CN108896385A - 一种实现超高可控应变率冲击的shpb装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种实现超高可控应变率冲击的SHPB装置及方法，包括带有T型槽的导轨、轻气炮加载机构、轻气炮底座、弹子、磁电式质点速度测量装置、试件、输出杆、输出杆固定装置、应变片、吸收杆、吸收杆固定装置、阻尼器、阻尼器固定装置、数据处理系统等结构，所述装置由弹子直接冲击试件替代入射杆冲击试件，采用磁电式质点速度测量装置测得试件入射端的质点速度，根据一维应力波假定和短试件的应力/应变沿其长度均匀分布假定得到试件的平均应力、应变率和应变，所述装置通过T型槽和螺栓连接共同作用保证装置的同轴度。本发明在较大范围内(104～107s‑1量级)能实现可控的、超高应变率(107s‑1量级)加载，又能提高调试工作效率，实现结构简单且方便快捷的获得材料在超高应变率下的动态力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及材料动态力学性能研究领域，尤其涉及一种超高可控应变率冲击的SHPB装置及方法。
背景技术
随着高速切削技术的出现，对于高应变率甚至超高应变率(高速切削条件)下的材料动态力学性能参数研究显得尤为重要。霍普金森压杆装置是研究材料动态力学性能的主要装置，可以获得材料在高应变率下的各种动态力学参数。由于钛、铝等航空轻合金在高速切削中的广泛应用，测量其动态力学性能参数应在超高应变率下进行。但是，目前霍普金森压杆装置只能实现高应变率加载下材料动态力学性能测量，不适用于钛、铝等航空轻合金在超高应变率加载下的动态力学性能测量。
名称为“铝合金7075-T651动态流变应力特征及本构模型”的文章(武永甫，李淑慧，侯波，于忠奇，中国有色金属学报，2013，Vol.23，第三期，PP.658-665)中使用分离式霍普金森压杆装置对铝合金7075-T651圆柱试样进行了应变率范围600～12000s-1的动态压缩实验。文中装置仅能得到高应变率下的铝合金动态力学性能参数，难以获得铝合金在超高应变率(105以上)下的动态力学性能参数。目前的分离式霍普金森压杆装置是通过入射杆冲击试样的方式实现加载。这种方法的缺点在于：为了保证获得完整的入射波形和反射波形，入射杆的长度远大于输出杆的两倍，在实际加工中，入射杆加工难度较大，这就导致装置加工成本较高。其次，装置使用气枪作为驱动源，由于撞击速度与气压的对应关系难以确定，因此无法准确控制试验时的应变率，需要尝试多次试验才能达到所需应变率。另外，分离式霍普金森压杆装置使用的是组合基准导轨，在更换炮管或杆系时，组合导轨的安装需要保证两个滑块同时对准导轨上的滑槽，安装过程需要重复校准，调试工作效率低。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种实现超高可控应变率冲击的SHPB装置及方法，即能获得钛、铝等航空轻合金在可控的超高应变率加载下的动态力学性能参数，又能提高调试工作效率，实现结构简单且方便快捷的获得材料在超高应变率下的动态力学性能。
实现本发明目的的技术方案是：一种实现超高可控应变率冲击的SHPB装置及方法，包括带有T型槽的导轨、轻气炮加载机构、轻气炮底座、弹子、磁电式质点速度测量装置、试件、输出杆、输出杆固定装置、应变片、吸收杆、吸收杆固定装置、阻尼器、阻尼器固定装置、数据处理系统等结构，其中，轻气炮底座、弹子、磁电式质点速度测量装置、试件、输出杆、输出杆固定装置、应变片、吸收杆、吸收杆固定装置、阻尼器、阻尼器固定装置沿轴线依次分布。
所述磁电式质点速度测量装置位于试件和轻气炮加载机构之间，弹子冲击试件时，磁电式质点速度测量装置测得试件入射端的质点速度。
所述装置通过调整弹子质量或轻气炮加载机构的气压大小实现可控的应变率加载。进而实现超高应变率加载。
所述导轨带有T型槽，导轨两侧有安装螺栓的光孔，光孔位置按照线性排列，T型槽和螺栓连接共同作用保证装置同轴度，如需更换炮管或杆系时，只需将炮管或杆系安装在导轨T型槽内，滑动到合适位置后，通过螺栓连接定位，提高调试工作效率。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1.由弹子直接冲击试件替代入射杆冲击试件，结构简化，降低装置成本和加工难度。
2.通过调整弹子质量或者轻气炮加载机构的气压大小调整弹子冲击速度，实现速度可控的弹子冲击，轻气炮的弹子速度能达到107m/s以上，试件为短试件(标距为1-5mm)，根据应变率等于冲击速度除以试样标距，实现可控、超高应变率(107s-1量级)加载。
3.导轨上的T型槽和螺栓连接共同作用，保证装置同轴度和试验精度，如需更换炮管或杆系时，只需将炮管或杆系安装在导轨T型槽内，滑动到合适位置，通过螺栓连接定位，有效提高调试工作效率。
附图说明
图1试验装置俯视图
图2试验装置三维示意图
图3试验时弹子、试样、磁电式质点速度测量装置位置示意图
图4导轨T型槽示意图
图中：1、导轨；2、轻气炮加载机构；3、轻气炮底座；4、弹子；5、磁电式质点速度测量装置；6、试件；7、输出杆；8、输出杆固定装置；9、应变片；10、吸收杆；11、吸收杆固定装置；12、阻尼器；13、阻尼器固定装置；14、数据处理系统；15、螺栓；16、光孔；17、T型槽。
具体实施方式
本发明是一种实现超高可控应变率冲击的SHPB装置及方法，包括带有T型槽的导轨1、轻气炮加载机构2、轻气炮底座3、弹子4、磁电式质点速度测量装置5、试件6、输出杆7、输出杆固定装置8、应变片9、吸收杆10、吸收杆固定装置11、阻尼器12、阻尼器固定装置13、数据处理系统14等结构，其中，轻气炮底座3、弹子4、磁电式质点速度测量装置5、试件6、输出杆7、输出杆固定装置8、应变片9、吸收杆10、吸收杆固定装置11、阻尼器12、阻尼器固定装置13沿轴线依次分布。
磁电式质点速度测量装置5位于试件和轻气炮加载机构3之间，当弹子4冲击试件6时，磁电式质点速度测量装置5测得试件6入射端的质点速度。
通过调整弹子4质量或者轻气炮加载机构2的气压大小改变弹子4冲击速度，实现可控的弹子4冲击速度，根据应变率等于冲击速度除以试样标距，而轻气炮加载机构2的弹子4冲击速度能达到107m/s以上，且试件6为短试件(标距为1-5mm)，能够实现超高可控应变率加载，获得钛、铝等航空轻合金超高应变率下的动态力学性能。
所述导轨1带有T型槽17，导轨两侧有可以安装螺栓的光孔16，光孔16的位置按照线性排列，T型槽和螺栓连接共同作用，保证装置的同轴度，
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
为了对本发明的表述方便，现将本发明实例中出现的参数进行说明，具体的参数与其表达的含义如下：E表示输出杆或者弹子的弹性模量；σs(t)表示试件的平
均应力；表示试件的应变率；εs(t)表示试件的应变；C0表示波速；A表示输出杆截面积；As表示试件截面积；ls表示试件长度；v(x1,t)表示弹子与试件界面处的质点速度；σ(x2,t)表示输出杆与试件界面处的应力；v(x2,t)表示输出杆与试件界面处的质点速度；εT(x2,t)表示输出杆与试件界面处的透射应变波。
为了使本领域的技术员人更好的理解本发明技术方案，下面将结合计算公式对本发明作进一步的详细说明。
SHPB原理是基于杆中一维应力波假定和短试件的应力/应变沿其长度均分分布假定上建立的。本发明中使用磁电式质点速度测量装置5测得试件入射端的质点速度v(x1,t)，应变片9测得输出杆与试件界面处的透射应变波εT(x2,t)，将其带入式(1)～(2)：
v(x2,t)＝C0εT(x2,t) (1)
σ(x2,t)＝EεT(x2,t) (2)
得到试件输出杆与试件界面处的质点速度v(x2,t)和输出杆与试件界面处的应力σ(x2,t)，将以上数据代入式(3)：
得到试件的应变率，将式(3)得到的数据代入式(4)：
得到试件的应变，将输出杆与试件界面处的透射应变波εT(x2,t)代入式(5)：
得到试件的平均应力。
上文对于一种实现超高可控应变率冲击的SHPB装置及方法的原理进行了详细描述，下文将结合实例对试验装置进行说明。
具体实施步骤如下：
如图1、2所示，各个部件安装在导轨1上，将试件6固定在输出杆7靠近轻气炮加载机构2的一端，磁电式质点速度测量装置5调整到合适位置以便于测得v(x1,t)，各个部件位置根据试验要求不同在导轨1的T型槽17内进行调整，通过螺栓连接定位。
试验时，根据试验所需应变率调整弹子4的冲击速度，轻气炮加载机构2射出速度极高的弹子4，弹子4冲击固定在输出杆7上的试件6，磁电式质点速度测量装置5测得弹子4与试件6界面处的质点速度v(x1,t)，连同输出杆7上的应变片9测得的εT(x2,t)，将上述数据代入式(1)～(5)确定试件的平均应力σs(t)、
应变率和应变εs(t)，通过数据处理系统14导出，得到材料的动态力学性能。如需更换炮管或杆系时，先将螺栓15卸下，卸下需要更换的炮管或杆系。安装炮管或杆系时，将炮管或杆系安装在导轨1上的T型槽17内，T型槽17第一次保证同轴度，将炮管或杆系移动到合适位置后，通过螺栓连接定位，再次保证同轴度位置公差要求。在保证试验精度的同时，提高调试效率。
Claims (4)
1.一种实现超高可控应变率冲击的SHPB装置及方法，包括带有T型槽的导轨、轻气炮加载机构、轻气炮底座、弹子、磁电式质点速度测量装置、试件、输出杆、输出杆固定装置、应变片、吸收杆、吸收杆固定装置、阻尼器、阻尼器固定装置、数据处理系统等结构，其中，轻气炮底座、弹子、磁电式质点速度测量装置、试件、输出杆、输出杆固定装置、应变片、吸收杆、吸收杆固定装置、阻尼器、阻尼器固定装置沿轴线依次分布。
2.根据权利要求书1所述装置，其特征在于，所述磁电式质点速度测量装置位于试件和轻气炮加载机构之间，弹子冲击试件时，磁电式质点速度测量装置测得试件入射端的质点速度。
3.根据权利要求书1所述装置，其特征在于，所述装置通过调整弹子质量或轻气炮加载机构的气压大小实现可控的应变率加载。
4.根据权利要求书1所述装置，其特征在于，所述导轨带有T型槽，导轨两侧有安装螺栓的光孔，光孔位置按照线性排列，T型槽和螺栓连接共同作用保证装置同轴度，如需更换炮管或杆系时，只需将炮管或杆系安装在导轨T型槽内，滑动到合适位置后，通过螺栓连接定位，提高调试工作效率。
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|---|---|
| CN (1) | CN108896385A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110926968A (zh) * | 2019-11-21 | 2020-03-27 | 中国飞机强度研究所 | 一种改进的shpb试验装置 |
| CN113029757A (zh) * | 2021-03-29 | 2021-06-25 | 哈尔滨瞬态加载试验设备技术开发有限公司 | 一种霍普金森杆模块化支承测试平台 |
| CN114034541A (zh) * | 2021-10-20 | 2022-02-11 | 中国矿业大学(北京) | 分离式霍普金森岩石冲击试验装置 |
| CN117554012A (zh) * | 2023-03-24 | 2024-02-13 | 北京理工大学 | 一种基于弹底压力测量的二级轻气炮加载试验装置 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012037322A (ja) * | 2010-08-05 | 2012-02-23 | Ihi Corp | 衝撃試験用固定治具 |
| CN103105416A (zh) * | 2013-01-14 | 2013-05-15 | 温州大学 | 一种检测超高应变率下材料表面动态响应的方法和装置 |
| CN205027614U (zh) * | 2015-10-19 | 2016-02-10 | 华北理工大学 | 一种用于材料高应变率试验的装置 |
| CN107677560A (zh) * | 2017-09-18 | 2018-02-09 | 河海大学 | 用于shpb动态冲击试验的子弹自动填充伺服装置及使用方法 |
| CN108169040A (zh) * | 2017-12-14 | 2018-06-15 | 中国人民解放军空军工程大学 | 一种超高应变率下材料本构和失效模型的参数识别方法 |
| CN108375501A (zh) * | 2018-01-25 | 2018-08-07 | 南京理工大学 | 一种基于分离式霍普金森压杆实验技术的数据处理方法 |
| CN208833588U (zh) * | 2018-09-17 | 2019-05-07 | 济南大学 | 一种实现超高可控应变率冲击的shpb装置 |
-
2018
- 2018-09-17 CN CN201811091296.7A patent/CN108896385A/zh active Pending
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012037322A (ja) * | 2010-08-05 | 2012-02-23 | Ihi Corp | 衝撃試験用固定治具 |
| CN103105416A (zh) * | 2013-01-14 | 2013-05-15 | 温州大学 | 一种检测超高应变率下材料表面动态响应的方法和装置 |
| CN205027614U (zh) * | 2015-10-19 | 2016-02-10 | 华北理工大学 | 一种用于材料高应变率试验的装置 |
| CN107677560A (zh) * | 2017-09-18 | 2018-02-09 | 河海大学 | 用于shpb动态冲击试验的子弹自动填充伺服装置及使用方法 |
| CN108169040A (zh) * | 2017-12-14 | 2018-06-15 | 中国人民解放军空军工程大学 | 一种超高应变率下材料本构和失效模型的参数识别方法 |
| CN108375501A (zh) * | 2018-01-25 | 2018-08-07 | 南京理工大学 | 一种基于分离式霍普金森压杆实验技术的数据处理方法 |
| CN208833588U (zh) * | 2018-09-17 | 2019-05-07 | 济南大学 | 一种实现超高可控应变率冲击的shpb装置 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110926968A (zh) * | 2019-11-21 | 2020-03-27 | 中国飞机强度研究所 | 一种改进的shpb试验装置 |
| CN113029757A (zh) * | 2021-03-29 | 2021-06-25 | 哈尔滨瞬态加载试验设备技术开发有限公司 | 一种霍普金森杆模块化支承测试平台 |
| CN114034541A (zh) * | 2021-10-20 | 2022-02-11 | 中国矿业大学(北京) | 分离式霍普金森岩石冲击试验装置 |
| CN117554012A (zh) * | 2023-03-24 | 2024-02-13 | 北京理工大学 | 一种基于弹底压力测量的二级轻气炮加载试验装置 |
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