CN108717024B - 基于霍普金森压杆系统的可变压头动态压入测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于霍普金森压杆系统的可变压头动态压入测试装置，可实现材料动态力学性能的原位测试，压入装置包括：压头与材质相同的压头支撑物无缝榫接，压头支撑物尾端与入射杆端通过螺杆共轴线连接并在二者之间放置与入射杆材质相同的垫块，拧入垫块/入射杆与压头支撑物的螺杆各段材质分别与入射杆及支撑物的材质相同，同时压头支撑物尾端与垫块及垫块与入射杆端界面分别胶接，压头支撑物与入射杆端部通过聚四氟乙烯套筒套接；本发明可实现基于传统霍普金森压杆装置的动态压入测试，结构设计合理可靠，便于拆装及更换压头，在满足波阻抗匹配的条件下保证了动态压入测试的准确性，从而丰富了材料的动态力学性能测试方法。

Description

基于霍普金森压杆系统的可变压头动态压入测试装置
技术领域
本发明涉及动态压入力学测试装置领域，具体为应用于动态力学测试系统的一种基于霍普金森压杆系统的可变压头动态压入测试装置。
背景技术
工程材料应用于航空航天、国防工程等领域时常遭受短时强动载荷的作用，其在高加载速率下的力学响应明显不同于准静态加载时，开展动载下工程材料动态力学性能的测试表征研究有助于其在工程领域的设计与应用。
目前已发展出分离式霍普金森杆（split Hopkinson bar）系列（拉、压、扭杆等）、Taylor 撞击、膨胀环、落锤及轻气炮平板撞击等多种材料高应变率下力学性能的测试技术，该类技术对所采用试件的形状与尺寸均有特定的要求，且往往伴随有加工过程的不一致性，使得较宽应变率范围内材料动态力学性能的比对变得较为困难。其中，基于一维弹性应力波理论发展起来的分离式霍普金森压杆测试系统，如图1所示，主要包括驱动装置、撞击杆、入射杆、透射杆、吸收杆、超动态应变仪、示波器等数据采集处理装置，通过贴在入射杆上的应变片记录下入射脉冲和反射脉冲信号，而贴在透射杆上的应变片记录下透射脉冲信号，在此基础上基于一维应力波理论即可得到材料的相关动态力学性能数据。在该类测试系统中，动态压入测试技术可实现较宽应变率范围内材料动态力学性能的原位测试表征，且对被测材料的加工要求不高，只需提供一较为平整的压入接触面即可，特别适合于微小尺寸及表面微区力学性能测试，具有良好的发展前景，但现有的动态压入测试技术中的动态压入装置存在压头不可更换，测试不灵活及结果误差大的缺陷，因此在此基础上，需要一种可变换压头且测试结果可靠的动态压入测试装置。
发明内容
本发明为了解决现有动态压入测试装置中，压头不可更换、测试不灵活及结果误差大的问题，提供了一种基于霍普金森压杆系统的可变压头动态压入测试装置。
本发明是通过如下技术方案来实现的：一种基于霍普金森压杆系统的可变压头动态压入测试装置，包括压头和与压头材质相同的压头支撑物，所述压头支撑物和压头榫接，所述压头支撑物尾端与入射杆的端部通过螺杆共轴线连接，所述压头支撑物和入射杆之间放置与入射杆材质相同的垫块，所述垫块直径与入射杆相同；所述螺杆拧入垫块与入射杆的部分与入射杆的材质相同，所述螺杆拧入压头支撑物的部分与压头支撑物材质相同；所述压头支撑物尾端与垫块之间由胶层Ⅰ粘连，所述垫块与入射杆端界面之间由胶层Ⅱ粘接；所述压头支撑物与入射杆端部外侧通过沿轴线移动的聚四氟乙烯套筒套接。
本发明通过传统霍普金森压杆系统控制加载，采用“动量陷阱”装置实现单次应力波加载（Nemat-Nasser S, Isaacs J B, Starrett J E, Hopkinson techniques fordynamic recovery experiments, Proceedings the Royal of Society: A, 1991, 435(1894): 371–391），实验中被测试样的实时压入载荷与压入深度可由入射杆及透射杆上的应变片信号计算得到【张新，侯兵，李玉龙. 基于霍普金森压杆系统的动态压痕实验，爆炸与冲击，2011, 31(3): 256–262】。动态压入测试装置包括压头，压头支撑物与压头无缝榫接且与压头材质相同；压头支撑物与入射杆端部通过螺杆共轴线连接并在二者之间放置垫块，垫块的材质及直径均与入射杆相同，螺杆由材质不同的两段无缝焊接而成，拧入垫块及入射杆的螺杆段材质与二者相同，拧入压头支撑物的螺杆段与支撑物材质相同，且压头支撑物与垫块及垫块与入射杆端界面均由胶层粘接，压头支撑物端与入射杆端通过聚四氟乙烯套筒套接以保证二者轴线严格处于同一水平线并防止压入过程中压头与支撑物轴线偏离，所述压头、压头支撑物、螺杆、垫块、入射杆和聚四氟乙烯套筒的轴线处于同一水平线。具体操作为：使垫块与入射杆通过胶层Ⅱ共轴线粘接，同时拧入螺杆；再将压头支撑物尾端与螺杆另一段拧紧，并通过胶层Ⅰ使其与垫块粘接；进一步将压头与压头支撑物前端共轴线榫接，同时将聚四氟乙烯套筒套接于入射杆及压头支撑物端；当更换压头时，可向入射杆移动套筒，更换完成后将套筒再次归位即可。
优选的，为保证应力波能无损地从入射杆传播到压头，根据入射杆与压头支撑物波阻抗（ρcA，ρ-密度，c-弹性波速，A-横截面积）相匹配来确定压头支撑物的横截面积。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明结构设计合理可靠，可实现基于传统霍普金森压杆系统的动态压入测试，便于拆装及更换压头，装配精准且使用方便，在满足波阻抗匹配的条件下保证了动态压入测试的准确性。
附图说明
图1为基于霍普金森压杆系统的可变压头动态压入测试装置整体示意图。
图2为本发明的动态压入测试装置截面图。
图3为本发明的动态压入测试装置的立体结构示意图。
图中标记如下：
1–压头，2–压头支撑物，3–螺杆，4–垫块，5–入射杆，6-胶层Ⅰ，7–胶层Ⅱ，8–聚四氟乙烯套筒，101-撞击杆，102-套筒，103-质量块，104-阻尼装置，105-驱动装置，106-脉冲整形器，107-传递法兰，108-“动量陷阱”，109-试件，110-应变片，111-超动态应变仪，112-透射杆，113-吸收杆，114-数据采集系统，115-计算机。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
一种基于霍普金森压杆系统的可变压头动态压入测试装置，如图2和图3所示，包括压头1和与压头1材质相同的压头支撑物2，所述压头支撑物2和压头1榫接，所述压头支撑物2尾端与入射杆5的端部通过螺杆3共轴线连接，所述压头支撑物2和入射杆5之间放置与入射杆5材质相同的垫块4，所述垫块4直径与入射杆5相同；所述螺杆3拧入垫块4与入射杆5的部分与入射杆5的材质相同，所述螺杆3拧入压头支撑物2的部分与压头支撑物2材质相同；所述压头支撑物2尾端与垫块4之间由胶层Ⅰ6粘连，所述垫块4与入射杆5端界面之间由胶层Ⅱ7粘接；所述压头支撑物2与入射杆5端部外侧通过延轴线移动的聚四氟乙烯套筒8套接。
本实施例中采取了优选方案，压头支撑物2的横截面积根据入射杆5和压头支撑物2的波阻抗ρcA相匹配来确定；压头1为硬质合金压头；所述胶层Ⅰ6和胶层Ⅱ7采用502胶。
本实施例具体实施过程为：首先根据入射杆5与压头支撑物2波阻抗相匹配确定支撑物2的横截面积，然后使垫块4与入射杆5通过胶层Ⅱ7共轴线粘接，同时拧入螺杆3；再将压头支撑物2尾端与螺杆3另一段拧紧，并通过胶层Ⅰ6使其与垫块4粘接；进一步将硬质合金压头与压头支撑物2前端共轴线榫接，同时将聚四氟乙烯套筒8套接于入射杆5及压头支撑物2；当更换压头1时，可向入射杆5移动聚四氟乙烯套筒8，更换完成后将聚四氟乙烯套筒8再次归位即可，之后通过入射杆5与透射杆112上所记录的应变片信号计算得到被测试样的实时压入载荷与压入深度，更换过程中，必须保证压头1、压头支撑物2、螺杆3、垫块4、入射杆5和聚四氟乙烯套筒8的轴线处于同一水平线。
本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于霍普金森压杆系统的可变压头动态压入测试装置，其特征在于：包括压头（1）和与压头（1）材质相同的压头支撑物（2），所述压头支撑物（2） 和压头（1）榫接，所述压头支撑物（2）尾端与入射杆（5）的端部通过螺杆（3）共轴线连接，所述压头支撑物（2）和入射杆（5）之间放置与入射杆（5）材质相同的垫块（4），所述垫块（4）直径与入射杆（5）相同；所述螺杆（3）拧入垫块（4）与入射杆（5）的部分与入射杆（5）的材质相同，所述螺杆（3）拧入压头支撑物（2）的部分与压头支撑物（2）材质相同；所述压头支撑物（2）尾端与垫块（4）之间由胶层Ⅰ（6）粘连，所述垫块（4）与入射杆（5）端界面之间由胶层Ⅱ（7）粘接；所述压头支撑物（2）与入射杆（5）端部外侧通过沿轴线移动的聚四氟乙烯套筒（8）套接。
2.根据权利要求1所述的基于霍普金森压杆系统的可变压头动态压入测试装置，其特征在于：所述压头支撑物（2）的横截面积根据入射杆（5）和压头支撑物（2）的波阻抗ρcA相匹配来确定，其中波阻抗由ρcA计算得到，ρ-密度，c-弹性波速，A-横截面积。
3.根据权利要求1所述的基于霍普金森压杆系统的可变压头动态压入测试装置，其特征在于：所述压头（1）为硬质合金压头。
4.根据权利要求1所述的基于霍普金森压杆系统的可变压头动态压入测试装置，其特征在于：所述胶层Ⅰ（6）和胶层Ⅱ（7）采用502胶。
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