体的公式如下：

$\mathrm{\σ}=\frac{F}{A}$

A_υL_υ＝AL＝const

$\frac{\mathrm{dA}}{A}=-\frac{\mathrm{dL}}{L}=-\mathrm{ds}$

A＝A_σexp(-s)

公式中的ε为应变，l_o为试件的原长，l为试件实验后的长度，σ为应力，F为试件受力，A₀为初始截面面积，A为实验后的截面面积。

利用数字图像高速采集装置采集实验过程中试件表面的图像特征，把这些数字图像导入到计算机中，并利用数字图像相关技术（DIC）对材料在实验过程中的力学性能进行分析。若高速摄像机每张照片曝光的时间为△t，根据高速摄像机的记录，结合网格应变分析仪，对应开始变形后的第n张照片，即可得到变形时刻为n×△t时的应变s_n×Δt。利用力传感器得到的受力曲线，得到应力时间曲线，两者一结合得到应力应变曲线

需要指出的是，以上所述，仅为本发明的具体实施实例，实例中所使用的数据和图表仅用于说明本方法的具体思路。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，可轻易想到的变化或同等替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种霍普金森压杆实验装置，其特征在于包括：电磁触发开关(1)、加热炉门自动开启开关(2)、电磁驱动装置(3)、驱动平板(4)、子弹(5)、入射杆(6)、力传感器(7)、加热炉(8)、加热炉支撑装置(9)、透射杆(10)、缓冲装置(11)及空气压缩过滤装置(12)；

电磁触发开关(1)和加热炉门自动开启开关(2)以串联的形式连接，加热炉门自动开启开关(2)可以独立工作，驱动平板和子弹连为一体，电磁驱动平板的同时也驱动了子弹；在透射杆左端面安装有力传感器(7)，加热炉包括加热炉门(19)、数字传感器(20)、电阻加热装置(21)、氮气入口(22)、空气压缩过滤装置(12)、透明窗口(24)、高温陶瓷圆柱(25)、试件夹具(26)、单向阀门(27)及热电偶安装孔(28)；

实验时，加热炉门(19)设置在加热炉的左侧，电阻加热装置(21)设置在加热炉的周围，数字传感器(20)自动调节功率使试件达到实验要求的温度并进行保温；加热炉透明窗口(24)可供高速数字图像采集装置进行数据采集，试件放于加热炉中央；氮气入口(22)和单向阀门(27)构成氮气充入与密封系统；单向阀门(27)保证只能由内往外排放气体。

2.根据权利要求1所述的霍普金森压杆实验装置，其特征在于：电磁驱动装置(3)包括充电电路和放电电路，该充电电路包括整流器(13)、电阻(14)、电容(17)及变压器(16)，放电电路主要为驱动平板(4)、子弹(5)、放电开关(15)及线圈(18)；

工作时，充电电路充电，变压器(16)与电源相连以提高充电电压；当电容(17)达到一定的电荷量时，停止充电；

电容(17)放电时，在驱动平板(4)上产生感应电流，驱动平板(4)获得一定的加速度加速，并带动子弹(5)一同加速。

3.根据权利要求1所述的霍普金森压杆实验装置，其特征在于，该实验装置还包括加热炉、试件、试件夹具。

4.根据权利要求1所述的霍普金森压杆实验装置，其特征在于，高温陶瓷圆柱(25)设置在加热炉右边，连接透射杆和试件；试件夹具(26)，其安装在加热炉正中间，下端有导槽牵引其左右滑动，中部有可调式螺纹调节其高度；热电偶安装孔(28)位于加热炉中部偏左。

5.根据权利要求1所述的霍普金森压杆实验装置进行实验的方法：其特征在于包括如下步骤：

步骤1、安装实验设备；

步骤2、实验试件的加工：把试件加工成长80mm、直径为12.5mm；

步骤3、试件表面散斑的处理：先将试件表面打磨抛光，然后利用高压喷枪在试件表面依次喷涂黑色和白色的亚光漆；

步骤4、调整试件的位置使实验试件(23)在加热炉中间；

步骤5、调整试件夹具(26)的高度，保证试件轴心与入射杆轴心在同一高度；

步骤6、调整热电偶的高度，使其离试件2cm处；

步骤7、关闭加热炉门(19)，保证其密封性；

步骤8、打开空气压缩过滤装置(12)，排尽炉内空气；

步骤9、输入需要的实验温度，进行加热并保温；

步骤10、电磁驱动装置接通电源给电容(17)充电，关闭加热炉门自动开启开关，加热炉打开，闭合电磁触发开关(1)；

步骤11、高速摄像头收集实验图像并存储在电脑中，利用DIC进行分析处理；

步骤12、利用力传感器测出实时的力，并和DIC技术得到的应变曲线整合成应力应变曲线。