CN108333047B - 一种i型裂纹试样的动态对称拉伸装置及其实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及材料领域的断裂力学性能测试的实验方法，是一种I型裂纹试样的动态对称拉伸装置及其实验方法。本发明的一种试样动态对称拉伸装置，包括电源、电容充电器、加载枪和波导杆杆系统，所述电容充电器采用现有电磁铆接设备的供电部分,两个参数相同的加载枪并联连接后，接入所述电容充电器中。本发明还涉及一种根据前述试样动态对称拉伸装置的实验方法。由于两个加载枪的参数相同，并且是并联接入电容充电器，因此放电电流会同步并且均匀地分配到两个加载枪中，从而在两个加载枪中产生相同的压缩应力波，并分别在两个凸台反射成拉伸波并进入拉伸杆同时对试样进行加载，所以能够实现对试样的对称加载，以保证试样裂纹扩展为I型层裂裂纹。

Description

一种I型裂纹试样的动态对称拉伸装置及其实验方法
技术领域
本发明涉及材料领域的断裂力学性能测试的实验方法，具体是一种I型裂纹试样的动态对称拉伸装置及其实验方法。
背景技术
目前，在断裂力学领域，I型裂纹的断裂韧性测量是一个重要的研究问题。Jose等采用标准紧凑拉伸(Compact Tension，CT)试样测量I型层间断裂韧性，收到良好效果。
另外，在断裂力学领域，双悬臂梁(DCB)实验已经是测量I型准静态层间断裂韧性的标准试验。DCB试样也被广泛地应用于胶接层I型断裂韧性的测量中。
然而，在通常情况下，复合材料层合板容易受到面外的冲击载荷，层间裂纹一般表现出动态扩展。因此需要对动态层间断裂进行深入的研究。动态断裂力学主要研究两大类问题。第一类问题是含裂体在动态载荷下的起裂问题；第二类是裂纹的快速扩展以及止裂问题。
第一类问题研究的主要内容即为动态加载下裂纹起始的断裂准则，即动态起裂韧性(以I型断裂为例表示为KIC d或GIC d)的测量。动态情况下，由于惯性效应，CT试样很难进行I型裂纹加载。为了利用最常用的分离式霍普金森压杆系统进行CT试样的对称加载，一些学者提出了一些改进的霍普金森压杆实验方法。Sun等采用HPB加载WLCT试样，在入射杆端加工一个凸起，实验时将所述凸起嵌入标准紧凑拉伸(CT)试样的初始裂纹之内，在压缩过程中，凸起会对初始裂纹的两个裂纹面施加对称的拉伸力矩，从而实现动态加载。为研究界面的动态层间断裂韧性，Syn设计一种四点弯曲试样，如加载装置为霍普金森压杆，四点弯曲加载裂纹尖端只受弯矩的作用，试验中采用石英压电薄膜测量动态载荷。Wu等采用三点弯曲方式测量动态层间断裂韧性，加载装置为霍普金森压杆。以上方法都是将压缩力变成对称的拉伸力矩，但是由于试样加工精度的问题，加载力的对称性很难达到。
此外，在实现I型动态层间断裂最常用的DCB试样时，加载形式为拉伸加载，只是加载的速率比准静态加载速率有所提高。
实现高的加载速率有以下几种的方法：(1)采用一般试验机进行高速加载，该方法简单易行，但其加载速率受试验机最大加载速率的限制，加载速率一般在1m/s以下；(2)通过设计复杂的加载装置，放大试验机的加载速率，Hug等采用一种装置将原有试验机的垂直位移转换为水平位移，水平加载的速率是垂直加载速率的4倍，能达到的最大加载速率为1.6m/s，Joannic等设计的加载装置，可达到的最大加载速率为2.4m/s；(3)采用高速试验机，Blackman等采用高速试验机对DCB试样进行加载，最大的加载速度可达15m/s；(4)采用落锤加载DCB试样。上述加载方式均为为单向加载，其缺点是，在高速情况下，试样加载不对称，断裂形式为I/II复合型断裂。
除了拉伸形式的DCB试验之外，还有动态压缩形式的DCB试验：(1)WIF试样，Kusaka等采用HPB加载复合材料层合板WIF试样，加载速率可达20m/s，Thouless等采用落锤加载WIF试样，测量胶接层的动态断裂韧性；(2)采用落锤楔入加载DCB试样。但是这种方法也无法保证裂纹扩展为纯I型裂纹。
其次，在断裂力学领域，裂纹断裂是完整材料中的位移不连续性，根据裂纹尖端周围的位移可以分三种不同的断裂模式：Ⅰ型裂纹(张开型裂纹)、Ⅱ型裂纹(滑开型裂纹)、Ⅲ型裂纹(撕开型裂纹)。其中Ⅰ型裂纹的开裂方向垂直于开裂的界面，属于法向开裂，是最为基础且值得研究的裂纹类型。
1921年Griffith研究发现相比从分子结构研究计算得到的强度，玻璃的实际强度低得多，他推测这主要是由于细小的微裂纹引起了的应力集中，并提出了能量准则专门针对脆性材料的断裂判断，注重断裂与材料裂纹尺寸的关系。Griffith能量平衡原则表明，如果材料体可以为裂纹尖端提供充足的的裂纹扩展能量，裂纹开始扩展。但是，如果裂纹开始快速扩展，惯性效应开始起作用，所以必须考虑材料质点的动能，即为断裂动力学。
动态情况下，最常用的分离式霍普金森拉杆系统被用来进行中心穿透裂纹试样的动态拉伸，但是由于惯性效应，试样两段受到的力不对称，中心穿透裂纹试样很难进行I型裂纹加载。
近两年来，我们申请了一系列基于电磁加载的霍普金森杆实验设备和方法。在申请号为201420098605.4和201410161610.X的中国专利中，分别提出了将电磁铆接装置直接应用在霍普金森压杆装置中的设备方案和实验方法，但是此方法所获得的波形具有局限性。在申请号分别为201410173843.1和201410171963.8的两个中国专利发明创造中，分别提出两种既可以用于霍普金森拉杆又可用于霍普金森压杆的实验设备及使用方法，但是这两种方案结构较为复杂，且传统的波形整形技术无法应用于拉伸情况。此外，由于入射杆与放大器通过螺纹连接，无论做压缩实验还是拉伸试验，压缩波和拉伸波都能够同时传入入射杆，因此这两种方案所产生的应力波并不是纯粹的拉伸波或者压缩波，仅仅适用于一些对入射波形没有特别大要求的实验。为了改善这种缺陷，随后我们在申请号为201510956545.4的中国专利发明创造中，提出了一种新的加载枪结构，所述结构既可以产生拉伸波和压缩波，又可以使用传统的整形方式对波形进行整形。在申请号为201510051071的中国专利发明创造中，提出了一种电磁式实验装置的主线圈结构和使用方法，以提高电磁式实验装置所产生的幅值和脉冲宽度的变化范围。对于传统的子弹撞击产生脉冲的方式，在产生应力波之前子弹需要运动一段距离，使得对称加载或双轴加载的多脉冲技术无法实现。
发明内容
本发明目的是提供一种I型裂纹试样的动态对称拉伸装置及其实验方法，可以克服现有技术中加载力的对称性很难达到的问题。这样，通过这种给予电磁力的应力波加载方式利用电磁能量转换技术产生应力波脉冲，脉冲的产生依靠放电开关实现，在开关触发和应力脉冲的产生之间没有时间延迟，因此脉冲的时间精确性很容易通过电路控制，这一优点使得对称加载和双轴加载可以实现应力波同步发生技术。
本发明提供的一种I型裂纹试样的动态对称拉伸装置，包括电源、电容充电器、加载枪和波导杆杆系统，所述电容充电器采用现有电磁铆接设备的供电部分,两个参数相同的加载枪并联连接后，接入所述电容充电器中。
在上述I型裂纹试样的动态对称拉伸装置中，所述波导杆杆系统包含两根长度相同的拉伸杆。所述拉伸杆为圆柱形杆，一端加工有矩形开槽，在槽臂上开有通孔，用于连接试样；另一端加工有外螺纹，用于连接凸台。所述拉伸杆为钛合金杆。所述拉伸杆的长度L设计时遵循以下原则，以保证反射波对试样进行卸载：
L≥CT
其中，C为应力波在拉伸杆中的传播速度，T为所施加的入射波周期。此外，在上述I型裂纹试样的动态对称拉伸装置中，所述凸台的设计与霍普金森拉杆的凸台相同。
本发明的加载装置包括加载枪和波导杆杆系统。所述的加载装置采用专利号为ZL201510956545.4的发明专利中所提出的加载装置。
为了实现对称加载，将两个参数相同的加载枪并联后接入电容充电器中。这样，在放电过程中，LC电路的放电电流会平均分配给两个加载枪的主线圈，使两个加载枪同时产生相同的应力波，以保证对称加载中两端应力波的同步性和相同性。
本发明提供的一种根据前述I型裂纹试样的动态对称拉伸装置的实验方法，包括如下步骤：
步骤1.排布器材：
将两个加载枪采用拉伸方式与拉伸杆进行装配，具体方法为：拉伸杆带有外螺纹的一端依次穿过定位筒和放大器的通孔，并在放大器的应力波输出段一侧与凸台进行螺纹连接；凸台与放大器，次级线圈与主线圈均紧密贴合；试样的两端与两个拉伸杆的矩形开槽连接；
步骤2.进行加载：
将电容充电器充电电压设置为XV并充电，其中X为具体所需的电压值，并且在电容充电器的额定电压以内，待充电完成后，使电容充电器对两个加载枪进行放电，由于两个加载枪的参数相同，并且是并联接入电容充电器，因此放电电流会同步并且均匀地分配到两个加载枪中，从而在两个加载枪中产生相同的压缩应力波，并分别在两个凸台反射成拉伸波并进入拉伸杆；两个拉伸杆中的拉伸波同时对试样进行加载。
标准紧凑拉伸试样是一片厚度均匀的矩形试样，在试样一端的宽度一半处开有一个V型的开槽，作为预制的初始裂纹，在V型开槽的两边各有一个圆形的通孔，尺寸与拉伸杆上的通孔相同，用于销钉连接。
标准紧凑拉伸试样通过两个圆柱形销钉与两个拉伸杆连接，所述销钉的直径和尺寸与拉伸杆端的通孔尺寸相匹配。安装时将试样的V型槽两边分别插入拉伸杆的开槽，使试样和拉伸杆上的通孔对齐，将圆柱形销钉依次穿过拉伸杆和试样的通孔，使试样固定在两根拉伸杆之间。
本发明提出标准紧凑拉伸(CT)试样的动态对称拉伸的试验方法，具体过程是：
步骤1.排布器材。
将两个加载枪采用拉伸方式与拉伸杆进行装配，具体方法为：拉伸杆带有外螺纹的一端依次穿过定位筒和放大器的通孔，并在放大器的应力波输出段一侧与凸台进行螺纹连接。凸台与放大器，次级线圈与主线圈均紧密贴合。CT试样的初始裂纹的两边侧面采用销钉与两个拉伸杆的矩形开槽连接。调整CT试样的位置，使试样的长度方向垂直于两根拉伸杆的轴向方向。
步骤2.进行加载。
将电容充电器充电电压设置为XV并充电(X为具体所需的电压值，并且在电容充电器的额定电压以内)，待充电完成后，使电容充电器对两个加载枪进行放电，由于两个加载枪的参数相同，并且是并联接入电容充电器，因此放电电流会同步并且均匀地分配到两个加载枪中，从而在两个加载枪中产生相同的压缩应力波，并分别在两个凸台反射成拉伸波并进入拉伸杆。两个拉伸杆中的拉伸波同时到达销钉并对CT试样进行加载，由于两个拉伸波幅值和脉宽相同，且同时对试样进行加载，所以能够实现对试样的对称加载，以保证试样裂纹扩展为I型层裂裂纹。
在本发明中，供电系统用来给加载枪的主线圈提供瞬时的强电流，从而使主线圈和次线圈之间产生强电磁斥力。加载枪用来产生电磁斥力，并将电磁斥力转换成应力波，经过锥形放大器放大后输出给入射杆。
本发明的实验装置中，两个相同的加载枪并连接入电容供电器，放电电流均匀且同时分配给两个加载枪，因此可以保证对称加载所需的波形同步性。
本发明在原理上将电磁感应斥力与电容器放电相结合，直接产生应力脉冲。采用传统的标准紧凑拉伸试样，即可对材料进行动态对称加载，保证裂纹扩展为纯I型裂纹。
另外，双悬臂梁试样是一片厚度均匀的矩形单向铺层复合材料试样，试样一端的厚度一半处开有一段无粘附力的分层，作为预制的初始裂纹。
双悬臂梁试样通过两个钢琴铰链与两个拉伸杆连接，所述钢琴铰链的合页尺寸与拉伸杆中的矩形开槽的尺寸相匹配，其中一片合页通过强力胶粘贴在双悬臂梁试样的初始裂纹端的外侧面，另一片合页通过强力胶粘贴在拉伸杆的矩形开槽内。
本发明还提出双悬臂梁试样动态对称拉伸的试验方法，具体过程是：
步骤1.排布器材。
将两个加载枪采用拉伸方式与拉伸杆进行装配，具体方法为：拉伸杆带有外螺纹的一端依次穿过定位筒和放大器的通孔，并在放大器的应力波输出段一侧与凸台进行螺纹连接。凸台与放大器，次级线圈与主线圈均紧密贴合。双悬臂梁试样的初始裂纹端的两个侧面采用胶粘的方式通过两个钢琴铰链与两个拉伸杆的矩形开槽连接。调整双悬臂梁试样的位置，使双悬臂梁试样的长度方向垂直于两根拉伸杆的轴向垂直。
步骤2.进行加载。
将电容充电器充电电压设置为XV并充电(X为具体所需的电压值，并且在电容充电器的额定电压以内)，待充电完成后，使电容充电器对两个加载枪进行放电，由于两个加载枪的参数相同，并且是并联接入电容充电器，因此放电电流会同步并且均匀地分配到两个加载枪中，从而在两个加载枪中产生相同的压缩应力波，并分别在两个凸台反射成拉伸波并进入拉伸杆。两个拉伸杆中的拉伸波同时到达钢琴铰链并对双悬臂梁试样进行加载，由于两个拉伸波幅值和脉宽相同，且同时对试样进行加载，所以能够实现对试样的对称加载，以保证试样裂纹扩展为I型层裂裂纹。
在本发明中，供电系统用来给加载枪的主线圈提供瞬时的强电流，从而使主线圈和次线圈之间产生强电磁斥力。加载枪用来产生电磁斥力，并将电磁斥力转换成应力波，经过锥形放大器放大后输出给入射杆。
本发明的实验装置中，两个相同的加载枪并连接入电容供电器，放电电流均匀且同时分配给两个加载枪，因此可以保证对称加载所需的波形同步性。
本发明在原理上将电磁感应斥力与电容器放电相结合，直接产生应力脉冲。采用传统的双悬臂梁试样，即可对材料进行动态对称加载，保证裂纹扩展为纯I型裂纹。
此外，中心穿透裂纹试样是一片厚度均匀的矩形试样，在试样中心处开有一个垂直于试样长度方向的缝，作为预制的初始裂纹。
中心穿透裂纹试样的两端通过两强力胶粘贴在两个拉伸杆的矩形开槽内，初始裂纹方向与拉伸杆的长度方向垂直。
本发明进一步提出中心穿透裂纹试样的动态对称拉伸的试验方法，具体过程是：
步骤1.排布器材。
将两个加载枪采用拉伸方式与拉伸杆进行装配，具体方法为：拉伸杆带有外螺纹的一端依次穿过定位筒和放大器的通孔，并在放大器的应力波输出段一侧与凸台进行螺纹连接。凸台与放大器，次级线圈与主线圈均紧密贴合。中心穿透裂纹试样的两端伸进拉伸杆的矩形开槽内，并用强力胶固定。
步骤2.进行加载。
将电容充电器充电电压设置为XV并充电(X为具体所需的电压值，并且在电容充电器的额定电压以内)，待充电完成后，使电容充电器对两个加载枪进行放电，由于两个加载枪的参数相同，并且是并联接入电容充电器，因此放电电流会同步并且均匀地分配到两个加载枪中，从而在两个加载枪中产生相同的压缩应力波，并分别在两个凸台反射成拉伸波并进入拉伸杆。两个拉伸杆中的拉伸波同时到试样，由于两个拉伸波幅值和脉宽相同，且同时对试样进行加载，所以能够实现对中心穿透裂纹试样的对称加载，以保证试样裂纹扩展为I型层裂裂纹。
如上所述，无论对于CT试样，还是双悬臂梁试样或者中心穿透裂纹试样，在本发明中，由于两个加载枪的参数相同，并且是并联接入电容充电器，因此放电电流会同步并且均匀地分配到两个加载枪中，从而在两个加载枪中产生相同的压缩应力波，并分别在两个凸台反射成拉伸波并进入拉伸杆。两个拉伸杆中的拉伸波同时到达销钉并对试样进行加载，由于两个拉伸波幅值和脉宽相同，且同时对试样进行加载，所以能够实现对试样的对称加载，以保证试样裂纹扩展为I型层裂裂纹。
本发明的实验装置中，两个相同的加载枪并连接入电容供电器，放电电流均匀且同时分配给两个加载枪，因此可以保证对称加载所需的波形同步性。
本发明在原理上将电磁感应斥力与电容器放电相结合，直接产生应力脉冲。采用传统的试样，即可对材料进行动态对称加载，保证裂纹扩展为纯I型裂纹。
附图说明
图1是本发明的CT试样的动态对称拉伸的装置示意图。
图2是本发明的双悬臂梁试样动态对称拉伸的装置示意图。
图3是本发明的双悬臂梁试样与拉伸杆的连接示意图。
图4是本发明的中心穿透裂纹试样的动态对称拉伸的装置示意图。
具体实施方式
图1是本发明的CT试样的动态对称拉伸的装置示意图。在图1中：1.电源；2.电容充电器；3.加载枪；4.凸台；5.拉伸杆；6.销钉；7.标准紧凑拉伸(CT)试样。
图2是本发明的双悬臂梁试样动态对称拉伸的装置示意图。图3是本发明的双悬臂梁试样与拉伸杆的连接示意图。在图2和3中：1.电源；2.电容充电器；3.加载枪；4.凸台；5.拉伸杆；6.钢琴铰链；7.双悬臂梁标准试样；8.初始裂纹。
图4是本发明的中心穿透裂纹试样的动态对称拉伸的装置示意图。在图4中：1.电源；2.电容充电器；3.加载枪；4.凸台；5.拉伸杆；6.中心穿透裂纹试样；7.初始裂纹。
如图所示，本发明的一种I型裂纹试样的动态对称拉伸装置，包括电源、电容充电器、加载枪和波导杆杆系统，所述电容充电器采用现有电磁铆接设备的供电部分,两个参数相同的加载枪并联连接后，接入所述电容充电器中。
在上述I型裂纹试样的动态对称拉伸装置中，所述波导杆杆系统包含两根长度相同的拉伸杆。所述拉伸杆为圆柱形杆，一端加工有矩形开槽，在槽臂上开有通孔，用于连接试样；另一端加工有外螺纹，用于连接凸台。所述拉伸杆为钛合金杆。所述拉伸杆的长度L设计时遵循以下原则，以保证反射波对试样进行卸载：
L≥CT
其中，C为应力波在拉伸杆中的传播速度，T为所施加的入射波周期。此外，在上述I型裂纹试样的动态对称拉伸装置中，所述凸台的设计与霍普金森拉杆的凸台相同。
实施例1
如图1所示，本实施例是一种基于电磁力的标准紧凑拉伸试样动态对称拉伸装置，所述的加载装置采用专利号为ZL 201510956545.4的中国发明专利中所提出的加载装置，包括电源1、电容充电器2和加载枪3。电容充电器2采用现有电磁铆接设备的供电部分。并将两个参数完全相同的加载枪3并联连接后，接入所述电容充电器2中。电源1采用220伏(V)的三相交流电。
本实施例中，电容充电器2采用公布在专利号为200520079179的中国专利中的电磁铆接设备的供电部分，在本实施例中，将3个额定电压为5000伏，额定电容为,2毫法的脉冲电容器并联组成电容器组，将所述电容器组与电子开关安装在电容器箱中，通过电子开关控制电容器组的放电。控制箱主要包含PLC及其控制系统。控制系统主要由模拟控制部分、数字控制部分以及数字显示部分组成。其中模拟控制部分采用SIEMENS(西门子)公司的TCA785芯片。数字控制部分由西门子的S7-200系列CPU224及西门子模拟输入输出扩展模块EM235组成。充电电压控制主要是通过电压环和电流环的PID控制方式实现。数字显示部分主要是通过S7-200系列文本显示器TD200组成。
本实施例中，两个加载枪3的主线圈采用宽25mm、厚2mm的铜带绕成16匝的盘状线圈。
标准紧凑拉伸(CT)试样是一片厚度均匀的矩形试样，在试样一端的宽度一半处开有一个V型的开槽，作为预制的初始裂纹，在V型开槽的两边各有一个圆形的通孔，尺寸与拉伸杆上的通孔相同，用于销钉连接。
标准紧凑拉伸试样通过两个圆柱形销钉与两个拉伸杆连接，所述销钉的直径和尺寸与拉伸杆端的通孔尺寸相匹配。安装时将试样的V型槽两边分别插入拉伸杆的开槽，使试样和拉伸杆上的通孔对齐，将圆柱形销钉依次穿过拉伸杆和试样的通孔，使试样固定在两根拉伸杆之间。
本实施例还提出了一种采用基于电磁力的CT试样对称拉伸的实验方法。具体过程是:
步骤1.排布器材。将两个加载枪3、两个拉伸杆5和CT试样7按常规的拉伸方法同轴顺序安装在实验台上。具体方法为：拉伸杆5带有外螺纹的一端依次穿过定位筒和放大器的通孔，并在放大器的应力波输出段一侧与凸台4进行螺纹连接。凸台4与放大器，次级线圈与主线圈均紧密贴合。CT试样的初始裂纹8的两个侧面采用销钉6与两个拉伸杆5的矩形开槽连接。调整CT试样7的位置，使试样的长度方向垂直于两根拉伸杆5的轴向垂直。
其中，CT试样7材料为铝合金，采用GB4161-2007-T规定的标准尺寸。试样长度40毫米，宽24毫米，厚度为6毫米，初始裂纹8长度为12毫米，试样上的圆形通孔直径为6毫米。拉伸杆5的为钛合金杆，直径为18毫米，长度为4米，矩形开槽的深度为16毫米，宽度为7.5毫米。
步骤2.进行加载。将电容充电器2的充电电压设置为2000V并充电，待充电完成后，通过电子开关使电容充电器2对两个加载枪3的主线圈进行放电，由于两个加载枪的参数相同，放电电流会均匀地分配给两个加载枪3。两个加载枪的放大器会输出相同的压缩应力波，并在凸台4反射成拉伸波并进入拉伸杆5，并对试样进行对称加载。
由于两个加载枪的参数相同，并且是并联接入电容充电器，因此放电电流会同步并且均匀地分配到两个加载枪中，从而在两个加载枪中产生相同的压缩应力波，并分别在两个凸台反射成拉伸波并进入拉伸杆。两个拉伸杆中的拉伸波同时到达销钉并对CT试样进行加载，由于两个拉伸波幅值和脉宽相同，且同时对试样进行加载，所以能够实现对试样的对称加载，以保证试样裂纹扩展为I型层裂裂纹。
在本实施例中，供电系统用来给加载枪的主线圈提供瞬时的强电流，从而使主线圈和次线圈之间产生强电磁斥力。加载枪用来产生电磁斥力，并将电磁斥力转换成应力波，经过锥形放大器放大后输出给入射杆。
本实施例的实验装置中，两个相同的加载枪并连接入电容供电器，放电电流均匀且同时分配给两个加载枪，因此可以保证对称加载所需的波形同步性。
本实施例在原理上将电磁感应斥力与电容器放电相结合，直接产生应力脉冲。采用传统的标准紧凑拉伸试样，即可对材料进行动态对称加载，保证裂纹扩展为纯I型裂纹。
实施例2
如图2和3所示，本实施例是一种基于电磁力的双悬臂梁试样动态对称拉伸装置，所述的加载装置采用专利号为ZL 201510956545.4的中国发明专利中所提出的加载装置，包括电源1、电容充电器2和加载枪3。电容充电器2采用现有电磁铆接设备的供电部分。并将两个参数完全相同的加载枪3并联连接后，接入所述电容充电器2中。电源1采用220V的三相交流电。
本实施例中，电容充电器2采用公布在专利号为200520079179的中国专利中的电磁铆接设备的供电部分，在本实施例中，将6个额定电压为5000伏，额定电容为,2毫法的脉冲电容器并联组成电容器组，将所述电容器组与电子开关安装在电容器箱中，通过电子开关控制电容器组的放电。控制箱主要包含PLC及其控制系统。控制系统主要由模拟控制部分、数字控制部分以及数字显示部分组成。其中模拟控制部分采用SIEMENS公司的TCA785芯片。数字控制部分由西门子的S7-200系列CPU224及西门子模拟输入输出扩展模块EM235组成。充电电压控制主要是通过电压环和电流环的PID控制方式实现。数字显示部分主要是通过S7-200系列文本显示器TD200组成。
本实施例中，两个加载枪3的主线圈采用宽25mm、厚2mm的铜带绕成32匝的盘状线圈。
双悬臂梁试样是一片厚度均匀的矩形单向铺层复合材料试样，试样一端的厚度一半处开有一段无粘附力的分层，作为预制的初始裂纹。
双悬臂梁试样通过两个钢琴铰链与两个拉伸杆连接，所述钢琴铰链的合页尺寸与拉伸杆中的矩形开槽的尺寸相匹配，其中一片合页通过强力胶粘贴在双悬臂梁试样的初始裂纹端的外侧面，另一片合页通过强力胶粘贴在拉伸杆的矩形开槽内。
本实施例还提出了一种采用基于电磁力的双悬臂梁试样对称拉伸的实验方法。具体过程是:
步骤1.排布器材。将两个加载枪3、两个拉伸杆5和双悬臂梁试样7按常规的拉伸方法同轴顺序安装在实验台上。具体方法为：拉伸杆5带有外螺纹的一端依次穿过定位筒和放大器的通孔，并在放大器的应力波输出段一侧与凸台4进行螺纹连接。凸台4与放大器，次级线圈与主线圈均紧密贴合。双悬臂梁试样的初始裂纹8的两个侧面采用胶粘的方式通过两个钢琴铰链6与两个拉伸杆5的矩形开槽连接。调整双悬臂梁试样7的位置，使双悬臂梁试样的长度方向垂直于两根拉伸杆5的轴向方向。
其中，双悬臂梁试样7采用准静态实验的标准试样，试样长度120毫米，宽20毫米，厚度为5毫米，试样材料为T700-MTS。拉伸杆5的为钛合金杆，直径为18毫米，长度为4米。
步骤2.进行加载。将电容充电器2的充电电压设置为2000V并充电，待充电完成后，通过电子开关使电容充电器2对两个加载枪3的主线圈进行放电，由于两个加载枪的参数相同，放电电流会均匀地分配给两个加载枪3。两个加载枪的放大器会输出相同的压缩应力波，并在凸台4反射成拉伸波并进入拉伸杆5，并对试样进行对称加载。
由于两个加载枪的参数相同，并且是并联接入电容充电器，因此放电电流会同步并且均匀地分配到两个加载枪中，从而在两个加载枪中产生相同的压缩应力波，并分别在两个凸台反射成拉伸波并进入拉伸杆。两个拉伸杆中的拉伸波同时到达钢琴铰链并对双悬臂梁试样进行加载，由于两个拉伸波幅值和脉宽相同，且同时对试样进行加载，所以能够实现对试样的对称加载，以保证试样裂纹扩展为I型层裂裂纹。
在本实施例中，供电系统用来给加载枪的主线圈提供瞬时的强电流，从而使主线圈和次线圈之间产生强电磁斥力。加载枪用来产生电磁斥力，并将电磁斥力转换成应力波，经过锥形放大器放大后输出给入射杆。
本实施例的实验装置中，两个相同的加载枪并连接入电容供电器，放电电流均匀且同时分配给两个加载枪，因此可以保证对称加载所需的波形同步性。
本实施例在原理上将电磁感应斥力与电容器放电相结合，直接产生应力脉冲。采用传统的双悬臂梁试样，即可对材料进行动态对称加载，保证裂纹扩展为纯I型裂纹。
实施例3
如图4所示，本实施例是一种基于电磁力的中心穿透裂纹试样动态对称拉伸装置，所述的加载装置采用专利号为ZL 201510956545.4的中国发明专利中所提出的加载装置，包括电源1、电容充电器2和加载枪3。电容充电器2采用现有电磁铆接设备的供电部分。并将两个参数完全相同的加载枪3并联连接后，接入所述电容充电器2中。电源1采用220V的三相交流电。
本实施例中，电容充电器2采用公布在专利号为200520079179的中国专利中的电磁铆接设备的供电部分，在本实施例中，将3个额定电压为5000伏，额定电容为,2毫法的脉冲电容器并联组成电容器组，将所述电容器组与电子开关安装在电容器箱中，通过电子开关控制电容器组的放电。控制箱主要包含PLC及其控制系统。控制系统主要由模拟控制部分、数字控制部分以及数字显示部分组成。其中模拟控制部分采用SIEMENS公司的TCA785芯片。数字控制部分由西门子的S7-200系列CPU224及西门子模拟输入输出扩展模块EM235组成。充电电压控制主要是通过电压环和电流环的PID控制方式实现。数字显示部分主要是通过S7-200系列文本显示器TD200组成。
本实施例中，两个加载枪3的主线圈采用宽25mm、厚2mm的铜带绕成16匝的盘状线圈。
中心穿透裂纹试样是一片厚度均匀的矩形试样，在试样中心处开有一个垂直于试样长度方向的缝，作为预制的初始裂纹。
中心穿透裂纹试样的两端通过两强力胶粘贴在两个拉伸杆的矩形开槽内，初始裂纹方向与拉伸杆的长度方向垂直。
本实施例还提出了一种采用基于电磁力的中心穿透裂纹试样对称拉伸的实验方法。具体过程是:
步骤1.排布器材。将两个加载枪3、两个拉伸杆5和中心穿透裂纹试样6按常规的拉伸方法同轴顺序安装在实验台上。具体方法为：拉伸杆5带有外螺纹的一端依次穿过定位筒和放大器的通孔，并在放大器的应力波输出段一侧与凸台4进行螺纹连接。凸台4与放大器，次级线圈与主线圈均紧密贴合。中心穿透裂纹试样6的初始裂纹7的两端采用强力胶两个拉伸杆5的矩形开槽连接。
其中，中心穿透裂纹试样6的长度40毫米，宽20毫米，厚度为3毫米，初始裂纹7长度为10毫米。拉伸杆5的为钛合金杆，直径为18毫米，长度为4米，矩形开槽的深度为10毫米，宽度为3.5毫米。
步骤2.进行加载。将电容充电器2的充电电压设置为2000V并充电，待充电完成后，通过电子开关使电容充电器2对两个加载枪3的主线圈进行放电，由于两个加载枪的参数相同，放电电流会均匀地分配给两个加载枪3。两个加载枪的放大器会输出相同的压缩应力波，并在凸台4反射成拉伸波并进入拉伸杆5，并对试样进行对称加载。
本实施例中，由于两个加载枪的参数相同，并且是并联接入电容充电器，因此放电电流会同步并且均匀地分配到两个加载枪中，从而在两个加载枪中产生相同的压缩应力波，并分别在两个凸台反射成拉伸波并进入拉伸杆。两个拉伸杆中的拉伸波同时到试样，由于两个拉伸波幅值和脉宽相同，且同时对试样进行加载，所以能够实现对中心穿透裂纹试样的对称加载，以保证试样裂纹扩展为I型层裂裂纹。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种I型裂纹试样的动态对称拉伸装置，包括电源、电容充电器、加载枪和波导杆杆系统，所述波导杆杆系统包含两根长度相同的拉伸杆，所述电容充电器采用电磁铆接设备的供电部分，两个参数相同的加载枪并联连接后，接入所述电容充电器中，两根拉伸杆同轴安装，两个加载枪分别位于所述两根拉伸杆的两端，试样安装在两根拉伸杆之间。
2.根据权利要求1所述的I型裂纹试样的动态对称拉伸装置，其特征在于，所述拉伸杆为圆柱形杆，一端加工有矩形开槽，在槽臂上开有通孔，用于连接试样；另一端加工有外螺纹，用于连接凸台。
3.根据权利要求1或2所述的I型裂纹试样的动态对称拉伸装置，其特征在于，所述拉伸杆为钛合金杆。
4.根据权利要求1或2所述的I型裂纹试样的动态对称拉伸装置，其特征在于，所述拉伸杆的长度L设计时遵循以下原则，以保证反射波对试样进行卸载：
L≥CT
其中，C为应力波在拉伸杆中的传播速度，T为所施加的入射波周期。
5.根据权利要求2所述的I型裂纹试样的动态对称拉伸装置，其特征在于，所述凸台的设计与霍普金森拉杆的凸台相同。
6.一种根据前述任一权利要求所述的I型裂纹试样的动态对称拉伸装置的实验方法，包括如下步骤：
步骤1 .排布器材：
将两个加载枪采用拉伸方式与拉伸杆进行装配，具体方法为：拉伸杆带有外螺纹的一端依次穿过定位筒和放大器的通孔，并在放大器的应力波输出段一侧与凸台进行螺纹连接；凸台与放大器，次级线圈与主线圈均紧密贴合；试样的两端与两个拉伸杆的矩形开槽连接；
步骤2 .进行加载：
将电容充电器充电电压设置为XV并充电，其中X为具体所需的电压值，并且在电容充电器的额定电压以内，待充电完成后，使电容充电器对两个加载枪进行放电，由于两个加载枪的参数相同，并且是并联接入电容充电器，因此放电电流会同步并且均匀地分配到两个加载枪中，从而在两个加载枪中产生相同的压缩应力波，并分别在两个凸台反射成拉伸波并进入拉伸杆；两个拉伸杆中的拉伸波同时对试样进行加载。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述试样为标准紧凑拉伸试样，所述标准紧凑拉伸试样的初始裂纹的两边侧面采用销钉与两个拉伸杆的矩形开槽连接，调整所述标准紧凑拉伸试样的位置，使所述标准紧凑拉伸试样的长度方向垂直于两根拉伸杆的轴向方向。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述试样为双悬臂梁试样，所述双悬臂梁试样的初始裂纹端的两个侧面采用胶粘的方式通过两个钢琴铰链与两个拉伸杆的矩形开槽连接，调整所述双悬臂梁试样的位置，使所述双悬臂梁试样的长度方向垂直于两根拉伸杆的轴向方向。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述试样为中心穿透裂纹试样，所述中心穿透裂纹试样的两端通过两强力胶粘贴在两个拉伸杆的矩形开槽内，所述中心穿透裂纹试样的初始裂纹方向与拉伸杆的长度方向垂直。
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