CN103983512B - 霍普金森拉压一体实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种霍普金森拉压一体实验装置，本发明将拉伸实验气缸设置在拉杆发射装置的一侧，可以大大提高气压的传递效率，提高拉杆发射装置的工作动力；采用了可匹配不同杆径的杆支撑装置和拉杆发射装置，可以在实验中采用不同的杆径对不同实验进行研究；且在拉杆发射装置中采用磁钢圈对活塞进行减速，消除了实验装置本身硬性撞击对实验所产生的干扰。

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

在霍普金森杆实验中，由于使用气体作为介质操作简单，可重复性强，一般使用气动加速成为霍普金森杆实验装置的通用动力源。而随着材料的研究不断朝着更高的应变率发展，就要求实验装置提供更大的动力；增大气体压力是一种简单的方法，但同时要求提高整个实验装置的安全标准，牵一发而动全身，需要对实验装置的整体做全面的改进。

另外，在材料的力学研究过程中，我们发现仅仅研究其压缩和拉伸性能是不够的，材料经常由于形状和结构等因素导致其失去原有作用甚至完全失效。这样就需要搭建不仅可以研究材料拉伸和压缩性能，还可以研究材料构件失效的实验装置。目前独立存在的有霍普金森拉压一体实验装置，但都由于直径的原因使得小杆径霍普金森实验装置不能用于研究材料构件，如果只是研究材料的本构而使用大杆径霍普金森实验装置，则造成了没有必要的浪费。

一般情况下，对于材料的本构研究，实验杆直径越小，试件直径也越小，相对受力就会越均匀，同时也节省了试件和实验杆材料。但有的实验需要采用大杆径霍普金森杆，如文献“GeorgesChallita,RamziOthman:Finite-elementanalysisofSHPBtestsondouble-lapadhesivejoints.InternationalJournalofAdhesionandAdhesives.30(4),236-244(2010)”使用霍普金森压杆研究双粘结试件在高应变率下的受力及脱粘形式，为了使得粘结试件端部受力均匀，否则对于粘结试件的加工要求非常高；如果使用小杆径实验杆进行实验，实验精度会受到很大影响。文献“李继承,陈小伟,陈刚：921A钢纯剪切帽状试件在SHPB实验中的动态变形.爆炸与冲击.V30,2010”使用25mmSHPB对材料的剪切受力进行了研究，但该研究局限于金属加工与实验，如果采用粘弹性材料或粘超弹材料，会使得加工困难并且实验结果由于相对形状的原因变的不准确。在这种情况下使用大杆径霍普金森杆就会有所改善。

另外，由于在实验过程中，拉杆发射装置中的活塞被施加压力后会产生撞击并反弹，因此会对实验的结果产生干扰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够增加实验气缸的工作效率，并且可以跟换实验杆径以适应不同的实验需求，且能够减少实验中产生的干扰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，包括缓冲装置、能量吸收杆、杆支撑装置、固定导轨、管状子弹测速仪、水平台、拉杆发射装置、拉伸端实验杆、通气软管、拉伸实验气缸出气口手动阀、拉伸实验气缸出气口电磁阀、拉伸实验气缸、拉伸实验气缸压力表、拉伸实验气缸支撑架、拉伸实验进气口电磁阀、实验转接头、压缩端实验杆、子弹测速仪、压缩实验炮管、压缩实验炮管支撑架、压缩实验子弹、压缩实验气缸出气口手动阀、压缩实验气缸出气口电磁阀、压缩实验气缸、压缩实验气缸压力表、压缩实验气缸进气口电磁阀；水平台上设置有缓冲装置，缓冲装置的一端设置能量吸收杆，能量吸收杆通过杆支撑装置支撑，能量吸收杆的另一端设置有管状子弹测速仪，管状子弹测速仪固连在水平台上，管状子弹测速仪的另一端设置拉杆发射装置，拉杆发射装置固定在水平台上，拉杆发射装置的另一端设置有拉伸实验气缸支撑架，拉伸实验气缸支撑架固定在水平台上，拉伸实验气缸支撑架上设置拉伸实验气缸，拉杆发射装置的进气口依次通过通气软管、拉伸实验气缸出气口手动阀和拉伸实验气缸出气口电磁阀与拉伸实验气缸出气口连接，拉伸实验气缸的进气口设置拉伸实验进气口电磁阀，拉伸实验气缸上设置拉伸实验气缸压力表，拉伸端实验杆分别穿过管状子弹测速仪、拉杆发射装置和拉伸实验气缸支撑架，并通过杆支撑装置支撑，拉伸端实验杆靠近能量吸收杆的一端为法兰盘端，拉伸端实验杆的另一端设置压缩端实验杆，拉伸端实验杆和压缩端实验杆靠近的一端分别设置实验转接头，压缩端实验杆通过杆支撑装置支撑，压缩端实验杆的另一端设置子弹测速仪，子弹测速仪固定在水平台上，子弹测速仪的另一端设置压缩实验炮管，压缩实验炮管通过压缩实验炮管支撑架支撑并固定在水平台上，压缩实验子弹设置在压缩实验炮管内，压缩实验炮管的另一端设置有压缩实验气缸，压缩实验气缸固连在水平台上，压缩实验气缸的出气口端依次通过压缩实验气缸出气口电磁阀和压缩实验气缸出气口手动阀与压缩实验炮管连接，压缩实验气缸的进气口设置有压缩实验气缸进气口电磁阀，压缩实验气缸上设置压缩实验气缸压力表。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

(1)本发明将拉伸实验气缸设置在拉杆发射装置的一侧，经过实验发现，相比现有技术中将拉伸实验气缸设置在拉杆发射装置上方的方式，其气压的传递效率大大提高，因此无需增大气体压力即可提高拉杆发射装置的工作动力。

(2)本发明的杆支撑装置中采用支撑定位三爪，拉杆发射装置中采用直线滚珠导套和转接块，因此可适应不同的杆径，可以在实验中采用不同的杆径对不同实验进行研究，保证应力波的一维性和均匀性以及构件的可靠性，可以有针对性的提高了实验测量精度。

(3)本发明在拉杆发射装置中采用磁钢圈对活塞进行减速，消除了实验装置本身硬性撞击对实验所产生的干扰。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明霍普金森拉压一体实验装置的总体结构示意图。

图2是本发明多杆径霍普金森拉压一体实验装置的拉伸实验装置结构的结构示意图。

图3是本发明霍普金森拉压一体实验装置的压缩实验装置结构的结构示意图。

图4是本发明霍普金森拉压一体实验装置的拉杆发射装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明一种霍普金森拉压一体实验装置，包括缓冲装置1、能量吸收杆2、杆支撑装置、固定导轨6、管状子弹测速仪7、水平台8、拉杆发射装置、拉伸端实验杆16、通气软管17、拉伸实验气缸出气口手动阀18、拉伸实验气缸出气口电磁阀19、拉伸实验气缸20、拉伸实验气缸压力表21、拉伸实验气缸支撑架22、拉伸实验进气口电磁阀23、实验转接头24、压缩端实验杆25、压缩实验子弹测速仪26、压缩实验炮管27、压缩实验炮管支撑架28、压缩实验子弹29、压缩实验气缸出气口手动阀30、压缩实验气缸出气口电磁阀31、压缩实验气缸32、压缩实验气缸压力表33、压缩实验气缸进气口电磁阀34；水平台8上设置有缓冲装置1，缓冲装置的一端设置能量吸收杆2，能量吸收杆2通过杆支撑装置支撑，能量吸收杆2的另一端设置有管状子弹测速仪7，管状子弹测速仪7固连在水平台8上，管状子弹测速仪7的另一端设置拉杆发射装置，拉杆发射装置固定在水平台8上，拉杆发射装置的另一端设置有拉伸实验气缸支撑架22，拉伸实验气缸支撑架22固定在水平台8上，拉伸实验气缸支撑架22上设置拉伸实验气缸20，拉杆发射装置的进气口依次通过通气软管17、拉伸实验气缸出气口手动阀18和拉伸实验气缸出气口电磁阀19与拉伸实验气缸20出气口连接，拉伸实验气缸20的进气口设置拉伸实验进气口电磁阀23，拉伸实验气缸20上设置拉伸实验气缸压力表21，拉伸端实验杆16分别穿过管状子弹测速仪7、拉杆发射装置和拉伸实验气缸支撑架22，并通过杆支撑装置支撑，拉伸端实验杆16靠近能量吸收杆2的一端为法兰盘端，拉伸端实验杆16的另一端设置压缩端实验杆25，拉伸端实验杆16和压缩端实验杆25靠近的一端分别设置实验转接头24，压缩端实验杆25通过杆支撑装置支撑，压缩端实验杆25的另一端设置压缩实验子弹测速仪26，压缩实验子弹测速仪26固定在水平台8上，压缩实验子弹测速仪26的另一端设置压缩实验炮管27，压缩实验炮管27通过压缩实验炮管支撑架28支撑并固定在水平台8上，压缩实验子弹29设置在压缩实验炮管27内，压缩实验炮管27的另一端设置有压缩实验气缸32，压缩实验气缸32固连在水平台8上，压缩实验气缸32的出气口端依次通过压缩实验气缸出气口电磁阀31和压缩实验气缸出气口手动阀30与压缩实验炮管27连接，压缩实验气缸32的进气口设置有压缩实验气缸进气口电磁阀34，压缩实验气缸32上设置压缩实验气缸压力表33。

杆支撑装置包括滑块与支撑定位三爪转接块3、支撑定位三爪4、滑块5和固定导轨6，其中，导轨6固定设置在水平台8上，滑块5与导轨6形成滑动副，滑块与支撑定位三爪转接块3设置在滑块5上，支撑定位三爪4设置在滑块与支撑定位三爪转接块3上。

拉杆发射装置包括拉伸炮管9、直线滚珠导套12、转接块11、管状子弹14、磁钢圈10、套筒13、活塞15和入射杆16，拉伸炮管9固定设置在水平台8上，一端带有螺纹的套筒13贯穿拉伸炮管9并通过螺纹连接在拉伸炮管9的进气口端盖，带中心孔的活塞15套在套筒13上靠近拉伸炮管9的进气口的一端，活塞15与套筒13不接触，两者之间设置O型密封圈，并与拉伸炮管9内表面间隙配合，管状子弹14滑动套接在套筒13上，管状子弹14的内径大于套筒13的外径，且一端与活塞15接触，两个磁钢圈10分别设置在拉伸炮管9的子弹出口端盖内壁和活塞15近子弹出口的端面，且两者位置相对应，直线滚珠导套12通过转接块11设置在套筒13内壁的近子弹出口端，入射杆16贯穿整个发射装置，并与直线滚珠导套12内壁间隙配合，入射杆16的法兰盘端设置在近子弹出口端。

转接块11通过卡环固定在套筒13内壁的近子弹出口端，直线滚珠导套12通过卡环固定在转接块11内壁。

水平台8作为整个实验装置的基座，其上安装固定导轨6使整个实验装置在一条直线上。配套滑块5可以在固定导轨6上滑动和固定，滑块与支撑定位三爪转接块3用来连接和固定支撑定位三爪4和配套滑块5。下面分别介绍本构研究和构件失效形式研究实验的具体实施方式以及不同杆径实验杆的更换：

本构试验：压缩实验将实验转接头24分别螺纹连接到拉伸端实验杆16和压缩端实验杆25的相邻端，试件置于实验转接头24之间进行实验。控制压缩实验气缸进气口电磁阀34向压缩实验气缸32充气，压缩实验气缸32内压力的大小可以通过压缩实验气缸压力表33获得。压缩实验发射装置发射压缩实验子弹29时应同时触发压缩实验气缸出气口电磁阀31和压缩实验气缸出气口手动阀30才可使气体对压缩实验子弹29进行加速从压缩实验炮管27射出。随后压缩实验子弹29通过压缩实验子弹测速仪26撞击压缩端实验杆25并产生压缩波，在此过程中压缩实验子弹测速仪26测得子弹29的速度，压缩波经过实验转接头24和试件后传入拉伸端实验杆16，这样就完成了压缩加载过程。拉伸端实验杆16又将压缩波传入能量吸收杆2并最终被缓冲装置1将能量吸收，数据采集卡收集拉伸端实验杆16和压缩端实验杆25中的电压信号。

拉伸试验将实验转接头24旋下，将两端带有螺纹的试件连接到拉伸端实验杆16和压缩端实验杆25的相邻端进行实验。控制拉伸实验气缸进气口电磁阀23向拉伸实验气缸20充气，拉伸实验气缸20内压力的大小可以通过拉伸实验气缸压力表21获得。拉伸实验发射装置发射管状子弹14时应同时触发拉伸实验气缸出气口电磁阀19和拉伸实验气缸出气口手动阀18才可使气体推动活塞15，从而活塞15推动管状子弹14进行加速从拉伸炮管9射出。随后管状子弹14通过管状子弹测速仪7撞击拉伸端实验杆16变直径端(法兰盘端)的右端面并产生压缩波，再经过拉伸端实验杆16变直径端(法兰盘端)的左端面产生拉伸波，在此过程中管状子弹测速仪7测得管状子弹14的速度，拉伸波经过试件后传入拉伸端实验杆25，这样就完成了拉伸加载过程。拉伸端实验杆16又将拉伸波传入能量吸收杆2并最终被缓冲装置1将能量吸收，数据采集卡收集拉伸端实验杆16和压缩端实验杆25中的电压信号。

构件失效形式实验：整个实验的实施过程与本构实验相同，但需要构件径向尺寸更换适用于该实验的较大直径能量吸收杆2、直线滚珠导套12、拉伸端实验杆16、压缩端实验杆25和压缩炮管27及压缩实验炮管支撑架28。

Claims (4)

1.一种霍普金森拉压一体实验装置，其特征在于：包括缓冲装置（1）、能量吸收杆（2）、杆支撑装置、固定导轨（6）、管状子弹测速仪（7）、水平台（8）、拉杆发射装置、拉伸端实验杆（16）、通气软管（17）、拉伸实验气缸出气口手动阀（18）、拉伸实验气缸出气口电磁阀（19）、拉伸实验气缸（20）、拉伸实验气缸压力表（21）、拉伸实验气缸支撑架（22）、拉伸实验进气口电磁阀（23）、实验转接头（24）、压缩端实验杆（25）、子弹测速仪（26）、压缩实验炮管（27）、压缩实验炮管支撑架（28）、压缩实验子弹（29）、压缩实验气缸出气口手动阀（30）、压缩实验气缸出气口电磁阀（31）、压缩实验气缸（32）、压缩实验气缸压力表（33）、压缩实验气缸进气口电磁阀（34）；水平台（8）上设置有缓冲装置（1），缓冲装置的一端设置能量吸收杆（2），能量吸收杆（2）通过杆支撑装置支撑，能量吸收杆（2）的另一端设置有管状子弹测速仪（7），管状子弹测速仪（7）固连在水平台（8）上，管状子弹测速仪（7）的另一端设置拉杆发射装置，拉杆发射装置固定在水平台（8）上，拉杆发射装置的另一端设置有拉伸实验气缸支撑架（22），拉伸实验气缸支撑架（22）固定在水平台（8）上，拉伸实验气缸支撑架（22）上设置拉伸实验气缸（20），拉杆发射装置的进气口依次通过通气软管（17）、拉伸实验气缸出气口手动阀（18）和拉伸实验气缸出气口电磁阀（19）与拉伸实验气缸（20）出气口连接，拉伸实验气缸（20）的进气口设置拉伸实验进气口电磁阀（23），拉伸实验气缸（20）上设置拉伸实验气缸压力表（21），拉伸端实验杆（16）分别穿过管状子弹测速仪（7）、拉杆发射装置和拉伸实验气缸支撑架（22），并通过杆支撑装置支撑，拉伸端实验杆（16）靠近能量吸收杆（2）的一端为法兰盘端，拉伸端实验杆（16）的另一端设置压缩端实验杆（25），拉伸端实验杆（16）和压缩端实验杆（25）靠近的一端分别设置实验转接头（24），压缩端实验杆（25）通过杆支撑装置支撑，压缩端实验杆（25）的另一端设置子弹测速仪（26），子弹测速仪（26）固定在水平台（8）上，子弹测速仪（26）的另一端设置压缩实验炮管（27），压缩实验炮管（27）通过压缩实验炮管支撑架（28）支撑并固定在水平台（8）上，压缩实验子弹（29）设置在压缩实验炮管（27）内，压缩实验炮管（27）的另一端设置有压缩实验气缸（32），压缩实验气缸（32）固连在水平台（8）上，压缩实验气缸（32）的出气口端依次通过压缩实验气缸出气口电磁阀（31）和压缩实验气缸出气口手动阀（30）与压缩实验炮管（27）连接，压缩实验气缸（32）的进气口设置有压缩实验气缸进气口电磁阀（34），压缩实验气缸（32）上设置压缩实验气缸压力表（33）。

2.根据权利要求1所述的霍普金森拉压一体实验装置，其特征在于：所述的杆支撑装置包括滑块与支撑定位三爪转接块（3）、支撑定位三爪（4）、滑块（5）和固定导轨（6），其中，固定导轨（6）固定设置在水平台（8）上，滑块（5）与导轨（6）形成滑动副，滑块与支撑定位三爪转接块（3）设置在滑块（5）上，支撑定位三爪（4）设置在滑块与支撑定位三爪转接块（3）上。

3.根据权利要求1所述的霍普金森拉压一体实验装置，其特征在于：所述的拉杆发射装置包括拉伸炮管（9）、直线滚珠导套（12）、转接块（11）、管状子弹（14）、磁钢圈（10）、套筒（13）、活塞（15）和入射杆（16），拉伸炮管（9）固定设置在水平台（8）上，一端带有螺纹的套筒（13）贯穿拉伸炮管（9）并通过螺纹连接在拉伸炮管（9）的进气口端盖，带中心孔的活塞（15）套在套筒（13）上靠近拉伸炮管（9）的进气口的一端，活塞（15）与套筒（13）不接触，两者之间设置O型密封圈，并与拉伸炮管（9）内表面间隙配合，管状子弹（14）滑动套接在套筒（13）上，管状子弹（14）的内径大于套筒（13）的外径，且一端与活塞（15）接触，两个磁钢圈（10）分别设置在拉伸炮管（9）的子弹出口端盖内壁和活塞（15）近子弹出口的端面，且两者位置相对应，直线滚珠导套（12）通过转接块（11）设置在套筒（13）内壁的近子弹出口端，入射杆（16）贯穿整个发射装置，并与直线滚珠导套（12）内壁间隙配合，入射杆（16）的法兰盘端设置在近子弹出口端。

4.根据权利要求3所述的霍普金森拉压一体实验装置，其特征在于：所述的转接块（11）通过卡环固定在套筒（13）内壁的近子弹出口端，直线滚珠导套（12）通过卡环固定在转接块（11）内壁。