CN110082193A - 一种分离式霍普金森拉杆试件夹具及装卡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分离式霍普金森拉杆试件夹具及装卡方法，属于材料动态力学试验技术领域。夹具包括入射杆，其一端设置有用于卡装试件的卡槽Ⅰ；以及透射杆，其一端设置有用于卡装试件的卡槽Ⅱ；以及楔形块A和楔形块B，其相互配合填充于试件两端与卡槽Ⅰ和卡槽Ⅱ之间的卡槽余隙内；卡槽Ⅰ和卡槽Ⅱ均为沿杆径向设置的“T”形通槽；入射杆和透射杆同轴设置；楔形块A和楔形块B均为两个；楔形块A和楔形块B相互配合后呈矩形。装卡试件时，先将试件两端分别卡入卡槽Ⅰ和卡槽Ⅱ内，再安装楔形块A和楔形块B使试件与卡槽Ⅰ和卡槽Ⅱ无间隙配合。采用本发明可实现试件快速装卡，极大提高试验效率，试验数据精度高；且试件容易加工，材料不受限制。

Description

一种分离式霍普金森拉杆试件夹具及装卡方法

技术领域

本发明涉及材料动态力学试验技术领域，具体是一种分离式霍普金森拉杆试件夹具及装卡方法。

背景技术

研究材料在高应变率下的动态力学行为在汽车等碰撞安全研究设计中具有重要作用。动态冲击事件中的应变率覆盖了准静态到5000s-1这一较宽范围。准确获取整个应变率范围内的材料力学响应，尤其动态高应变率下的材料力学响应是材料表征工作的关键。

目前，应用于材料动态力学性能的实验设备主要包括高速拉伸试验机和分离式霍普金森拉杆。电液伺服高速试验机在中低应变率范围内(1s-1-500s-1)具有较好的测试结果，而分离式霍普金森拉杆用来测量材料在500s-1-5000s-1变率范围内的应力-应变率关系。

在分离式霍普金森拉杆中，试件与拉杆的连接方式对试验的操作、实验数据及结果十分重要。目前主要的连接方式有胶粘法与螺纹法两种。胶粘法的是用高强度胶水将板状试件的夹持端与分离式霍普金森拉杆的入射杆和透射杆紧密连接。胶粘法得到的数据精度较高，但是胶粘法的效率低，每个试件的试验时间通常为5-8小时，非常不适用于工程应用。螺纹法是将试件做成哑铃状的回转体，试件两端加工外螺纹，试件与分离式霍普金森拉杆用螺纹连接。螺纹法虽然提升了试验效率，但获取的数据精度低于胶粘法，且工程中很多材料难以加工成螺纹试件，所以螺纹法也不适用于工程应用。哑铃型试件是后来学者提出的一种适应于分离式霍普金森拉杆的快速装卡方法。该方面是将试件加工成哑铃形状，哑铃试件的两端分别卡在分离式霍普金森拉杆的入射杆与透射杆上。这种哑铃试件的装卡方式提高了实验效率，然而却无法保证试验数据的精确性。其原因在于高应变率加载下，应力波在试件与杆子之间的间隙中产生了发散，实验数据出现明显的震荡。

经检索，中国专利，申请公布号：CN103439186A，申请公布日：2013.12.11，公开了一种分离式霍普金森拉杆试件夹具装置，包括入射杆、入射杆接头、透射杆接头和透射杆，入射杆的一端采用法兰结构，另一端与入射杆接头之间采用螺纹连接，透射杆接头与透射杆之间采用螺纹连接。该发明结构简单、连接可靠，提升了试验效率，但获取的数据精度低，且工程中很多材料加工成螺纹试件十分困难，不适用于工程推广应用。

发明内容

发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有的分离式霍普金森拉杆中试件与拉杆的连接方式难以同时满足安装方便、测试精度高和试件材料不受限的不足，提供了一种分离式霍普金森拉杆试件夹具及装卡方法。采用本发明可实现试件快速装卡，极大提高试验效率，试验数据精度高；且试件容易加工，材料不受限制。

技术方案

为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：

一种分离式霍普金森拉杆试件夹具，包括：入射杆，其一端设置有用于卡装试件的卡槽Ⅰ；以及透射杆，其一端设置有用于卡装试件的卡槽Ⅱ；以及楔形块A和楔形块B，其相互配合填充于所述试件两端与卡槽Ⅰ和卡槽Ⅱ之间的卡槽余隙内，卡槽余隙为试件卡入后，试件两端面与卡槽Ⅰ和卡槽Ⅱ底面之间的间隙，预留卡槽余隙的目的是方便卡装试件；利用楔形块A和楔形块B配合填充卡槽余隙使得试件与入射杆和透射杆过盈配合，没有间隙，进而使得测试时试件受到的拉伸应力更加平稳。

进一步地，所述卡槽Ⅰ和卡槽Ⅱ均为沿杆径向设置的“T”形通槽，卡槽结构简单，试件容易加工。

进一步地，所述入射杆和所述透射杆同轴设置，避免实验时试件受力偏位。

进一步地，所述楔形块A和楔形块B均为两个，数量少，容易安装。

进一步地，所述楔形块A和楔形块B相互配合后呈矩形，两者通过斜面配合，以增大相互摩擦力，能够有效防脱；同时满足与试件端面和卡槽Ⅰ、卡槽Ⅱ底面的紧密配合。

一种分离式霍普金森拉杆试件装卡方法，装卡工艺步骤包括：

步骤一、卡装前准备：将入射杆和透射杆调整至同轴相对位置，且入射杆上的卡槽Ⅰ与透射杆上的卡槽Ⅱ保持平行；

步骤二、卡装试件：将试件的一端卡入所述卡槽Ⅰ内，另一端卡入所述卡槽Ⅱ内；

步骤三、卡装楔形块：

ⅰ、取一对楔形块A和楔形块B，将楔形块A从所述卡槽Ⅰ一侧径向插在试件端部与入射杆之间的空隙内；

ⅱ、将楔形块B从所述卡槽Ⅰ另一侧径向插在楔形块A与入射杆之间的空隙内；

ⅲ、同时向卡槽Ⅰ内推动楔形块A和楔形块B至两者不再发生相对运动为止；

ⅳ、按所述ⅰ至ⅲ步骤在试件端部与所述卡槽Ⅱ之间的卡槽余隙内安装另一对楔形块A和楔形块B；

步骤四、固定入射杆和透射杆，完成试件卡装。

进一步地，装卡完成后，所述入射杆、试件和透射杆位于同一轴线上，保证试验时试件所受拉力反向、共线，提高测试数据的准确性和精度。

进一步地，装卡完成后，所述试件与所述卡槽Ⅰ和卡槽Ⅱ无间隙配合，防止试验时试件窜动影响测试数据的准确性和精度。

进一步地，所述试件制备成“工”字型，其包括测试段和位于测试段两端的限位端，所述限位端用于与卡槽Ⅰ和卡槽Ⅱ配合，实现轴向限位连接，所述限位端的宽度大于所述测试段，以避免拉伸过程中限位端出现变形或拉断现象而影响测试结果。

进一步地，所述限位端侧视呈“T”形，以实现与呈“T”形的卡槽Ⅰ和卡槽Ⅱ的配合限位。

有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明提供的一种分离式霍普金森拉杆试件夹具，试件与入射杆和透射杆采用互卡方式连接，并利用楔形块A和楔形块B填充卡槽余隙，实现无间隙配合，无需使用胶水粘合，装卡速度快，极大提高试验效率；试件受到的拉伸应力平稳，试验数据精度高；且试件上无需设置螺纹结构，容易加工，使得检测的材料不受限制，应用范围广；

(2)本发明提供的一种分离式霍普金森拉杆试件夹具，卡槽Ⅰ和卡槽Ⅱ均为沿杆径向设置的“T”形通槽，结构简单，试件连接端容易加工；

(3)本发明提供的一种分离式霍普金森拉杆试件夹具，入射杆和透射杆同轴设置，使得测试时，入射杆和透射杆对试件的拉力共线、反向，避免试件受力偏位而产生扭力，测试数据准确性和精度高；

(4)本发明提供的一种分离式霍普金森拉杆试件夹具，楔形块A和楔形块B均为两个，每侧卡槽余隙内卡装一组楔形块A和楔形块B时为最优选择，容易安装，且紧固效果好，不易松脱；

(5)本发明提供的一种分离式霍普金森拉杆试件夹具，楔形块A和楔形块B相互配合后呈矩形，两者配合后相互摩擦力较大，避免松脱；且相互配合形成矩形后，两端面能够满足与试件端面和卡槽Ⅰ、卡槽Ⅱ底面的紧密配合，对试件产生沿其轴线方向的平行挤压力，使试件端部受力均匀，避免出现受拉倾斜，测试数据的准确性和精度进一步提高；

(6)本发明提供的一种分离式霍普金森拉杆试件装卡方法，具有试件容易加工，装卡速度快，试件受力平稳等优点，使得试验效率高，数据准确性和精度高；

(7)本发明提供的一种分离式霍普金森拉杆试件装卡方法，入射杆、试件和透射杆位于同一轴线上，保证试验时试件所受拉力反向、共线，避免产生扭力干扰，测试数据的准确性和精度较高；

(8)本发明提供的一种分离式霍普金森拉杆试件装卡方法，试件与卡槽Ⅰ和卡槽Ⅱ无间隙配合，试件受到的拉伸应力更加平稳，进一步提高了测试数据的准确性和精度；

(9)本发明提供的一种分离式霍普金森拉杆试件装卡方法，试件制备成“工”字型，其包括测试段和位于测试段两端的限位端，限位端的宽度大于测试段，以避免拉伸过程中限位端出现变形或拉断现象而影响测试结果。

附图说明

图1、试件装卡状态立体示意图；

图2、试件装卡状态正视图；

图3、试件结构示意图；

图4、楔形块结构示意图；

图5、拉伸断裂后的试件状态图；

图6、实验得到试件的应力应变曲线图；

图7、没有楔形块预紧状态下的试验波形图；

图8、有楔形块预紧状态下的试验波形图。

附图中：10、入射杆；11、卡槽Ⅰ；20、透射杆；21、卡槽Ⅱ；30、试件；31、限位端；32、测试段；40、楔形块A；50、楔形块B。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图及实施例对本发明作详细描述。

实施例1

一种分离式霍普金森拉杆试件夹具，如图1、2所示，包括：入射杆10，其一端设置有用于卡装试件30的卡槽Ⅰ11；以及透射杆20，其一端设置有用于卡装试件30的卡槽Ⅱ21；以及楔形块A40和楔形块B50，其相互配合填充于所述试件30两端与卡槽Ⅰ11和卡槽Ⅱ21之间的卡槽余隙内，卡槽余隙为试件30卡入后，试件30端面与卡槽Ⅰ11和卡槽Ⅱ21底面之间的间隙，预留卡槽余隙的目的是方便卡装试件30。

装卡试件30时，先将试件30的两端分别卡入所述卡槽Ⅰ11和卡槽Ⅱ21内，然后在位于试件30两端处的卡槽余隙内装入楔形块A40和楔形块B50，卡装楔形块A40和楔形块B50时，将楔形块A40和楔形块B50分别从卡槽Ⅰ11和卡槽Ⅱ21两侧的槽口插入，并同时向槽内推动至两者不再发生相对运动为止；利用楔形块A40和楔形块B50配合填充卡槽余隙使得试件30与入射杆10和透射杆20过盈配合。

本实施例中的分离式霍普金森拉杆试件夹具，试件30与入射杆10和透射杆20采用互卡方式连接，并利用楔形块A40和楔形块B50填充卡槽余隙，对试件30产生预紧力，实现无间隙配合，无需使用胶水粘合，装卡速度快，极大提高试验效率；试件30受到的拉伸应力平稳，试验数据精度高；且试件30上无需设置螺纹结构，容易加工，使得检测的材料不受限制，应用范围广。

以45#钢材料的试件30为例，在没有使用楔形块预紧状态下的试验波形图如图7所示，采用楔形块预紧状态下的试验波形图如图8所示，经对比不难发现，后者更加平稳，试验数据的准确性和精度更高。

实施例2

本实施例的一种分离式霍普金森拉杆试件夹具，基本结构同实施例1，不同和改进之处在于，如图1所示，所述卡槽Ⅰ11和卡槽Ⅱ21均为沿杆径向设置的“T”形通槽，测试时，如图3所示，将测试材料两端加工成具有与该通槽配合的“T”形连接端的试件30，由于这种结构比较简单，十分容易加工。

实施例3

本实施例的一种分离式霍普金森拉杆试件夹具，基本结构同实施例1或2，不同和改进之处在于，如图1所示，所述入射杆10和所述透射杆20同轴设置，使得测试时，入射杆10和透射杆20对试件30的拉力共线、反向，避免试件30受力偏位而产生扭力，从而保证测试的准确性和精度。

实施例4

本实施例的一种分离式霍普金森拉杆试件夹具，基本结构同实施例1至3任一，不同和改进之处在于，如图2所示，所述楔形块A40和楔形块B50均为两个，每侧卡槽余隙内卡装一组楔形块A40和楔形块B50时为最优选择，容易安装，且紧固效果好，不易松脱。容易理解的，楔形块A40和楔形块B50也可以设置四个以上，装卡时，只需分别在位于所述试件30两端的卡槽余隙内多装入一组楔形块A40和楔形块B50即可，但数量增多会导致装卡困难。

实施例5

本实施例的一种分离式霍普金森拉杆试件夹具，基本结构同实施例1至4任一，不同和改进之处在于，如图2、4所示，所述楔形块A40和楔形块B50相互配合后呈矩形，两者通过斜面配合，接触面积大，使得相互摩擦力较大，能够有效防脱；且相互配合形成矩形后，两端面能够满足与试件30端面和卡槽Ⅰ11、卡槽Ⅱ21底面的紧密配合，对试件30产生沿其轴线方向的平行挤压力，使试件30端部受力均匀，避免出现受拉倾斜，提高测试数据的准确性。

实施例6

一种应用实施例1至5任一中所述的分离式霍普金森拉杆试件夹具快速装卡试件的方法，装卡工艺步骤包括：

步骤一、卡装前准备：将入射杆10和透射杆20调整至同轴相对位置，且入射杆10上的卡槽Ⅰ11与透射杆20上的卡槽Ⅱ21保持平行；

步骤二、卡装试件：将试件30的一端卡入所述卡槽Ⅰ11内，另一端卡入所述卡槽Ⅱ21内；

步骤三、卡装楔形块：

ⅰ、取一对楔形块A40和楔形块B50，将楔形块A40从所述卡槽Ⅰ11一侧径向插在试件30端部与入射杆10之间的空隙内；

ⅱ、将楔形块B50从所述卡槽Ⅰ11另一侧径向插在楔形块A40与入射杆10之间的空隙内；

ⅲ、同时向卡槽Ⅰ11内推动楔形块A40和楔形块B50至两者不再发生相对运动为止；

ⅳ、按所述ⅰ至ⅲ步骤在试件30端部与所述卡槽Ⅱ21之间的卡槽余隙内安装另一对楔形块A40和楔形块B50；

步骤四、固定入射杆10和透射杆20，完成试件30卡装。

如图2所示，装卡完成后，所述入射杆10、试件30和透射杆20位于同一轴线上，测试时，保证试验时试件30所受拉力反向、共线，避免产生扭力干扰，测试数据的准确性和精度较高。

所述试件30与所述卡槽Ⅰ11和卡槽Ⅱ21无间隙配合，测试时，试件30受到的拉伸应力更加平稳，进一步提高了测试数据的准确性和精度。

本实施例中的分离式霍普金森拉杆试件装卡方法，具有试件30容易加工，装卡速度快，试件30受力平稳等优点，使得试验效率高，数据准确性和精度高。

实施例7

本实施例的一种分离式霍普金森拉杆试件装卡方法，基本步骤同实施例6，不同和改进之处在于，如图3所示，所述试件30制备成“工”字型，其包括测试段32和位于测试段32两端的限位端31，所述限位端31用于与卡槽Ⅰ11和卡槽Ⅱ21配合，实现轴向限位连接，所述限位端31的宽度大于所述测试段32，以避免拉伸过程中限位端31出现变形或拉断现象而影响测试结果。

所述限位端31侧视呈“T”形，以实现与呈“T”形的卡槽Ⅰ11和卡槽Ⅱ21的配合限位。

本实施例中，所述试件30为45#钢材料，测试后试件30拉伸断裂后的状态如图5所示，试件30的应力应变曲线图如图6所示。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种分离式霍普金森拉杆试件夹具，其特征在于，包括：

入射杆(10)，其一端设置有用于卡装试件(30)的卡槽Ⅰ(11)；以及

透射杆(20)，其一端设置有用于卡装试件(30)的卡槽Ⅱ(21)；以及

楔形块A(40)和楔形块B(50)，其相互配合填充于所述试件(30)两端与卡槽Ⅰ(11)和卡槽Ⅱ(21)之间的卡槽余隙内。

2.根据权利要求1所述的一种分离式霍普金森拉杆试件夹具，其特征在于：所述卡槽Ⅰ(11)和卡槽Ⅱ(21)均为沿杆径向设置的“T”形通槽。

3.根据权利要求1所述的一种分离式霍普金森拉杆试件夹具，其特征在于：所述入射杆(10)和所述透射杆(20)同轴设置。

4.根据权利要求1所述的一种分离式霍普金森拉杆试件夹具，其特征在于：所述楔形块A(40)和楔形块B(50)均为两个。

5.根据权利要求4所述的一种分离式霍普金森拉杆试件夹具，其特征在于：所述楔形块A(40)和楔形块B(50)相互配合后呈矩形。

6.一种分离式霍普金森拉杆试件装卡方法，其特征在于，装卡工艺步骤包括：

步骤一、卡装前准备：将入射杆(10)和透射杆(20)调整至同轴相对位置，且入射杆(10)上的卡槽Ⅰ(11)与透射杆(20)上的卡槽Ⅱ(21)保持平行；

步骤二、卡装试件：将试件(30)的一端卡入所述卡槽Ⅰ(11)内，另一端卡入所述卡槽Ⅱ(21)内；

步骤三、卡装楔形块：

ⅰ、取一对楔形块A(40)和楔形块B(50)，将楔形块A(40)从所述卡槽Ⅰ(11)一侧径向插在试件(30)端部与入射杆(10)之间的空隙内；

ⅱ、将楔形块B(50)从所述卡槽Ⅰ(11)另一侧径向插在楔形块A(40)与入射杆(10)之间的空隙内；

ⅲ、同时向卡槽Ⅰ(11)内推动楔形块A(40)和楔形块B(50)至两者不再发生相对运动为止；

ⅳ、按所述ⅰ至ⅲ步骤在试件(30)端部与所述卡槽Ⅱ(21)之间的卡槽余隙内安装另一对楔形块A(40)和楔形块B(50)；

步骤四、固定入射杆(10)和透射杆(20)，完成试件(30)卡装。

7.根据权利要求6所述的一种分离式霍普金森拉杆试件装卡方法，其特征在于：装卡完成后，所述入射杆(10)、试件(30)和透射杆(20)位于同一轴线上。

8.根据权利要求6所述的一种分离式霍普金森拉杆试件装卡方法，其特征在于：装卡完成后，所述试件(30)与所述卡槽Ⅰ(11)和卡槽Ⅱ(21)无间隙配合。

9.根据权利要求6所述的一种分离式霍普金森拉杆试件装卡方法，其特征在于：所述试件(30)制备成“工”字型，其包括测试段(32)和位于测试段(32)两端的限位端(31)，所述限位端(31)的宽度大于所述测试段(32)。

10.根据权利要求9所述的一种分离式霍普金森拉杆试件装卡方法，其特征在于：所述限位端(31)侧视呈“T”形。