CN110082203B - 测试材料拉伸/压缩高应变率力学性能的装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测试材料拉伸/压缩高应变率力学性能的装置及测试方法，采用撞击杆直接撞击作用到应力波转接过渡杆件，然后加载压缩应力通过双侧压杆传递到拉伸入射杆端的梯型低弯矩应力转接头，这样对拉伸入射杆加一可控的拉伸应力波脉冲，进而对处在入射杆和透射杆之间连接的试样施加动态拉伸加载，完成对试样的动态拉伸性能测试。如果撞击杆直接撞击作用到透射杆(拉伸时为入射杆)，对处于两杆之间的压缩试样加载，就可以实现动态材料压缩性能测试，节省了庞大的占用面积同时，其结构简单方便可靠。
Description
技术领域
本发明属于力学性能的装置及测试方法，涉及一种测试材料拉伸/压缩高应变率力学性能的装置及测试方法。
背景技术
在对各种材料测试其高应变率力学性能时，常常是基于分离式霍普辛森杆原理，要测试材料动态压缩性能时，采用分离式霍普辛森压缩杆装置；而测试材料拉伸性能时，采用分离式霍普辛森拉伸杆装置。这两种拉/压装置各自有独立的支架平台、撞击杆发射装置、加载杆系统、数据采集系统。到目前为止不论国际、国内出现多少种变化结构形式，但进行拉伸和压缩的分离式霍普辛森杆基本形式基本没变。
参照图1，文献：1.R.M.Davies,A Critical Study of the Hopkinson PressureBar,Philos.Trans.R.Soc.(London)A,Vol 240,1748,p 375；2.H.Kolsky,AnInvestigation of the Mechanical Properties of Materials at Very High Rates ofLoading,Proc.R.Soc.(London)B,Vol 62,1749,p 676，公开了一种对材料进行动态压缩测试的方法。该装置包括有气动发射炮管1、撞击杆2、入射杆3、压缩试样4、透射杆5、应变片6。
按照这种方法，进行动态压缩测试时，首先将压缩试样4放置于入射杆3和透射杆5中间，使得试样6的左右端面分别与入射杆3和透射杆5接触。然后，利用撞击杆2冲击入射杆3产生入射脉冲。产生的入射脉冲通过入射杆3加载至试样4上，一部分入射脉冲在入射杆3右端面形成反射脉冲并向入射杆3左端传输，另一部分则进入透射杆5形成透射脉冲。利用位于入射杆3和透射杆5表面的两个应变片6记录脉冲，利用一维弹性应力波理论和Hopkinson杆原理，即可将得到的脉冲信号转化为应力-应变曲线。
参照图2-1、2-2、2-3，文献：3.J.Harding,E.D.Wood,and J.D.Campbell,TensileTesting of Material at Impact Rates of Strain,J.Mech.Eng.Sci.,Vol 2,1760,p88–96；4.C.Albertini and M.Montagnani,Testing Techniques Based on the SplitHopkinson Bar,Mechanical Properties at High Rates of Strain,J.Harding,Ed.,Institute of Physics,London,1774；5.T.Nicholas,Tensile Testing of Materials atHigh Rates of Strain,Exp.Mech.,Vol 19,1780,p 157–165，公开了三种对材料进行动态拉伸测试的方法。第一种方法中包含的装置有拉伸透射杆7、拉伸入射杆8、拉伸试样11、应变片6、撞击管9、法兰盘10。将拉伸试样11通过螺纹和拉伸入射杆8与拉伸透射杆7连接起来，然后利用撞击管9冲击拉伸入射杆8的法兰盘10产生拉伸入射脉冲。产生的拉伸入射脉冲通过拉伸入射杆8加载至拉伸试样11上，一部分入射脉冲在拉伸入射杆8左端面形成反射脉冲并向拉伸入射杆8右端传输，另一部分则进入拉伸透射杆7形成透射脉冲。利用位于拉伸入射杆8和拉伸透射杆7表面的两个应变片6记录脉冲，利用一维弹性应力波理论和Hopkinson杆原理，即可将得到的脉冲信号转化为应力-应变曲线。
第二种方法中包含的装置有撞击管9、拉伸透射杆7、拉伸入射杆8、拉伸试样11、应变片6、圆柱筒12。将拉伸试样11通过螺纹和拉伸入射杆8与拉伸透射杆7连接起来，然后利用撞击管9冲击和拉伸入射杆8相连的圆柱筒12产生拉伸入射脉冲。产生的拉伸入射脉冲通过拉伸入射杆8加载至拉伸试样11上，一部分入射脉冲在拉伸入射杆8左端面形成反射脉冲并向拉伸入射杆8右端传输，另一部分则进入拉伸透射杆7形成透射脉冲。利用位于拉伸入射杆8和拉伸透射杆7表面的两个应变片6记录脉冲，利用一维弹性应力波理论和Hopkinson杆原理，即可将得到的脉冲信号转化为应力-应变曲线。
同时参考图2-2是通过撞击管9撞击圆柱筒12从而在拉伸入射杆8上产生脉冲，一方面由于拉伸入射杆8被圆管包裹，应变片6的粘贴和导线的引出较为复杂；另一方面，圆柱筒12内空间狭小且相对密封，无法放置高温炉或低温箱等装置，无法实现材料在不同温度下的动态拉伸测试。
第三种方法中包含的装置有拉伸透射杆7、拉伸入射杆8、拉伸试样11、应变片6、法兰盘10、炸药飞片13。将拉伸试样11通过螺纹和拉伸入射杆8与拉伸透射杆7连接起来，然后利用炸药飞片13爆炸产生的冲击作用于与拉伸入射杆8相连的法兰盘10产生拉伸入射脉冲。产生的拉伸入射脉冲通过拉伸入射杆8加载至拉伸试样11上，一部分入射脉冲在拉伸入射杆8左端面形成反射脉冲并向拉伸入射杆8右端传输，另一部分则进入拉伸透射杆7形成透射脉冲。利用位于拉伸入射杆8和拉伸透射杆7表面的两个应变片6记录脉冲，利用一维弹性应力波理论和Hopkinson杆原理，即可将得到的脉冲信号转化为应力-应变曲线。
实际上，到目前为止，基于Hopkinson原理的设备，对材料进行动态拉伸或者动态压缩测试时需要分别使用Hopkinson拉杆装置和Hopkinson压杆两套独立的装置上进行，一方面对试验操作耗时麻烦、设备建设成本高，采集处理系统复杂化；另一方面采购两套独立设备重复购置(重复购置或建设包括平台装置、气动控制、储气室、炮管、撞击杆发射机构、动态采集与数据处理系统等)，且实验场地占用大。这就非常有必要发展一种拉/压一体式分离式霍普辛森杆装置。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种测试材料拉伸/压缩高应变率力学性能的装置及测试方法，实现用同一个支架平台、同一个撞击杆发射装置、同一个数据采集系统等上，既能进行分离式霍普辛森杆动态压缩又能进行动态拉伸试验。
技术方案
一种测试材料拉伸/压缩高应变率力学性能的装置，包括炮管1、撞击杆2、拉伸透射杆7、拉伸入射杆8和两个应变片6；其特征在于还包括侧压杆14、人字型转接件15、梯型转接件16、滑动约束件17和拉\压转接头18；人字型转接件15与梯型转接件16之间设有上下两根侧压杆14，人字型转接件15与两根侧压杆14的连接端面实现广义波阻抗匹配，由一滑动约束件17约束；拉伸透射杆7之间拉伸入射杆8为被测试件，一并置于两根侧压杆14中，拉伸入射杆8的一端与梯型转接件16连接；两个应变片6分别设于拉伸透射杆7和拉伸入射杆8上；所述人字型转接件15与撞击杆2同轴且广义波阻抗和撞击杆2匹配或撞击杆广义波阻抗低于人字型转接件15。
将人字型转接件15和梯型转接件16移开或取除，在拉伸入射杆8和拉伸透射杆7连接被测试件端面的螺纹孔内分别拧入拉/压转接头18，使得两个端面为平面，拉/压转接头18内为进行动态压缩测试的被测试件；在动态压缩测试时，拉伸入射杆8为压缩透射杆20，拉伸透射杆7为压缩入射杆19。
一种利用所述测试材料拉伸/压缩高应变率力学性能的装置对材料进行动态拉伸测试的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将拉伸试样11通过螺纹和拉伸入射杆8与拉伸透射杆7连接起来，一并置于两根侧压杆14中；
步骤2：控制气压推动撞击杆2撞击人字型转接件15的左端进行冲击加载，加载应力波沿侧压杆14传至侧压杆14右端，通过梯型转接件16对拉伸入射杆8施加拉伸加载从而产生拉伸入射脉冲；
步骤3：产生的拉伸入射脉冲通过拉伸入射杆8加载至拉伸试样11上，一部分入射脉冲在拉伸入射杆8左端面形成反射脉冲并向拉伸入射杆8右端传输，另一部分则进入拉伸透射杆7形成透射脉冲；
步骤4：利用位于拉伸入射杆8和透拉伸射杆7表面的两个应变片6记录脉冲，利用一维弹性应力波理论和Hopkinson压杆原理，即可将得到的脉冲信号转化为应力-应变曲线。
一种利用所述测试材料拉伸/压缩高应变率力学性能的装置对材料进行动态压缩测试的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将拉/压转接头18拧入拉伸入射杆8和拉伸透射杆7端面的螺纹孔内，使其和试样接触的端面变的平整光洁；
步骤2：控制气压推动撞击杆2撞击加装拉/压转接头18后压缩入射杆19的左端进行冲击加载，加载应力波沿压缩入射杆19传至压缩试样4，一部分入射脉冲在压缩入射杆19右端面形成反射脉冲并向压缩入射杆19左端传输，另一部分则进入压缩透射杆20形成透射脉冲；
步骤3：利用位压缩透射杆20和压缩入射杆19表面的两个应变片6记录脉冲，利用一维弹性应力波理论和Hopkinson压杆原理，即将得到的脉冲信号转化为应力-应变曲线。
有益效果
本发明提出的一种测试材料拉伸/压缩高应变率力学性能的装置及测试方法，采用撞击杆直接撞击作用到轭型(人字型)应力波转接过渡杆件，然后加载压缩应力通过双侧压杆传递到拉伸入射杆端的梯型低弯矩应力转接头，这样对拉伸入射杆加一可控的拉伸应力波脉冲，进而对处在入射杆和透射杆之间连接的试样施加动态拉伸加载，完成对试样的动态拉伸性能测试。如果撞击杆直接撞击作用到透射杆(拉伸时为入射杆)，对处于两杆之间的压缩试样加载，就可以实现动态材料压缩性能测试，节省了庞大的占用面积同时，其结构简单方便可靠。
本发明无需对Hopkinson杆做大的改动，只需重新加工侧压杆14、人字型转接件15、梯型转接件16和拉\压转接头18即可实现拉/压在同一个支架平台、同一个撞击杆发射装置、同一个数据采集系统同气室等，拉/压切换方便，减少了成本和很大的占地面积，操作简单可靠。
附图说明
图1是参考文献1、2提出的动态压缩测试方法示意图。
图2-1是参考文献3提出的动态拉伸测试方法示意图。
图2-2是参考文献4提出的动态拉伸测试方法示意图。
图2-3是参考文献5提出的动态拉伸测试方法示意图。
图3-1是本文发明的测试材料拉伸/压缩高应变率力学性能的一体式装置的结构示意图。
图3-2是本文发明的测试材料拉伸/压缩高应变率力学性能的一体式装置的结构示意图。
图中，1-炮管；2-撞击杆；3-入射杆；4-压缩试样；5-透射杆；6-应变片；7-拉伸透射杆；8-拉伸入射杆；9-撞击管；10-法兰盘；11-拉伸试样；12-圆柱筒；13-炸药飞片；14-侧压杆；15-人字型转接件；16-梯型转接件；17-滑动约束件；18-拉\压转接头；19-压缩入射杆；20-压缩透射杆；21-拉伸入射波；22-拉伸透射波；23-压缩入射波；24-压缩透射波。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
要解决的技术问题：进行分离式霍普辛森杆拉伸试验时，前提是要能在加载入射拉杆上产生可控构形的拉伸应力波脉冲(通常为梯形)。借鉴参考图2-2的思路，将图2-2中的圆柱筒12改成两侧相距有预定距离的侧压杆14，通过撞击杆2撞击拉伸入射杆8两侧的侧压杆14从而产生拉伸入射脉冲，这样一来，拉伸测试和压缩测试可以共用一套平台系统。(1)为了保证侧压杆14的撞击端和炮管1同轴且和撞击杆2的阻抗匹配，保证撞击杆产生的压缩梯形应力波脉冲在两侧压杆14上保持形式不变，撞击端与侧压杆14转接过渡件需要特殊设计；(2)由于采用加装侧压杆14的设计，为保证两侧压杆14的梯形压缩脉冲无失真转化传递成拉伸脉冲沿拉伸入射杆8传播，两侧压杆14和拉伸入射杆8的连接方式也需要特殊设计，为了保证试验时在拉伸试样处设置高低温箱或其它在线检测拉伸试样设备，两侧压杆14之间必须留有足够距离，这就使设计计算难度增加。
本发明所采用的技术方案是：如图3-1所示，建立一套具有拉/压动态加载及测试功能一体的Hopkinson系统，即可对材料进行动态拉伸，也可进行压缩性能测试。在对材料进行动态拉伸测试时，将拉伸试样11通过螺纹和拉伸入射杆8与拉伸透射杆7连接起来，在拉伸透射杆7的右端加装一梯型低弯矩应力传递的转接件16，通过此转接件将分布于拉伸入射杆8和拉伸透射杆7两侧的侧压杆14同拉伸入射杆8固定连接起来。在两根侧压杆14的左侧加装一人字型转接件15，此人字型转接件15右端面分别和两根侧压杆14的左端面广义波阻抗匹配，并连接在一起，由一滑动约束件17约束，其左端面和撞击杆2同轴且广义波阻抗和撞击杆2匹配，或撞击杆广义波阻抗低于人字型转接件15。控制气压推动撞击杆2撞击人字型转接件15的左端进行冲击加载，加载应力波沿侧压杆14传至侧压杆14右端，通过梯型转接件16对拉伸入射杆8施加拉伸加载从而产生拉伸入射脉冲。产生的拉伸入射脉冲通过拉伸入射杆8加载至拉伸试样11上，一部分入射脉冲在拉伸入射杆8左端面形成反射脉冲并向拉伸入射杆8右端传输，另一部分则进入拉伸透射杆7形成透射脉冲。利用位于拉伸入射杆8和透拉伸射杆7表面的两个应变片6记录脉冲，利用一维弹性应力波理论和Hopkinson压杆原理，即可将得到的脉冲信号转化为应力-应变曲线。
在对材料进行动态压缩测试时，将人字型转接件15和梯型转接件16移开或取除，然后将拉/压转接头18拧入拉伸入射杆8和拉伸透射杆7端面的螺纹孔内，使其和试样接触的端面变的平整光洁。然后控制气压推动撞击杆2撞击加装拉/压转接头18后的拉伸透射杆7(即压缩入射杆19)的左端进行冲击加载，加载应力波沿拉伸透射杆7(即压缩入射杆19)传至压缩试样4，一部分入射脉冲在拉伸透射杆7(即压缩入射杆19)右端面形成反射脉冲并向拉伸透射杆7(即压缩入射杆19)左端传输，另一部分则进入拉伸入射杆8(即压缩透射杆20)形成透射脉冲。利用位于拉伸入射杆8(即压缩透射杆20)和拉伸透射杆7(即压缩入射杆19)表面的两个应变片6记录脉冲，利用一维弹性应力波理论和Hopkinson压杆原理，即可将得到的脉冲信号转化为应力-应变曲线。简言之，更直接的另一种办法是，也可以换用两根端面无螺孔的标准杆，取代杆7和8，进行动态压缩试验。
参照图3-1和3-2，本发明适用各种直径的加载杆(不同材料均可)，在此以杆直径118mm为例说明，选用直径118mm，长度5000mm的圆柱铝合金杆作为拉伸入射杆8和拉伸透射杆7(根据需要也可采用不同材料的杆)，进行拉伸实验时，在距离拉伸入射杆8和拉伸透射杆7轴心155mm(根据需要可自行调节距离)的两侧各放置一根长10000mm直径50mm的侧压杆14，在右端通过梯型转接件16将两根侧压杆14和拉伸入射杆8连接起来。而在左端通过人字型转接件15将两根侧压杆14连接起来，这样就保证撞击端为圆截面且和拉伸入射杆8、拉伸透射杆7同轴，然后在人字型转接件15和侧压杆14的连接处设置滑动约束件17，用来约束侧压杆14的横向位移。人字型转接件18水平投影长度为600mm，垂直投影长度为350mm，和两根侧压杆14相连接的端面为直径50mm的圆截面，承受撞击杆2撞击的端面为直径70.7mm的圆截面，这样保证了人字型转接件15两端总截面积相同。当进行压缩实验时，将人字型转接件15和梯型转接件16卸下，然后用拉\压转接头18将拉伸入射杆8和拉伸透射杆7的内螺纹封堵住，形成光滑平整的圆截面，使其分别成为压缩透射杆20和压缩入射杆19。这样，将压缩试样4放置在压缩透射杆20和压缩入射杆19之间，即可开展动态压缩测试。
测试步骤：
压缩测试：
第一步：见图3-2，将拉\压转接头18分别拧进拉伸入射杆8和拉伸透射杆7的内螺纹孔内，使拉伸入射杆8和拉伸透射杆7变为压缩透射杆20和压缩入射杆19。
第二部：将撞击杆2置于炮管1底部，待气压到预定值，打开阀门，这时撞击杆2撞击压缩入射杆19并产生压缩脉冲，通过位于压缩透射杆20和压缩入射杆19表面的两个应变片6记录脉冲信号。
第三步：基于一维弹性应力波理论和分离式Hopkinson杆原理，通过分析应变片6上记录的应变信息，即可将得到的应变信息转化为应力-应变曲线。
拉伸测试：
第一步：见图3-1，将两根侧压杆14分别放置在拉伸入射杆8和拉伸透射杆7的两侧，左端通过人字型转接件15将两根侧压杆14连接起来，右端通过梯型转接件16将侧压杆14和拉伸入射杆8连接起来。
第二步：将撞击杆2置于炮管1底部，待气压到预定值，打开阀门，这时撞击杆2撞击人字型转接件15左端产生压缩入射脉冲，此压缩脉冲向右传递至侧压杆14右端，通过梯型转接件16对拉伸入射杆8施加拉伸加载从而产生拉伸入射脉冲。通过位于拉伸入射杆8和透拉伸射杆7表面的两个应变片6记录脉冲信号。
第三步：基于一维弹性应力波理论和分离式Hopkinson杆原理，通过分析应变片6上记录的应变信息，即可将得到的应变信息转化为应力-应变曲线。
Claims (1)
1.一种利用测试材料拉伸/压缩高应变率力学性能的装置对材料进行动态拉伸/压缩测试的方法，所述测试材料拉伸/压缩高应变率力学性能的装置包括炮管(1)、撞击杆(2)、拉伸透射杆(7)、拉伸入射杆(8)和两个应变片(6)；其特征在于还包括侧压杆(14)、人字型转接件(15)、梯型转接件(16)、滑动约束件(17)和拉\压转接头(18)；人字型转接件(15)与梯型转接件(16)之间设有上下两根侧压杆(14)，人字型转接件(15)与两根侧压杆(14)的连接端面实现广义波阻抗匹配，由一滑动约束件(17)约束；拉伸透射杆(7)与拉伸入射杆(8)之间为被测试件，一并置于两根侧压杆(14)中，拉伸入射杆(8)的一端与梯型转接件(16)连接；两个应变片(6)分别设于拉伸透射杆(7)和拉伸入射杆(8)上；所述人字型转接件(15)与撞击杆(2)同轴且广义波阻抗和撞击杆(2)匹配或撞击杆广义波阻抗低于人字型转接件(15)；
对材料进行动态拉伸测试的方法，步骤如下：
步骤1：将拉伸试样(11)通过螺纹和拉伸入射杆(8)与拉伸透射杆(7)连接起来，一并置于两根侧压杆(14)中；
步骤2：控制气压推动撞击杆(2)撞击人字型转接件(15)的左端进行冲击加载，加载应力波沿侧压杆(14)传至侧压杆(14)右端，通过梯型转接件(16)对拉伸入射杆(8)施加拉伸加载从而产生拉伸入射脉冲；
步骤3：产生的拉伸入射脉冲通过拉伸入射杆(8)加载至拉伸试样(11)上，一部分入射脉冲在拉伸入射杆(8)左端面形成反射脉冲并向拉伸入射杆(8)右端传输，另一部分则进入拉伸透射杆(7)形成透射脉冲；
步骤4：利用位于拉伸入射杆(8)和拉伸透射杆(7)表面的两个应变片(6)记录脉冲，利用一维弹性应力波理论和Hopkinson压杆原理，即可将得到的脉冲信号转化为应力-应变曲线；
对材料进行动态压缩测试的方法为，将人字型转接件(15)和梯型转接件(16)移开或取除，在拉伸入射杆(8)和拉伸透射杆(7)连接被测试件端面的螺纹孔内分别拧入拉/压转接头(18)，使得两个端面为平面，拉/压转接头(18)内为进行动态压缩测试的被测试件；在动态压缩测试时，拉伸入射杆(8)为压缩透射杆(20)，拉伸透射杆(7)为压缩入射杆(19)；
对材料进行动态压缩测试的方法，步骤如下：
步骤1：将拉/压转接头(18)拧入拉伸入射杆(8)和拉伸透射杆(7)端面的螺纹孔内，使其和试样接触的端面变的平整光洁；
步骤2：控制气压推动撞击杆(2)撞击加装拉/压转接头(18)后压缩入射杆(19)的左端进行冲击加载，加载应力波沿压缩入射杆(19)传至压缩试样(4)，一部分入射脉冲在压缩入射杆(19)右端面形成反射脉冲并向压缩入射杆(19)左端传输，另一部分则进入压缩透射杆(20)形成透射脉冲；
步骤3：利用位于压缩透射杆(20)和压缩入射杆(19)表面的两个应变片(6)记录脉冲，利用一维弹性应力波理论和Hopkinson压杆原理，即将得到的脉冲信号转化为应力-应变曲线。
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