CN109406313B - 霍普金森束杆动态测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种霍普金森束杆动态测试系统，其包括水平十字支撑平台、中心立方体方箱、束杆、束杆固定和支撑架；X方向和Y方向束杆均为水平放置，Z方向束杆为竖直放置，通过所述束杆固定和支撑架整齐地将各个小尺寸单杆对称的捆绑起来构成较大尺寸的方形束杆；各单杆之间预留1 mm至2 mm的间隙，各个单杆上粘贴电阻应变片，各向束杆的横截面积和长度均相等，并且各个束杆内部动态应力波传播规律以及动态响应信号监测方式均相同。本发明专利克服了现有霍普金森杆无法开展大尺寸岩石或混凝土等材料的动态力学特性测试的缺点，弥补了现有霍普金森杆测试过程无法有效的获取测试试样局部动态应力‑应变响应特征的不足。

Description

霍普金森束杆动态测试系统
技术领域
本发明涉及岩石、混凝土、聚合物等材料的动态力学性能测试，尤其涉及大尺寸材料的动静组合加载条件下的力学特性和破坏特征的测试与研究。
背景技术
目前国内外对岩石、混凝土等材料在冲击加载下的动力学特性的研究主要依赖于霍普金森杆装置，国内外现有的霍普金森杆装置有一维霍普金森杆、常规三轴霍普金森杆、真三轴岩石霍普金森杆和一维霍普金森束杆。
国内外现有的测试岩石、混凝土等材料的冲击性能的霍普金森杆装置，对试样的尺寸有严格的要求，通常测试试样的直径和长度均小于50mm，无法开展更大尺寸(如直径≥100mm)试样冲击加载条件下的动力学特性研究。事实上岩石、混凝土等材料作为非均质材料，其动态响应具有明显的各项异性和非均匀变形特性。现有霍普金森杆装置测试时，采用小尺寸(通常试样直径≤50mm)试样，认为测试试样动态响应各项同性且均匀，无法真实的反映真实的岩石、混凝土等材料的动态响应。另外现有霍普金森杆装置技术只能开展一维冲击加载或预加静态围压的一维冲击加载下的岩石和混凝土等材料的动力学特性研究，然而在实际工程中，岩石、混凝土等材料不仅受单一方向的冲击荷载，亦会受到双轴或者三轴六向的冲击荷载作用，现有装置技术无法开展这种工况条件下的动态冲击试验研究。
发明内容
为了提高岩石、混凝土等材料在冲击荷载作用下的动态力学性能试验精度，获取冲击加载过程中试样不同部位的动态应力-应变响应特征，以便研究岩石、混凝土等材料在真三轴动静组合加载条件下的动态损伤各向异性特征和破坏规律，本发明专利提供了一种研究大尺寸岩石、混凝土等材料测试试样在预加真三轴静态荷载和多轴多向(如单轴双向、双轴四向和三轴六向)同步冲击荷载共同作用下的全局动态力学特性的测试系统。
霍普金森束杆系统测试原理：
霍普金森束杆动态测试系统是基于三轴六向同步协调控制电磁加载霍普金森杆系统的一项技术。霍普金森束杆动态测试系统的束杆加载系统由小尺寸(边长≤50mm)束杆、束杆固定和支撑架和应变监测元件组成。X方向和Y方向各个小尺寸束杆均为水平放置，Z方向各个小尺寸束杆均为竖直放置，通过束杆固定和支撑架整齐地将各个单杆对称的捆绑起来构成大尺寸方形束杆；各单杆之间预留1mm至2mm的间隙，方便各个单杆上粘贴电阻应变片以及导线的连接，并能够保证应力波在各个小尺寸方杆中并行传播且互不干扰。三轴六向束杆系统各向束杆的横截面积和长度均相等，并且各个束杆内部动态应力波传播规律以及动态响应信号监测方式均相同。以X方向单轴双向束杆系统为例，其X+向束杆的各个小尺寸单杆与X-向束杆的各个相对位置处的小尺寸单杆分别组成一对满足一维应力波传播条件
Figure BDA0001922834800000021
的霍普金森杆，其中
Figure BDA0001922834800000022
和
Figure BDA0001922834800000023
分别表示X+向和X-向小尺寸单杆的入射波，
Figure BDA0001922834800000024
和
Figure BDA0001922834800000025
分别表示X+向和X-向小尺寸单杆的反射波，其中
Figure BDA0001922834800000026
由X+向入射波在杆和试样表面的反射波(返回X+向杆中)和X-向入射波穿过试样后传递至X+向杆中的透射波叠加构成，同理
Figure BDA0001922834800000027
由X-向入射波在杆和试样表面的反射波(返回X-向杆中)和X+向入射波穿过试样后传递至X-向杆中的透射波叠加构成。X+向和X-向束杆分别由多根相同横截面的小尺寸单杆构成，试验测试中每根小尺寸单杆均贴有应变片用于测试单杆中的入射波信号、反射波信号和透射波信号。基于一维应力波传播理论，根据多通道精准同步数据监测、采集与观测系统记录的各个单杆上的应变片信号便可以计算出每根小尺单方杆中的入射应变-时间过程曲线、反射应变-时间过程曲线和透射应变-时间过程曲线，进而可以获得每根小尺寸单杆对应位置的岩石或混凝土等材料试样的局部动态应力-应变响应。在此基础上进一步通过相关理论可以获得试样的平均应力和平均应变，进而可以研究不同冲击应变率下非均质岩石或混凝土等材料的整体动态力学特性。
本发明的有益效果是：
(1)霍普金森束杆动态测试系统实现了开展真三轴预加静应力状态下大尺寸岩石、混凝土等材料的三维冲击试验，使试验结果更具有实际工程意义。
(2)由小尺寸单杆组合构成大尺寸束杆，既能实现岩石和混凝土等材料大尺寸试样动态冲击测试，又能消除单一大尺寸方杆中应力波传播的弥散效应和惯性效应，并且可以测试试样不同部位的应力-应变特征。
(3)本发明专利克服了现有霍普金森杆无法开展大尺寸岩石或混凝土等材料的动态力学特性测试的缺点，弥补了现有霍普金森杆测试过程无法有效的获取测试试样局部动态应力-应变响应特征的不足。
(4)定位导向对中盒的结构设计可以确保岩石和混凝土等测试材料的快速精准定位对中安装。
附图说明
附图1是霍普金森束杆系统三维示意图；
附图2是霍普金森束杆系统俯视图；
附图3是霍普金森束杆系统正视图；
附图4是X-向围压加载液压油缸、围压加载作动器与环形电磁脉冲激发腔组合安装正视图(中间剖切)；
图5是定位导向对中盒下面的两部分示意图；
图6是定位导向对中盒整体示意图。
图中各部件名称如下：
1-X+向支撑平台，2-X+向围压加载固定端挡板，3-X+向围压加载液压油缸，4-X+向围压加载作动器，5-X+向环形电磁脉冲激发腔，6-X+向连杆支撑杆，7-X+向束杆，8-X+向自润滑束杆固定和支撑架，9-X+向环形电磁脉冲激发腔支撑架，10-X+向束杆对中定位导轨，11-X-向围压加载固定端挡板，12-X-向围压加载液压油缸，13-X-向围压加载作动器，14-X-向环形电磁脉冲激发腔，15-X-向环形电磁脉冲激发腔支撑架，16-X-向支撑平台，17-X-向连杆支撑杆，18-X-向束杆，19-X-向自润滑束杆固定和支撑架，20-X-向束杆对中定位导轨，21-Y+向支撑平台，22-Y+向围压加载液压油缸，23-Y+向围压加载固定端挡板，24-Y+向围压加载作动器，25-Y+向环形电磁脉冲激发腔支撑架，26-Y+向环形电磁脉冲激发腔，27-Y+向连杆支撑杆，28-Y+向自润滑束杆固定和支撑架，29-Y+向束杆，30-Y+向束杆对中定位导轨，31-Y-向支撑平台，32-Y-向围压加载固定端挡板，33-Y-向围压加载液压油缸，34-Y-向围压加载作动器，35-Y-向环形电磁脉冲激发腔，36-Y-向环形电磁脉冲激发腔支撑架，37-Y-向连杆支撑杆，38-Y-向束杆，39-Y-向自润滑束杆固定和支撑架，40-Y-向束杆对中定位导轨，41-Z+向围压加载液压油缸，42-Z+向围压加载固定端挡板，43-Z+向竖向固定与支撑框架，44-Z+向围压加载作动器，45-Z+向环形电磁脉冲激发腔，46-Z+向环形电磁脉冲激发腔支撑架，47-Z+向束杆对中定位导轨，48-Z+向束杆，49-Z+向自润滑束杆固定和支撑架，50-Z-向竖向固定与支撑框架，51-Z-向环形电磁脉冲激发腔，52-Z-向环形电磁脉冲激发腔支撑架，53-Z-向围压加载液压油缸，54-Z-向围压加载作动器，55-Z-向围压加载端支架，56-Z-向束杆对中定位导轨，57-Z-向束杆，58-Z-向自润滑束杆固定和支撑架，59-中心立方体方箱，60-测试试样，61-中心支撑平台。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
附图1为霍普金森束杆系统三维图，试验装置置于水平十字支撑平台上，该平台由X+向支撑平台1、X-向支撑平台16、Y+向支撑平台21和Y-向支撑平台31以及中心支撑平台61构成。中心立方体方箱59上表面(沿Z+向)完全开口，沿X+向、X-向、Y+向、Y-向、和Z-向分别于中心立方体方箱59正中间位置设置方形开口，且方形开口尺寸与束杆尺寸相同；中心立方体方箱59置于中心支撑平台61的上表面正中心，且与水平十字支撑平台构成正交坐标系用于三轴六向束杆系统的精准定位和对中。以中心立方体方箱59为对称中心，分别对称布置X+向、X-向、Y+向、Y-向、Z+向和Z-向围压加载系统、环形电磁脉冲激发腔、束杆以及自润滑束杆固定和支撑架，构成三轴六向霍普金森束杆系统。X+向霍普金森杆系由X+向围压加载固定端挡板2、X+向围压加载液压油缸3、X+向围压加载作动器4、X+向环形电磁脉冲激发腔5、X+向连杆支撑杆6、X+向束杆7、X+向自润滑束杆固定和支撑架8、X+向环形电磁脉冲激发腔支撑架9和X+向束杆对中定位导轨10构成；其中X+向束杆7由X+向自润滑束杆固定和支撑架8固定，并沿X+向束杆对中定位导轨10与中心立方体方箱59于X+向方形开口实现对中连接；X+向围压加载液压油缸3和X+向围压加载作动器4与X+向环形电磁脉冲激发腔5串联组合(如附图2所示)放置于X+向束杆7的入射端，用于沿X+向束杆7的入射端对测试试样施加X+静态围压和动态应力脉冲荷载；X+向连杆支撑杆6将X+向围压加载固定端挡板2与中心立方体方箱59连接起来为X+向静态围压施加提供固定框架与反力支撑系统。X-向束杆18由X-向自润滑束杆固定和支撑架19固定，并沿X-向束杆对中定位导轨20与中心立方体方箱59于X-向方形开口实现对中连接；X-向围压加载液压油缸12和X-向围压加载作动器13与X-向环形电磁脉冲激发腔14串联组合放置于X-向束杆18的入射端，用于沿X-向束杆18的入射端对测试试样施加X-静态围压和动态应力脉冲荷载；X-向连杆支撑杆17将X-向围压加载固定端挡板11与中心立方体方箱59连接起来为X-向静态围压施加提供固定框架与反力支撑系统。Y+向束杆29由Y+向自润滑束杆固定和支撑架28固定，并沿Y+向束杆对中定位导轨30与中心立方体方箱59于Y+向方形开口实现对中连接；Y+向围压加载液压油缸22和Y+向围压加载作动器24与Y+向环形电磁脉冲激发腔26串联组合放置于Y+向束杆29的入射端，用于沿Y+向束杆29的入射端对测试试样施加Y+静态围压和动态应力脉冲荷载；Y+向连杆支撑杆27将Y+向围压加载固定端挡板23与中心立方体方箱59连接起来为Y+向静态围压施加提供固定框架与反力支撑系统。Y-向束杆38由Y-向自润滑束杆固定和支撑架39固定，并沿Y-向束杆对中定位导轨40与中心立方体方箱59于Y-向方形开口实现对中连接；Y-向围压加载液压油缸33和Y-向围压加载作动器34与Y-向环形电磁脉冲激发腔35串联组合放置于Y-向束杆38的入射端，用于沿Y-向束杆38的入射端对测试试样施加Y-静态围压和动态应力脉冲荷载；Y-向连杆支撑杆37将Y-向围压加载固定端挡板32与中心立方体方箱59连接起来为Y-向静态围压施加提供固定框架与反力支撑系统。Z+向束杆48由Z+向自润滑束杆固定和支撑架49固定，并沿Z+向束杆对中定位导轨47与中心立方体方箱59于Z+向方形开口实现对中连接；Z+向围压加载液压油缸41和Z+向围压加载作动器44与Z+向环形电磁脉冲激发腔45串联组合放置于Z+向束杆48的入射端，用于沿Z+向束杆48的入射端对测试试样施加Z+静态围压和动态应力脉冲荷载；Z+向竖向固定与支撑框架43与中心立方体方箱59连接起来为Z+向静态围压施加提供固定框架与反力支撑系统。Z-向束杆57由Z-向自润滑束杆固定和支撑架58固定，并沿Z-向束杆对中定位导轨56与中心立方体方箱59于Z-向方形开口实现对中连接；Z-向围压加载液压油缸53和Z-向围压加载作动器54与Z-向环形电磁脉冲激发腔51串联组合放置于Z-向束杆57的入射端，用于沿Z-向束杆57的入射端对测试试样施加Z-静态围压和动态应力脉冲荷载；Z-向竖向固定与支撑框架50与中心立方体方箱59连接起来为Z-向静态围压施加提供固定框架与反力支撑系统。
附图4为X-向围压加载液压油缸12、X-向围压加载作动器13与X-向环形电磁脉冲激发腔14组合安装正视图(剖切)。X-向围压加载液压油缸12与X-向围压加载作动器13构成X-向围压液压加载系统，并固定在X-向围压加载固定端挡板11上；X-向环形电磁脉冲激发腔14安置于X-向环形电磁脉冲激发腔支撑架15上；X-向围压加载作动器13沿X-向环形电磁脉冲激发腔14的右侧环形开口伸入并与X-向环形电磁脉冲激发腔14的左端圆形端面贴合；测试时，X-向围压加载液压油缸12与X-向围压加载作动器13通过X-向环形电磁脉冲激发腔14的左端圆形端面对X-向束杆18(附图1所示)的入射端施加沿X-向的静态围压；X-向环形电磁脉冲激发腔14通过其左端圆形端面将动态应力脉冲荷载沿X-向束杆18(附图1至附图3所示)的入射端输入并传播至测试试样60内部对其施加沿X-向的动态荷载。
所述中心立方体方箱59内设有定位导向对中盒，定位导向对中盒为立方体，定位导向对中盒的六个面预留方孔，六个面上方孔的尺寸与霍普金森杆的方形杆的尺寸一致；定位导向对中盒的内腔尺寸与立方体试样尺寸一致，定位导向对中盒设计为对称的四部分。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种霍普金森束杆动态测试系统，其特征在于：其包括水平十字支撑平台、中心立方体方箱（59）、束杆、自润滑束杆固定和支撑架；所述水平十字支撑平台包括X+向支撑平台（1）、X-向支撑平台（16）、Y+向支撑平台（21）和Y-向支撑平台（31）以及中心支撑平台（61），所述中心立方体方箱（59）上表面完全开口，所述中心立方体方箱（59）上表面的方向是沿Z +向，沿X+向、X-向、Y+向、Y-向、和Z -向分别于中心立方体方箱（59）正中间位置设置方形开口，且方形开口尺寸与束杆尺寸相同；中心立方体方箱（59）置于中心支撑平台（61）的上表面正中心，且与水平十字支撑平台构成正交坐标系，以中心立方体方箱（59）为对称中心，分别对称布置X+向、X-向、Y+向、Y-向、Z+向和Z-向围压加载系统、环形电磁脉冲激发腔、束杆以及自润滑束杆固定和支撑架，构成三轴六向霍普金森束杆系统；X方向和Y方向束杆均为水平放置，Z方向束杆为竖直放置，通过所述自润滑束杆固定和支撑架整齐地将各个单杆对称的捆绑起来构成方形的束杆，所述束杆的边长≥100 mm；各单杆之间预留1 mm至2 mm的间隙，各个单杆上粘贴电阻应变片，各向束杆的横截面积和长度均相等，并且各个束杆内部动态应力波传播规律以及动态响应信号监测方式均相同；
所述中心立方体方箱（59）内设有定位导向对中盒，定位导向对中盒为立方体，定位导向对中盒的六个面预留方孔，六个面上方孔的尺寸与霍普金森杆的束杆的尺寸一致；定位导向对中盒的内腔尺寸与立方体试样尺寸一致，定位导向对中盒设计为对称的四部分；各部分的交界面与所述立方体的表面平行；
X+向霍普金森杆动态测试系统包括X+向围压加载固定端挡板（2）、X+向围压加载液压油缸（3）、X+向围压加载作动器（4）、X+向环形电磁脉冲激发腔（5）、X+向连杆支撑杆（6）、X+向束杆（7）、X+向自润滑束杆固定和支撑架（8）、X+向环形电磁脉冲激发腔支撑架（9）和X+向束杆对中定位导轨（10）；其中X+向束杆（7）由X+向自润滑束杆固定和支撑架（8）固定，并沿X+向束杆对中定位导轨（10）与中心立方体方箱（59）于X+向方形开口实现对中连接；X+向围压加载液压油缸（3）和X+向围压加载作动器（4）与X+向环形电磁脉冲激发腔（5）串联组合放置于X+向束杆（7）的入射端，用于沿X+向束杆（7）的入射端对立方体试样施加X+静态围压和动态应力脉冲荷载；X+向连杆支撑杆（6）将X+向围压加载固定端挡板（2）与中心立方体方箱（59）连接起来为X+向静态围压施加提供固定框架与反力支撑系统；
Z+向霍普金森杆动态测试系统包括Z+向围压加载液压油缸（41）、Z+向围压加载固定端挡板（42）、Z+向竖向固定与支撑框架（43）、Z+向围压加载作动器（44）、Z+向环形电磁脉冲激发腔（45）、Z+向环形电磁脉冲激发腔支撑架（46）、Z+向束杆对中定位导轨（47）、Z+向束杆（48）、Z+向自润滑束杆固定和支撑架（49）；Z+向束杆（48）由Z+向自润滑束杆固定和支撑架（49）固定，并沿Z+向束杆对中定位导轨（47）与中心立方体方箱（59）于Z+向方形开口实现对中连接；Z+向围压加载液压油缸（41）和Z+向围压加载作动器（44）与Z+向环形电磁脉冲激发腔（45）串联组合放置于Z+向束杆（48）的入射端，用于沿Z+向束杆（48）的入射端对立方体试样施加Z+静态围压和动态应力脉冲荷载；Z+向竖向固定与支撑框架（43）与中心立方体方箱（59）连接起来为Z+向静态围压施加提供固定框架与反力支撑系统；
Z-向霍普金森杆动态测试系统包括Z-向竖向固定与支撑框架（50）、Z-向环形电磁脉冲激发腔（51）、Z-向环形电磁脉冲激发腔支撑架（52）、Z-向围压加载液压油缸（53）、Z-向围压加载作动器（54）、Z-向围压加载端支架（55）、Z-向束杆对中定位导轨（56）、Z-向束杆（57）、Z-向自润滑束杆固定和支撑架（58）；Z-向束杆（57）由Z-向自润滑束杆固定和支撑架（58）固定，并沿Z-向束杆对中定位导轨（56）与中心立方体方箱（59）于Z-向方形开口实现对中连接；Z-向围压加载液压油缸（53）和Z-向围压加载作动器（54）与Z-向环形电磁脉冲激发腔（51）串联组合放置于Z-向束杆（57）的入射端，用于沿Z-向束杆（57）的入射端对立方体试样施加Z-静态围压和动态应力脉冲荷载；Z-向竖向固定与支撑框架（50）与中心立方体方箱（59）连接起来为Z-向静态围压施加提供固定框架与反力支撑系统。
2.根据权利要求1所述的霍普金森束杆动态测试系统，其特征在于：X-向霍普金森杆动态测试系统包括X向围压加载固定端挡板（11）、X-向围压加载液压油缸（12）、X-向围压加载作动器（13）、X-向环形电磁脉冲激发腔（14）、X-向环形电磁脉冲激发腔支撑架（15）、X-向支撑平台（16）、X-向连杆支撑杆（17）、X-向束杆（18）、X-向自润滑束杆固定和支撑架（19）、X-向束杆对中定位导轨（20）；X-向束杆（18）由X-向自润滑束杆固定和支撑架（19）固定，并沿X-向束杆对中定位导轨（20）与中心立方体方箱（59）于X-向方形开口实现对中连接；X-向围压加载液压油缸（12）和X-向围压加载作动器（13）与X-向环形电磁脉冲激发腔（14）串联组合放置于X-向束杆（18）的入射端，用于沿X-向束杆（18）的入射端对立方体试样施加X-静态围压和动态应力脉冲荷载；X-向连杆支撑杆（17）将X-向围压加载固定端挡板（11）与中心立方体方箱（59）连接起来为X-向静态围压施加提供固定框架与反力支撑系统。
3.根据权利要求1所述的霍普金森束杆动态测试系统，其特征在于：Y+向霍普金森杆动态测试系统包括Y+向支撑平台（21）、Y+向围压加载液压油缸（22）、Y+向围压加载固定端挡板（23）、Y+向围压加载作动器（24）、Y+向环形电磁脉冲激发腔支撑架（25）、Y+向环形电磁脉冲激发腔（26）、Y+向连杆支撑杆（27）、Y+向自润滑束杆固定和支撑架（28）、Y+向束杆（29）、Y+向束杆对中定位导轨（30）；Y+向束杆（29）由Y+向自润滑束杆固定和支撑架（28）固定，并沿Y+向束杆对中定位导轨（30）与中心立方体方箱（59）于Y+向方形开口实现对中连接；Y+向围压加载液压油缸（22）和Y+向围压加载作动器（24）与Y+向环形电磁脉冲激发腔（26）串联组合放置于Y+向束杆（29）的入射端，用于沿Y+向束杆（29）的入射端对立方体试样施加Y+静态围压和动态应力脉冲荷载；Y+向连杆支撑杆（27）将Y+向围压加载固定端挡板（23）与中心立方体方箱（59）连接起来为Y+向静态围压施加提供固定框架与反力支撑系统。
4.根据权利要求1所述的霍普金森束杆动态测试系统，其特征在于：Y-向霍普金森杆动态测试系统包括Y-向支撑平台（31）、Y-向围压加载固定端挡板（32）、Y-向围压加载液压油缸（33）、Y-向围压加载作动器（34）、Y-向环形电磁脉冲激发腔（35）、Y-向环形电磁脉冲激发腔支撑架（36）、Y-向连杆支撑杆（37）、Y-向束杆（38）、Y-向自润滑束杆固定和支撑架（39）、Y-向束杆对中定位导轨（40）；Y-向束杆（38）由Y-向自润滑束杆固定和支撑架（39）固定，并沿Y-向束杆对中定位导轨（40）与中心立方体方箱（59）于Y-向方形开口实现对中连接；Y-向围压加载液压油缸（33）和Y-向围压加载作动器（34）与Y-向环形电磁脉冲激发腔（35）串联组合放置于Y-向束杆（38）的入射端，用于沿Y-向束杆（38）的入射端对立方体试样施加Y-静态围压和动态应力脉冲荷载；Y-向连杆支撑杆（37）将Y-向围压加载固定端挡板（32）与中心立方体方箱（59）连接起来为Y-向静态围压施加提供固定框架与反力支撑系统。
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