CN104678852B - 电磁力霍普金森压杆和拉杆实验加载装置的入射波控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁力霍普金森压杆和拉杆实验加载装置的入射波控制方法，用于解决现有基于电磁力的霍普金森压杆和拉杆实验方法实用性差的技术问题。技术方案是利用电磁力入射波与放电电压、放电电感、放电电容、放电电阻以及次级线圈厚度的关系，进行加载入射波幅值、脉冲宽度的精确控制，提高了入射波最大脉冲幅值和上升沿斜率。本发明方法通过减小放电电阻，保证电磁力应力波发生器的欠阻尼工作状态，提高了入射波最大幅值和上升沿斜率。采用饼状放电线圈和10mm厚度次级线圈，进一步提高入射波最大脉冲幅值，最大脉冲幅值可达325MPa，实现了入射波幅值10MPa～325MPa和入射波脉冲宽度100μs～500μs的精确控制。

Description

电磁力霍普金森压杆和拉杆实验加载装置的入射波控制方法

技术领域

本发明涉及一种加载装置的入射波控制方法，特别是涉及一种电磁力霍普金森压杆和拉杆实验加载装置的入射波控制方法。

背景技术

材料的力学性对于工程设计人员来说能至关重要，它是决定结构设计和数值模拟可靠性的关键因素。在高应变率下霍普金森压杆和拉杆技术(SHPB)被广泛应用于材料的力学性能测试，该技术的原理是：将短试样置于两根压杆之间，利用加速质量块、短杆等的撞击产生加速脉冲对试样进行加载，同时通过粘贴在入射杆、透射杆上的应变片记录脉冲信号，利用脉冲信号推算出材料的力学性能。该技术于1914年由霍普金森首次提出，1948年克劳斯盖(Kolsky)提出了改进的霍普金森压杆技术，因此霍普金森杆也被称作克劳斯盖杆。20世纪以来，越来越多的材料被应用于高温、高应变率的工作环境中，霍普金森压杆和拉杆技术的应用范围被不断拓展。

霍普金森压杆和拉杆技术中，广泛采用空气炮将撞击短杆高速射出以产生入射波的方法，这种方法的不足在于：空气具有可压缩性，撞击短杆发射速度和气压关系不能准确确定，导致试样应变率无法精确控制，在相同气压设置条件下，获得的入射波波幅将不完全一致，实验重复性较差。同时，不同的应变率需要使用不同长度的撞击杆获得，应变率越低，所需的撞击杆越短，由于撞击杆存在发射速度下限，因此许多工程实践中的低应变率环境不能通过传统的霍普金森压杆和拉杆实验得到，例如10s^-1。对于高应变率环境，要求撞击杆尺寸大且发射速度高，对于同一台霍普金森压杆和拉杆实验装置无法同时满足应变率跨度过大的实验。

针对以上问题，文献“申请公布号是CN103994922A的中国发明专利”公开了一种基于电磁力的霍普金森压杆和拉杆实验方法，该方法以电磁铆接技术为基础，将霍普金森压杆和拉杆实验设备集成，使用电磁铆枪装置加载方法代替空气炮加载，电磁力应力波直截作用到入射杆中完成试样加载。该发明方法通过改变放电电压控制入射波幅值，改变电容量控制入射波脉冲宽度，操作简便，大幅提高了霍普金森压杆和拉杆实验的可靠性和可控性，拓展了霍普金森压杆和拉杆实验的应变率变化范围。但是该发明方法没有给出具体的入射波幅值、脉冲宽度控制关系，实验中只能凭借经验通过调节放电电压、放电电容对入射波进行控制，费时费力，实验所需入射波与实际加载入射波很难保持一致。此外，该发明方法仅通过放电电压、放电电容对入射波实施控制，难以实现加载入射波上升沿斜率、脉冲宽度、脉冲幅值、最大脉冲幅值的综合控制。在实际中，霍普金森拉杆和压杆实验加载装置需要一种更好的加载入射波控制方法，以满足材料对不同测试加载环境的需要。

发明内容

为了克服现有基于电磁力的霍普金森压杆和拉杆实验方法实用性差的不足，本发明提供一种电磁力霍普金森压杆和拉杆实验加载装置的入射波控制方法。该方法在电磁铆接技术的基础上，采用带饼状放电线圈的电磁力应力波发生器作为霍普金森压杆和拉杆实验的入射波加载装置，其中次级线圈厚度为10mm。通过减小放电电阻，保证设备的欠阻尼工作状态，提高了入射波最大幅值和上升沿斜率。建立入射波脉冲幅值、脉冲宽度与放电电压、放电电容的控制关系，通过设置不同放电电压实现入射波幅值精确控制，通过选用不同电容量的放电电容实现入射波脉冲宽度精确控制。针对材料测试实验中入射波的具体要求，利用控制关系，计算出所需放电电压和放电电容，保证了实验要求入射波与实际加载入射波的一致性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电磁力霍普金森压杆和拉杆实验加载装置的入射波控制方法，其特点是采用以下步骤：

步骤一、电磁力应力波加载放电回路RLC震荡回路有三种工作状态：欠阻尼状态、临界阻尼状态和过阻尼状态。相同放电条件下，欠阻尼状态放电电流脉冲幅值最大、上升沿最陡、脉冲宽度最窄，有利于提高电磁力入射波幅值、上升沿斜率，降低入射波控制难度。欠阻尼状态下，RLC震荡回路需满足条件：

式中，R-放电电阻，L-放电电感，C-放电电容。

步骤二、电磁力应力波发生器采用带中心孔的饼状线圈，次级线圈厚度10mm。放电电容11对放电线圈6放电，放电线圈6在轴向上产生强磁场，由于放电线圈6为带中心孔的饼状线圈，磁场在距离线圈表面10mm高度的区域内视为均匀磁场，次级线圈7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10mm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。在相同条件下，10mm厚度次级线圈刚好实现电磁力应力波幅值最大化。

步骤三、在电磁力应力波发生器欠阻尼工作状态下，放电电容11对放电线圈6放电，放电线圈6产生强脉冲电流并激发变化的强磁场，次级线圈7感生出涡流，感生涡流磁场与放电电流磁场相互作用产生电磁斥力。电磁斥力在应力波放大器8的作用下转化为加载入射波，其计算公式是：

式中，σ-入射波，K-设备常数，U-放电电压，A-次级线圈面积，R-放电电阻，L-放电电感，ω-放电电流振荡圆频率，t-放电时间。对于固定的电磁力应力波发生器，设备常数K、放电电感L为固定值。

步骤四、电磁力应力波发生器以RLC放电回路为基础，入射波加载在放电电流第一个半周期内完成，欠阻尼状态下根据RLC放电电流周期得入射波脉冲宽度计算公式：

式中，T-入射波脉冲宽度。对于一套特定的电磁力应力波发生器，放电电感和放电电阻固定不变。

步骤五、在霍普金森压杆和拉杆实验中，材料测试环境要求加载不同的入射波。为了输出满足实验特定要求的入射波；

步骤1，对于特定的电磁力应力波发生器放电电感为固定值，对其放电电感L进行测量。为了保证在不同电容量的放电电容下，电磁力应力波发生器均处于欠阻尼工作状态，选取实验中最大放电电容量，结合放电电感L，利用公式(1)计算出放电电阻9的最大值。

步骤2，将变压器1接入380V交流电电源中，充电可控硅2与变压器1的输出端接通。充电可控硅2、限流电阻3、滤波电感4、放电电容11和整流二极管12串联为一个整体回路，电压表V并入电路中测量充电电压。放电线圈6采用带中心通孔的饼状线圈，放电线圈6和放电电阻9串联后并联在放电电容11上，同时通过放电可控硅5控制放电。为了防止放电电容11在放电过程中反向充电，续流二极管10并联在放电电容11上，提供续流功能。次级线圈7通过螺栓连接固定到应力波放大器8上，次级线圈7与放电线圈6贴合。

步骤3，触发充电可控硅2，380V交流电通过变压器1升压，充电可控硅2和整流二极管12构成晶闸管整流模块对升压后的交流电整流，整流电流流入放电电容11实现充电。在充电过程中限流电阻3和滤波电感4对放电电容11提供充电保护。触发放电可控硅5，放电电容11对放电线圈6放电，次级线圈7产生电磁力，电磁力在应力波放大器8的作用下转化为应力波。对不同电压下电磁力应力波幅值和脉冲宽度进行测量，利用公式(2)计算出设备常数K。

步骤4，电磁力应力波加载设备放电电阻已知，放电电感L已知，将实验所需入射波脉冲宽度代入公式(3)计算出放电电容量。将电容量与计算值相同的放电电容接入放电电路，保证入射波脉冲宽度要求。

步骤5，如步骤3所述，此时设备常数K、放电电感L已知，将实验所需入射波幅值代入公式(2)，计算出放电电压。利用电磁铆接控制系统将放电电容充电电压设置为计算值，保证入射波的幅值要求。

步骤6，触发充电可控硅2，380V交流电通过变压器1升压后对放电电容11充电。触发放电可控硅5，此时应力波放大器8输出的应力波与实验要求的入射波一致。

所述放电电阻9取值为0.8倍的最大电阻值。

所述次级线圈7的厚度为10mm。

本发明的有益效果是：本发明方法以电磁铆接技术为基础，利用电磁力入射波与放电电压、放电电感、放电电容、放电电阻、次级线圈厚度的关系，实现了加载入射波幅值、脉冲宽度的精确控制，提高了入射波最大脉冲幅值和上升沿斜率。本发明方法通过减小放电电阻，保证电磁力应力波发生器的欠阻尼工作状态，提高了入射波最大幅值和上升沿斜率。采用饼状放电线圈和10mm厚度次级线圈，进一步提高入射波最大脉冲幅值，最大脉冲幅值可达325MPa。建立入射波幅值与放电电压控制关系，实现了入射波幅值10MPa～325MPa的精确控制。建立入射波脉冲宽度与放电电容控制关系，实现入射波脉冲宽度由100μs～500μs精确控制。当材料测试实验中需要某一特定幅值、脉冲宽度的入射波时，计算出所需放电电压和放电电容，避免了凭借经验调节放电电压和放电电容带来的误差，简化了实验操作过程。

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是本发明方法用电路图。

图2是本发明方法用RLC放电回路放电电流图，Ⅰ为欠阻尼状态，Ⅱ为临界阻尼状态，Ⅲ为过阻尼状态。

图3是本发明方法中电磁力与次级线圈厚度关系图。

图4是本发明方法中电磁力波形与放电电阻关系图。

图5是本发明方法中电磁力峰值与放电电阻关系图。

图6是本发明方法中不同放电电压下产生的入射波图。

图7是本发明方法中输出的脉冲宽度为200μs的入射波图，负值表示压缩波，正值表示拉伸波。

图8是本发明方法中输出的脉冲宽度为350μs的入射波图，负值表示压缩波，正值表示拉伸波。

图9是本发明方法中输出的脉冲宽度为500μs的入射波图，负值表示压缩波，正值表示拉伸波。

图中，1-变压器，2-充电可控硅，3-限流电阻，4-滤波电感，5-放电可控硅，6-放电线圈，7-次级线圈，8-应力波放大器，9-放电电阻，10-续流二极管，11-放电电容，12-整流二极管，V-电压表。

具体实施方式

参照图1-9。本发明电磁力霍普金森压杆和拉杆实验加载装置的入射波控制方法具体步骤如下：

1.放电电路工作状态。

电磁力应力波加载原理与电磁铆接加载原理相同，其放电回路为RLC震荡回路。放电回路所选参数不同，RLC震荡回路有三种工作状态：欠阻尼状态、临界阻尼状态和过阻尼状态。相同放电条件下，欠阻尼状态放电电流脉冲幅值最大、上升沿最陡、脉冲宽度最窄，有利于提高电磁力入射波幅值、上升沿斜率，降低入射波控制难度。欠阻尼状态下，RLC震荡回路需满足条件：

式中，R-放电电阻，L-放电电感，C-放电电容。为了实现电磁力霍普金森压杆和拉杆实验加载装置的入射波的有效控制，本发明方法通过减小电阻阻值，使其满足不等式(1)，保证放电电路处于欠阻尼工作状态。

2.提高入射波最大幅值。

为了保证磁场能利用率最大化，提高入射波最大幅值，电磁力应力波发生器采用带中心孔的饼状线圈，次级线圈厚度10mm。其原理为：放电电容11对放电线圈6放电，线圈在轴向上产生强磁场，由于放电线圈6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7可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。在相同条件下，10mm厚度次级线圈刚好实现电磁力应力波幅值最大化。此外，通过减小放电电阻，不仅保证了放电回路工作在欠阻尼状态下，而且有效提高了入射波最大幅值和上升沿斜率。

3.入射波幅值控制。

在电磁力应力波发生器欠阻尼工作状态下，其入射波激发原理为：放电电容11对放电线圈6放电，放电线圈6产生强脉冲电流并激发变化的强磁场，次级线圈7感生出涡流，感生涡流磁场与放电电流磁场相互作用产生电磁斥力。电磁斥力在应力波放大器8的作用下转化为加载入射波，其计算公式是：

式中，σ-入射波，K-设备常数，U-放电电压，A-次级线圈面积，R-放电电阻，L-放电电感，ω-放电电流振荡圆频率，t-放电时间。对于固定的电磁力应力波发生器，设备常数K、放电电感L为固定值。本发明方法通过对不同电压下的应力波幅值进行测量，计算出设备常数K、放电电感L，根据公式(2)建立入射波幅值与放电电压的控制关系，实现入射波幅值的有效控制。

4.入射波脉冲宽度控制。

电磁力应力波发生器以RLC放电回路为基础，入射波加载在放电电流第一个半周期内完成，欠阻尼状态下根据RLC放电电流周期可得入射波脉冲宽度计算公式：

式中，T-入射波脉冲宽度。对于一套特定的电磁力应力波发生器，放电电感和放电电阻固定不变，根据公式(3)，建立入射波脉冲宽度与放电电容的控制关系，通过选择不同电容量的放电电容输出不同脉冲宽度的入射波，实现入射波脉冲宽度的有效控制。

5.输出实验要求入射波。

在霍普金森压杆和拉杆实验中，材料测试环境要求加载不同的入射波。为了输出满足实验特定要求的入射波，本发明方法的详细操作步骤如下：

步骤1，确定放电电阻。对于特定的电磁力应力波发生器放电电感为固定值，对其放电电感L进行测量。为了保证在不同电容量的放电电容下，电磁力应力波发生器均处于欠阻尼工作状态，选取实验中最大放电电容量，结合放电电感L，利用公式(1)计算出放电电阻最大值。为了避免测量误差的影响，实际放电电阻取0.8倍最大电阻值。

步骤2，电路连接。变压器1接入380V交流电电源中，充电可控硅2与变压器1的输出端接通。充电可控硅2、限流电阻3、滤波电感4、放电电容11、整流二极管12串联为一个整体回路，电压表V并入电路中测量充电电压。放电线圈6采用带中心通孔的饼状线圈，放电线圈6和放电电阻9串联后并联在放电电容11上，同时通过放电可控硅5控制放电。为了防止放电电容11在放电过程中反向充电，续流二极管10并联在放电电容11上，提供续流功能。次级线圈7通过螺栓连接固定到应力波放大器8上，次级线圈7与放电线圈6贴合。其中，次级线圈7的厚度取10mm。

步骤3，测量设备常数K。触发充电可控硅2，380V交流电通过变压器1升压，充电可控硅2和整流二极管12构成晶闸管整流模块对升压后的交流电整流，整流电流流入放电电容11实现充电。在充电过程中限流电阻3和滤波电感4对放电电容11提供充电保护。触发放电可控硅5，放电电容11对放电线圈6放电，次级线圈7产生电磁力，电磁力在应力波放大器8的作用下转化为应力波。对不同电压下电磁力应力波幅值和脉冲宽度进行测量，利用公式(2)计算出设备常数K。

步骤4，调整放电电容量。电磁力应力波加载设备放电电阻已知，放电电感L已知，将实验所需入射波脉冲宽度代入公式(3)计算出放电电容量。将电容量与计算值相同的放电电容接入放电电路，保证入射波脉冲宽度要求。

步骤5，放电电压设置。如步骤3所述，此时设备常数K、放电电感L已知，将实验所需入射波幅值代入公式(2)，计算出放电电压。利用电磁铆接控制系统将放电电容充电电压设置为计算值，保证入射波的幅值要求。

步骤6，输出实验要求入射波。触发充电可控硅2，380V交流电通过变压器1升压后对放电电容11充电。触发放电可控硅5，此时应力波放大器8输出的应力波与实验要求的入射波一致。

Claims (3)

1.一种电磁力霍普金森压杆和拉杆实验加载装置的入射波控制方法，包括：

步骤一、电磁力应力波加载放电回路RLC震荡回路有三种工作状态：欠阻尼状态、临界阻尼状态和过阻尼状态；相同放电条件下，欠阻尼状态放电电流脉冲幅值最大、上升沿最陡、脉冲宽度最窄，有利于提高电磁力入射波幅值、上升沿斜率，降低入射波控制难度；欠阻尼状态下，RLC震荡回路需满足条件：

$R<2\sqrt{L/C}---\left(1\right)$

式中，R-放电电阻，L-放电电感，C-放电电容；其特征在于还包括以下步骤：

步骤二、电磁力应力波发生器采用带中心孔的饼状线圈，次级线圈厚度10mm；放电电容(11)对放电线圈(6)放电，放电线圈(6)在轴向上产生强磁场，由于放电线圈(6)为带中心孔的饼状线圈，磁场在距离线圈表面10mm高度的区域内视为均匀磁场，次级线圈(7)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10mm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；在相同条件下，10mm厚度次级线圈刚好实现电磁力应力波幅值最大化；

步骤三、在电磁力应力波发生器欠阻尼工作状态下，放电电容(11)对放电线圈(6)放电，放电线圈(6)产生强脉冲电流并激发变化的强磁场，次级线圈(7)感生出涡流，感生涡流磁场与放电电流磁场相互作用产生电磁斥力；电磁斥力在应力波放大器(8)的作用下转化为加载入射波，其计算公式是：

$\mathrm{\&sigma;}=\frac{{\mathrm{KU}}^2}{A}{e}^{-\frac{R}{L}t}{\sin }^2\left(\mathrm{\&omega;}t\right)---\left(2\right)$

式中，σ-入射波，K-设备常数，U-放电电压，A-次级线圈面积，R-放电电阻，L-放电电感，ω-放电电流振荡圆频率，t-放电时间；对于固定的电磁力应力波发生器，设备常数K、放电电感L为固定值；

步骤四、电磁力应力波发生器以RLC放电回路为基础，入射波加载在放电电流第一个半周期内完成，欠阻尼状态下根据RLC放电电流周期得入射波脉冲宽度计算公式：

$T=\frac{\mathrm{\&pi;}}{\sqrt{\frac{1}{LC}-\frac{R^2}{4L^2}}}---\left(3\right)$

式中，T-入射波脉冲宽度；对于一套特定的电磁力应力波发生器，放电电感和放电电阻固定不变；

步骤五、在霍普金森压杆和拉杆实验中，材料测试环境要求加载不同的入射波；为了输出满足实验特定要求的入射波；

步骤1，对于特定的电磁力应力波发生器放电电感为固定值，对其放电电感L进行测量；为了保证在不同电容量的放电电容下，电磁力应力波发生器均处于欠阻尼工作状态，选取实验中最大放电电容量，结合放电电感L，利用公式(1)计算出放电电阻(9)的最大值；

步骤2，将变压器(1)接入380V交流电电源中，充电可控硅(2)与变压器(1)的输出端接通；充电可控硅(2)、限流电阻(3)、滤波电感(4)、放电电容(11)和整流二极管(12)串联为一个整体回路，电压表V并入电路中测量充电电压；放电线圈(6)采用带中心通孔的饼状线圈，放电线圈(6)和放电电阻(9)串联后并联在放电电容(11)上，同时通过放电可控硅(5)控制放电；为了防止放电电容(11)在放电过程中反向充电，续流二极管(10)并联在放电电容(11)上，提供续流功能；次级线圈(7)通过螺栓连接固定到应力波放大器(8)上，次级线圈(7)与放电线圈(6)贴合；

步骤3，触发充电可控硅(2)，380V交流电通过变压器(1)升压，充电可控硅(2)和整流二极管(12)构成晶闸管整流模块对升压后的交流电整流，整流电流流入放电电容(11)实现充电；在充电过程中限流电阻(3)和滤波电感(4)对放电电容(11)提供充电保护；触发放电可控硅(5)，放电电容(11)对放电线圈(6)放电，次级线圈(7)产生电磁力，电磁力在应力波放大器(8)的作用下转化为应力波；对不同电压下电磁力应力波幅值和脉冲宽度进行测量，利用公式(2)计算出设备常数K；

步骤4，电磁力应力波加载设备放电电阻已知，放电电感L已知，将实验所需入射波脉冲宽度代入公式(3)计算出放电电容量；将电容量与计算值相同的放电电容接入放电电路，保证入射波脉冲宽度要求；

步骤5，如步骤3所述，此时设备常数K、放电电感L已知，将实验所需入射波幅值代入公式(2)，计算出放电电压；利用电磁铆接控制系统将放电电容充电电压设置为计算值，保证入射波的幅值要求；

步骤6，触发充电可控硅(2)，380V交流电通过变压器(1)升压后对放电电容(11)充电；触发放电可控硅(5)，此时应力波放大器(8)输出的应力波与实验要求的入射波一致。

2.根据权利要求1所述的电磁力霍普金森压杆和拉杆实验加载装置的入射波控制方法，其特征在于：所述放电电阻(9)取值为0.8倍的最大电阻值。

3.根据权利要求1所述的电磁力霍普金森压杆和拉杆实验加载装置的入射波控制方法，其特征在于：所述次级线圈(7)的厚度为10mm。