CN106248496B - 基于Hopkinson压杆的往复式双同步组装系统 - Google Patents

基于Hopkinson压杆的往复式双同步组装系统 Download PDF

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Abstract

一种基于Hopkinson压杆的往复式双同步组装系统，同步气室的输出端口与三路同步发射阀的输入端口连通，三路同步发射阀的两个输出端口分别与同步手动阀的两个输入端口连通。同步手动阀的两个输出端口分别连接有推动气管和回拉气管。所述入射杆一端的加载端和透射杆的一端加载端分别安装在加热炉两侧的通孔上，并使该入射杆与透射杆同轴。本发明与基于Hopkinson杆的加热炉配合使用，使得安装套管简便快捷，能够实现不同直径导杆与试样的精确对齐及完好接触。并且能够实现1600℃超高温及有氧与无氧环境，具有加热稳定、保温性能好的特点，并能够通过加热炉的观察窗口获得高速动态实验中的实验图像。

Description

基于Hopkinson压杆的往复式双同步组装系统
技术领域
本发明涉及材料的超高温动态力学性能测试装置，具体说是一种基于Hopkinson压杆的往复式双同步组装系统。
背景技术
目前Hopkinson杆主要用于常温和较低温度下对试样力学性能的测量，而在实际应用中，尤其是航空航天领域，材料的的力学性能以及破坏过程一般都是处于超高温状态下，因此，认识材料在超高温条件下的力学响应特征就成为相关领域的研究热点。要进行高温试验，一种方法是将整个试验系统置于高温环境，另一种方法就是局部加热。在Hopkinson杆试验中，要对整个试验系统进行加热不仅非常困难，而且也是不合适的，所以必须对试样进行局部加热。一般有两种试验方案，一种方案是将试样与一部分压杆同时进行加热，但由于入射杆和透射杆都是热的良导体，这样在入射杆和透射杆上形成温度梯度，会对实验结果造成影响；另一种方案是将试样与入射杆和透射杆分离，将试样加热到预定温度，再使加载杆与试样接触后立即加载。
专利申请号为03105729.2的专利是一种用于应变率可达102～103/s的Hopkinson压杆上进行材料在高温和高应变率耦合条件的试验方法。试验原理是：通过套在入射杆或者透射杆上的套筒将试样悬空在加热系统中，实验开始前将入射杆和透射杆置于加热系统外，同时在透射杆上安装同步组装系统。实验时，当Hopkinson压杆发射撞击杆的同时，利用Hopkinson压杆系统气室的压力推动同步组装系统中与透射杆固连的活塞运动，推动试样向入射杆运动并与入射杆紧密接触。这样当撞击杆撞击入射杆，在入射杆中产生的应力波将沿着入射杆传至入射杆与试样的界面，对试样加载。在入射杆及透射杆上贴有应变片可以记录入射波、反射波及透射波变化，从而确定试样材料的应力-应变曲线。
李玉龙等在实现高温动态加载实验时，即采用单活塞的的高温同步加载方式(李玉龙,索涛,郭伟国,胡锐,李金山,傅恒志.确定材料在高温高应变率下动态性能的Hopkinson杆系统[J].爆炸与冲击,2005,06:487-492.)，即只使用后置的透射杆活塞，同步时后置活塞推动透射杆先与试样接触，再推动透射杆和试样一起运动和入射杆接触。在实验过程中，试样通过热电耦丝将试样固定于套管上，套管可在入射杆上任意滑动。实验时，首先将试样置入环形电炉内对试样进行局部加热，试样达到预定温度时，加热控制系统可使炉温保持在设定温度；开启气炮，气室压力一方面推动子弹运动去撞击入射杆，另一方面通过同步组装系统推动透射杆向试样方向运动。通过调整驱动同步组装系统的气压，可使加载应力波到达试样的同时，透射杆、入射杆和试样刚好紧密接触。
但使用这种方式存在一些不足：试样和透射杆接触的时间远长于和入射杆接触的时间，对试样及透射杆的温度影响较大，容易引起实验误差；在超高温实验中，一般使用较大的加热炉，此时为保证同步的成功率，需使用很长行程的活塞并加大活塞的运动速度，而使透射杆的动量很大，会对试样形成冲击载荷，并且动量过大也会使同步组装不稳定；其次，由于发射子弹所用的空气压力较大，驱动同步系统时会使透射杆向入射杆运动的速度过快，组装完成时透射杆往往会反弹，使其与试样脱离接触，从而导致实验失败；另外，在进行温度为1600℃的动态实验时，这种方案无法实现在长时间加热条件下的试样固定，而且极易使加载杆受热，导致装置损坏。
发明内容
为克服现有技术中存在的实验误差大、易损坏实验装置的不足，本发明提出了一种基于Hopkinson压杆的往复式双同步组装系统。
本发明包括加热炉、独立的同步气室、三路同步发射阀、同步手动阀、入射杆同步活塞、入射杆同步活塞推杆、透射杆同步活塞、推动气管和回拉气管。其中：同步气室的输出端口通过管路与三路同步发射阀的输入端口连通。三路同步发射阀的两个输出端口分别与同步手动阀的两个输入端口连通。所述同步手动阀的两个输出端口分别连接有推动气管和回拉气管，其中的推动气管与透射杆同步活塞的一个输入端口连通，并且在该推动气管上通过三通接头与入射杆同步活塞的一个输入端口连通；其中的回拉气管与透射杆同步活塞的另一个输入端口连通，并且在该回拉气管上通过三通接头与入射杆同步活塞的另一个输入端口连通。所述入射杆一端的加载端和透射杆的一端加载端分别安装在加热炉两侧的通孔上，并使该入射杆与透射杆同轴。
所述透射杆另一端的端面与透射杆同步活塞活塞杆的端面接触，并通过连接套固定。在所述透射杆上固定套装有透射杆限位卡环，通过该透射杆限位卡环限定所述透射杆水平运动的距离。
所述入射杆上固定套装有入射杆限位卡环，亦通过该入射杆限位卡环限定所述入射杆水平运动的距离。在所述入射杆限位卡环的外侧由内向外依次套装有套环和回拉卡环；其中的套环与所述入射杆之间间隙配合。
所述套环与回拉卡环之间的间距根据顶片的厚度确定，使该顶片能够嵌入所述套环与回拉卡环之间。所述顶片位于入射杆同步活塞的活塞杆的端头。
本发明采用往复式双活塞，在入射杆和透射杆上同时加装两个气动活塞，并增加一个独立的同步气室，通过改变高压气体的进气方式来实现对入射杆和透射杆的同步推进和回拉，在加热时入射杆和透射杆分别位于炉腔外部，在加载时通过同步控制器，两个气动活塞同步推动入射杆和透射杆朝试样运动并压住试样，同时发射子弹撞击入射杆。
入射杆的控制原理如图2所示，回拉卡环、入射杆限位卡环和入射杆固定，套环能在入射杆上活动，当试验加载时同步手动阀将同步气室和推动气管接通，此时入射杆活塞推杆通过顶片推动入射杆前进，由于套环和杆间以及入射杆限位卡环和顶片间都存在间隙，因此不会影响应力波的传播；当加载结束后上拉同步手动阀将同步气室和回拉气管接通，入射杆活塞推杆通过回拉卡环往回拉，拉动入射杆离开高温炉。透射杆的控制原理如图2所示，保证透射杆活塞推杆和透射杆同轴，利用连接套将透射杆活塞推杆头部和透射杆端部连接，当试验加载时通过同步手动阀将同步气室和推动气管接通，此时透射杆活塞推杆推动透射杆前进；当加载结束后上拉同步手动阀将同步气室和回拉气管接通，此时透射杆活塞推杆通过连接套拉动透射杆离开加热炉，完成一次同步实验。
本发明与公开在申请号为201610517129.9中的基于Hopkinson杆的加热炉配合使用，使得安装套管简便快捷，能够实现不同直径导杆与试样的精确对齐及完好接触。并且能够实现1600℃超高温及有氧与无氧环境，具有加热稳定、保温性能好的特点，并能够通过加热炉的观察窗口获得高速动态实验中的实验图像。
本发明能保证在加载时前后活塞推动入射杆与透射杆同时接触试样，避免因为试样和透射杆接触的时间远长于和入射杆接触的时间而对试样的温度产生较大影响；由于增加了独立的同步气室，可以有效控制同步气压，避免驱动同步系统后入射杆与透射杆的动量过大而引起的回弹；如图3所示，通过最高1600℃实验测量，从加载杆接触试样到应力波传递到试样的冷接触时间(CCT)不超过8ms，且同步效果良好；从试样加载到前后活塞将加载杆拉出加热系统用时不超过2s，加载杆温升低于300℃，符合实验条件。本发明无需对Hopkinson杆系统进行大的改动，无需加工特殊的高温材料压杆，较好地实现不同杆径的Hopkinson杆超高温动态压缩力学测试。
附图说明
图1是带有同步组装系统的高温Hopkinson杆系统的结构示意图；
图2是本发明的结构示意图；
图3是通过数据采集仪得到的实验同步曲线；
图4是图3实验同步曲线的放大图。图中：
1.Hopkinson压杆系统进气阀；2.Hopkinson压杆系统气室；3.Hopkinson压杆系统子弹；4.入射杆应变片；5.透射杆应变片；6.超高温加热炉；7.试样；8.数据采集仪；9.电脑；10.入射杆固定基座；11.透射杆固定基座；12.同步气室；13.三路同步发射阀；14.同步手动阀；15.入射杆；16.入射杆同步活塞；17.入射杆同步活塞推杆；18.顶片；19.回拉卡环；20.套环；21.入射杆限位卡环；22.透射杆；23.透射杆限位卡环；24.连接套；25.透射杆同步活塞推杆；26.透射杆同步活塞；27.推动气管；28.回拉气管；29.加热炉。
具体实施方式
本实施例是一种基于Hopkinson压杆的往复式双同步组装系统，包括加热炉29、独立的同步气室12、三路同步发射阀13、同步手动阀14、入射杆同步活塞16、入射杆同步活塞推杆17、顶片18、回拉卡环19、套环20、入射杆限位卡环21、透射杆限位卡环23、连接套24、透射杆同步活塞推杆25、透射杆同步活塞26、推动气管27和回拉气管28。其中：
同步气室12的输出端口通过管路与三路同步发射阀13的输入端口连通。三路同步发射阀13的两个输出端口分别与同步手动阀14的两个输入端口连通。所述同步手动阀的两个输出端口分别连接有推动气管27和回拉气管28，其中的推动气管27与透射杆同步活塞26的一个输入端口连通，并且在该推动气管上通过三通接头与入射杆同步活塞16的一个输入端口连通；其中的回拉气管28与透射杆同步活塞26的另一个输入端口连通，并且在该回拉气管上通过三通接头与入射杆同步活塞16的另一个输入端口连通。
所述入射杆15一端的加载端和透射杆22的一端加载端分别安装在加热炉29两侧的通孔上。并使该入射杆15与透射杆22同轴。所述透射杆另一端的端面与透射杆同步活塞活塞杆的端面接触，并通过连接套固定。在所述透射杆上固定套装有透射杆限位卡环23，通过该透射杆限位卡环限定所述透射杆水平运动的距离。
所述入射杆15上固定套装有入射杆限位卡环21，亦通过该入射杆限位卡环限定所述入射杆水平运动的距离。在所述入射杆限位卡环的外侧由内向外依次套装有套环20和回拉卡环19；其中的套环与所述入射杆之间间隙配合。所述套环20与回拉卡环19之间的间距根据顶片18的厚度确定，使该顶片能够嵌入所述套环与回拉卡环之间。所述顶片位于入射杆同步活塞16的活塞杆的端头，当入射杆同步活塞的活塞杆运动时，通过顶片18对套环20或回拉卡环19施力，进而推动入射杆15做水平的运动。
所述加热炉采用申请号为201610517129.9的发明创造中提出的基于Hopkinson杆的加热炉。所述的加热炉包括炉体、视察窗口、保温层、加热元件和陶瓷温度传感器，其特征在于，保温层粘贴在炉体的内表面。在所述炉体的一个侧表面开有夹心结构的视察窗口；在与所述视察窗口相邻的两个炉体的侧表面分别开有入射杆通道和透射杆通道，并且所述入射杆通道和透射杆通道同心。与所述视察窗口相对应的炉体的侧表面有炉体后开门，在所述后开门上开有用于安装进气管的通孔。该炉体后开门内表面粘贴有保温层；所述上盖安装在该炉体的上表面，在该上盖上有用于安装排气管的通孔。在炉体内形成了炉腔。陶瓷温度传感器嵌在炉腔的顶部。四个二硅化钼加热元件分布在所述炉腔内四个侧表面，并嵌装在各侧表面的保温层表面。
本实施例中，同步气室12的一端通过Hopkinson压杆系统进气阀1与气源相连接，另一端与三路同步发射阀13相连。为保证同步系统和Hopkinson压杆系统的同步联动，本实施例中推动气管27和回拉气管28以及Hopkinson压杆系统的进气口使用同一个HANDVALVEHV-02三路同步发射阀13及4R410-15同步手动阀14相连接，以保证Hopkinson压杆系统子弹3的发射与同步组装系统同时启动。入射杆活塞16及透射杆活塞26均为双轴可调行程型铝合金活塞，并通过推动气管27和回拉气管28与同步手动阀14接通，顶片18置于入射杆活塞推杆16的端部两个螺母之间并旋紧固定。回拉卡环19、入射杆限位卡环21、透射杆限位卡环23均为铝合金螺旋卡环，分别旋紧固定在入射杆15及透射杆22上。
实验时：
1.将超高温加热炉6放置于入射杆15和透射杆22之间；
2.将入射杆活塞16通过螺栓固定在入射杆固定基座10上；
3.根据透射杆活塞26及透射杆22的长度确定透射杆活塞26的位置，并通过螺栓将其固定在透射杆固定基座11上，再利用钢丝线等连接套24将透射杆活塞26的头部和透射杆22的端部连接；
4.根据入射杆活塞推杆17、透射杆活塞推杆25、入射杆15、透射杆22及加热炉6的长度依次确定回拉卡环19、入射杆限位卡环21、透射杆限位卡环23的位置，要求当入射杆活塞推杆17、透射杆活塞推杆25未被推出时，入射杆15及透射杆22的端部均在加热炉6外一定距离；当入射杆活塞推杆17、透射杆活塞推杆25被推出时，入射杆15及透射杆22的端部恰好能在炉腔中对试样7进行同步加载；
5.微调顶片18以及入射杆限位卡环21的位置，使更好地达到步骤4中的要求；
6.将入射杆活塞推杆17、透射杆活塞推杆25分别收回入射杆活塞16、透射杆活塞26中，打开超高温加热炉6的开关开始加热，待显示加热温度达到指定温度时，若实验要求在惰性气氛下进行，则首先通过计算气体流量确定通气时间，在加热炉进气口通入惰性气体一定时间后，待惰性气体充满炉腔，切入保温状态；若实验无氧化条件要求，则直接切入保温状态；
7.将试样7从加热炉6的入射杆进口方向缓慢推入加热炉6内，在之前标记处停止，试样7开始在指定温度加热；
8.待试样7达到温度要求，打开Hopkinson压杆系统进气阀1，充入指定加载气压及同步气压后，准备加载；
9.待气压稳定，按下同步手动阀14，同时打开三路同步发射阀13发射子弹。此时通过同步控制器14将同步气室12和推动气管27接通，入射杆活塞推杆17通过顶片18推动入射杆15前进，透射杆活塞推杆25推动透射杆22前进，实现同步加载；加载结束后立即上拉同步手动阀14，将同步气室12和回拉气管28接通，此时入射杆活塞推杆17通过回拉卡环19将入射杆往回拉，拉动入射杆离开高温炉6，同时透射杆活塞推杆25通过连接套24拉动透射杆离开高温炉6，完成单次实验。
10.加载完成后，通过数据采集仪8采集入射杆应变片4和透射杆应变片5反馈的应变电压信号，如图3，图4所示，并通过电脑9处理数据，得到试样应力-应变曲线。

Claims (3)

1.一种基于Hopkinson压杆的往复式双同步组装系统，其特征在于，包括加热炉、独立的同步气室、三路同步发射阀、同步手动阀、入射杆同步活塞、入射杆同步活塞推杆、透射杆同步活塞、推动气管和回拉气管；其中：同步气室的输出端口通过管路与三路同步发射阀的输入端口连通；三路同步发射阀的两个输出端口分别与同步手动阀的两个输入端口连通；所述同步手动阀的两个输出端口分别连接有推动气管和回拉气管，其中的推动气管与透射杆同步活塞的一个输入端口连通，并且在该推动气管上通过三通接头与入射杆同步活塞的一个输入端口连通；其中的回拉气管与透射杆同步活塞的另一个输入端口连通，并且在该回拉气管上通过三通接头与入射杆同步活塞的另一个输入端口连通；所述入射杆一端的加载端和透射杆的一端加载端分别安装在加热炉两侧的通孔上，并使该入射杆与透射杆同轴；所述透射杆另一端的端面与透射杆同步活塞活塞杆的端面接触，并通过连接套固定；在所述透射杆上固定套装有透射杆限位卡环，通过该透射杆限位卡环限定所述透射杆水平运动的距离。
2.如权利要求1所述基于Hopkinson压杆的往复式双同步组装系统，其特征在于，所述入射杆上固定套装有入射杆限位卡环，亦通过该入射杆限位卡环限定所述入射杆水平运动的距离；在所述入射杆限位卡环的外侧由内向外依次套装有套环和回拉卡环；其中的套环与所述入射杆之间间隙配合。
3.如权利要求2所述基于Hopkinson压杆的往复式双同步组装系统，其特征在于，所述套环与回拉卡环之间的间距根据顶片的厚度确定，使该顶片能够嵌入所述套环与回拉卡环之间；所述顶片位于入射杆同步活塞的活塞杆的端头。
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