CN105424470A - 一种分离式霍普金森拉杆试件的夹持装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分离式霍普金森拉杆试件的夹持装置及实验方法，属于冲击动力学实验领域。该夹持装置包括接头和夹持部，所述接头为圆柱体结构，内部设有圆形盲孔，孔内设有内螺纹，通过螺纹与入射杆或透射杆连接；夹持部包括压块和基座，压块扣合在基座上方，基座与接头固定为一体，且基座的上表面设有凹槽，凹槽的结构为扁平型，凹槽主体为正方形，端部为喇叭形，压块为六面体结构，上、下两面平行，压块四周设有螺孔，且在基座与压块对应处设有螺孔，压块与基座通过螺钉连接固定。本发明避免了复合材料不易加工螺纹以及高强度胶粘结过程中不均匀的问题，为研究纤维复合材料在动态拉伸下的本构关系奠定了有力的基础。

Description

一种分离式霍普金森拉杆试件的夹持装置及实验方法

技术领域

本发明涉及一种分离式霍普金森拉杆试件的夹持装置及实验方法，属于机械试验装置领域。

背景技术

复合材料作为一种拉伸/剪切强度比值很高的各向异性非均质材料，必须考虑端面效应产生的应力集中问题，即实验杆与试件接触面的影响。所以动态拉伸实验中，实验杆与试件的连接必须考虑以下问题。①加载杆与试样间的应力集中必须减到最小；②在加载杆和试样间尽量避免波阻抗的失配，以减少应力波的反射导致的有效脉冲载荷的削弱，从而有利于波形分析；③拉伸载荷最好由加载杆只通过一个剪切加载区就传到试样上，尽量避免多重途径传递载荷，导致拉伸失败，或者产生太多的干扰杂波影响波形采集和分析；④传递剪切载荷的面积应足够大，否则很可能发生剪切破坏。

目前，针对纤维复合板的动态拉伸试验，扁平试件和入射杆、透射杆一般通过带槽的连接头通过胶粘方式进行连接，胶粘方式连接头的特点是:连接头一端与入射杆或透射杆螺纹连接，另一端开“U”型槽，槽宽与试件厚度配合。实验过程中，试件上涂高剪切强度特种胶后，插入连接头的槽内，待固化后进行试验。“U”型槽的尺寸根据试样参数、胶粘剂性能、界面状态及试样应力均匀化要求等因素综合考虑确定。根据拉伸试样的最大静拉伸强度、胶粘剂剪切强度，粘接界面的浸渍性，充分考虑冲击拉伸的保险系数，可估算出加载杆端部的连接槽的长度。并且传统胶粘还存在一下局限性，1）对于高强聚乙烯等界面浸渍性较差的复合材料，仅通过该粘接试验技术，不通过其他高压夹持方式，动态拉伸实验还很难成功。2）连接头通用性不强，材料力学性能不同的材料需综合考虑重新设计连接头。3）重复较麻烦，需清除连接头上的胶和试件残片。4）安装、拆卸不方便，特种胶固化需要时间。

发明内容

本发明旨在提供一种分离式霍普金森拉杆试件的夹持装置及实验方法，利用压块和螺钉通过物理加载的方式对试件进行夹紧连接，使得加载杆上的拉伸载荷通过一个大的剪切加载区就能够传递至试件上，并且很好的防止试件加载段的剪切破坏。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种分离式霍普金森拉杆试件的夹持装置，包括接头和夹持部，所述接头为圆柱体结构，内部设有圆形盲孔，孔内设有内螺纹，通过螺纹与入射杆或透射杆连接；夹持部包括压块和基座，压块扣合在基座上方，基座与接头固定为一体，且基座的上表面设有凹槽，凹槽的结构为扁平型，凹槽主体为正方形，端部为喇叭形，压块为六面体结构，上、下两面平行，压块四周设有螺孔，且在基座与压块对应处设有螺孔，压块与基座通过螺钉连接固定。

上述方案中，所述压块的截面为四边形，上、下两条边平行，左、右两条边为对称弧形，且压块的六面体结构在水平方向的棱线与接头圆柱面上的母线重合。夹持装置右侧上端采用阶梯面来减小转接头的重量，以保证实验杆的整体水平度。

上述方案中，所述基座为六面体结构，上、下两面平行，左、右两面平行，前、后两面为对称的弧形。该基座在水平方向的棱线与接头圆柱面上的母线重合，且基座可通过半圆柱（参数与接头的圆柱相同）切削掉侧面弧形部而得。

上述方案中，所述凹槽的厚度为霍普金森拉杆试件的1/2~2/3。与试件配合的凹槽根据试件形状加工而成，与试件紧密贴合。

进一步地，所述凹槽的厚度为1.2mm。

上述方案中，所述连接压块与基座的螺钉采用高强度钢，内六角圆柱螺钉为M6，高强度钢等级为8.8，抗剪强度为450MPa。固定压块的螺钉采用高强度钢，增加螺钉的抗剪能力。

上述方案中，所述压块的下表面为锯齿状，齿形角为60度，齿高为0.25mm的微型锯齿面。压块平面加工成微小的锯齿状以增大夹持力以及摩擦力，并且可以减小螺钉的剪切力增加螺钉的使用寿命。

本发明提供了一种分离式霍普金森拉杆试件的实验方法，采用上述的夹持装置，包括以下步骤：

（1）调节入射杆与透射杆的水平度与同轴度，检查实验杆中间应变片是否粘好，应变片分别设置在入射杆和透射杆上，接地线是否接紧；

（2）将转接头通过生料带与实验杆紧密拧紧；

（3）再次检查入射杆与透射杆的水平度与同轴度，避免由于生料带造成的误差；

（4）将试件装入凹槽中；

（5）采用螺钉将压块和基座固定在一起；

（6）将子弹捅入炮管内，打开与应变片连接的超高速应变仪，通过高速数据采集器与计算机Datalab数据采集软件，单击软件Datalab软件单词采集工具按钮；

（7）打开阀门进行试验，并将原始数据存盘；

（8）拧开螺母，取出试件；

（9）重复上述步骤，可研究不同加载率对复合材料不同拉伸速率下的影响。

本发明提供的霍普金森拉杆试件的夹持装置，在使用时：两个相同的夹持装置配套成对使用，接头端与入射杆或透射杆通过螺纹连接，螺纹间隙用生料带填充，从而减弱对实验杆螺纹的破坏；夹持部上有凹槽与试件配合，压块和基座通过内六角螺钉连接紧固，通过螺钉旋入提供压力夹紧试件，与试件配合的压块平面加工成微小的锯齿状以增大夹持时的摩擦力。

本发明的有益效果：

（1)本发明提供的夹持装置，无需拆卸，可重复使用，接头通用性强，可标准化设计；

（2）而且试件安装方便，节省试验操作时间，同时保证实验过程准确性。

（3）可以在保证实验过程准确性的同时，减少传统粘结试件的实验时间；

（4）实现了复合纤维的拉伸实验的简易操作，避免了复合材料不易加工螺纹以及高强度胶粘结过程中不均匀的问题，为研究纤维复合材料在动态拉伸下的本构关系奠定了有力的基础。

附图说明

图1为霍普金森拉杆的使用状态示意图。

图2为本发明夹持装置的结构示意图。

图3为图2中去除压块和螺栓的俯视图。

图4为图2的右视图。

图中1为缓冲吸收器，2为单次波传递杆，3为加载杆头，4为撞击杆，5为应变片，6为入射杆，7为夹持装置，8为试件，9为透射杆，10为接头，11为夹持部，12为盲孔，13为压块，14为基座，15为凹槽，16为螺孔，17为螺钉。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例：

霍普金森拉杆系统主要包含三部分：支架部分、拉杆主体部分和与数据采集部分。其中支架部分的主要是用来支撑固定拉杆部分并且保证拉杆的水平。拉杆主体部分包括缓冲吸收器、单次波传递杆、加载接头、撞击管（俗称子弹）、炮管、入射杆、透射杆以及相应的气压装置组成。而数据采集系统则是由粘贴在杆子上的应变片，惠斯通桥路（应变片接线桥盒），超动态应变仪以及高速采集系统组成。分离式霍普金森拉杆由材料性能和外径相同的撞击杆、入射杆、透射杆以及能量吸收器组成。当撞击杆同轴撞击入射杆时，在入射杆产生一近似的压缩方波，这个弹性压缩波传到入射杆和试样界面，一部分传进试样，一部分以拉伸波的形式反射回入射杆即成为反射应变波。进入试样的压缩波到达试样与透射杆界面时，有一小部分返回试样且在试样中来回反射达到应力平衡，另一部分传到透射杆形成透射应变波。

图1为霍普金森拉杆的使用状态示意图。霍普金森拉杆主体部分包括缓冲吸收器1、单次波传递杆2、加载接头7、撞击管（俗称子弹）4、入射杆6、透射杆9以及相应的气压装置组成。而数据采集系统则是由粘贴在杆子上的应变片5，惠斯通桥路（应变片接线桥盒），超动态应变仪以及高速采集系统组成。当撞击杆同轴撞击入射杆上法兰盘3时，在入射杆产生一近似的压缩方波，这个弹性压缩波传到入射杆和试样界面，一部分传进试样，一部分以拉伸波的形式反射回入射杆即成为反射应变波。

如图2、图3所示，一种分离式霍普金森拉杆试件的夹持装置，包括接头10和夹持部11，所述接头10为圆柱体结构，内部设有圆形盲孔12，孔内设有内螺纹，通过螺纹与入射杆或透射杆连接；夹持部11包括压块13和基座14，压块13扣合在基座14上方，基座14与接头10固定为一体，且基座14的上表面设有凹槽15，凹槽15的结构为扁平型，凹槽15主体为正方形，端部为喇叭形，压块13为六面体结构，上、下两面平行，压块四周设有螺孔，且在基座14与压块13对应处设有螺孔16，压块13与基座14通过螺钉17连接固定。

上述方案中，所述压块的截面为四边形（如图4所示），上、下两条边平行，左、右两条边为对称弧形，且压块的六面体结构在水平方向的棱线与接头圆柱面上的母线重合。夹持装置右侧上端采用阶梯面来减小转接头的重量，以保证实验杆的整体水平度。

所述基座为六面体结构，上、下两面平行，左、右两面平行，前、后两面为对称的弧形。该基座在水平方向的棱线与接头圆柱面上的母线重合，且基座可通过半圆柱（参数与接头的圆柱相同）切削掉侧面弧形部而得。

所述凹槽的厚度为霍普金森拉杆试件的1/2~2/3。与试件配合的凹槽根据试件形状加工而成，与试件紧密贴合。

该实施例中，所述凹槽的厚度为1.2mm。

所述连接压块与基座的螺钉采用高强度钢，内六角圆柱螺钉为M6，高强度钢等级为8.8，抗剪强度为450MPa。固定压块的螺钉采用高强度钢，增加螺钉的抗剪能力。

所述压块的下表面为锯齿状，齿形角为60度，齿高为0.25mm的微型锯齿面。压块平面加工成微小的锯齿状以增大夹持力以及摩擦力，并且可以减小螺钉的剪切力增加螺钉的使用寿命。

实验过程中，所述转接头的螺纹间隙用生料带填充。

本实施例还提供了一种分离式霍普金森拉杆试件的实验方法，采用上述的夹持装置，包括以下步骤：

（1）调节入射杆与透射杆的水平度与同轴度，检查实验杆中间应变片是否粘好，应变片分别设置在入射杆和透射杆上，接地线是否接紧；

（2）将转接头通过生料带与实验杆紧密拧紧，每次试验前，要确保“加载接头”固紧，为了消除“加载接头”以及试样螺纹连接处导致的波形杂波，在螺纹处用生料带耦合固紧；

（3）再次检查入射杆与透射杆的水平度与同轴度，避免由于生料带造成的误差；

（4）将试件装入凹槽中；

（5）采用螺钉将压块和基座固定在一起；

（6）将子弹捅入炮管内，打开与应变片连接的超高速应变仪，通过高速数据采集器与计算机Datalab数据采集软件，单击软件Datalab软件单词采集工具按钮；

（7）再次检查拉杆系统是否准备完毕。通过刚性铁丝将撞击杆推入到发射炮管内。开启充气阀门，对气缸进行充气，并看上方压力表到所需压力，把开关搬向关闭位置完成气缸充气。

（8）当把开关搬向发射位置时，即发射子弹，设备处于发射状态。粘贴在杆子上的应变片通过全桥中对桥接法连接到应变桥盒，而后通过桥盒输出到动态应变仪进行数据放大，而后经过高速数采卡进行数据采集记录，最终在计算机的虚拟示波器上显示原始波形可以采集、记录、存储时域动态应变信号。并将原始数据存盘；

（9）拧开固定螺母，取出试件；

（10）重复上述步骤，可研究不同加载率对复合材料不同拉伸速率下的影响。

Claims (8)

1.一种分离式霍普金森拉杆试件的夹持装置，其特征在于：包括接头和夹持部，所述接头为圆柱体结构，内部设有圆形盲孔，孔内设有内螺纹，通过螺纹与入射杆或透射杆连接；夹持部包括压块和基座，压块扣合在基座上方，基座与接头固定为一体，且基座的上表面设有凹槽，凹槽的结构为扁平型，凹槽主体为正方形，端部为喇叭形，压块为六面体结构，上、下两面平行，压块四周设有螺孔，且在基座与压块对应处设有螺孔，压块与基座通过螺钉连接固定。

2.根据权利要求1所述的分离式霍普金森拉杆试件的夹持装置，其特征在于：所述压块的截面为四边形，上、下两条边平行，左、右两条边为对称弧形，且压块的六面体结构在水平方向的棱线与接头圆柱面上的母线重合。

3.根据权利要求1所述的分离式霍普金森拉杆试件的夹持装置，其特征在于：所述基座为六面体结构，上、下两面平行，左、右两面平行，前、后两面为对称的弧形。

4.根据权利要求1所述的分离式霍普金森拉杆试件的夹持装置，其特征在于：所述凹槽的厚度为霍普金森拉杆试件的1/2~2/3。

5.根据权利要求4所述的分离式霍普金森拉杆试件的夹持装置，其特征在于：所述凹槽的厚度为1.2mm。

6.根据权利要求1所述的分离式霍普金森拉杆试件的夹持装置，其特征在于：所述连接压块与基座的螺钉采用高强度钢，内六角圆柱螺钉为M6，高强度钢等级为8.8，抗剪强度为450MPa。

7.根据权利要求1所述的分离式霍普金森拉杆试件的夹持装置，其特征在于：所述压块的下表面为锯齿状，齿形角为60度，齿高为0.25mm的微型锯齿面。

8.一种分离式霍普金森拉杆试件的实验方法，采用权利要求1~7任一项所述的夹持装置，其特征在于：包括以下步骤：

（1）调节入射杆与透射杆的水平度与同轴度，检查实验杆中间应变片是否粘好，应变片分别设置在入射杆和透射杆上，接地线是否接紧；

（2）将转接头通过生料带与实验杆紧密拧紧；

（3）再次检查入射杆与透射杆的水平度与同轴度，避免由于生料带造成的误差；

（4）将试件装入凹槽中；

（5）采用螺钉将压块和基座固定在一起；

（6）将子弹捅入炮管内，打开与应变片连接的超高速应变仪，通过高速数据采集器与计算机Datalab数据采集软件，单击软件Datalab软件单词采集工具按钮；

（7）打开阀门进行试验，并将原始数据存盘；

（8）拧开螺母，取出试件；

（9）重复上述步骤，可研究不同加载率对复合材料不同拉伸速率下的影响。