CN110082204B - 一种双轴Hopkinson杆高应变率拉伸装置及测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双轴Hopkinson杆高应变率拉伸装置及测试方法，采用四根弯曲杆或管、四根拉伸加载用杆或管、与四根弯曲杆等波阻抗或低于波阻抗的撞击杆或管，对单轴拉伸试样或十字形双轴拉伸试样，同步的进行单轴动态高应变率拉伸加载，或对十字形试样进行双轴四方向的动态拉伸加载。通过对杆件及连接过渡部分的机械设计，很容易的实现材料同步双轴或单轴拉伸动态力学性能测试，结构装置简单可靠，容易实现。

Description

一种双轴Hopkinson杆高应变率拉伸装置及测试方法
技术领域
本发明属于应变率拉伸装置及测试方法，涉及一种双轴Hopkinson杆高应变率拉伸装置及测试方法。
背景技术
参照图1，文献：刘晓明，橡胶双轴拉伸试验机的研制与试验研究[J/OL].机械科学与技术:1-8，2018,公开了一种对橡胶材料测试的双轴拉伸试验装置。该装置包括有伺服电动缸1、联轴块2、力传感器3、试样4、夹具5。
此设备在进行双轴拉伸试验时，首先通过四个相同的夹具5分别夹持或固连住十字形试样4每个臂的末端，并控制各个方向伺服电动缸1的拉伸位移和速度等参数拉动联轴块2来实现对四个臂的加载，其通过两个方向各一个的力传感器3和CCD摄像头实时采集试验过程中的力、位移和应变等数据。试验过程中，测控系统同时控制四个伺服电动缸1的动作以实现同方向两轴的动作一致。
参照图2，文献：Nie Hailiang,Suo Tao,Shi Xiaopeng,Liu Huifang,Li Yulong,Zhao Han，Symmetric split Hopkinson compression and tension tests usingsynchronized electromagnetic stress pulse generators.International Journal ofImpact Engineering,12273–82，2018,公开了一种使用电磁同步产生对称应力脉冲的拉压霍普金森杆试验装置。该装置包括有试样4、LC放电电路6、有效线圈7、感应线圈8、入射杆9、应变片10。
此设备的工作原理是基于电磁能量转换，在进行试验时，由LC放电电路6控制充电放电，在触发时，放电电流均匀流入两个有效线圈7，作用于感应线圈8，在入射杆9中产生应力波脉冲，相同的电能在两个入射杆9上转换成相同的应力脉冲，应力脉冲同时到达中心试样4处，从而实现了两端同步加载拉伸或压缩载荷。
实际上，材料动态拉伸性能测试时，要求对试样加以零点几米到数十米的恒速，才可以实现材料在十的二次方量级到十的四次方量级的应变率。参考图1中的双轴拉伸装置采用的伺服电动缸1运动恒速运动加载，但伺服电动缸1运动速度通常很低，所以此图1可实现材料静态或低应变率双轴拉伸，进行材料在多轴高应变率加载的一个前提是每个轴(或方向)间互相加载的起步要一致，即同步问题，加载速度越高，试样应变率越高，高应变率加载时间往往在数十到几百微秒之间，轴间加载同步理想是时间差是零，但依赖多个相同部件要实现微秒量级的同步不是容易的事情，所以多轴间同步一直是面临的最大挑战。图1原理的设备仅可进行极低应变率或低速同步材料的双轴拉伸。参考图2中的使用电磁同步产生对称应力脉冲的拉压霍普金森杆试验装置，报道可实现单轴对拉/压材料性能的动态拉伸性能测试。要实现对称拉/压动态加载，是要依靠高精度一致的两套有效线圈7和感应线圈8来实现两端同步加载，从机械件与电感器件总成，要制作两套有效线圈7和感应线圈8性能完全一样要求极高，这就好比要孪生子无任何差别一样，难度极大。目前图2原理实现的最好同步差约十微秒，况且还要依靠电磁结合在入射杆9上产生高应变率所需的任意脉宽的梯形应力波脉冲(数十微秒到数百微秒)也不是易事。同时，其依赖电磁加速原理来产生多路一定构形的同步应力波脉冲，导致强电磁结构制作复杂，电磁干扰且成本巨高。
多轴高应变率拉伸加载的两个关键问题是：1)施加在试样的应力波构形是梯形形式，这样可使试样上加载的速度就是恒定的。应用一百多年的单轴分离式霍普金森杆就理想实现这个的方法；2)要保障加载在试样的动态力或位移要同步，即加载轴间同步一致，理想同步差是零。
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，本发明提出一种双轴Hopkinson杆高应变率拉伸装置及测试方法，解决材料在高应变率下的单轴对拉(单轴)或双轴二维拉伸加载方法。
技术方案
一种双轴Hopkinson杆高应变率拉伸装置，其特征在于包括四根双轴拉伸入射杆9和入射杆上的应变片10、四根弯曲杆12和撞击杆11；四根双轴拉伸入射杆9形成十字交叉的双轴拉伸入射杆9排布形式，十字交叉的中心为被测试件；双轴拉伸入射杆9端点通过法兰盘13与弯曲杆12的一端连接，四根弯曲杆12的另一端与撞击杆11连接，撞击杆11与弯曲杆12耦合的关系，通过法兰盘13将弯曲杆12中的压缩应力脉冲转换为拉伸入射杆9中的拉伸应力脉冲；所述撞击杆11与四根弯曲杆12组合的中心同轴。
所述四根弯曲杆12的广义波阻抗总和匹配或高于撞击杆11的广义波阻抗。
所述所述弯曲杆12在初始的一段距离采用直杆，直杆的长度恰好为撞击杆11长度的二倍，为脉宽的长度；弯曲杆12的中部设有滑动约束件14限位，在进入水平段时，弯曲杆12变为套管状，直接套在在拉伸入射杆9上，套筒段的长度为撞击杆11长度的二倍。
一种利用所述双轴Hopkinson杆高应变率拉伸装置的测试方法，其特征在于步骤如下：
第一步：将四根弯曲杆12与撞击杆11安装到位，利用滑动约束件14，调整位置以保证四根杆的端面平齐，使得四根杆同时被撞击；
第二步：将四根拉伸入射杆9通过弯曲杆12的套筒段的孔，穿入弯曲杆12，并固定在试验架上，并让弯曲杆12的套筒端面与法兰盘13螺栓连接；
第三步：安装试样4于四根拉伸入射杆9中心，并将撞击杆11推入气炮炮管底部，发射后撞击杆11将在弯曲杆12中产生压缩波，通过弯曲杆12传播，到达水平套筒段，撞击法兰盘13，使得压缩波转换为拉伸入射杆9上的拉伸波；通过位于四根拉伸入射杆9上的应变片10采集记录脉冲信号。
第四步：基于弹性应力波理论和Hopkinson杆原理，通过分析应变片10上的应变信息，即得到双轴高应变率拉伸的应力-应变曲线。
有益效果
本发明提出的一种双轴Hopkinson杆高应变率拉伸装置及测试方法，采用四根弯曲杆或管、四根拉伸加载用杆或管、与四根弯曲杆等波阻抗或低于波阻抗的撞击杆或管，对单轴拉伸试样或十字形双轴拉伸试样，同步的进行单轴动态高应变率拉伸加载，或对十字形试样进行双轴四方向的动态拉伸加载。通过对杆件及连接过渡部分的机械设计，很容易的实现材料同步双轴或单轴拉伸动态力学性能测试，结构装置简单可靠，容易实现。
本发明的有益效果是：采用机械形式连接。使用一个撞击杆11同时撞击四根完全相同的弯曲杆12，加载脉冲可同时产生，这就保证了双轴高应变率拉伸加载的同步性。撞击杆11与弯曲杆12的阻抗关系可变，撞击杆11形式的可变就可以实现互相垂直的两方向加载波不同幅值加载；也可将一个方向的加载杆去掉，进行单轴双向同步高应变率加载试验。弯曲杆12与水平拉伸入射杆9的过渡设计，变为套筒形式，保证了均匀撞击，产生理想的拉伸加载波形，这种单撞击杆撞击四根杆子的设计，实现了双轴或单轴高应变率拉伸试验的同步性。
附图说明
图1是参考文献1提出的一种测试橡胶材料的双轴静态拉伸装置
图2是参考文献2提出的一种使用电磁同步产生对称应力脉冲的拉压霍普金森杆试验装置
图3-1是本发明中总体的结构框架图
图3-2是本发明中撞击杆11与弯曲杆12撞击时的相互关系示意图
图3-3是本发明中一个支向的弯曲杆12、入射杆9、法兰盘13、试件4、滑动约束件14以及应变片10之间的组合示意图
图3-4是本发明中入射杆9端部与法兰盘13使用螺栓连接示意图，以及弯曲杆12套在入射杆9上撞击法兰盘13的形式示意图
图中，1-伺服电动缸；2-联轴块；3力传感器；4-试样；5-夹具；6-LC放电电路；7-有效线圈；8-感应线圈；9-入射杆；10-应变片；11-撞击杆；12-弯曲杆；13-法兰盘；14-滑动约束件
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
对于动态双轴拉伸加载装置，本发明采取：1)为了获得梯形可控的加载波构形，仍然基于单轴分离式霍普金森杆原理；2)为了实现多轴间同步问题，本发明采取四个单轴分离式霍普金森杆结构，采用同一撞击杆11,撞击四根弯曲杆12，使4个相同的应力波对双轴拉伸试样进行同步加载。从机械加工制作相同四根应力波传递弯曲杆12、四根拉伸入射杆9、同一撞击杆11，机械加工一致性，法兰盘13机械调节等方面实现加载的同步问题。
具体解决问题为：借鉴图1的双轴拉伸模式，再结合目前传统的霍普金森杆试验原理，建立十字交叉的双轴拉伸入射杆9排布形式，通过法兰盘13将弯曲杆12中的压缩应力脉冲转换为拉伸入射杆9中的拉伸应力脉冲。在这其中，要解决应力加载脉冲的转换、波形的控制、同时加载的实现、撞击杆11的设计、撞击杆11与弯曲杆12耦合的关系、弯曲杆12设计、法兰盘13设计等这些问题。
本发明所采用的技术方案是：如图3-1所示，建立一种十字交叉形的具有高应变率加载的双轴拉伸Hopkinson系统，即在两个方向上对测试试样进行同步动态拉伸，以实现对材料的双轴拉伸性能的测试。在对材料进行双轴动态拉伸时，如图3-2所示，撞击杆11高速撞击四根弯曲杆12，产生压缩应力脉冲。为了实现弯曲杆12波形的控制，撞击杆11与四根弯曲杆12组合的中心同轴，弯曲杆12曲率设计保障压缩梯形应力波构形在传递时失真度小，且4根弯曲杆12的广义波阻抗总和匹配或高于撞击杆11的广义波阻抗，以避免弯曲杆12中的波形出现失真拖尾等现象。如图3-3所示，弯曲杆12在初始的一段距离采用直杆，直杆的长度恰好为撞击杆11长度的二倍，为脉宽的长度，让脉冲的传播在弯曲杆中有一个过渡。弯曲杆12在其中部有滑动约束件14限位，在进入水平段时，弯曲杆12变为套管状，直接套在在拉伸入射杆9上，套筒段的长度为撞击杆11长度的二倍，这是为了让弯曲杆中各点的波形均匀，且端部对法兰盘13均匀加载，产生良好的拉伸应力波波形。如图3-4所示，拉伸入射杆9与法兰盘13使用螺栓连接，套管在法兰盘13处撞击，使得拉伸入射杆9上产生拉伸波应力脉冲。应变片10采集到入射波信号和加载过后的透射波和反射波信号。
在进行双轴高应变率拉伸试验时，撞击杆11在发射气室内通过预先设置好的压强的充气气体推动而出，在四根弯曲杆12端部撞击，产生四个沿各自路径传播的压缩波脉冲。这四个脉冲沿弯曲杆12逐渐到达加载杆所在平面，通过水平过渡处过渡，实心杆变为管状，套在拉伸入射杆9上，压缩波到达弯曲杆12套筒端部时，与固定在拉伸入射杆9上的法兰盘13撞击，压缩波在端面传播，转化为拉伸入射杆9上的拉伸波。四根拉伸入射杆9上的拉伸波同时向中心试样4传播，经过贴在杆子上的应变片10，最终在双轴拉伸试样4处加载，实现材料的双轴高应变率拉伸测试。应变片10采集到了入射的拉伸波，反射的压缩波和透射的拉伸波信号的组合，通过采集设备转化为应力-应变数据进而获得曲线。本发明中，若通过改变撞击杆11与弯曲杆12端部排列方式和阻抗的匹配关系，亦可实现互相垂直的两方向加载波不同幅值加载；或者将一个方向的拉伸杆去掉，亦可进行单轴双向同步加载。
具体实施例：
参照图3-1，3-2，3-3及3-4，本发明适用于各种直径及材料的加载杆(杆的广义波阻抗匹配即可)，在此，选用直径为15mm的拉伸加载杆13为例说明实施方式。选用直径15mm，长度1150mm长的圆柱形钢杆为拉伸加载杆13；选用直径25mm，弯曲段曲率半径800mm，直杆段长为400mm的弯曲杆12，在其中部弯曲段设置有滑动约束件14，以保证弯曲杆的固定，并在水平加载平面段为管状，过渡为套筒形式，套在拉伸入射杆9上；选用直径为120mm的铝合金撞击杆11，以保证撞击杆11的广义波阻抗匹配或低于四根弯曲杆12广义波阻抗，从而避免弯曲杆12中波形拖尾等不良现象。拉伸入射杆9与法兰盘13之间使用螺栓连接，且法兰盘13直径采用27mm，以便弯曲杆12套筒撞击法兰盘13以在拉伸入射杆9杆端产生拉伸应力脉冲，弯曲杆12在波形转换端采用套筒形式保障了力的作用的均匀性，使得拉伸入射杆9上的波形更有利于试验的进行。试样4螺栓连接在加载平面的十字中央，其设计为一种带有双向固定端的试样，四根拉伸入射杆9同时对其拉伸加载。应力脉冲在拉伸入射杆9上的传播，由贴在杆上的应变片10采集，通过解析公式计算可以得出被测试材料的双轴动态拉伸应力-应变曲线，测试其双轴动态拉伸性能。在此基础上，可以通过改变撞击杆11与弯曲杆12的材质及直径关系，实现双轴不同幅值的拉伸应力波脉冲的同步加载，也可去掉一个轴向实现单轴双向同步高应变率拉伸加载。
测试步骤：
第一步：见图3-2，将四根弯曲杆12安装到位，利用滑动约束件14，调整位置以保证四根杆的端面平齐，使得四根杆同时被撞击。
第二步：见图3-3，将四根拉伸入射杆9通过弯曲杆12的套筒段的孔，穿入弯曲杆12，并固定在试验架上，并让弯曲杆12的套筒端面与法兰盘13螺栓连接。
第三步：安装试样4，并将撞击杆11推入气炮炮管底部，发射后撞击杆11将在弯曲杆12中产生压缩波，通过弯曲杆12传播，到达水平套筒段，撞击法兰盘13，使得压缩波转换为拉伸入射杆9上的拉伸波。通过位于四根拉伸入射杆9上的应变片10采集记录脉冲信号。
第四步：基于弹性应力波理论和Hopkinson杆原理，通过分析应变片10上的应变信息，即可得到双轴高应变率拉伸的应力-应变曲线。

Claims (3)

1.一种双轴Hopkinson杆高应变率拉伸装置，其特征在于包括四根双轴拉伸入射杆(9)和入射杆上的应变片(10)、四根弯曲杆(12)和撞击杆(11)；四根双轴拉伸入射杆(9)形成十字交叉的双轴拉伸入射杆(9)排布形式，十字交叉的中心为被测试件；双轴拉伸入射杆(9)端点通过法兰盘(13)与弯曲杆(12)的一端连接，四根弯曲杆(12)的另一端与撞击杆(11)连接，撞击杆(11)与弯曲杆(12)耦合的关系，通过法兰盘(13)将弯曲杆(12)中的压缩应力脉冲转换为拉伸入射杆(9)中的拉伸应力脉冲；所述撞击杆(11)与四根弯曲杆(12)组合的中心同轴；
所述弯曲杆(12)在初始的一段距离采用直杆，直杆的长度恰好为撞击杆(11)长度的二倍，为脉宽的长度；弯曲杆(12)的中部设有滑动约束件(14)限位，在进入水平段时，弯曲杆(12)变为套管状，直接套在拉伸入射杆(9)上，套筒段的长度为撞击杆(11)长度的二倍。
2.根据权利要求1所述双轴Hopkinson杆高应变率拉伸装置，其特征在于：所述四根弯曲杆(12)的广义波阻抗总和匹配或高于撞击杆(11)的广义波阻抗。
3.一种利用权利要求1～2所述任一项双轴Hopkinson杆高应变率拉伸装置的测试方法，其特征在于步骤如下：
第一步：将四根弯曲杆(12)与撞击杆(11)安装到位，利用滑动约束件(14)，调整位置以保证四根杆的端面平齐，使得四根杆同时被撞击；
第二步：将四根拉伸入射杆(9)通过弯曲杆(12)的套筒段的孔，穿入弯曲杆(12)，并固定在试验架上，并让弯曲杆(12)的套筒端面与法兰盘(13)螺栓连接；
第三步：安装试样(4)于四根拉伸入射杆(9)中心，并将撞击杆(11)推入气炮炮管底部，发射后撞击杆(11)将在弯曲杆(12)中产生压缩波，通过弯曲杆(12)传播，到达水平套筒段，撞击法兰盘(13)，使得压缩波转换为拉伸入射杆(9)上的拉伸波；通过位于四根拉伸入射杆(9)上的应变片(10)采集记录脉冲信号；
第四步：基于弹性应力波理论和Hopkinson杆原理，通过分析应变片(10)上的应变信息，即得到双轴高应变率拉伸的应力-应变曲线。
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