CN110057696B - 一种带吸能装置可模拟原位应力环境的分离式霍普金森压杆 - Google Patents

一种带吸能装置可模拟原位应力环境的分离式霍普金森压杆 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种带吸能装置可模拟原位应力环境的分离式霍普金森压杆。在水平实验平台上依次设置有：气罐、发射筒、撞击杆、入射端挡板、入射杆、围压加载系统、透射杆、前端吸能杆、轴压加载及前端吸能装置、透射端挡板、连接杆、后端吸能杆、缓冲垫层以及吸能挡板；其中，入射杆、透射杆、后端吸能杆通过支座支撑，支座与水平实验平台通过螺栓固定；气罐通过螺栓安装在水平实验平台上，且与发射筒相连；入射端挡板、围压加载系统、透射端挡板以及吸能挡板直接通过螺栓固定在水平实验平台上。本发明更加真实地反映深部高应力岩石受力状态。同时吸能系统的设计，保证了在高应力和高加载率条件下动态测试系统的稳定性。

Description

一种带吸能装置可模拟原位应力环境的分离式霍普金森压杆
技术领域
本发明涉及材料动态力学性能试验装置领域，尤其涉及一种带吸能装置可模拟原位应力环境的分离式霍普金森压杆。
背景技术
与浅部岩石工程相比，深部岩石最明显的区别在于其所处的特殊环境，其中高应力是目前深部岩石工程领域面临的最重要的问题之一。水利，交通，能源等工程领域，均涉及到深部岩石类材料的动态力学性能问题。为了保障工程结构的安全性，评价深部围岩稳定性，需要获取准确的原位应力条件下岩石的动态力学参数。
由于材料动力响应的复杂性，实验室定量研究是材料动力学的主要研究方法。分离式霍普金森压杆自1949年Kolsky发明后，逐渐成为一种研究一维应力条件下材料动力学性能的有效实验装置。为了模拟材料所处的不同受力环境，传统的霍普金森压杆进行了很多改进，以实现对实验样品施加多种预应力的目的。专利号CN105758704《一种霍普金森压杆围压测试装置》提出了一种霍普金森压杆的围压装置，是在入射杆和透射杆上设置止退槽来解决下入射杆和透射杆在受围压作用而远离样品的问题，但是止退槽的存在改变了试验杆的尺寸，对应力波的传播造成了不可忽略的影响，同时金属套筒和橡胶套筒的存在，增加了入射杆在高围压下的摩擦力，同样对应力波的传播造成不可忽视的误差。专利号CN104677725《一种新型霍普金森压杆主动围压实验的围压缸装置》将金属套、橡胶套和压紧块连接为一体，解决了高压下试验杆压不紧试件的问题，但是由于金属套筒的存在，从而导致油缸对试件施加围压值的确定存在不可控因素，影响实验。综上所述，现有改进的霍普金森压杆，无法同时实现多种原位应力和高加载率的加载条件，对于受到高围压和冲击残余能量的消除方面，更少有讨论，动态试验具有强大的动能，若直接由试验杆系统直接吸收，会对整个实验系统的稳定性造成影响。
目前现有的带围压的霍普金森压杆中，样品均封闭在密封的油缸内，岩石在加载过程中的变形特征无法直观地考察。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明旨在提供一种带吸能装置可模拟原位应力环境的分离式霍普金森压杆，能实现对岩石试样施加原位应力且在此条件下进行动态加载实验，并能直接获取试样在加载过程中的力学特征，从而对多种条件下岩石的动态力学性能进行研究，为工程实际中围压稳定性评价和结构设计提供理论支撑。本发明是通过以下技术方案加以实现的：
一种带吸能装置可模拟原位应力环境的分离式霍普金森压杆，其特征在于在水平实验平台6上依次设置有：气罐15、发射筒11、撞击杆17、入射端挡板2、入射杆12、围压加载系统5、透射杆13、前端吸能杆14、轴压加载及前端吸能装置8、透射端挡板21、连接杆3、后端吸能杆10、缓冲垫层19以及吸能挡板9；其中，入射杆12、透射杆13、后端吸能杆10通过支座18支撑，支座18与水平实验平台6通过螺栓固定；气罐15通过螺栓安装在水平实验平台6上，且与发射筒11相连；入射端挡板2、围压加载系统5、透射端挡板21以及吸能挡板9直接通过螺栓固定在水平实验平台6上。
所述的霍普金森压杆，其气罐15与空气压缩机1连接；入射端挡板2和透射端挡板21通过连接杆3连接；和围压加载系统5连接围压油泵4；轴压加载及前端吸能装置8连接轴压油泵7；在入射杆12以及透射杆13上分别粘贴有压缩应变片并与动态应变仪16相连，动态应变仪再与示波器20连接。
所述的入射杆12一端穿过入射端挡板2，且入射端挡板2内设有限位装置；入射杆12的另一端穿过并封闭在围压加载系统5内；入射杆12通过固定在水平实验平台6上的支座18为其提供支撑；支座18和围压加载系统5不限制入射杆12沿轴向的运动。
所述的透射杆13的一端穿过并封闭在围压加载系统5内，其另一端与前端吸能杆14接触；透射杆13通过固定在水平实验平台6上的支座18为其提供支撑；
所述的支座18和围压加载系统5不限制透射杆13沿轴向的运动。
所述围压加载系统5包括围压油缸底密封盖5-10、围压圆形油缸缸体5-4、围压油缸顶密封盖5-1、辅助密封盖5-2以及密封套环5-3；其中，围压油缸底密封盖5-10上设置有进油口5-6和过滤器5-9，进油口5-6与围压油泵4连接；围压油缸底密封盖5-10通过螺栓5-8固定在实验平台6上；围压圆形油缸缸体5-4沿其直径方向设置有与入射杆12透射杆13直径相同的圆孔，圆孔内设有密封环5-7，入射杆12和透射杆13穿入围压圆形油缸缸体5-4内；围压油缸顶密封盖5-1上包含有预留的电缆导线5-5，直接连接数据采集系统；所述围压圆形油缸缸体5-4上部和下部均有环形卡槽，围压圆形油缸缸体盖上围压油缸底密封盖5-10后，有两个半圆形辅助密封盖5-2通过卡槽将围压圆形油缸缸体5-4与围压油缸底密封盖5-10锁紧，而后再利用密封套环5-3将两个半圆形助密封盖5-2固定，留有少量空隙，供施加围压时膨胀所用；围压圆形油缸缸体上部与围压油缸顶密封盖5-1固定锁紧同理。
所述的轴压加载及前端吸能装置8包括轴压油缸缸体8-3、轴压油缸盖8-5；其中，轴压油缸缸体8-3上设置有排气孔8-1、输油孔8-4、固定螺栓8-2；轴压油缸盖8-5通过螺栓8-6与轴压油缸缸体8-3固定相连；轴压油缸缸体8-3与轴压油缸盖8-5分别设置有与前端吸能杆14直径相同的圆孔，使前端吸能杆14能够穿过二者自由运动；轴压油缸缸体8-3与轴压油缸盖8-5的开孔位置处设置有密封圈8-7；轴压加载及前端吸能装置8通过固定螺栓8-2与透射端挡板21固定相连；前端吸能杆14的塞体14-1将轴压油缸缸体分为两个腔体，一个腔体上设置有排气孔8-1，该腔体内存储有气体；另一个腔体上设置有输油孔8-4，该腔体内存储有液压油，输油孔8-4与轴压油泵7相连。
所述前端吸能杆14、后端吸能杆10，缓冲垫层19和吸能挡板9构成动能吸能装置；缓冲垫层19固定于吸能挡板9上，二者共同工作以吸收后端吸能杆10传递过来的动能；缓冲垫层通过螺栓固定在吸能挡板上，吸能挡板放置在实验平台上并保持稳定。
所述的霍普金森压杆撞击杆17、入射杆12、透射杆13、前端吸能杆14和后端吸能杆10均为镍铬钢材料。
一种带吸能装置可模拟原位应力环境的分离式霍普金森压杆，其特征在于在水平实验平台6上依次设置有：气罐15、发射筒11、撞击杆17、入射端挡板2、入射杆12、围压加载系统5、透射杆13、前端吸能杆14、轴压加载及前端吸能装置8、透射端挡板21、后端吸能杆10、缓冲垫层19以及吸能挡板9。其中，入射杆12、透射杆13、后端吸能杆10通过支座18支撑，支座18与水平实验平台6通过螺栓固定；气罐15通过螺栓安装在水平实验平台6上，且其又与发射筒11相连；入射端挡板2、围压加载系统5、透射端挡板21以及吸能挡板9直接通过螺栓固定在水平实验平台6上，上述系统示意图如图2和图3所示。
气罐15与空气压缩机1连接，并通过其对气罐15提供压力气体，阀门22可以控制气罐15的放气过程；入射端挡板2和透射端挡板21利用连接杆3连接；围压油泵4和围压加载系统5相连并向其提供稳定的压力；轴压油泵7与轴压加载及前端吸能装置8相连并向其提供稳定的压力；在入射杆12以及透射杆13上分别粘贴有压缩应变片并与动态应变仪16相连，动态应变仪再与示波器20连接。
所述的气罐15可以储存空气压缩机1提供的压缩空气，阀门22用来控制气罐15中的压缩空气释放至发射筒11内，释放的压缩空气可以推动撞击杆17在发射筒11内向入射杆方向进行运动。撞击杆17的直径与发射筒11的内径相同以保证压缩空气在释放过程中不发生漏气，保证撞击杆17在发射筒11内平稳运动。
所述的入射杆12一端可穿过入射端挡板2，且入射端挡板2内设有限位装置，可使系统加载轴压时入射杆12维持于合适位置，以致其不伸入发射筒11从而影响轴压加载；入射杆12的另一端穿过并封闭在围压加载系统5内。入射杆12通过固定在水平实验平台6上的支座18为其提供支撑。支座18和围压加载系统5不限制入射杆12沿轴向的运动。
所述的透射杆13的一端可以穿过并封闭在围压加载系统5内，其另一端与前端吸能杆14接触；透射杆13通过固定在水平实验平台6上的支座18为其提供支撑。支座18和围压加载系统5不限制透射杆13沿轴向的运动。
实验进行前，将实验样品置于入射杆12和透射杆13之间夹紧待用。入射杆12与透射杆13作为应力波的载体，撞击杆17经由发射套筒中发射后，与入射杆12发生碰撞产生压缩应力波，该应力波沿着杆件传播至试样上，而后再传递到透射杆13上。此列压缩应力波通过入射杆12与透射杆13上粘贴的压缩应变片与动态应变仪16以及示波器20完成采集和记录。
所述围压加载系统5包括：围压油缸底密封盖5-10、围压圆形油缸缸体5-4、围压油缸顶密封盖5-1、辅助密封盖5-2以及密封套环5-3。其中，围压油缸底密封盖5-10上设置有进油口5-6和过滤器5-9，进油口5-6与围压油泵4连接；围压油缸底密封盖5-10通过螺栓5-8固定在实验平台6上；围压圆形油缸缸体5-4沿其直径方向设置有与入射杆12透射杆13直径相同的圆孔，圆孔内设有密封环5-7，入射杆12和透射杆13穿入围压圆形油缸缸体5-4内；油缸顶部密封盖5-1上包含有预留的电缆导线5-5，可直接连接数据采集系统，从而对围压圆形油缸缸体内部岩样的各种力学性能进行实时监测。所述围压圆形油缸缸体5-4上部和下部均有环形卡槽，围压圆形油缸缸体盖上围压油缸底密封盖5-10后，有两个半圆形辅助密封盖5-2通过卡槽将围压圆形油缸缸体5-4与围压油缸底密封盖5-10锁紧，而后再利用密封套环5-3将两个半圆形助密封盖5-2固定，留有少量空隙，供施加围压时膨胀所用；围压圆形油缸缸体上部与围压油缸顶密封盖5-1固定锁紧同理。通过围压加载系统5可对夹持在入射杆12与透射杆13之间的试样进行施加围压。
可选地，围压圆形油缸缸体5-4，内径180mm，壁厚100mm，围压圆形油缸缸体具体尺寸设计需要满足各部件工作时的强度要求。围压加载系统5的示意图见图4。
所述的轴压加载及前端吸能装置8，包括：轴压油缸缸体8-3、轴压油缸盖8-5。其中，轴压油缸缸体8-3上设置有排气孔8-1、输油孔8-4、固定螺栓8-2；轴压油缸盖8-5通过螺栓8-6与轴压油缸缸体8-3固定相连；轴压油缸缸体8-3与轴压油缸盖8-5分别设置有与前端吸能杆14直径相同的圆孔，使前端吸能杆14能够穿过二者自由运动，前端吸能杆14同时具有施加轴压和传递吸收动能的作用；轴压油缸缸体8-3与轴压油缸盖8-5的开孔位置处设置有密封圈8-7以保证缸体内的液压油不泄露。轴压加载及前端吸能装置8通过固定螺栓8-2与透射端挡板21固定相连。前端吸能杆14的塞体14-1将轴压油缸缸体分为两个腔体，其中一个腔体设置有排气孔8-1，该腔体内存储有气体，另一个腔体设置有输油孔8-4，输油孔8-4与轴压油泵7相连，该腔体内储存有液压油。该装置工作时，液压油可通过进油口8-4进入腔体内，随着液压油注入体积的增加，其会推动塞体14-1运动，由于塞体14-1与前端吸能杆14相互固定连接，进而前端吸能杆2会随着塞体14-1一同向前运动；与此同时，另一个腔体内的气体排气孔8-1排出；油压通过前端吸能杆14中的塞体14-1施加轴压，轴压通过前端吸能杆14，传递到透射杆13，继而通过样品传递到入射杆12。由入射端挡板2阻挡试验杆在轴压下的整体向发射筒11的位移；其中前端吸能杆14中塞体14-1的直径为前端吸能杆14直径的1.414倍，保证了轴压油缸缸体8-3中施加的油压与实验杆中轴压一致；在撞击试验后，残余动能通过透射杆13传递到前端吸能杆14，再由前端吸能杆14传递到后端吸能杆10，最终由缓冲垫层19和吸能挡板9吸收掉剩余动能，从而保护轴压油缸。轴压加载及前端吸能装置8的示意图见图5。通过调节轴压油泵7中的压力大小，压力会通过前端吸能杆14向入射挡板2处传递，此过程中夹持在入射杆12与透射杆13之间的试样被夹紧，从而实现对试样轴向压力的施加，与围压加载系统相配合，可以实现对试样施加原位应力。
所述的动能吸能装置，包括前端吸能杆14、后端吸能杆10，缓冲垫层19和吸能挡板9。缓冲垫层19固定于吸能挡板9上，二者共同工作以吸收后端吸能杆10传递过来的动能。缓冲垫层通过螺栓固定在吸能挡板上，吸能挡板放置在实验平台上并保持稳定。能量通过撞击杆17依次传递到入射杆12、试样、透射杆13中，多余的能量继续传递到动能吸收装置中吸收消耗。其中，前端吸能杆14既可作为施加轴压的施力装置，又可作为吸能装置中的一部分发挥作用。
优选地，上述的装置撞击杆17、入射杆12、透射杆13、前端吸能杆14、后端吸能杆10，均为镍铬钢材料，直径均为50mm，弹性模量E为200GPa；波速C为5000m/s；其中入射杆12长度为3000mm，透射杆12长度为1800mm，前端吸能杆14长度500mm，后端吸能杆10长度500mm。
优选地，所述的实验平台6为平整度为0.001mm的长方形平台，用来安装实验杆系统(包括底座气罐15、发射套筒11、入射杆12、透射杆13以及入射端挡板2和透射端挡板21以及吸能挡板9)、围压加载系统5、轴压加载及前端吸能装置8。
优选地，电缆接头为12祯电缆线，由围压油缸顶密封盖5-1引出，开孔处采用橡胶材料密封；其中，岩石样品上可以安装其内部多种测量传感器(如应变片)，并可通过电缆接口接出，输出到外部相应的采集系统。围压圆形油缸缸体5-4最高油压为100MPa。
所述前端吸能杆14的尾端加工为塞体状(塞体14-1)，靠近为尾端加工成直径为1.414倍杆径(70.71mm)的圆柱，外径110mm，厚度为30mm。
优选地，所述的缓冲垫层由橡胶垫制成，厚度为50mm。
优选地，所述的围压油缸，轴压油缸的工作压力为0～100MPa。
综上所述，本发明所提供的霍普金森杆原位应力加载装置，一改当前围压装置平卧式油缸无法实现高水平压力的现状，可实现高达100MPa的围压状态，轴压装置的设计，实现了对样品施加多种高预应力的目的。可外接的电缆接头可以实现对高预应力下试样力学性能演变情况进行监测，可以更加真实地反映深部高应力岩石受力状态。同时吸能系统的设计，突破了高强度冲击残余能量无法有效消除的限制，保证了在高应力和高加载率条件下动态测试系统的稳定性。
附图说明
图1为预加原位应力状态下当撞击杆与试验杆撞击时入射杆、透射杆产生的波系图
图中：0*为入射杆和透射杆在未受到撞击前的应力状态σpre，1-2为入射波εi；1-3为入射波与反射波之和εi+εr，1-4为反射波εr；1-5为透射波εt。
图2为本发明霍普金森压杆原位应力加载及吸能系统的侧视结构示意图；
图3为本发明霍普金森压杆原位应力加载及吸能系统的俯视结构示意图；
图中：1为空气压缩机，2为入射端挡板，3为连接杆，4为围压油泵，5为围压加载系统，6为水平实验平台，7为轴压油泵，8为轴压加载及前端吸能装置8，9为吸能挡板，10为后端吸能杆，11为发射筒，12为入射杆、13为透射杆、14为前端吸能杆，15为气罐，16为动态应变仪，17为撞击杆，18为支座，19为缓冲垫层，20为示波器，21为透射端挡板。
图4为围压加载系统5横截面示意图；
图中5-1为围压油缸顶密封盖，5-2为顶部辅助密封盖，5-3为套环，5-4为围压圆形油缸缸体，5-5为电缆导线，5-6为进油口，5-7为密封环，5-8为螺栓，5-9为过滤器，5-10为围压油缸底密封盖。
图5为轴压加载系统横截面示意图；
图中8-1为排气孔，8-2为螺栓，8-3为轴压油缸缸体，8-4为输油孔，8-5为轴压油缸盖，8-6为固定油缸盖的螺栓，8-7为密封圈，14为前端吸能杆，14-1为塞体。
图6为系统测试样品获取的原位应力状态下样品的波形信号图。
图7为系统测试样品获取的原位应力状态下样品的加载力历时图。
具体实施方式
一种带吸能装置可模拟原位应力环境的分离式霍普金森压杆，其在水平实验平台6上依次设置有：气罐15、发射筒11、撞击杆17、入射端挡板2、入射杆12、围压加载系统5、透射杆13、前端吸能杆14、轴压加载及前端吸能装置8、透射端挡板21、后端吸能杆10、缓冲垫层19以及吸能挡板9。其中，入射杆12、透射杆13、后端吸能杆10通过支座18支撑，支座18与水平实验平台6通过螺栓固定；气罐15通过螺栓安装在水平实验平台6上，且其又与发射筒11相连；入射端挡板2、围压加载系统5、透射端挡板21以及吸能挡板9直接通过螺栓固定在水平实验平台6上，上述系统示意图如图2和图3所示。优选地，所述的实验平台6为平整度为0.001mm的长方形平台，用来安装实验杆系统(包括底座气罐15、发射套筒11、入射杆12、透射杆13以及入射端挡板2和透射端挡板21以及吸能挡板9)、围压加载系统5、轴压加载及前端吸能装置8。水平实验平台6用于安装放置所有部件。气罐15与空气压缩机1连接，并通过其对气罐15提供压力气体，阀门22可以控制气罐15的放气过程；连接杆3用来连接入射端挡板2和透射端挡板21；围压油泵4和围压加载系统5相连并向其提供稳定的压力；轴压油泵7与轴压加载及前端吸能装置8相连并向其提供稳定的压力；在入射杆12以及透射杆13上分别粘贴有压缩应变片并与动态应变仪16相连，动态应变仪再与示波器20连接。
所述的气罐15可以储存空气压缩机1提供的压缩空气，阀门22用来控制气罐15中的压缩空气释放至发射筒11内，释放的压缩空气可以推动撞击杆17在发射筒11内向入射杆方向进行运动。撞击杆17的直径与发射筒11的内径相同以保证压缩空气在释放过程中不发生漏气，保证撞击杆17在发射筒11内平稳运动。
所述的入射杆12一端可穿过入射端挡板2，且入射端挡板2内设有限位装置，可使系统加载轴压时入射杆12维持于合适位置，以致其不伸入发射筒11从而影响轴压加载；入射杆12的另一端穿过并封闭在围压加载系统5内。入射杆12通过固定在高精度水平实验平台6上的支座18为其提供支撑。支座18和围压加载系统5不限制入射杆12沿轴向的运动。
所述的透射杆13的一端可以穿过并封闭在围压加载系统5内，其另一端与前端吸能杆14接触；透射杆13通过固定在水平实验平台6上的支座18为其提供支撑。支座18和围压加载系统5不限制透射杆13沿轴向的运动。
实验进行前，将实验样品置于入射杆12和透射杆13之间夹紧待用。
所述围压加载系统5包括：围压油缸底密封盖5-10、围压圆形油缸缸体5-4、围压油缸顶密封盖5-1、辅助密封盖5-2以及密封套环5-3。其中，围压油缸底密封盖5-10上设置有进油口5-6和过滤器5-9，进油口5-6与围压油泵4连接；围压油缸底密封盖5-10通过螺栓5-8固定在实验平台6上；围压圆形油缸缸体5-4沿其直径方向设置有与入射杆12透射杆13直径相同的圆孔，圆孔内设有密封环5-7，入射杆12和透射杆13穿入围压圆形油缸缸体5-4内；油缸顶部密封盖5-1上包含有预留的电缆导线5-5，可直接连接数据采集系统，从而对围压圆形油缸缸体内部岩样的各种力学性能进行实时监测。所述围压圆形油缸缸体5-4上部和下部均有环形卡槽，围压圆形油缸缸体盖上围压油缸底密封盖5-10后，有两个半圆形辅助密封盖5-2通过卡槽将围压圆形油缸缸体5-4与围压油缸底密封盖5-10锁紧，而后再利用密封套环5-3将两个半圆形助密封盖5-2固定，留有少量空隙，供施加围压时膨胀所用；围压圆形油缸缸体上部与围压油缸顶密封盖5-1固定锁紧同理。优选地，电缆接头为12祯电缆线，由围压油缸顶密封盖5-1引出，开孔处采用橡胶材料密封；其中，岩石样品上可以安装其内部多种测量传感器(如应变片)，并可通过电缆接口接出，输出到外部相应的采集系统。围压圆形油缸缸体5-4最高油压为100MPa。可选地，围压圆形油缸缸体5-4，内径180mm，壁厚100mm，围压圆形油缸缸体具体尺寸设计需要满足各部件工作时的强度要求。围压加载系统5的示意图见图4。
所述的轴压加载及前端吸能装置8，包括：轴压油缸缸体8-3、轴压油缸盖8-5。其中，轴压油缸缸体8-3上设置有排气孔8-1、输油孔8-4、固定螺栓8-2；轴压油缸盖8-5通过螺栓8-6与轴压油缸缸体8-3固定相连；轴压油缸缸体8-3与轴压油缸盖8-5分别设置有与前端吸能杆14直径相同的圆孔，使前端吸能杆14能够穿过二者自由运动，前端吸能杆14同时具有施加轴压和传递吸收动能的作用；轴压油缸缸体8-3与轴压油缸盖8-5的开孔位置处设置有密封圈8-7以保证缸体内的液压油不泄露。轴压加载及前端吸能装置8通过固定螺栓8-2与透射端挡板21固定相连。前端吸能杆14的塞体14-1将轴压油缸缸体分为两个腔体，其中一个腔体设置有排气孔8-1，该腔体内存储有气体，另一个腔体设置有输油孔8-4，输油孔8-4与轴压油泵7相连，该腔体内储存有液压油。该装置工作时，液压油可通过进油口8-4进入腔体内，随着液压油注入体积的增加，其会推动塞体14-1运动，由于塞体14-1与前端吸能杆14相互固定连接，进而前端吸能杆2会随着塞体14-1一同向前运动；与此同时，另一个腔体内的气体排气孔8-1排出；油压通过前端吸能杆14中的塞体14-1施加轴压，轴压通过前端吸能杆14，传递到透射杆13，继而通过样品传递到入射杆12。由入射端挡板2阻挡试验杆在轴压下的整体向发射筒11的位移；其中前端吸能杆14中塞体14-1的直径为前端吸能杆14直径的1.414倍，保证了轴压油缸缸体8-3中施加的油压与实验杆中轴压一致；在撞击试验后，残余动能通过透射杆13传递到前端吸能杆14，再由前端吸能杆14传递到后端吸能杆10，最终由缓冲垫层19和吸能挡板9吸收掉剩余动能，从而保护轴压油缸。轴压加载及前端吸能装置8的示意图见图5。所述前端吸能杆14的尾端加工为塞体状(塞体14-1)，靠近为尾端加工成直径为1.414倍杆径(70.71mm)的圆柱，外径110mm，厚度为30mm。
所述的动能吸能装置，包括前端吸能杆14、后端吸能杆10，缓冲垫层19和吸能挡板9。缓冲垫层19固定于吸能挡板9上，二者共同工作以吸收后端吸能杆10传递过来的动能。缓冲垫层通过螺栓固定在吸能挡板上，吸能挡板放置在实验平台上并保持稳定。
优选地，上述的装置撞击杆17、入射杆12、透射杆13、前端吸能杆14、后端吸能杆10，均为镍铬钢材料，直径均为50mm，弹性模量E为200GPa；波速C为5000m/s；其中入射杆12长度为3000mm，透射杆12长度为1800mm，前端吸能杆14长度500mm，后端吸能杆10长度500mm。
优选地，所述的缓冲垫层由橡胶垫制成，厚度为50mm。
优选地，所述的围压油缸，轴压油缸的工作压力为0～100MPa。
利用本发明中的设备，可以精确获得测试样品在不同的原位应力条件下的动态力学性能参数，具体实验操作步骤如下：
1)调节试验杆，使得撞击杆17、入射杆12、透射杆13，前端吸能杆14和后端吸能杆10在同一条直线上，在实验过程中保证是同轴撞击，其中各试验杆的接触面涂上真空脂并紧密接触；
2)安装样品，给轴压油缸8-3施加少量轴压，使其样品同轴固定在入射杆12和透射杆13之间；
3)施加轴向压力和围压，安装好样品后，通过输油管5-6，往围压圆形油缸缸体5-4内注入液压油，当围压圆形油缸缸体5-4填满后，盖上围压油缸顶部密封盖5-1，套上辅助密封盖5-2以及密封套环5-3；通过围压油泵4给围压圆形油缸缸体内部施加围压，由轴压油泵7给轴压及吸能装置8施加轴压，在加压过程中对围压加载系统5和轴压加载及前端吸能装置8同时增压，但需保证轴压先达到预定值，围压后达到预定值，此时试验杆中预轴压σpre等于围压值；
5)将动态应变仪16、示波器20与应变片连接好，并处于触发状态，进入试验状态；
6)打开空气压缩机1，调节气罐15的压力到预定值并稳定；确定测试仪器工作正常后，打开阀门22，使撞击杆17发射，与入射杆12发生同轴撞击；
7)撞击杆17与入射杆12撞击产生的应力波，通过入射杆12的应变片，由通过示波器20中交流模式记录到入射波εi和反射波εr，应力波穿过样品后传到透射杆13，同样由应变片和示波器20记录到透射波εt；透射杆13中剩余能量通过前端吸能杆14，全部传递到后端吸能杆10，最后转换成后端吸能杆10的动能，并由缓冲层和19和吸能挡板9全部吸收，典型的波形图见图6。实验中的波系图见图1。
8)由示波器20在交流模式采集到的动态应变信号，计算样品两端加载力F，公式如下：
入射杆端面的加载力为：
F1＝A(E(εi+εr)+2σpre)..............................................(1)
透射杆端面的加载力为：
F2＝A(Eεt+σpre).....................................................(2)
式中A为试验杆面积，E为试验杆弹性模量；实验中实验两端力的加载曲线如图7所示。
9)关闭空气压缩机和气罐电源，启动围压油泵4和轴压油泵7，卸掉围压和轴压；
10)取出样品，清理围压加载系统5，实验结束，完成一次试验后，保存波形信息。
本加载系统可拓展性强，可适当增加轴压油缸和围压油缸大小，实现更高的围压轴压水平。
使用时，先将满足尺寸要求的试件放置于入射杆和透射杆之间，通过轴压油泵7给轴压加载及前端吸能装置8注入液压油直至出现少量的轴压(小于1Mpa)，此时样品的两端在轴压的作用下分别与入射杆和透射杆紧密接触，通过密封盖将围压油缸密封，采用围压油泵4给围压加载系统5注入液压油，直至围压圆形油缸缸体充满。同时增加压加载系统5和轴压加载及前端吸能装置8的油液压，即可实现对被测试岩石样品施加均匀且大小可调节的轴向力或围压力，也保证了在加油压过程中样品与入射杆和透射杆紧密接触。从而精确地模拟深部岩石受到的各种原位应力，将应变等传感器通过电缆导线5-5接口接出，可用于对围压加载系统5内部样品的变形等参数进行观测。利用撞击杆17撞击入射杆12对试样进行轴向冲击加载，应力波依次通过入射杆12、样品、透射杆13，最后通过前端吸能杆14将动能传递给后端吸能杆10，由吸能垫层19和吸能挡板9吸收剩余动能，以达到保护系统稳定性的目的。

Claims (7)

1.一种带吸能装置可模拟原位应力环境的分离式霍普金森压杆，其特征在于在水平实验平台(6)上依次设置有：气罐(15)、发射筒(11)、撞击杆(17)、入射端挡板(2)、入射杆(12)、围压加载系统(5)、透射杆(13)、前端吸能杆(14)、轴压加载及前端吸能装置(8)、透射端挡板(21)、后端吸能杆(10)、缓冲垫层(19)以及吸能挡板(9)；其中，入射杆(12)、透射杆(13)、后端吸能杆(10)通过支座(18)支撑，支座(18)与水平实验平台(6)通过螺栓固定；气罐(15)通过螺栓安装在水平实验平台(6)上，且与发射筒(11)相连；入射端挡板(2)、围压加载系统(5)、透射端挡板(21)以及吸能挡板(9)直接通过螺栓固定在水平实验平台(6)上；围压加载系统(5)包括围压油缸底密封盖(5-10)、围压圆形油缸缸体(5-4)、围压油缸顶密封盖(5-1)、辅助密封盖(5-2)以及密封套环(5-3)；其中，围压油缸底密封盖(5-10)上设置有进油口(5-6)和过滤器(5-9)，进油口(5-6)与围压油泵(4)连接；围压油缸底密封盖(5-10)通过螺栓固定在水平实验平台(6)上；围压圆形油缸缸体(5-4)沿其直径方向设置有与入射杆(12)透射杆(13)直径相同的圆孔，圆孔内设有密封环(5-7)，入射杆(12)和透射杆(13)穿入围压圆形油缸缸体(5-4)内；围压油缸顶密封盖(5-1)上包含有预留的电缆导线(5-5)，直接连接数据采集系统；所述围压圆形油缸缸体(5-4)上部和下部均有环形卡槽，围压圆形油缸缸体盖上围压油缸底密封盖(5-10)后，有两个半圆形辅助密封盖(5-2)通过卡槽将围压圆形油缸缸体(5-4)与围压油缸底密封盖(5-10)锁紧，而后再利用密封套环(5-3)将两个半圆形助密封盖(5-2)固定，留有少量空隙，供施加围压时膨胀所用；围压圆形油缸缸体上部与围压油缸顶密封盖(5-1)固定锁紧同理；所述的轴压加载及前端吸能装置(8)包括轴压油缸缸体(8-3)、轴压油缸盖(8-5)；其中，轴压油缸缸体(8-3)上设置有排气孔(8-1)、输油孔(8-4)、固定螺栓(8-2)；轴压油缸盖(8-5)通过螺栓与轴压油缸缸体(8-3)固定相连；轴压油缸缸体(8-3)与轴压油缸盖(8-5)分别设置有与前端吸能杆(14)直径相同的圆孔，使前端吸能杆(14)能够穿过二者自由运动；轴压油缸缸体(8-3)与轴压油缸盖(8-5)的开孔位置处设置有密封圈(8-7)；轴压加载及前端吸能装置(8)通过固定螺栓(8-2)与透射端挡板(21)固定相连；前端吸能杆(14)的塞体(14-1)将轴压油缸缸体分为两个腔体，一个腔体上设置有排气孔(8-1)，该腔体内存储有气体；另一个腔体上设置有输油孔(8-4)，该腔体内存储有液压油，输油孔(8-4)与轴压油泵(7)相连。
2.如权利要求1所述的霍普金森压杆，其特征在于气罐(15)与空气压缩机(1)连接；入射端挡板(2)和透射端挡板(21)通过连接杆(3)连接；围压加载系统(5)与围压油泵(4)连接；轴压加载及前端吸能装置(8)连接轴压油泵(7)；在入射杆(12)以及透射杆(13)上分别粘贴有压缩应变片并与动态应变仪(16)相连，动态应变仪再与示波器(20)连接。
3.如权利要求1所述的霍普金森压杆，其特征在于所述的入射杆(12)一端穿过入射端挡板(2)，且入射端挡板(2)内设有限位装置；入射杆(12)的另一端穿过并封闭在围压加载系统(5)内；入射杆(12)通过固定在水平实验平台(6)上的支座(18)为其提供支撑；支座(18)和围压加载系统(5)不限制入射杆(12)沿轴向的运动。
4.如权利要求1所述的霍普金森压杆，其特征在于所述的透射杆(13)的一端穿过并封闭在围压加载系统(5)内，其另一端与前端吸能杆(14)接触；透射杆(13)通过固定在水平实验平台(6)上的支座(18)为其提供支撑。
5.如权利要求1所述的霍普金森压杆，其特征在于支座(18)和围压加载系统(5)不限制透射杆(13)沿轴向的运动。
6.如权利要求1所述的霍普金森压杆，其特征在于如权利要求1所述的霍普金森压杆，其特征在于所述前端吸能杆(14)、后端吸能杆(10)，缓冲垫层(19)和吸能挡板(9)构成动能吸能装置；缓冲垫层(19)固定于吸能挡板(9)上，二者共同工作以吸收后端吸能杆(10)传递过来的动能；缓冲垫层通过螺栓固定在吸能挡板上，吸能挡板放置在实验平台上并保持稳定。
7.如权利要求1所述的霍普金森压杆，其特征在于撞击杆(17)、入射杆(12)、透射杆(13)、前端吸能杆(14)和后端吸能杆(10)均为镍铬钢材料。
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110441172B (zh) * 2019-08-01 2023-11-10 深圳大学 渗透压和静压耦合电磁加载三轴shpb装置和测试方法
CN110514539B (zh) * 2019-08-01 2021-10-08 南京理工大学 一种排除shtb试验夹持装置中空气层影响的方法
CN111562178A (zh) * 2020-06-28 2020-08-21 天津大学 带有动能吸收的动态拉伸试验装置及试验方法
CN112857965B (zh) * 2021-01-08 2022-02-22 北京理工大学 一种shpb测试用高温加热系统
CN112858024B (zh) * 2021-01-27 2023-09-22 天津大学 用于测量水力耦合作用下深部岩石动态性能的装置及方法
CN113008658B (zh) * 2021-02-02 2024-05-03 广州城建职业学院 一种基于双轴shpb实验的二波分解自平衡支撑装置
CN113281175B (zh) * 2021-04-23 2022-07-05 中南大学 气固耦合状态下岩石动态力学性能测试装置及方法
CN113899634A (zh) * 2021-08-27 2022-01-07 北京工业大学 一种评价冲击荷载作用下钻头牙齿破岩效率的装置及方法
CN116593280A (zh) * 2023-06-20 2023-08-15 天津大学 一种基于霍普金森杆的围压加载装置
CN117470639B (zh) * 2023-12-22 2024-04-09 深圳大学 应用于动态真三轴电磁霍普金森杆的吸能缓冲装置及方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1065492A3 (en) * 1999-07-02 2004-01-02 Noritoshi Nakagawa Split Hopkinson bar testing apparatus and method
CN202145186U (zh) * 2011-07-07 2012-02-15 中国人民解放军空军工程大学 用于主动围压霍普金森压杆实验的入射波整形机构
CN103454164A (zh) * 2013-09-13 2013-12-18 安徽理工大学 多场耦合煤岩冲击加载实验装置及实验方法
CN103760011A (zh) * 2014-01-22 2014-04-30 南京理工大学 霍普金森试验杆件的可调缓冲装置
CN103852373A (zh) * 2014-03-20 2014-06-11 中国人民解放军理工大学 霍普金森压杆冲击实验三向围压温度联合加载装置
CN104110458A (zh) * 2014-06-23 2014-10-22 中国矿业大学(北京) 一种阻尼系统及霍普金森压杆自动控制系统
CN103163037B (zh) * 2013-02-07 2015-04-29 中国科学院力学研究所 一种基于霍普金森压杆加载技术的高速约束切削实验装置
CN204789116U (zh) * 2015-07-02 2015-11-18 山东科技大学 一种新型霍普金森杆
CN105758704A (zh) * 2016-02-23 2016-07-13 繁昌县菲德通讯材料设计有限公司 一种霍普金森压杆围压测试装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107314933B (zh) * 2017-06-20 2019-07-05 山东科技大学 动及动静组合载荷下煤岩组合体中煤的力学特性试验方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1065492A3 (en) * 1999-07-02 2004-01-02 Noritoshi Nakagawa Split Hopkinson bar testing apparatus and method
CN202145186U (zh) * 2011-07-07 2012-02-15 中国人民解放军空军工程大学 用于主动围压霍普金森压杆实验的入射波整形机构
CN103163037B (zh) * 2013-02-07 2015-04-29 中国科学院力学研究所 一种基于霍普金森压杆加载技术的高速约束切削实验装置
CN103454164A (zh) * 2013-09-13 2013-12-18 安徽理工大学 多场耦合煤岩冲击加载实验装置及实验方法
CN103760011A (zh) * 2014-01-22 2014-04-30 南京理工大学 霍普金森试验杆件的可调缓冲装置
CN103852373A (zh) * 2014-03-20 2014-06-11 中国人民解放军理工大学 霍普金森压杆冲击实验三向围压温度联合加载装置
CN104110458A (zh) * 2014-06-23 2014-10-22 中国矿业大学(北京) 一种阻尼系统及霍普金森压杆自动控制系统
CN204789116U (zh) * 2015-07-02 2015-11-18 山东科技大学 一种新型霍普金森杆
CN105758704A (zh) * 2016-02-23 2016-07-13 繁昌县菲德通讯材料设计有限公司 一种霍普金森压杆围压测试装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
动静组合加载下岩石力学特性和动态强度准则的试验研究;宫凤强;《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;20120115(第01期);第5、79-81、99-100页 *

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