CN108120647B - 一种材料冲击扭转加载实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种材料冲击扭转加载实验装置，特点是包括支架、旋转冲击套、管状的入射杆、透射杆和撞击杆，透射杆竖直固定在所述的支架上，支架上固定设置有高压气炮，撞击杆同轴设置在炮管中且同轴套设在透射杆外，入射杆竖直设置在透射杆的下方且与透射杆同轴，旋转冲击套同轴套设在入射杆的下端上，被测试件固定在透射杆的下端与入射杆的上端之间；优点是通过在复合加载头上设置倾斜的第二冲击凸块，在旋转冲击套内设置第二斜槽，同时在旋转冲击套上设置倾斜的第一冲击凸块，在撞击杆内设置第一斜槽，撞击杆对旋转冲击套冲击后便可实现对复合加载头的扭转和轴向加载，从而实现对被测时间的拉扭或压扭同步复合加载。

Description

一种材料冲击扭转加载实验装置
技术领域
本发明涉及一种用于测试材料动态性能的实验装置，尤其涉及一种材料冲击扭转加载实验装置。
背景技术
工程材料在动态加载条件下的力学响应特性及破坏条件的确定是工程设计、工程仿真与分析的最基本的前提条件之一，其通常采用材料本构方程及相应参数和材料破坏条件来描述，但这需要通过材料动态加载实验来确定。分离式霍普金森压杆、拉杆是现今广泛使用并被认为可靠、有效的测试材料高应变率下力学特性的实验装置，用来测试各种工程材料在102～104 S-1 应变率范围内的动态应力－应变曲线。普金森杆实验具有加载平稳可控，测试精度高，装置皮实耐用可靠等优势。但是霍普金森扭杆目前应用较少，现有的霍普金森扭杆的加载均采用扭杆贮能—释放方式，这使得对扭杆加载装置的刚度要求很高，且加载较难控制，而且目前的霍普金森扭杆加载装置无法实现拉扭或压扭的同步复合加载。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种加载控制相对简单，且可方便地实现试件的扭转加载或拉扭/压扭同步复合加载的材料冲击扭转加载实验装置。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种材料冲击扭转加载实验装置，包括支架、旋转冲击套、管状的入射杆、透射杆和撞击杆，所述的透射杆竖直固定在所述的支架上，所述的支架上固定设置有高压气炮，所述的透射杆竖直向下穿过所述的高压气炮，且所述的透射杆与所述的高压气炮中的炮管同轴设置，所述的高压气炮的上端与所述的透射杆之间密封，所述的撞击杆同轴设置在所述的炮管中且同轴套设在所述的透射杆外，所述的入射杆的材质、内径、外径均与所述的透射杆相同，所述的入射杆竖直设置在所述的透射杆的下方且与所述的透射杆同轴，所述的入射杆的下方设置有支撑柱，所述的支撑柱上设置有吸能块，所述的旋转冲击套同轴套设在所述的入射杆的下端上，所述的旋转冲击套的内圆周面上一体设置有沿轴向直线延伸的第一凸块，所述的入射杆的下端的外圆周面上一体设置有沿轴向直线延伸的第二凸块，所述的旋转冲击套的外圆周面上一体设置有倾斜的第一冲击凸块，所述的撞击杆的下端内圆周面上设置有与所述的第一冲击凸块相匹配的第一斜槽，当所述的撞击杆向下撞击所述的旋转冲击套时，所述的第一斜槽与所述的第一冲击凸块相配合使所述的旋转冲击套转动，所述的第一凸块冲击所述的第二凸块使所述的入射杆产生扭转，被测试件固定在所述的透射杆的下端与所述的入射杆的上端之间，所述的入射杆靠近下端的内表面上固定有两组沿轴向中心面对称的用于测试扭转入射波应变信号的第一应变片组，每组所述的第一应变片组由两片呈45度倾斜且相对称的第一应变片组成，所述的透射杆靠近下端的内表面上固定有两组沿轴向中心面对称的用于测试扭转透射波应变信号的第二应变片组，每组所述的第二应变片组由两片呈45度倾斜且相对称的第二应变片组成，所述的第一应变片和所述的第二应变片分别与超动态应变仪电连接。
进一步地，所述的入射杆和所述的透射杆的材料均为高强弹簧钢。
进一步地，所述的第一应变片到所述的入射杆下端的距离大于等于2倍的入射杆外径、小于等于3倍的入射杆外径，所述的第二应变片到所述的透射杆下端的距离大于等于2倍的透射杆外径、小于等于3倍的透射杆外径。
一种材料冲击扭转加载实验装置，包括支架、旋转冲击套、复合加载头、高速摄影机和管状的透射杆和撞击杆，所述的透射杆竖直固定在所述的支架上，所述的支架上固定设置有高压气炮，所述的透射杆竖直向下穿过所述的高压气炮，且所述的透射杆与所述的高压气炮中的炮管同轴设置，所述的高压气炮的上端与所述的透射杆之间密封，所述的撞击杆同轴设置在所述的炮管中且同轴套设在所述的透射杆外，所述的复合加载头的材质、外径均与所述的透射杆的材质、外径相同，所述的复合加载头竖直设置在所述的透射杆的下方且与所述的透射杆同轴，所述的复合加载头的下方设置有支撑柱，所述的支撑柱的上端设置有安装孔，所述的复合加载头的下端伸入所述的安装孔中，所述的复合加载头的下端与所述的安装孔之间顶接有支撑弹簧，所述的支撑柱的下端设置有吸能块，所述的旋转冲击套同轴套设在所述的复合加载头上，所述的旋转冲击套的外圆周面上一体设置有倾斜的第一冲击凸块，所述的撞击杆的上端内圆周面上设置有与所述的第一冲击凸块相匹配的第一斜槽，所述的复合加载头的外圆周面上一体设置有倾斜的第二冲击凸块，所述的旋转冲击套的内圆周面上设置有第二斜槽，所述的第二斜槽与所述的第二冲击凸块相配合，当所述的撞击杆向下撞击所述的旋转冲击套时，所述的第一斜槽与所述的第一冲击凸块相配合使所述的旋转冲击套转动，同时，所述的第二斜槽冲击所述的第二冲击凸块使所述的复合加载头同时产生扭转和轴向移动，被测试件固定在所述的透射杆的下端与所述的复合加载头的上端之间，所述的高速摄影机正对被测试件设置，用于记录被测试件的变形，并利用数字图像相关（DIC）技术获取试件的位移场、应变场及速度场数据，所述的透射杆靠近下端的内表面上固定有两组沿轴向中心面对称的用于测试扭转透射波应变信号的第二应变片组，每组所述的第二应变片组由两片呈45度倾斜且相对称的第二应变片组成，所述的透射杆靠近下端的内表面上固定有两片沿轴向中心面对称的用于测试拉伸或压缩透射波应变信号的第三应变片，所述的第三应变片的方向沿轴向设置，所述的第二应变片和所述的第三应变片分别与超动态应变仪电连接。
进一步地，所述的支架的上端设置有支承块，所述的透射杆的上端与所述的支承块固定连接。
进一步地，所述的支承块与所述的支架的上端之间固定设置有缓冲弹簧。
进一步地，所述的复合加载头和所述的透射杆的材料均为高强弹簧钢。
进一步地，所述的第二应变片和所述的第三应变片到所述的透射杆下端的距离均大于等于2倍的透射杆外径、小于等于3倍的透射杆外径，且所述的第二应变片和所述的第三应变片在同一轴向位置沿所述的透射杆的内表面错开设置。
进一步地，所述的炮管上相对被测试件的位置设置有试件安装口。
与现有技术相比，本发明的优点是
1、通过设置有第一斜槽的撞击杆撞击设置有第一冲击凸块的施转冲击套，使部分纵向冲击动能转换为旋转冲击套的旋转动能，并通过第一凸块和第二凸块实现对入射杆的旋转冲击，从而实现对被测试件的扭转加载，同时也保证了扭转加载的单纯性。
2、采用垂向式布置，易于实现被测试件、入射杆、旋转冲击套及撞击杆的共轴。
3、通过在复合加载头上设置倾斜的第二冲击凸块，在旋转冲击套内设置第二斜槽，同时在旋转冲击套上设置倾斜的第一冲击凸块，在撞击杆内设置第一斜槽，撞击杆对旋转冲击套冲击后便可实现对复合加载头的扭转和轴向加载，从而实现对被测时间的拉扭或压扭同步复合加载，其结构简单，且实现较方便容易。
4、整个扭转加载实验装置其加载控制相对简单。
附图说明
图1为本发明实施例一的结构示意图；
图2为本发明实施例一的撞击杆、旋转冲击套和入射杆的配合示意图；
图3为本发明实施例一的入射杆上的第一应变片的位置示意图；
图4为本发明实施例二的结构示意图；
图5为本发明实施例二的复合加载头与旋转冲击套的配合示意图；
图6为本发明实施例二的透射杆上的第二应变片与第三应变片的位置示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例一：如图所示，一种材料冲击扭转加载实验装置，包括支架1、旋转冲击套2、管状的入射杆3、透射杆4和撞击杆5，支架1的上端设置有支承块6，支承块6与支架1的上端之间固定设置有缓冲弹簧7，透射杆4竖直设置且上端与支承块6固定连接，支架1上固定设置有高压气炮8，透射杆4竖直向下穿过高压气炮8，且透射杆4与高压气炮8中的炮管81同轴设置，高压气炮8的上端与透射杆4之间密封，撞击杆5同轴设置在炮管81中且同轴套设在透射杆4外，入射杆3的材质、内径、外径均与透射杆4相同，入射杆3竖直设置在透射杆4的下方且与透射杆4同轴，入射杆3的下方设置有支撑柱9，支撑柱9上设置有吸能块10，旋转冲击套2同轴套设在入射杆3的下端上，旋转冲击套2的内圆周面上一体设置有沿轴向直线延伸的第一凸块21，入射杆3的下端的外圆周面上一体设置有沿轴向直线延伸的第二凸块31，旋转冲击套2的外圆周面上一体设置有倾斜的第一冲击凸块22，撞击杆5的下端内圆周面上设置有与第一冲击凸块22相匹配的第一斜槽51，被测试件11固定在透射杆4的下端与入射杆3的上端之间，当撞击杆5向下撞击旋转冲击套2时，第一斜槽51与第一冲击凸块22相配合使旋转冲击套2转动，第一凸块21冲击第二凸块31使入射杆3产生扭转，实现对被测试件11的扭转加载，炮管81上相对被测试件11的位置设置有试件安装口82，入射杆3靠近下端的内表面上固定有两组沿轴向中心面对称的用于测试扭转入射波应变信号的第一应变片组，每组第一应变片组由两片呈45度倾斜且相对称的第一应变片32组成，第一应变片32到入射杆3下端的距离大于等于2倍的入射杆3的外径、小于等于3倍的入射杆3的外径，透射杆4靠近下端的内表面上固定有两组沿轴向中心面对称的用于测试扭转透射波应变信号的第二应变片组，每组第二应变片组由两片呈45度倾斜且相对称的第二应变片41组成，第二应变片41到透射杆4下端的距离大于等于2倍的透射杆4的外径、小于等于3倍的透射杆4的外径，第一应变片32和第二应变片41分别与超动态应变仪（图中未显示）电连接。
实施例二：如图所示，一种材料冲击扭转加载实验装置，包括支架1、旋转冲击套2、复合加载头12、高速摄影机13、管状的透射杆4和撞击杆5，支架1的上端设置有支承块6，支承块6与支架1的上端之间固定设置有缓冲弹簧7，透射杆4竖直设置且上端与支承块6固定连接，支架1上固定设置有高压气炮8，透射杆4竖直向下穿过高压气炮8，且透射杆4与高压气炮8中的炮管81同轴设置，高压气炮8的上端与透射杆4之间密封，撞击杆5同轴设置在炮管81中且同轴套设在透射杆4外，复合加载头12的材质、外径均与透射杆4的材质、外径相同，复合加载头12竖直设置在透射杆4的下方且与透射杆4同轴，复合加载头12的下方设置有支撑柱9，支撑柱9的上端设置有安装孔91，复合加载头12的下端伸入安装孔91中，复合加载头12的下端与安装孔91之间顶接有支撑弹簧14，支撑柱9的下端设置有吸能块10，旋转冲击套2同轴套设在复合加载头12上，旋转冲击套2的外圆周面上一体设置有倾斜的第一冲击凸块22，撞击杆5的上端内圆周面上设置有与第一冲击凸块22相匹配的第一斜槽51，复合加载头12的外圆周面上一体设置有倾斜的第二冲击凸块121，旋转冲击套2的内圆周面上设置有第二斜槽23，第二斜槽23与第二冲击凸块121相配合，被测试件11固定在透射杆4的下端与复合加载头12的上端之间，当撞击杆5向下撞击旋转冲击套2时，第一斜槽51与第一冲击凸块22相配合使旋转冲击套2转动，同时，第二斜槽23冲击第二冲击凸块121使复合加载头12同时产生扭转和轴向移动，使得对被测试件11施加了扭转和拉伸/压缩的同步复合加载，炮管81上相对被测试件11的位置设置有试件安装口82，高速摄影机13正对被测试件11设置，用于记录被测试件11的变形，并利用数字图像相关（DIC）技术获取试件的位移场、应变场及速度场数据，透射杆4靠近下端的内表面上固定有两组沿轴向中心面对称的用于测试扭转透射波应变信号的第二应变片组，每组第二应变片组由两片呈45度倾斜且相对称的第二应变片41组成，透射杆4靠近下端的内表面上固定有两片沿轴向中心面对称的用于测试拉伸或压缩透射波应变信号的第三应变片42，第三应变片42的方向沿轴向设置，第二应变片41和第三应变片42到透射杆4下端的距离均大于等于2倍的透射杆4的外径、小于等于3倍的透射杆4的外径，且第二应变片41和第三应变片42在同一轴向位置沿透射杆4的内表面错开设置，第二应变片41和第三应变片42分别与超动态应变仪（图中未显示）电连接。
上述实施例中，入射杆3、透射杆4和复合加载头12的材料均为高强弹簧钢。

Claims (5)

1.一种材料冲击扭转加载实验装置，其特征在于包括支架、旋转冲击套、管状的入射杆、透射杆和撞击杆，所述的入射杆和所述的透射杆的材料均为高强弹簧钢，所述的透射杆竖直固定在所述的支架上，所述的支架上固定设置有高压气炮，所述的透射杆竖直向下穿过所述的高压气炮，且所述的透射杆与所述的高压气炮中的炮管同轴设置，所述的高压气炮的上端与所述的透射杆之间密封，所述的撞击杆同轴设置在所述的炮管中且同轴套设在所述的透射杆外，所述的入射杆的材质、内径、外径均与所述的透射杆相同，所述的入射杆竖直设置在所述的透射杆的下方且与所述的透射杆同轴，所述的入射杆的下方设置有支撑柱，所述的支撑柱上设置有吸能块，所述的旋转冲击套同轴套设在所述的入射杆的下端上，所述的旋转冲击套的内圆周面上一体设置有沿轴向直线延伸的第一凸块，所述的入射杆的下端的外圆周面上一体设置有沿轴向直线延伸的第二凸块，所述的旋转冲击套的外圆周面上一体设置有倾斜的第一冲击凸块，所述的撞击杆的下端内圆周面上设置有与所述的第一冲击凸块相匹配的第一斜槽，当所述的撞击杆向下撞击所述的旋转冲击套时，所述的第一斜槽与所述的第一冲击凸块相配合使所述的旋转冲击套转动，所述的第一凸块冲击所述的第二凸块使所述的入射杆产生扭转，被测试件固定在所述的透射杆的下端与所述的入射杆的上端之间，所述的入射杆靠近下端的内表面上固定有两组沿轴向中心面对称的用于测试扭转入射波应变信号的第一应变片组，每组所述的第一应变片组由两片呈45度倾斜且相对称的第一应变片组成，所述的透射杆靠近下端的内表面上固定有两组沿轴向中心面对称的用于测试扭转透射波应变信号的第二应变片组，每组所述的第二应变片组由两片呈45度倾斜且相对称的第二应变片组成，所述的第一应变片到所述的入射杆下端的距离大于等于2倍的入射杆外径，且小于等于3倍的入射杆外径，所述的第二应变片到所述的透射杆下端的距离大于等于2倍的透射杆外径，且小于等于3倍的透射杆外径，所述的第一应变片和所述的第二应变片分别与超动态应变仪电连接。
2.一种材料冲击扭转加载实验装置，其特征在于包括支架、旋转冲击套、复合加载头、高速摄影机和管状的透射杆和撞击杆，所述的复合加载头和所述的透射杆的材料均为高强弹簧钢，所述的透射杆竖直固定在所述的支架上，所述的支架上固定设置有高压气炮，所述的透射杆竖直向下穿过所述的高压气炮，且所述的透射杆与所述的高压气炮中的炮管同轴设置，所述的高压气炮的上端与所述的透射杆之间密封，所述的撞击杆同轴设置在所述的炮管中且同轴套设在所述的透射杆外，所述的复合加载头的材质、外径均与所述的透射杆的材质、外径相同，所述的复合加载头竖直设置在所述的透射杆的下方且与所述的透射杆同轴，所述的复合加载头的下方设置有支撑柱，所述的支撑柱的上端设置有安装孔，所述的复合加载头的下端伸入所述的安装孔中，所述的复合加载头的下端与所述的安装孔之间顶接有支撑弹簧，所述的支撑柱的下端设置有吸能块，所述的旋转冲击套同轴套设在所述的复合加载头上，所述的旋转冲击套的外圆周面上一体设置有倾斜的第一冲击凸块，所述的撞击杆的上端内圆周面上设置有与所述的第一冲击凸块相匹配的第一斜槽，所述的复合加载头的外圆周面上一体设置有倾斜的第二冲击凸块，所述的旋转冲击套的内圆周面上设置有第二斜槽，所述的第二斜槽与所述的第二冲击凸块相配合，当所述的撞击杆向下撞击所述的旋转冲击套时，所述的第一斜槽与所述的第一冲击凸块相配合使所述的旋转冲击套转动，同时，所述的第二斜槽冲击所述的第二冲击凸块使所述的复合加载头同时产生扭转和轴向移动，被测试件固定在所述的透射杆的下端与所述的复合加载头的上端之间，所述的高速摄影机正对被测试件设置，用于记录被测试件的变形，所述的透射杆靠近下端的内表面上固定有两组沿轴向中心面对称的用于测试扭转透射波应变信号的第二应变片组，每组所述的第二应变片组由两片呈45度倾斜且相对称的第二应变片组成，所述的透射杆靠近下端的内表面上固定有两片沿轴向中心面对称的用于测试拉伸或压缩透射波应变信号的第三应变片，所述的第三应变片的方向沿轴向设置，所述的第二应变片和所述的第三应变片到所述的透射杆下端的距离均大于等于2倍的透射杆外径，且小于等于3倍的透射杆外径，所述的第二应变片和所述的第三应变片在同一轴向位置沿所述的透射杆的内表面错开设置，所述的第二应变片和所述的第三应变片分别与超动态应变仪电连接。
3.如权利要求1或2所述的一种材料冲击扭转加载实验装置，其特征在于：所述的支架的上端设置有支承块，所述的透射杆的上端与所述的支承块固定连接。
4.如权利要求3所述的一种材料冲击扭转加载实验装置，其特征在于：所述的支承块与所述的支架的上端之间固定设置有缓冲弹簧。
5.如权利要求1或2所述的一种材料冲击扭转加载实验装置，其特征在于：所述的炮管上相对被测试件的位置设置有试件安装口。
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