CN104913971A - 一种霍普金森杆低温实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于霍普金森杆实验装置技术领域，具体涉及一种霍普金森杆低温实验装置。本发明主要解决了现有用于霍普金森杆的实验装置存在适用范围窄、结构复杂、成本高和操作不方便的技术问题。本发明采用的技术方案为：一种霍普金森杆低温实验装置，包括氮气发生装置、保温实验装置和氮气导管，所述氮气导管的一端穿过氮气发生装置密封塞且使其端口位于氮气发生装置液氮罐内液氮的上方，氮气导管的另一端穿过保温实验装置保温壳体的氮气导管进口使其端口位于保温壳体的内腔中。本发明具有适用范围宽、结构简单、成本低和操作方便的优点。

Description

一种霍普金森杆低温实验装置

技术领域

本发明属于霍普金森杆实验装置技术领域，具体涉及一种霍普金森杆低温实验装置。

背景技术

分离式霍普金森杆(Split Hopkinson Bar，简称SHPB)冲击试验系统由于其众多的优点在冲击动力学领域中得到广泛应用，它的巧妙之处在于把波传播效应和材料应变率效应进行解耦，能准确测得试件材料的应变率效应。由于SHPB实验装置具有结构简单、操作方便、测量方法精巧、加载波形容易控制等优点；同时，SHPB实验方法所涉及的应变率范围也是人们所关心的，也是一般工程材料流动应力应变率敏感性变化比较剧烈的范围。因此，现在SHPB己经成为一种测试材料动态力学性能最常用最有效的实验设备，特别针对于研究材料在高应变率下动态力学响应。

工程材料在北方寒冷天气(-40℃)、高空(-60℃)、外太空(-150℃)等各种低温环境中得到应用，在这些极端的温度条件下，材料不可避免的受到冲击载荷的作用，所以对试样低温高应变率性能测试就有着非常重要的工程和科研意义。试样在低温和常温低应变率下的力学性能不同，为了同样可以采用分离式霍普金森杆进行材料动态力学性能研究，应必须设计一个低温装置，可以快速准确的让试样处在实验规定的低温环境中，减少温度环境对试验设备的影响，从而测量出不同低温条件下材料的动态力学性能。同时，在实验过程中，还要实现采用类似高速摄像机或肉眼，记录和观察试样的动态变形行为的功能。

公告号为CN201548466U的专利公开了一种低温霍普金森压杆试验可控恒温试验装置，该装置包括输入和输出杆以及具有隔热保湿层的箱体，箱体底部安装有底架，可通过底架底部的调平螺栓和转向轮调节箱体到合适的位置，但该装置采用冷凝器-蒸发器制冷，结构复杂，成本高；制冷温度范围有限，只适用于冻土等温度较低材料进行的实验；该装置只是适合配合霍普金森压杆使用，不适用于霍普金森拉杆使用。

公告号为CN102798573B的专利公开了一种深冷环境材料力学性能检测试验装置，该装置可以做到室温到液氮温度的材料准静态拉伸/压缩实验，但是该装置只适合材料实验机使用，且结构复杂。

公开号为CN104655502A的专利申请公开了一种用于霍普金森的低温实验装置，该实验装置结构庞大，实验组件和成本高，安装工序复杂，需要专门考虑和排出制冷系统产生的冷凝水，需要进行化学药品配比实现低温要求，无形增加难度，而且实验低温范围低，在实验过程中无法实现对试样动态行为的光学记录和观测。

发明内容

本发明的目的是解决现有用于霍普金森杆的实验装置存在适用范围窄、结构复杂、成本高和操作不方便的技术问题，提供一种霍普金森杆低温实验装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种霍普金森杆低温实验装置，包括氮气发生装置、保温实验装置和氮气导管，所述氮气导管的一端穿过氮气发生装置密封塞且使其端口位于氮气发生装置液氮罐内液氮的上方，氮气导管的另一端穿过保温实验装置保温壳体的氮气导管进口使其端口位于保温壳体的内腔中。

所述霍普金森杆低温实验装置还包括第二电热丝，第二电热丝设在氮气导管的管腔内且使第二电热丝位于氮气导管靠近氮气发生装置的一端。

所述氮气导管为变截面的不导电软管，其横截面大的一端与氮气发生装置连接，横截面小的一端与保温实验装置连接。

所述氮气导管的外壁设有保温层。

所述氮气发生装置包括液氮罐、第一电热丝和密封塞，所述密封塞设在液氮罐的罐口上，第一电热丝穿过密封塞设在液氮罐中。

所述保温实验装置包括保温壳体、入射杆、透射杆和两个固定环，所述保温壳体的左右两侧分别设有固定环接口，在保温壳体的前板面设有观测窗口，在保温壳体的后板面设有氮气导管进口，在保温壳体的顶板上设有盖子，透射杆的右端穿过保温壳体左侧的固定环接口并伸入保温壳体的内腔，且通过第一个固定环固定于保温壳体上，入射杆的左端穿过保温壳体右侧的固定环接口并伸入保温壳体的内腔，且通过第二个固定环固定于保温壳体上，透射杆的右端与入射杆的左端之间用以夹持试验样品。

所述保温实验装置还包括热电偶，热电偶设在保温壳体内且使热电偶位于氮气导管的端口处。

所述固定环的内径大于入射杆和透射杆的直径以便氮气排出。

所述观测窗口由双层玻璃组成，内层为光学玻璃，外层为电热玻璃。

本发明采用以上技术方案，与背景技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明固定环的内径与入射杆和透射杆的直径相匹配，不同型号的入射杆和透射杆对应不同型号的固定环，固定环与入射杆、透射杆之间留有3～5mm的缝隙以便氮气排出，可以适应不同杆径的霍普金森拉杆/压杆的使用，既能有效降温，也能持久保温，故通用性好，应用面广；

2)本发明采用氮气发生装置，促使实验温度范围广(常温～-175℃)，较常见的酒精-液氮混合液(常温～-117℃)、酒精-干冰混合液(常温～-78℃)有很大的提高；

3)本发明采用电热丝，通过控制电热丝功率，能有效做到连续降温，重复降温，而不会对试样产生温度冲击或不均匀降温；

4)本发明的观测窗口采用双层玻璃，能有效对实验过程实施观察或光学记录，而不会产生霜雾影响图像质量；

5)本发明设有热电偶，使得温度控制精确，操作方便，且结构简单，成本低。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明氮气发生装置的结构示意图；

图3是本发明保温实验装置的结构示意图；

图4是图3的左视图；

图5是图3的右视图；

图6是拆掉固定环的保温装置示意图。

具体实施方式

如图1～6所示，本实施例中的一种霍普金森杆低温实验装置，包括氮气发生装置、保温实验装置和氮气导管5，所述的氮气发生装置包括液氮罐1、第一电热丝3和密封塞4，所述密封塞4设在液氮罐1的罐口上，第一电热丝3穿过密封塞4设在液氮罐1中；所述的保温实验装置包括保温壳体9、入射杆10、透射杆11和两个固定环17、18，所述保温壳体9的左右两侧分别设有固定环接口13，在保温壳体9的前板面设有观测窗口14，所述观测窗口14由双层玻璃组成，内层为光学玻璃，外层为电热玻璃；在保温壳体9的后板面设有氮气导管进口，在保温壳体9的顶板上设有盖子，透射杆11的右端穿过保温壳体9左侧的固定环接口13并伸入保温壳体9的内腔，且通过第一个固定环17固定于保温壳体9上，入射杆10的左端穿过保温壳体9右侧的固定环接口13并伸入保温壳体9的内腔，且通过第二个固定环18固定于保温壳体9上，所述固定环17、18的内径大于入射杆10和透射杆11的直径，以便氮气排出，透射杆11的右端与入射杆10的左端之间用以夹持试验样品；所述氮气导管5为变截面的不导电软管，所述氮气导管5横截面大的一端穿过氮气发生装置密封塞4且使其端口位于氮气发生装置液氮罐1内液氮的上方，氮气导管5横截面小的一端穿过保温实验装置保温壳体9的氮气导管进口使其端口位于保温壳体9的内腔中，在所述氮气导管5的外壁设有保温层7；本实施例所述的霍普金森杆低温实验装置各零部件的连接处均涂抹抗低温的704硅胶，既能保证整个实验系统的气密性，又可以固定各个部件。

上述实施例中所述的霍普金森杆低温实验装置还包括第二电热丝6，第二电热丝6设在氮气导管5的管腔内且使第二电热丝6位于氮气导管5靠近氮气发生装置的一端。

上述实施例中所述的保温实验装置还包括热电偶8，热电偶8设在保温壳体9内且使热电偶8位于氮气导管5的端口处。上述实施例中所述固定环17、18的内径与入射杆10和透射杆11的直径差优选为3～5mm。

本发明的操作过程为：先将入射杆10和透射杆11分别穿过与其相匹配的固定环，并通过固定环固定于保温壳体9的固定环接口13，将试验样品12夹持在入射杆10和透射杆11之间；然后将固定环17、18与保温壳体9两端匹配固定；移动保温壳体9，将氮气导管5的管口对准试验样品12，用704硅胶密封液氮气导管5、氮气导管保温层7与实验箱保温外壳9的间隙，并固定；按要求组装好液氮气发生装置；接通第一电热丝3、电热玻璃和热电偶8的电源，当热电偶8测得的温度稳定后，接通第二电热丝6的电源，并调节第一电热丝3和第二电热丝6的电流，热电偶8测得温度达到实验设定温度后，保温适当时间，即可进行SHPB冲击实验。

Claims (9)

1.一种霍普金森杆低温实验装置，其特征在于：包括氮气发生装置、保温实验装置和氮气导管(5)，所述氮气导管(5)的一端穿过氮气发生装置密封塞(4)且使其端口位于氮气发生装置液氮罐(1)内液氮的上方，氮气导管(5)的另一端穿过保温实验装置保温壳体(9)的氮气导管进口使其端口位于保温壳体(9)的内腔中。

2.根据权利要求1所述的一种霍普金森杆低温实验装置，其特征在于：它还包括第二电热丝(6)，第二电热丝(6)设在氮气导管(5)的管腔内且使第二电热丝(6)位于氮气导管(5)靠近氮气发生装置的一端。

3.根据权利要求1或2所述的一种霍普金森杆低温实验装置，其特征在于：所述氮气导管(5)为变截面的不导电软管，其横截面大的一端与氮气发生装置连接，横截面小的一端与保温实验装置连接。

4.根据权利要求1或2所述的一种霍普金森杆低温实验装置，其特征在于：所述氮气导管(5)的外壁设有保温层(7)。

5.根据权利要求1所述的一种霍普金森杆低温实验装置，其特征在于：所述氮气发生装置包括液氮罐(1)、第一电热丝(3)和密封塞(4)，所述密封塞(4)设在液氮罐(1)的罐口上，第一电热丝(3)穿过密封塞(4)设在液氮罐(1)中。

6.根据权利要求1所述的一种霍普金森杆低温实验装置，其特征在于：所述保温实验装置包括保温壳体(9)、入射杆(10)、透射杆(11)和两个固定环(17、18)，所述保温壳体(9)的左右两侧分别设有固定环接口(13)，在保温壳体(9)的前板面设有观测窗口(14)，在保温壳体(9)的后板面设有氮气导管进口，在保温壳体(9)的顶板上设有盖子，透射杆(11)的右端穿过保温壳体(9)左侧的固定环接口(13)并伸入保温壳体(9)的内腔且通过第一个固定环(17)固定于保温壳体(9)上，入射杆(10)的左端穿过保温壳体(9)右侧的固定环接口(13)并伸入保温壳体(9)的内腔，且通过第二个固定环(18)固定于保温壳体(9)上，透射杆(11)的右端与入射杆(10)的左端之间用以夹持试验样品(12)。

7.根据权利要求6所述的一种霍普金森杆低温实验装置，其特征在于：所述保温实验装置还包括热电偶(8)，热电偶(8)设在保温壳体(9)内且使热电偶(8)位于氮气导管(5)的端口处。

8.根据权利要求6所述的一种霍普金森杆低温实验装置，其特征在于：所述固定环(17、18)的内径大于入射杆(10)和透射杆(11)的直径以便氮气排出。

9.根据权利要求6所述的一种霍普金森杆低温实验装置，其特征在于：所述观测窗口(14)由双层玻璃组成，内层为光学玻璃，外层为电热玻璃。