CN104677760B - 双轴霍普金森压杆和拉杆实验入射波等效加载的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双轴霍普金森压杆和拉杆实验入射波等效加载的实现方法，用于解决现有方法难以实现双轴霍普金森压杆和拉杆实验的入射波等效加载的技术问题。技术方案是采用两套相同双线圈电磁力入射波发生器，每套入射波发生器放电线圈同轴、反向安装，分别控制霍普金森压杆、拉杆实验加载，实现等效加载设备的统一。在进行霍普金森压杆实验和拉杆实验时，纵向、横向放电线圈串联到由同一组放电可控硅控制的同一组放电电容上，纵向、横向放电线圈同步触发纵向、横向入射波。通过次级线圈厚度补偿，以及纵向、横向放电线圈串联在由同一放电可控硅控制的同一组放电电容上，保证了双轴霍普金森压杆和拉杆实验的入射波等效加载，其加载间隔误差小于0.1μs。

Description

双轴霍普金森压杆和拉杆实验入射波等效加载的实现方法

技术领域

本发明涉及一种霍普金森压杆和拉杆实验方法，特别是涉及一种双轴霍普金森压杆和拉杆实验入射波等效加载的实现方法。

背景技术

在高应变率环境下，霍普金森压杆和拉杆实验被广泛应用于材料力学性能测试，其中霍普金森压杆实验用于测量材料压缩性能，霍普金森拉杆实验用于测量材料拉伸性能。

在实际中，由于霍普金森压杆和拉杆实验的加载方式不同，导致压杆和拉杆实验加载设备相互分离，不能用一套设备完成两类实验。

文献“申请公布号是CN103926138A的中国发明专利”公开了一种基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器及实验方法，该方法实现了霍普金森压杆和拉杆实验加载设备的统一。通过调整拉伸头和压缩头到放电线圈的距离，既可以实现霍普金森压杆实验，也可以实现霍普金森拉杆实验。此外，该发明以电磁铆枪技术为基础，利用电容组对放电线圈放电，放电线圈中激发强脉冲电流，强脉冲电流在次级线圈中引起感应涡流，脉冲电流与感应涡流产生电磁斥力，电磁斥力经过应力波放大器放大后以应力波的形式通过入射杆直截加载到试样表面，通过设置不同的放电电压，可以有效的实现不同幅值入射波的精确加载，拓展了霍普金森压杆和拉杆实验中的应变率变化范围。

在双轴霍普金森压杆和拉杆实验中，要求加载入射波同时从两个相互垂直的方向对试样纵向和横向进行等效加载，即纵向、横向加载入射波前沿到达试样接触界面的时间间隔必须小于1μs，纵向、横向加载应力入射波幅值相同，纵向、横向加载入射波脉冲宽度相同。参照图5、6。理论上分析，只需要将两套相同的应力波发生器垂直布置，分别由试样的纵向、横向垂直加载入射波，即可实现双向霍普金森压杆和拉杆实验加载设备统一，当两套装置的充电电压相同时，纵向、横向入射波等效加载。但实际中，由于此种实验设备PLC控制系统存在反应时差，同时放电电容器组存在5％-20％的电容量误差，放电可控硅触发时会有20ms-30ms的放电延。另外，实验装置加工时必然会存在一定误差等，导致两套实验设备产生的加载入射波幅值不等、脉冲宽度不同、加载异步等结果，最终难以实现双轴霍普金森压杆和拉杆实验等效加载设备统一和入射波等效。

发明内容

为了克服现有方法难以实现双轴霍普金森压杆和拉杆实验的入射波等效加载的不足，本发明提供一种双轴霍普金森压杆和拉杆实验入射波等效加载的实现方法。该方法采用两套相同双线圈电磁力入射波发生器，每套入射波发生器的两放电线圈同轴、反向安装，分别控制霍普金森压杆、拉杆实验加载，实现等效加载设备的统一。分别在霍普金森压杆和拉杆的实验条件下，测量出两套设备产生的入射波幅值大小关系，根据入射波幅值大小关系和次级线圈补偿方法增加入射波幅值较小的次级线圈厚度，对加工误差引起的纵向、横向入射波中的较小幅值入射波进行幅值补偿，保证了纵向、横向入射波幅值相等。纵向、横向入射波发生器布置在同一水平面上，纵向、横向入射波加载方向相互垂直，在进行霍普金森压杆实验和拉杆实验时，纵向、横向放电线圈串联到由同一组放电可控硅控制的同一组放电电容上，纵向、横向放电线圈流过相同的强脉冲电流，产生脉冲宽度相同、同步触发的纵向、横向入射波。通过次级线圈厚度补偿，以及纵向、横向放电线圈串联在由同一放电可控硅控制的同一组放电电容上，保证了双轴霍普金森压杆和拉杆实验的入射波等效加载。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种双轴霍普金森压杆和拉杆实验入射波等效加载的实现方法，其特点是采用以下步骤：

步骤一、纵向、横向入射波发生器的布置。

纵向压缩波次级线圈15通过螺栓连接到纵向压缩波放大器17上，构成纵向压缩波驱动头；横向压缩波次级线圈16通过螺栓连接到横向压缩波放大器18上，构成横向压缩波驱动头；纵向拉伸波次级线圈7通过螺栓连接到纵向拉伸波放大器5上，构成纵向拉伸波驱动头；横向拉伸波次级线圈8通过螺栓连接到横向拉伸波放大器6上，构成横向拉伸波驱动头。纵向压缩波放电线圈13和纵向拉伸波放电线圈9同轴并反向固定到纵向基座11上，横向压缩波放电线圈14和横向拉伸波放电线圈10同轴并反向固定到横向基座12上。纵向压缩波驱动头、纵向拉伸波驱动头、纵向拉伸波放电线圈9、纵向基座11和纵向压缩波放电线圈13构成纵向入射波发生器，横向压缩波驱动头、横向拉伸波驱动头、横向拉伸波放电线圈10、横向基座12和横向压缩波放电线圈14构成横向入射波发生器，纵向、横向入射波发生器垂直布置在同一平面内。

双轴霍普金森压杆实验时，纵向、横向压缩波驱动头分别放入纵向基座11、横向基座12内，纵向压缩波驱动头与纵向压缩波放电线圈13、纵向基座11和纵向拉伸波放电线圈9同轴间隙配合，横向压缩波驱动头与横向压缩波放电线圈14、横向基座12和横向拉伸波放电线圈10同轴间隙配合。双轴霍普金森拉杆实验时，将纵向、横向压缩波驱动头取出，纵向、横向拉伸波驱动头放入纵向基座11、横向基座12内，纵向拉伸波驱动头与纵向拉伸波放电线圈9、纵向基座11和纵向压缩波放电线圈13同轴间隙配合，横向压缩波驱动头与横向拉伸波放电线圈10、横向基座12和横向压缩波放电线圈14同轴间隙配合。

步骤二、电路连接。

电容器组1、放电电阻2、放电可控硅3和转换开关4串联组成放电电路，电容器组1为放电电路提供电能，放电电阻2为电路导线的等效电阻，放电可控硅3控制电路放电，转换开关4对双轴霍普金森压杆和拉杆实验进行选择。纵向、横向压缩波放电线圈13、14串联，纵向、横向拉伸波放电线圈9、10串联。

在瞬间强电流的作用下，放电线圈和次级线圈产生电磁斥力，电磁斥力通过应力波放大器放大转化为入射波。其中入射波满足公式：

式中，σ-入射波，K-应力波放大器放大倍数，r-放电线圈半径，μ₀-真空磁导率，ω-电流振荡圆频率，M-放电线圈与次级线圈的互感，n-放电线圈匝数，i(t)-放电电流，A-次级线圈面积，α-放电线圈与次级线圈的距离，R₂、L₂-次级线圈的电阻和电感。

当转换开关4和电路触点b接通时，纵向、横向应力波发生器进行霍普金森压杆实验入射波加载，纵向、横向压缩波放电线圈13、14串联接入由同一放电可控硅3控制的同一电容器组1上，纵向、横向压缩波放电线圈13、14流过相同放电电流，纵向、横向入射波脉冲宽度相同、同时触发。当转换开关4和电路触点a接通时，纵向、横向应力波发生器进行霍普金森拉杆实验入射波加载，纵向、横向拉伸波放电线圈9、10串联接入由同一放电可控硅3控制的同一电容器组1上，纵向、横向拉伸波放电线圈9、10流过相同放电电流，纵向、横向入射波脉冲宽度相同、同时触发。

步骤三、次级线圈厚度补偿。

为了实现双轴霍普金森压杆和拉杆实验的等应变率加载，在实验之前需要通过采用不同厚度次级线圈对入射波幅值进行补偿，保证压杆实验、拉杆实验各自的纵向、横向入射波幅值相同。在双轴霍普金森压杆和拉杆实验中通过增加横向、纵向入射波中幅值较低的入射波的次级线圈厚度，保证纵向、横向入射波等幅加载。其方法是：假设两套电磁力入射波发生器性能相同，纵向、横向压缩波放电线圈串联，纵向、横向拉伸波放电线圈串联。转换开关4与电路触点b连接，纵向、横向压缩波驱动头分别放入纵向、横向基座11、12内，纵向、横向应力波发生器产生霍普金森压杆实验的纵、横向入射波，对纵向、横向入射波幅值进行测量，根据测量结果和厚度补偿公式增加较小峰值入射波的压缩波次级线圈厚度，保持较大峰值入射波的压缩波次级线圈厚度不变。转换开关4与电路触点a连接，纵向、横向拉伸波驱动头分别放入纵向、横向基座11、12内，纵向、横向应力波发生器产生霍普金森拉杆实验的纵、横向入射波，对纵向、横向入射波幅值进行测量，根据测量结果和厚度补偿公式增加较小峰值入射波的拉伸波次级线圈厚度，保持较大峰值入射波的拉伸波次级线圈厚度不变。其中次级线圈厚度补偿公式为：

式中，H为峰值较小的入射波次级线圈厚度增加之后的厚度，h为峰值较大的入射波次级线圈的厚度，P_H为纵向、横向入射波峰值中较大值，P_L为纵向、横向入射波峰值中较小值。

步骤四、双轴霍普金森压杆和拉杆实验等效加载过程。

(1)双轴霍普金森压杆实验等效加载：

步骤1、布置纵向实验设备。

将纵向压缩波驱动头放入纵向基座11中，与纵向压缩波放电线圈13贴合。将应变片24粘贴到纵向入射杆21和纵向透射杆25表面，纵向入射杆21与纵向压缩波放大器17的锥面端通过螺杆19连接，端面相互接触。纵向透射杆25同轴安装在纵向入射杆21的自由端方向，纵向透射杆25和纵向入射杆21之间留有放置试样23的空间。在纵向透射杆25的末端安装纵向缓冲器27。

步骤2、布置横向实验设备。

将横向压缩波驱动头放入横向基座12中，与横向压缩波放电线圈14贴合。将应变片24粘贴到横向入射杆22和横向透射杆26表面，横向入射杆22与横向压缩波放大器18的锥面端通过螺杆20连接，端面相互接触。横向透射杆26同轴安装在横向入射杆22的自由端方向，横向透射杆26和横向入射杆22之间留有放置试样23的空间。在横向透射杆26的末端安装纵向缓冲器28。

步骤3、信号采集系统和试样安装。

将应变片24接入动态应变仪29中，试样23放入到纵向入射杆21和纵向透射杆25、横向入射杆22和横向透射杆26中间，使试样23的四个端面分别与纵向、横向的入射杆21、22和透射杆25、26端面接触。

步骤4、入射波加载。

转换开关4与电路触点b接通，在电磁铆枪控制系统的基础上，利用380V交流电对电容器组1充电。放电可控硅3对电路放电，在瞬间强电流的作用下：纵向压缩波放电线圈13和纵向压缩波次级线圈15之间产生电磁斥力，电磁斥力在纵向压缩波放大器17的放大作用下放大转化为纵向压缩入射波；横向压缩波放电线圈14和横向压缩波次级线圈16之间产生电磁斥力，电磁斥力在横向压缩波放大器18的放大作用下放大转化为横向压缩入射波。纵向、横向压缩入射波分别通过纵向、横向入射杆21、22直截加载到试样23的纵向和横向截面上，纵向压缩入射波在纵向入射杆21与试样23的接触面一部分反射回纵向入射杆21中，另一部分透射到纵向透射杆25中，最终被纵向缓冲器27吸收；横向压缩入射波在横向入射杆22与试样23的接触面一部分反射回横向入射杆22中，另一部分透射到横向透射杆26中，最终被横向缓冲器28吸收。由于利用了纵向、横向压缩波放电线圈13、14串联和压缩波次级线圈厚度补偿等方法，此时试样23的纵向、横向加载的压缩入射波幅值相等、脉冲宽度相同、触发时间高度一致。

步骤5、信号采集和处理。

在纵向、横向压缩入射波加载的过程中，利用粘贴在纵向入射杆21、透射杆25，横向入射杆22、横向透射杆26上的应变片24采集横向、纵向反射波信号，横向、纵向透射波信号，信号传入动态应变仪24中转化为电压信号，记录电压信号。利用双轴霍普金森压杆的实验原理对数据进行处理，推导出试样在等效双轴压缩应力波加载下的力学性能。

(2)双轴霍普金森拉杆实验等效加载：

步骤1、布置纵向实验设备。

将纵向拉伸波驱动头放入纵向基座11中，与纵向拉伸波放电线圈9贴合。将应变片24粘贴到纵向入射杆21和纵向透射杆25表面，纵向入射杆21与纵向拉伸波放大器5的长轴端通过螺杆19连接，端面相互接触。纵向透射杆25同轴安装在纵向入射杆21的自由端方向，纵向透射杆25和纵向入射杆21之间留有放置试样23的空间。在纵向透射杆25的末端安装纵向缓冲器27。

步骤2、布置横向实验设备。

将横向拉伸波驱动头放入横向基座12中，与横向拉伸波放电线圈10贴合。将应变片24粘贴到横向入射杆22和横向透射杆26表面，横向入射杆22与横向拉伸波放大器6的长轴端通过螺杆20连接，端面相互接触。横向透射杆26同轴安装在横向入射杆22的自由端方向，横向透射杆26和横向入射杆22之间留有放置试样23的空间。在横向透射杆26的末端安装纵向缓冲器28。

步骤3、信号采集系统和试样安装。

将应变片24接入动态应变仪29中，试样23放入到纵向入射杆21和纵向透射杆25、横向入射杆22和横向透射杆26中间，使试样23的四个端面分别与纵向、横向的入射杆21、22和透射杆25、26端面进行螺纹连接。

步骤4、入射波加载。

转换开关4与电路触点a接通，在电磁铆枪控制系统的基础上，利用380V交流电对电容器组1充电。放电可控硅3对电路放电，在瞬间强电流的作用下：纵向拉伸波放电线圈9和纵向拉伸波次级线圈7之间产生电磁斥力，电磁斥力在纵向压缩波放大器17的放大作用下放大转化为压缩波，压缩波在纵向拉伸波放大器的最小锥面处反射为纵向拉伸入射波；横向拉伸波放电线圈10和横向拉伸波次级线圈8之间产生电磁斥力，电磁斥力在横向拉伸波放大器6的放大作用下放大转化为压缩波，压缩波在横向拉伸波放大器的最小锥面处反射为横向拉伸入射波。纵向、横向拉伸入射波分别通过纵向、横向入射杆21、22直截加载到试样23的纵向和横向截面上，纵向拉伸入射波在纵向入射杆21与试样23的接触面一部分反射回纵向入射杆21中，另一部分透射到纵向透射杆25中；横向拉伸入射波在横向入射杆22与试样23的接触面一部分反射回横向入射杆22中，另一部分透射到横向透射杆26中。由于利用了纵向、横向拉伸波放电线圈9、10串联和拉伸波次级线圈厚度补偿等方法，此时试样23的纵向、横向加载的拉伸入射波幅值相等、脉冲宽度相同、触发时间高度一致。

步骤5、信号采集和处理。

在纵向、横向拉伸入射波加载的过程中，利用粘贴在纵向入射杆21、透射杆25，横向入射杆22、横向透射杆26上的应变片24采集横向、纵向反射波信号，横向、纵向透射波信号，信号传入动态应变仪24中转化为电压信号，记录电压信号。利用双轴霍普金森拉杆的实验原理对数据进行处理，推导出试样在等效双轴拉伸应力波加载下的力学性能。

本发明的有益效果是：本发明采用两套相同双线圈电磁力入射波发生器，每套入射波发生器的两放电线圈同轴、反向安装，分别控制霍普金森压杆、拉杆实验加载，实现等效加载设备的统一。分别在霍普金森压杆和拉杆的实验条件下，测量出两套设备产生的入射波幅值大小关系，根据入射波幅值大小关系和次级线圈补偿方法增加入射波幅值较小的次级线圈厚度，对加工误差引起的纵向、横向入射波中的较小幅值入射波进行幅值补偿，保证了纵向、横向入射波幅值相等。纵向、横向入射波发生器布置在同一水平面上，纵向、横向入射波加载方向相互垂直，在进行霍普金森压杆实验和拉杆实验时，纵向、横向放电线圈串联到由同一组放电可控硅控制的同一组放电电容上，纵向、横向放电线圈流过相同的强脉冲电流，产生脉冲宽度相同、同步触发的纵向、横向入射波。通过次级线圈厚度补偿，以及纵向、横向放电线圈串联在由同一放电可控硅控制的同一组放电电容上，保证了双轴霍普金森压杆和拉杆实验的入射波等效加载，其加载间隔误差小于0.1μs。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明方法用双轴霍普金森压杆实验模型(横向压缩波驱动头)示意图。

图2是本发明方法用双轴霍普金森拉杆实验模型(横向拉伸波驱动头)示意图。

图3是图1中横向压缩波驱动头结构放大图。

图4是图2中横向拉伸波驱动头结构放大图。

图5是本发明方法中电磁力幅值与次级线圈厚度的关系图。

图6是本发明方法中压杆实验放电线圈串联时放电电流波形图。

图7是本发明方法中压杆实验次级线圈厚度补偿前的纵向、横向入射波图，负值表示入射压缩波，正值表示反射拉伸波。

图8是本发明方法中压杆实验次级线圈厚度补偿后的纵向、横向入射波图，负值表示入射压缩波，正值表示反射拉伸波。

图9是背景技术文献公开的两套设计参数相同的实验装置压杆实验同时加载时放电电流波形图。

图10是背景技术文献公开的两套设计参数相同的实验装置压杆实验同时加载时的应力波图，负值表示入射压缩波，正值表示反射拉伸波。

图中，1-电容器组，2-放电电阻，3-放电可控硅，4-转换开关，a、b-电路触点，5-纵向拉伸波放大器，6-横向拉伸波放大器，7-纵向拉伸波次级线圈，8-横向拉伸波次级线圈，9-纵向拉伸波放电线圈，10-横向拉伸波放电线圈，11-纵向基座，12-横向基座，13-纵向压缩波放电线圈，14-横向压缩波放电线圈，15-纵向压缩波次级线圈，16-横向压缩波次级线圈，17-纵向压缩波放大器，18-横向压缩波放大器，19-纵向连接螺杆，20-横向连接螺杆，21-纵向入射杆，22-横向入射杆，23-试样，24-应变片，25-纵向透射杆，26-横向透射杆，27-纵向缓冲器，28-横向缓冲器，29-动态应变仪。

具体实施方式

参照图1-8。本发明双轴霍普金森压杆和拉杆实验入射波等效加载的实现方法具体步骤如下：

1、纵向、横向入射波发生器的布置。

纵向压缩波次级线圈15通过螺栓连接到纵向压缩波放大器17上，构成纵向压缩波驱动头；横向压缩波次级线圈16通过螺栓连接到横向压缩波放大器18上，构成横向压缩波驱动头；纵向拉伸波次级线圈7通过螺栓连接到纵向拉伸波放大器5上，构成纵向拉伸波驱动头；横向拉伸波次级线圈8通过螺栓连接到横向拉伸波放大器6上，构成横向拉伸波驱动头。纵向压缩波放电线圈13和纵向拉伸波放电线圈9同轴并反向固定到纵向基座11上，横向压缩波放电线圈14和横向拉伸波放电线圈10同轴并反向固定到横向基座12上，其中所述线圈和基座具有相同直径中心孔。纵向压缩波驱动头、纵向拉伸波驱动头、纵向拉伸波放电线圈9、纵向基座11和纵向压缩波放电线圈13构成纵向入射波发生器，横向压缩波驱动头、横向拉伸波驱动头、横向拉伸波放电线圈10、横向基座12和横向压缩波放电线圈14构成横向入射波发生器，纵向、横向入射波发生器垂直布置在同一平面内。

双轴霍普金森压杆实验时，纵向、横向压缩波驱动头分别放入纵向基座11、横向基座12内，纵向压缩波驱动头与纵向压缩波放电线圈13、纵向基座11和纵向拉伸波放电线圈9同轴间隙配合，横向压缩波驱动头与横向压缩波放电线圈14、横向基座12和横向拉伸波放电线圈10同轴间隙配合。双轴霍普金森拉杆实验时，将纵向、横向压缩波驱动头取出，纵向、横向拉伸波驱动头放入纵向基座11、横向基座12内，纵向拉伸波驱动头与纵向拉伸波放电线圈9、纵向基座11和纵向压缩波放电线圈13同轴间隙配合，横向压缩波驱动头与横向拉伸波放电线圈10、横向基座12和横向压缩波放电线圈14同轴间隙配合。双轴霍普金森压杆和拉杆实验等效加载设备实现了统一。

2、电路连接。

电容器组1、放电电阻2、放电可控硅3和转换开关4串联组成放电电路，电容器组1为放电电路提供电能，放电电阻2为电路导线的等效电阻，放电可控硅3控制电路放电，转换开关4对双轴霍普金森压杆和拉杆实验进行选择。纵向、横向压缩波放电线圈13、14串联，纵向、横向拉伸波放电线圈9、10串联。

纵向、横向入射波发生器产生入射波的原理相同。在瞬间强电流的作用下，放电线圈和次级线圈产生电磁斥力，电磁斥力通过应力波放大器放大转化为入射波。其中入射波满足公式：

式中，σ-入射波，K-应力波放大器放大倍数，r-放电线圈半径，μ₀-真空磁导率，ω-电流振荡圆频率，M-放电线圈与次级线圈的互感，n-放电线圈匝数，i(t)-放电电流，A-次级线圈面积，α-放电线圈与次级线圈的距离，R₂、L₂-次级线圈的电阻和电感。由公式(1)可知，入射波脉冲宽度与放电电流的半周期相同，脉冲触发时间与电流的触发时间一致，当放电电流相同时，入射波的脉冲宽度和触发时间将完全相同。

当转换开关4和电路触点b接通时，纵向、横向应力波发生器进行霍普金森压杆实验入射波加载，纵向、横向压缩波放电线圈13、14串联接入由同一放电可控硅3控制的同一电容器组1上，纵向、横向压缩波放电线圈13、14流过相同放电电流，纵向、横向入射波脉冲宽度相同、同时触发。当转换开关4和电路触点a接通时，纵向、横向应力波发生器进行霍普金森拉杆实验入射波加载，纵向、横向拉伸波放电线圈9、10串联接入由同一放电可控硅3控制的同一电容器组1上，纵向、横向拉伸波放电线圈9、10流过相同放电电流，纵向、横向入射波脉冲宽度相同、同时触发。虽然纵向、横向入射杆21、22的加工长度存在加工误差，但绝对误差可以很容易控制在0.1mm范围内，入射波在入射杆中的传播速度通常在10⁶mm·s^-1以上(如在钢中的传播速度约5×10⁶mm·s^-1)，因此纵向、横向同步入射波通过纵向、横向入射杆21、22后加载到试样表面时的同步性误差将小于0.1μs，满足分离式双轴霍普金森压杆和拉杆实验的同步性误差上限不超过1μs的要求。

3、次级线圈厚度补偿。

由于设备加工存在误差，实际中纵向、横向压缩波放电线圈13、14性能不完全相同，纵向、横向拉伸波放电线圈9、10性能不完全相同，纵向入射杆21和横向入射杆22横截面积不完全相同，这些加工误差最终导致压杆实验、拉杆实验各自的纵向、横向入射波的幅值存在一定的差异，即试样的加载应变率将不一致。为了实现双轴霍普金森压杆和拉杆实验的等应变率加载，在实验之前需要通过采用不同厚度次级线圈对入射波幅值进行补偿，保证压杆实验、拉杆实验各自的纵向、横向入射波幅值相同。其原理是：电容器组对放电线圈放电时，线圈在轴向上产生强磁场，由于放电线圈为带中心孔的饼状线圈，磁场在距离线圈表面一定高度(约10mm)的区域内可视为均匀磁场，次级线圈(厚度小于8mm)可以假设为多个厚度很薄的饼状铜片的叠加。由于磁场分布均匀，薄铜板横截面积相同，当磁场变化时每一个薄铜板上产生的电磁力应力波相同，电磁力产生的应力波等于每一个薄铜板上产生的应力波的线性叠加。因此在距离放电线圈表面一定高度的范围内，磁场力应力波的幅值与次级线圈厚度成正比。在双轴霍普金森压杆和拉杆实验中可以通过增加横向、纵向入射波中幅值较低的入射波的次级线圈厚度，保证纵向、横向入射波等幅加载。其方法是：假设两套电磁力入射波发生器性能相同，纵向、横向压缩波放电线圈串联，纵向、横向拉伸波放电线圈串联。转换开关4与电路触点b连接，纵向、横向压缩波驱动头分别放入纵向、横向基座11、12内，纵向、横向应力波发生器产生霍普金森压杆实验的纵、横向入射波，对纵向、横向入射波幅值进行测量，根据测量结果和厚度补偿公式增加较小峰值入射波的压缩波次级线圈厚度，保持较大峰值入射波的压缩波次级线圈厚度不变。转换开关4与电路触点a连接，纵向、横向拉伸波驱动头分别放入纵向、横向基座11、12内，纵向、横向应力波发生器产生霍普金森拉杆实验的纵、横向入射波，对纵向、横向入射波幅值进行测量，根据测量结果和厚度补偿公式增加较小峰值入射波的拉伸波次级线圈厚度，保持较大峰值入射波的拉伸波次级线圈厚度不变。其中次级线圈厚度补偿公式为：

式中，H为峰值较小的入射波次级线圈厚度增加之后的厚度，h为峰值较大的入射波次级线圈的厚度，P_H为纵向、横向入射波峰值中较大值，P_L为纵向、横向入射波峰值中较小值。

厚度补偿后，由于在本发明方法中入射波峰值对次级线圈厚度不具有高敏感性，次级线圈的加工精度一般为±0.05mm，因此次级线圈厚度加工误差对入射波的峰值影响可以忽略。此时，在双轴霍普金森压杆和拉杆实验中分别通过选用两个具有不同厚度的次级线圈，对入射波幅值进行补偿，解决了加工误差带来的不利影响，保证了纵向、横向入射波的等幅加载。

4、双轴霍普金森压杆和拉杆实验等效加载过程。

本发明方法既可以实现双轴霍普金森压杆实验等效加载，也可以实现双轴霍普金森拉杆实验等效加载，其实验详细操作步骤如下。

双轴霍普金森压杆实验等效加载：

步骤1、布置纵向实验设备。

将纵向压缩波驱动头放入纵向基座11中，与纵向压缩波放电线圈13贴合。将应变片24粘贴到纵向入射杆21和纵向透射杆25表面，纵向入射杆21与纵向压缩波放大器17的锥面端通过螺杆19连接，端面相互接触。纵向透射杆25同轴安装在纵向入射杆21的自由端方向，纵向透射杆25和纵向入射杆21之间留有放置试样23的空间。在纵向透射杆25的末端安装纵向缓冲器27。

步骤2、布置横向实验设备。

将横向压缩波驱动头放入横向基座12中，与横向压缩波放电线圈14贴合。将应变片24粘贴到横向入射杆22和横向透射杆26表面，横向入射杆22与横向压缩波放大器18的锥面端通过螺杆20连接，端面相互接触。横向透射杆26同轴安装在横向入射杆22的自由端方向，横向透射杆26和横向入射杆22之间留有放置试样23的空间。在横向透射杆26的末端安装纵向缓冲器28。

步骤3、信号采集系统和试样安装。

将应变片24接入动态应变仪29中，试样23放入到纵向入射杆21和纵向透射杆25、横向入射杆22和横向透射杆26中间，使试样23的四个端面分别与纵向、横向的入射杆21、22和透射杆25、26端面接触。

步骤4、入射波加载。

转换开关4与电路触点b接通，在电磁铆枪控制系统的基础上，利用380V交流电对电容器组1充电。放电可控硅3对电路放电，在瞬间强电流的作用下：纵向压缩波放电线圈13和纵向压缩波次级线圈15之间产生电磁斥力，电磁斥力在纵向压缩波放大器17的放大作用下放大转化为纵向压缩入射波；横向压缩波放电线圈14和横向压缩波次级线圈16之间产生电磁斥力，电磁斥力在横向压缩波放大器18的放大作用下放大转化为横向压缩入射波。纵向、横向压缩入射波分别通过纵向、横向入射杆21、22直截加载到试样23的纵向和横向截面上，纵向压缩入射波在纵向入射杆21与试样23的接触面一部分反射回纵向入射杆21中，另一部分透射到纵向透射杆25中，最终被纵向缓冲器27吸收；横向压缩入射波在横向入射杆22与试样23的接触面一部分反射回横向入射杆22中，另一部分透射到横向透射杆26中，最终被横向缓冲器28吸收。由于利用了纵向、横向压缩波放电线圈13、14串联和压缩波次级线圈厚度补偿等方法，此时试样23的纵向、横向加载的压缩入射波幅值相等、脉冲宽度相同、触发时间高度一致。

步骤5、信号采集和处理。

在纵向、横向压缩入射波加载的过程中，利用粘贴在纵向入射杆21、透射杆25，横向入射杆22、横向透射杆26上的应变片24采集横向、纵向反射波信号，横向、纵向透射波信号，信号传入动态应变仪24中转化为电压信号，记录电压信号。利用双轴霍普金森压杆的实验原理对数据进行处理，推导出试样在等效双轴压缩应力波加载下的力学性能。

双轴霍普金森拉杆实验等效加载：

步骤1、布置纵向实验设备。

将纵向拉伸波驱动头放入纵向基座11中，与纵向拉伸波放电线圈9贴合。将应变片24粘贴到纵向入射杆21和纵向透射杆25表面，纵向入射杆21与纵向拉伸波放大器5的长轴端通过螺杆19连接，端面相互接触。纵向透射杆25同轴安装在纵向入射杆21的自由端方向，纵向透射杆25和纵向入射杆21之间留有放置试样23的空间。在纵向透射杆25的末端安装纵向缓冲器27。

步骤2、布置横向实验设备。

将横向拉伸波驱动头放入横向基座12中，与横向拉伸波放电线圈10贴合。将应变片24粘贴到横向入射杆22和横向透射杆26表面，横向入射杆22与横向拉伸波放大器6的长轴端通过螺杆20连接，端面相互接触。横向透射杆26同轴安装在横向入射杆22的自由端方向，横向透射杆26和横向入射杆22之间留有放置试样23的空间。在横向透射杆26的末端安装纵向缓冲器28。

步骤3、信号采集系统和试样安装。

将应变片24接入动态应变仪29中，试样23放入到纵向入射杆21和纵向透射杆25、横向入射杆22和横向透射杆26中间，使试样23的四个端面分别与纵向、横向的入射杆21、22和透射杆25、26端面进行螺纹连接。

步骤4、入射波加载。

转换开关4与电路触点a接通，在电磁铆枪控制系统的基础上，利用380V交流电对电容器组1充电。放电可控硅3对电路放电，在瞬间强电流的作用下：纵向拉伸波放电线圈9和纵向拉伸波次级线圈7之间产生电磁斥力，电磁斥力在纵向压缩波放大器17的放大作用下放大转化为压缩波，压缩波在纵向拉伸波放大器的最小锥面处反射为纵向拉伸入射波；横向拉伸波放电线圈10和横向拉伸波次级线圈8之间产生电磁斥力，电磁斥力在横向拉伸波放大器6的放大作用下放大转化为压缩波，压缩波在横向拉伸波放大器的最小锥面处反射为横向拉伸入射波。纵向、横向拉伸入射波分别通过纵向、横向入射杆21、22直截加载到试样23的纵向和横向截面上，纵向拉伸入射波在纵向入射杆21与试样23的接触面一部分反射回纵向入射杆21中，另一部分透射到纵向透射杆25中；横向拉伸入射波在横向入射杆22与试样23的接触面一部分反射回横向入射杆22中，另一部分透射到横向透射杆26中。由于利用了纵向、横向拉伸波放电线圈9、10串联和拉伸波次级线圈厚度补偿等方法，此时试样23的纵向、横向加载的拉伸入射波幅值相等、脉冲宽度相同、触发时间高度一致。

步骤5、信号采集和处理。

在纵向、横向拉伸入射波加载的过程中，利用粘贴在纵向入射杆21、透射杆25，横向入射杆22、横向透射杆26上的应变片24采集横向、纵向反射波信号，横向、纵向透射波信号，信号传入动态应变仪24中转化为电压信号，记录电压信号。利用双轴霍普金森拉杆的实验原理对数据进行处理，推导出试样在等效双轴拉伸应力波加载下的力学性能。

Claims (1)

1.一种双轴霍普金森压杆和拉杆实验入射波等效加载的实现方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、纵向、横向入射波发生器的布置；

纵向压缩波次级线圈(15)通过螺栓连接到纵向压缩波放大器(17)上，构成纵向压缩波驱动头；横向压缩波次级线圈(16)通过螺栓连接到横向压缩波放大器(18)上，构成横向压缩波驱动头；纵向拉伸波次级线圈(7)通过螺栓连接到纵向拉伸波放大器(5)上，构成纵向拉伸波驱动头；横向拉伸波次级线圈(8)通过螺栓连接到横向拉伸波放大器(6)上，构成横向拉伸波驱动头；纵向压缩波放电线圈(13)和纵向拉伸波放电线圈(9)同轴并反向固定到纵向基座(11)上，横向压缩波放电线圈(14)和横向拉伸波放电线圈(10)同轴并反向固定到横向基座(12)上；纵向压缩波驱动头、纵向拉伸波驱动头、纵向拉伸波放电线圈(9)、纵向基座(11)和纵向压缩波放电线圈(13)构成纵向入射波发生器，横向压缩波驱动头、横向拉伸波驱动头、横向拉伸波放电线圈(10)、横向基座(12)和横向压缩波放电线圈(14)构成横向入射波发生器，纵向、横向入射波发生器垂直布置在同一平面内；

双轴霍普金森压杆实验时，纵向、横向压缩波驱动头分别放入纵向基座(11)、横向基座(12)内，纵向压缩波驱动头与纵向压缩波放电线圈(13)、纵向基座(11)和纵向拉伸波放电线圈(9)同轴间隙配合，横向压缩波驱动头与横向压缩波放电线圈(14)、横向基座(12)和横向拉伸波放电线圈(10)同轴间隙配合；双轴霍普金森拉杆实验时，将纵向、横向压缩波驱动头取出，纵向、横向拉伸波驱动头放入纵向基座(11)、横向基座(12)内，纵向拉伸波驱动头与纵向拉伸波放电线圈(9)、纵向基座(11)和纵向压缩波放电线圈(13)同轴间隙配合，横向压缩波驱动头与横向拉伸波放电线圈(10)、横向基座(12)和横向压缩波放电线圈(14)同轴间隙配合；

步骤二、电路连接；

电容器组(1)、放电电阻(2)、放电可控硅(3)和转换开关(4)串联组成放电电路，电容器组(1)为放电电路提供电能，放电电阻(2)为电路导线的等效电阻，放电可控硅(3)控制电路放电，转换开关(4)对双轴霍普金森压杆和拉杆实验进行选择；纵向、横向压缩波放电线圈(13、14)串联，纵向、横向拉伸波放电线圈(9、10)串联；

在瞬间强电流的作用下，放电线圈和次级线圈产生电磁斥力，电磁斥力通过应力波放大器放大转化为入射波；其中入射波满足公式：

$\mathrm{\σ}=\frac{{\mathrm{Kr\μ}}_0{\mathrm{\ωMn}}^2}{A\mathrm{\α}\sqrt{R_2^2+{\left({\mathrm{\ωL}}_2\right)}^2}}{i}^2\left(t\right)---\left(1\right)$

式中，σ-入射波，K-应力波放大器放大倍数，r-放电线圈半径，μ₀-真空磁导率，ω-电流振荡圆频率，M-放电线圈与次级线圈的互感，n-放电线圈匝数，i(t)-放电电流，A-次级线圈面积，α-放电线圈与次级线圈的距离，R₂、L₂-次级线圈的电阻和电感；

当转换开关(4)和电路触点b接通时，纵向、横向应力波发生器进行霍普金森压杆实验入射波加载，纵向、横向压缩波放电线圈(13、14)串联接入由同一放电可控硅(3)控制的同一电容器组(1)上，纵向、横向压缩波放电线圈(13、14)流过相同放电电流，纵向、横向入射波脉冲宽度相同、同时触发；当转换开关(4)和电路触点a接通时，纵向、横向应力波发生器进行霍普金森拉杆实验入射波加载，纵向、横向拉伸波放电线圈(9、10)串联接入由同一放电可控硅(3)控制的同一电容器组(1)上，纵向、横向拉伸波放电线圈(9、10)流过相同放电电流，纵向、横向入射波脉冲宽度相同、同时触发；

步骤三、次级线圈厚度补偿；

为了实现双轴霍普金森压杆和拉杆实验的等应变率加载，在实验之前需要通过采用不同厚度次级线圈对入射波幅值进行补偿，保证压杆实验、拉杆实验各自的纵向、横向入射波幅值相同；在双轴霍普金森压杆和拉杆实验中通过增加横向、纵向入射波中幅值较低的入射波的次级线圈厚度，保证纵向、横向入射波等幅加载；其方法是：假设两套电磁力入射波发生器性能相同，纵向、横向压缩波放电线圈串联，纵向、横向拉伸波放电线圈串联；转换开关(4)与电路触点b连接，纵向、横向压缩波驱动头分别放入纵向、横向基座(11、12)内，纵向、横向应力波发生器产生霍普金森压杆实验的纵、横向入射波，对纵向、横向入射波幅值进行测量，根据测量结果和厚度补偿公式增加较小峰值入射波的压缩波次级线圈厚度，保持较大峰值入射波的压缩波次级线圈厚度不变；转换开关(4)与电路触点a连接，纵向、横向拉伸波驱动头分别放入纵向、横向基座(11、12)内，纵向、横向应力波发生器产生霍普金森拉杆实验的纵、横向入射波，对纵向、横向入射波幅值进行测量，根据测量结果和厚度补偿公式增加较小峰值入射波的拉伸波次级线圈厚度，保持较大峰值入射波的拉伸波次级线圈厚度不变；其中次级线圈厚度补偿公式为：

$\frac{H}{h}=\frac{2P_H-P_L}{P_H}---\left(2\right)$

式中，H为峰值较小的入射波次级线圈厚度增加之后的厚度，h为峰值较大的入射波次级线圈的厚度，P_H为纵向、横向入射波峰值中较大值，P_L为纵向、横向入射波峰值中较小值；

步骤四、双轴霍普金森压杆和拉杆实验等效加载过程；

(1)双轴霍普金森压杆实验等效加载：

步骤1、布置纵向实验设备；

将纵向压缩波驱动头放入纵向基座(11)中，与纵向压缩波放电线圈(13)贴合；将应变片(24)粘贴到纵向入射杆(21)和纵向透射杆(25)表面，纵向入射杆(21)与纵向压缩波放大器(17)的锥面端通过纵向连接螺杆(19)连接，端面相互接触；纵向透射杆(25)同轴安装在纵向入射杆(21)的自由端方向，纵向透射杆(25)和纵向入射杆(21)之间留有放置试样(23)的空间；在纵向透射杆(25)的末端安装纵向缓冲器(27)；

步骤2、布置横向实验设备；

将横向压缩波驱动头放入横向基座(12)中，与横向压缩波放电线圈(14)贴合；将应变片(24)粘贴到横向入射杆(22)和横向透射杆(26)表面，横向入射杆(22)与横向压缩波放大器(18)的锥面端通过横向连接螺杆(20)连接，端面相互接触；横向透射杆(26)同轴安装在横向入射杆(22)的自由端方向，横向透射杆(26)和横向入射杆(22)之间留有放置试样(23)的空间；在横向透射杆(26)的末端安装横向缓冲器(28)；

步骤3、信号采集系统和试样安装；

将应变片(24)接入动态应变仪(29)中，试样(23)放入到纵向入射杆(21)和纵向透射杆(25)、横向入射杆(22)和横向透射杆(26)中间，使试样(23)的四个端面分别与纵、横向入射杆(21、22)和纵、横向透射杆(25、26)端面接触；

步骤4、入射波加载；

转换开关(4)与电路触点b接通，在电磁铆枪控制系统的基础上，利用380V交流电对电容器组(1)充电；放电可控硅(3)对电路放电，在瞬间强电流的作用下：纵向压缩波放电线圈(13)和纵向压缩波次级线圈(15)之间产生电磁斥力，电磁斥力在纵向压缩波放大器(17)的放大作用下放大转化为纵向压缩入射波；横向压缩波放电线圈(14)和横向压缩波次级线圈(16)之间产生电磁斥力，电磁斥力在横向压缩波放大器(18)的放大作用下放大转化为横向压缩入射波；纵向、横向压缩入射波分别通过纵向、横向入射杆(21、22)直截加载到试样(23)的纵向和横向截面上，纵向压缩入射波在纵向入射杆(21)与试样(23)的接触面一部分反射回纵向入射杆(21)中，另一部分透射到纵向透射杆(25)中，最终被纵向缓冲器(27)吸收；横向压缩入射波在横向入射杆(22)与试样(23)的接触面一部分反射回横向入射杆(22)中，另一部分透射到横向透射杆(26)中，最终被横向缓冲器(28)吸收；由于利用了纵向、横向压缩波放电线圈(13、14)串联和压缩波次级线圈厚度补偿方法，此时试样(23)的纵向、横向加载的压缩入射波幅值相等、脉冲宽度相同、触发时间高度一致；

步骤5、信号采集和处理；

在纵向、横向压缩入射波加载的过程中，利用粘贴在纵向入射杆(21)、纵向透射杆(25)，横向入射杆(22)、横向透射杆(26)上的应变片(24)采集横向、纵向反射波信号，横向、纵向透射波信号，信号传入应变片(24)中转化为电压信号，记录电压信号；利用双轴霍普金森压杆的实验原理对数据进行处理，推导出试样在等效双轴压缩应力波加载下的力学性能；

(2)双轴霍普金森拉杆实验等效加载：

步骤1、布置纵向实验设备；

将纵向拉伸波驱动头放入纵向基座(11)中，与纵向拉伸波放电线圈(9)贴合；将应变片(24)粘贴到纵向入射杆(21)和纵向透射杆(25)表面，纵向入射杆(21)与纵向拉伸波放大器(5)的长轴端通过纵向连接螺杆(19)连接，端面相互接触；纵向透射杆(25)同轴安装在纵向入射杆(21)的自由端方向，纵向透射杆(25)和纵向入射杆(21)之间留有放置试样(23)的空间；在纵向透射杆(25)的末端安装纵向缓冲器(27)；

步骤2、布置横向实验设备；

将横向拉伸波驱动头放入横向基座(12)中，与横向拉伸波放电线圈(10)贴合；将应变片(24)粘贴到横向入射杆(22)和横向透射杆(26)表面，横向入射杆(22)与横向拉伸波放大器(6)的长轴端通过横向连接螺杆(20)连接，端面相互接触；横向透射杆(26)同轴安装在横向入射杆(22)的自由端方向，横向透射杆(26)和横向入射杆(22)之间留有放置试样(23)的空间；在横向透射杆(26)的末端安装横向缓冲器(28)；

步骤3、信号采集系统和试样安装；

将应变片(24)接入动态应变仪(29)中，试样(23)放入到纵向入射杆(21)和纵向透射杆(25)、横向入射杆(22)和横向透射杆(26)中间，使试样(23)的四个端面分别与纵、横向入射杆(21、22)和纵、横向透射杆(25、26)端面进行螺纹连接；

步骤4、入射波加载；

转换开关(4)与电路触点a接通，在电磁铆枪控制系统的基础上，利用380V交流电对电容器组(1)充电；放电可控硅(3)对电路放电，在瞬间强电流的作用下：纵向拉伸波放电线圈(9)和纵向拉伸波次级线圈(7)之间产生电磁斥力，电磁斥力在纵向拉伸波放大器(5)的放大作用下放大转化为压缩波，压缩波在纵向拉伸波放大器的最小锥面处反射为纵向拉伸入射波；横向拉伸波放电线圈(10)和横向拉伸波次级线圈(8)之间产生电磁斥力，电磁斥力在横向拉伸波放大器(6)的放大作用下放大转化为压缩波，压缩波在横向拉伸波放大器的最小锥面处反射为横向拉伸入射波；纵向、横向拉伸入射波分别通过纵向、横向入射杆(21、22)直截加载到试样(23)的纵向和横向截面上，纵向拉伸入射波在纵向入射杆(21)与试样(23)的接触面一部分反射回纵向入射杆(21)中，另一部分透射到纵向透射杆(25)中；横向拉伸入射波在横向入射杆(22)与试样(23)的接触面一部分反射回横向入射杆(22)中，另一部分透射到横向透射杆(26)中；由于利用了纵向、横向拉伸波放电线圈(9、10)串联和拉伸波次级线圈厚度补偿方法，此时试样(23)的纵向、横向加载的拉伸入射波幅值相等、脉冲宽度相同、触发时间高度一致；

步骤5、信号采集和处理；

在纵向、横向拉伸入射波加载的过程中，利用粘贴在纵向入射杆(21)、纵向透射杆(25)，横向入射杆(22)、横向透射杆(26)上的应变片(24)采集横向、纵向反射波信号，横向、纵向透射波信号，信号传入应变片(24)中转化为电压信号，记录电压信号；利用双轴霍普金森拉杆的实验原理对数据进行处理，推导出试样在等效双轴拉伸应力波加载下的力学性能。