CN110196198A - 可精确定量化电磁控制的高温Hopkinson杆拉伸试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可精确定量化电磁控制的高温Hopkinson杆拉伸试验装置及方法，在传统分离式Hopkinson拉杆上加装了三套高精度延时器、1套电磁推杆系统和1套电磁拖曳系统，利用电磁推动机构和高精度延时装置可以精确控制高温动态拉伸试验中包括撞击产生过程、试样运动与加载杆组装过程、加载杆运动过程各个步骤的起止时间及整个试验过程的冷接触时间，可以精确地直接测试材料在高温下的动态力学性能。该装置集成程度高，操作简单，将传统Hopkinson高温拉伸试验方法经验性的操作流程标准化，自动化程度较高，避免气动控制重复性差的问题，大幅提高了高温动态拉伸试验的精确度。
Description
技术领域
本发明属于Hopkinson杆拉伸试验装置，涉及一种可精确定量化电磁控制的高温Hopkinson杆拉伸试验装置及方法。
背景技术
随着材料应用领域越来越广泛，尤其是在航空航天工业领域，材料常常处于高温、高应变率的极端工作环境，因此，确定材料在高温环境下的动态力学性能是力学专业和材料专业一直关心的重大问题。分离式Hopkinson杆技术作为测试材料动态力学性能最重要的方法，如何在高温环境下进行准确的动态性能测试成为Hopkinson杆技术发展亟需解决的问题。
利用常规Hopkinson拉杆开展高温拉伸试验的主要难点：试样与加载杆紧密接触，加载杆杆端也被同时加热，产生温度梯度。文献1：Klepaczko J R,Rusinek A,etal.Modelling of thermo-viscoplastic behaviour of DH-36and Weldox 460-Estructural steels at wide ranges of strain rates and temperatures，comparisonof constitutive relations for impact problems[J].Mechanics of Materials,2009,41(5):599-621的研究表明，当温度大于大约0.2Tm(熔点温度)时，金属材料的弹性模量随温度增加几乎直线下降。由于Hopkinson杆技术是基于一维应力波理论的，加载杆上的温度分布将造成沿杆轴向的波阻抗发生变化，影响应力波的传播，进而影响材料动态流动行为的测试准确性。对于既要实现高应变率、超高温度，又要同时使试样处在高温，由于拉伸加载时试样必须与加载杆连接这个基本要求，导致Hopkinson拉杆在高温下测试材料性能非常困难。
为解决上述问题，国内外针对高温Hopkinson拉杆装置的改进研究主要集中在三种方式：1)采用快速加热方式，缩短加热时间。部分学者提出一种快速加热装置，利用光学透镜将能量聚焦于试件对其进行加热，其热效率较高。由于该装置较复杂，其对设备的精度要求较高。如图5所示，文献2：Huang W,Zan X,et al.Experimental study on thedynamic tensile behavior of a poly-crystal pure titanium at elevatedtemperatures[J].Materials Science&Engineering A,2007,443(1-2):33-41提出了一种快速加热的Hopkinson拉杆装置，装置包括法兰盘4、撞击短杆35、应变片10、入射杆8、无机胶36、铜导体37、蓄热体38、高温炉39、平板试样40、短金属杆41、功率放大器42、瞬态转换器43、计算机44。该通过采用大热惯性的高温炉39来实现对试件的快速加温。实验前先将高温炉39中的金属芯轴蓄热体38加热到预设温度，然后通过铜导体37与平板试样40接触，通过热传导的方式对平板试样40进行加温，由于蓄热体38的热惯性很大，在短时间内即可在试件实验段形成较稳定的温度场。通过建立金属芯轴蓄热体38温度与平板试样40温度之间的关系，就可以达到通过控制蓄热体38的温度来控制平板试样40温度的效果。杆上与平板试样40接触部分的温升较为明显，并随着杆的轴向方向快速减小。2)修正温度场或避免温度场的影响。针对由于加热在加载杆端部造成的温度梯度场，有学者针对加载杆温度分布对应力波的影响对试验结果进行修正。温度场修正方法可以在一定程度修正高温测试结果，但由于过高的温度会造成加载杆材料微观组织的变化，影响加载杆的强度与使用寿命，加载杆的材料也限制了这种方法适用的温度范围不能超过加载杆的相变温度。3)采用离线加热后快速同步组装的方法。近年来，文献3：Tan X,Guo W,Gao X,et al.A New Techniquefor Conducting Split Hopkinson Tensile Bar Test at Elevated Temperatures[J].Experimental Techniques,2017,41(2):191-201和文献4：Li P H,Guo W G,Yuan K B,etal.Effects of processing defects on the dynamic tensile mechanical behaviorof laser-solid-formed Ti-6Al-4V[J].Materials Characterization,2018,140:15-29.提出了一种气动同步组装的高温Hopkinson拉杆装置，如图6所示。该装置包括阻尼器1、吸收杆2、定位销3、撞击管5、发射炮管7、入射杆8、透射杆9、应变片10、试样31、高温炉39、高温导轨45、组装机构46、主气室47、同步气室48、发射气阀49、发射气管50、组装气路①51、组装气路②52、气缸53。该装置利用气动控制，在传统Hopkinson拉杆上加装一套气动同步组装机构。该装置利用热辐射炉在远离加载杆的位置将试样加热至指定温度，后利用气动同步机构完成试样的瞬间组装和加载，可以保持加载杆杆端温度上升很小。该装置可以减小温度梯度场对试验测试结果准确性的影响，可以将动态拉伸试验温度提高到1200℃。但是该装置目前还存在着几点待改进之处。由于两个同步组装机构均是由气动控制，其动作时间是由连接气缸的气管长度控制的。利用气体在不同长度的气管中的传递时间难以精确控制发射系统和同步组装系统的激发时间，造成冷接触时间的不确定性和不可控。同时，该装置操作较为复杂，集成化和仪器化程度较低，不利用技术的推广和广泛应用。
总结目前高温Hopkinson拉伸试验方法和装置的发展现状，目前主要存在的关键技术性难点：1)由于分离式Hopkinson拉杆中拉伸试样通常与加载杆采取螺纹连接、胶粘连接或销钉连接，在线加热的方式都无可避免地引起加载杆以及试样中的温度梯度场分布，影响试验结果准确性。2)温度梯度场的修正虽可以在试验后数据处理中减小温度梯度对数据准确性的影响，但是属于一种间接处理方法存在误差，同时也无法进行高于加载杆相变温度的拉伸试验；3)气动快速同步组装的技术可直接获得材料在很高温度下的动态拉伸性能，但是还未做到组装过程和加载过程的精确化控制，装置集成化水平较低。因此目前急需一种可精确化控制、高精度的高温Hopkinson拉伸试验装置，可直接测试材料在超高温度(1400℃)下的动态拉伸性能，避免加载杆和试样温度梯度场对测试结果的影响。
要解决的技术问题：分离式Hopkinson拉杆在进行高温动态拉伸试验时，若采用在线加热的方式，由于连接方式都是固接，加载杆与试样发生热交换导致温度梯度场的产生；若采用离线加热再组装加载的方式，需重新设计试样连接形式。目前发展起来的气动同步组装方式存在着难以精确控制组装过程和冷接触时间的问题，操作方式难以定量化和标准化，设备仪器化程度较低。
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，本发明提出一种可精确定量化电磁控制的高温Hopkinson杆拉伸试验装置及方法，对高温Hopkinson拉杆高温拉伸试验方法中离线加热后同步组装的方法进行重新设计，开发一套精确可控的组装装置，从而保证组装过程时间以及冷接触时间的定量化控制。
技术方案
一种可精确定量化电磁控制的高温Hopkinson杆拉伸试验装置，包括阻尼器1、吸收杆2、定位销3、法兰盘4、撞击管5、发射炮管7、入射杆8、透射杆9和粘贴于入射杆8和透射杆9上的应变片10；其特征在于还包括聚四氟乙烯托弹器6、发射电磁阀体11、发射延时器12、电磁推动机构13、推动延时器14、陶瓷滑轨15、电磁拖曳机构16、拖曳延时器17、聚四氟乙烯卡箍18、高频电磁感应加热机19、感应加热线圈20、发射气室21、增压电磁阀22、减压电磁阀23、压力传感器24、减压开关26、温控仪27、增压开关28、支座29和平台30；沿X主轴方向，阻尼器1、吸收杆2、定位销钉3、法兰盘4、撞击管5、发射炮管7、发射电磁阀体11、入射杆8、透射杆9和电磁拖曳机构16通过支座29固定于平台30，且各部件的轴心一致；其中，多个支座29-1与阻尼器1、吸收杆2和发射炮管7为固定连接，多个支座29-2与入射杆8和透射杆9为滑动连接；吸收杆2与法兰盘4通过定位销钉3连接，法兰盘4连接入射杆8，撞击管5套在入射杆8外侧，与入射杆8形成滑动连接，其外部设有聚四氟乙烯托弹器6，一并置入发射炮管7内；发射炮管7后部设有发射电磁阀体11，发射气室21的输出管路与发射电磁阀体11连接；入射杆8与透射杆9相对部位设有凹槽，被测试样31被卡于凹槽之间；沿被测试试样31的Y轴方向设有滑轨15，滑轨15上设有感应加热线圈20，与滑轨15一侧的高频电磁感应加热机19连接；滑轨15的上端为电磁推动机构13，其推杆前端夹持推动试样31沿滑轨15进入入射杆8与透射杆9之间的试验区域；透射杆9后部通过聚四氟乙烯卡箍18与电磁拖曳机构16连接；启动感应加热线圈20对试样31加热，推动机构13将试样31推送，启动拖曳和启动发射。
在电磁拖曳机构16的输入端设有拖曳延时器17，在推动机构13的输入端设有推动延时器14，在发射电磁阀体11的输入端设有发射延时器12；由温控仪27连接控制电磁感应加热机19，启动感应加热线圈20对试样31加热，同时连接控制拖曳延时器17，推动延时器14和发射延时器12，选择合适的延迟时间，实施加热、推送、拖曳和启动发射之间的自动配合。
在发射气室21设有增压电磁阀22和减压电磁阀23，分别由增压开关28和减压开关26控制，发射气室21与发射电磁阀体11之间的管路上设有压力传感器24。
所述拉伸试样为两端带有凸台的平板式拉伸试样，凸台与入射杆和透射杆端部的凹槽完成钩挂配合。
所述入射杆8采用直径为19mm、长度2500mm的钛合金圆杆；所述透射杆9采用直径19mm、长度1200mm的钛合金圆杆；所述吸收杆2为直径19mm、长度300mm的钛合金圆杆。
所述撞击管5为空心圆管，外径与法兰盘外径相同，内径等于杆径。
所述滑轨15为陶瓷材料。
一种利用所述可精确定量化电磁控制的高温Hopkinson杆拉伸试验装置，其特征在于步骤如下：
步骤1：将试样31置于位于陶瓷导轨15之上，使其位于感应加热线圈20的加热范围的中央。调整入射杆8和透射杆9的位置，使两根加载杆上的凹槽对准陶瓷导轨15，以确保组装过程中试样能顺利进入凹槽之内；
步骤2：根据所需试验温度，设定温控仪27的控制温度为所需试验温度；设定发射延时器12的延时时间为T1，推动延时器14的延时触发时间为T2，拖曳延时器17的触发时间为T3；
步骤3：通过增压开关28和减压开关26调节发射气室21内部压力至预定发射压力；
步骤4：开启高频电磁感应加热机19，将试样31加热至预定试验温度T后启动保温功能，保温3min后，试样31上的温度分布已均匀；温控仪17发出触发信号，同时触发发射延时器12、推动延时器14和拖曳延时器17工作；
首先，发射延时器12工作，开始延时计时，经过合理的延时时间T1后触发发射电磁阀体11开启，撞击管5沿发射炮管7向入射杆8的撞击端运动，撞击法兰盘4产生压缩加载波，经自由端面反射成为拉伸加载波，沿入射杆8向试样连接端传递；
同时，推动延时器14触发电磁推动机构13工作，将加热后的高温试样31迅速推动，进入入射杆8和透射杆9上的凹槽；
拖曳延时器17触发电磁拖曳机构16工作，迅速拖动透射杆9向后运动，拉紧试样31以消除试样与凹槽接触面之间的空隙；
对延时时间T1、T2、T3的设置，实现在电磁拖曳机构16拖动透射杆9拉紧试样过程完成的同时，拉伸加载波正好传递至试样连接处，完成对试样31的加载；
步骤5：撞击管5撞击入射杆8一端的法兰盘4，产生沿入射杆轴向的动态加载应力波，被粘贴在入射杆8上的应变片10采集记录为入射波32，应力波传递至试样31连接处，部分应力波反射回来被入射杆8上的应变计10记录下来作为反射波33，部分应力波进入透射杆9，由透射杆9上应变计10记录为透射波34；
根据一维应力波理论获得材料在常温和高温动态拉伸载荷下的应力应变曲线，即：
其中：C为弹性波波速，L为试样的长度，E为加载杆的弹性模量，A为加载杆的横截面积，As为试样的横截面积。
有益效果
本发明提出的一种可精确定量化电磁控制的高温Hopkinson杆拉伸试验装置及方法，在传统分离式Hopkinson拉杆上加装了三套高精度延时器、1套电磁推杆系统和1套电磁拖曳系统，用以完成试样31加热后与入射杆8和透射杆9的同步组装过程。利用电磁推动机构和高精度延时装置可以精确控制高温动态拉伸试验中包括撞击产生过程、试样运动与加载杆组装过程、加载杆运动过程各个步骤的起止时间及整个试验过程的冷接触时间，可以精确地直接测试材料在高温下的动态力学性能。该电磁精确控制高温Hopkinson拉杆系统包括沿X轴的一根入射弹性杆、一根透射弹性杆、炮管、撞击管、能量吸收杆、阻尼器、支架、平台。发射装置由高精度延时器、电磁阀、发射气缸组成。撞击管置于炮管中，可沿入射杆滑动，撞击入射杆端部法兰盘，产生加载脉冲。所有弹性杆上在适当位置粘贴高精度应变计可以采集弹性杆的弹性应变。入射杆和透射杆端部与试样连接部位分别加工有凹槽。拉伸试样为两端带有凸台的平板式拉伸试样，凸台可以与入射杆和透射杆端部的凹槽完成钩挂配合。沿Y轴安装一套电磁推动装置，由电磁推杆、陶瓷滑轨、滑块、支座、高精度延时器、控制电路组成。试样置于陶瓷滑轨中，利用一套高频电磁感应加热装置可以将金属试样迅速加热至所需温度。透射杆后尾部安装一套可控电磁拖动装置，由高精度延时器、电磁推杆、聚四氟乙烯卡箍、卡环组成，可以拖动透射杆向后运动。
本发明的有益效果是：
1)由于采用高精度延时器和电磁控制机构，可以精确控制高温Hopkinson拉伸试验过程中每个步骤的启动时间和总动作时间，从而精确控制高温试样与常温加载杆的冷热接触时间，可以有效避免因过长的冷热接触时间引起的试样温度下降和加载杆温度上升；
2)本发明采用高频电磁感应加热系统可以实现对试样的快速加热，加热速率可达600-700℃/min，有效解决现有高温Hopkinson拉杆装置中辐射加热炉加热速率过慢的问题。该加热系统仅对感应加热线圈范围内的金属材料进行加热。通过控制感应加热线圈的宽度可严格控制加热范围，不会对试样之外的其他装置尤其是加载杆加热。
3)该装置集成程度高，操作简单，将传统Hopkinson高温拉伸试验方法经验性的操作流程标准化，自动化程度较高，避免气动控制重复性差的问题，大幅提高了高温动态拉伸试验的精确度。
附图说明
图1是本发明提出的电磁精确定量化控制的高温Hopkinson杆动态拉伸试验装置的示意图
图2是本发明提出的拉伸试样图纸
图3是本发明提出的拉伸试样与加载杆的钩挂式连接方式的示意图
图4是本发明装置获得的钛合金在高温1000℃、应变率1000/s拉伸载荷下的波形图
图5是参考文献2提出的一种快速加热的Hopkinson拉杆装置的示意图
图6是参考文献3和4提出的一种气动同步组装的高温Hopkinson拉杆试验装置的示意图
图中，1-阻尼器；2-吸收杆；3-定位销钉；4-法兰盘；5-撞击管；6-聚四氟乙烯托弹器；7-发射炮管；8-入射杆；9-透射杆；10-应变片；11-发射电磁阀体；12-发射延时器；13-电磁推动机构；14-推动延时器；15-陶瓷滑轨；16-电磁拖曳机构；17-拖曳延时器；18-聚四氟乙烯卡箍；19-高频电磁感应加热机；20-感应加热线圈；21-发射气室；22-增压电磁阀；23-减压电磁阀；24-压力传感器；25-启动开关；26-减压开关；27-温控仪；28-增压开关；29-1-铝合金滑动支座；29-2-铝合金固定支座；30-铝合金平台；31-试样；32-入射波；33-反射波；34-透射波；35-撞击短杆；36-无机胶；37-铜导体；38-蓄热体；39-高温炉；40-平板试样；41-短金属杆；42-功率放大器；43-瞬态转换器；44-计算机；45-高温导轨；46-组装机构；47-主气室；48-同步气室；49-发射气阀；50-发射气管；51-组装气路①；52-组装气路②；53-气缸。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明采用的具体结构：本装置在传统分离式Hopkinson拉杆上加装了三套高精度延时器、1套电磁推杆系统和1套电磁拖曳系统，用以完成试样31加热后与入射杆8和透射杆9的同步组装过程。入射杆8和透射杆9上粘贴应变计10用来测试应变信号。入射杆8一端加工有一法兰盘，其直径大于杆径。撞击管5为空心圆管，外径与法兰盘外径相同，内径等于杆径。撞击管5套在入射杆8外侧，可沿入射杆8自由滑动。撞击管5外侧装有聚四氟乙烯托弹器6，放置于发射炮管7内。发射炮管7后部装有发射电磁阀体11和发射气室21作为发射装置，发射电磁阀体11连接高精度发射延时器12，由发射延时器12可精确控制发射电磁阀体11的启动时间。通过增压开关28和减压开关26可以控制发射气室21的气体压力。入射杆8、透射杆9、吸收杆2均使用铝合金滑动支座29-1安装在铝合金平台30上，发射炮管7、阻尼器1和电磁拖曳机构16均通过铝合金固定支座29-2固定在铝合金平台30上，均可调节杆件的同轴度和对中度。沿Y轴方向装配有高温加热和同步推送系统。高温加热系统包括高频电磁感应加热机19、感应加热线圈20和温控仪27。同步推送系统包括电磁推动机构13、推动延时器14、陶瓷滑轨15。试样31在试验前放置在陶瓷滑轨15内，同时处于感应加热线圈20的加热区域内，利用高频电磁感应加热机19可迅速将试样31加热至所需温度。推动延时器14可以精确控制电磁推动机构13启动，机构的推杆推动加热好的试样31进入入射杆8和透射杆9的凹槽，完成快速组装。在透射杆9后部加装一套同步拖曳系统，同步拖曳系统包括电磁拖曳机构16、拖曳延时器17、聚四氟乙烯卡箍18。拖曳延时器17可控制电磁拖曳机构16动作，可以在试样31进入凹槽后迅速拖动透射杆9向后运动，消除试样31与入射杆8和透射杆9上凹槽之间的间隙。本系统将压力传感器24、启动开关25、减压开关26、温控仪27、增压开关28以及发射延时器12、推动延时器14、拖曳延时器17集成设计为系统控制箱模块，通过线缆与外部机构连接，实现远程操控。
本发明提出的电磁精确定量化控制高温Hopkinson杆拉伸试验装置的实施例，包括阻尼器1、吸收杆2、定位销钉3、法兰盘4、撞击管5、聚四氟乙烯托弹器6、发射炮管7、入射杆8、透射杆9、应变片10、发射电磁阀体11、发射延时器12、电磁推动机构13、推动延时器14、陶瓷滑轨15、电磁拖曳机构16、拖曳延时器17、聚四氟乙烯卡箍18、高频电磁感应加热机19、感应加热线圈20、发射气室21、增压电磁阀22、减压电磁阀23、压力传感器24、启动开关25、减压开关26、温控仪27、增压开关28、铝合金滑动支座29-1、铝合金固定支座29-2、铝合金平台30、试样31。本装置沿X主轴方向为传统Hopkinson拉杆，主要包括阻尼器1、吸收杆2、定位销钉3、法兰盘4、撞击管5、聚四氟乙烯托弹器6、发射炮管7、入射杆8和透射杆9。入射杆8采用直径为19mm、长度2500mm的钛合金圆杆，透射杆9采用直径19mm、长度1200mm的钛合金圆杆，吸收杆2为直径19mm、长度300mm的钛合金圆杆。入射杆8的一端(撞击端)加工有外螺纹，与外径为25mm的法兰盘4螺纹连接。吸收杆2以及法兰盘4的中心均开有直径1mm，长度5mm的圆孔，通过外径1mm，长度8mm的钢制定位销钉连接定位在同轴心高度。撞击管5采用内径19mm、外径25mm、长度200mm的钛合金圆管，套于入射杆8上，可以在入射杆8上自由滑动。撞击管5的外周装有两个外径35mm、内径25mm的聚四氟乙烯托弹器6，并放置于发射炮管7内部。阻尼器1固定在铝合金平台30上，内部填充橡皮泥等缓冲材料。本装置在传统Hopkinson拉杆的基础上，在发射炮管7后端连接一个通径为50mm的发射电磁阀体11，发射电磁阀体11下方连通压力传感器24和发射气室21。使用一个高精度延时器作为发射延时器12，通过线缆与发射电磁阀体11连接，可以精确控制发射电磁阀体11的开启和闭合时间。本装置使用的试样31(图2)为两端带有钩挂凸台的平板拉伸试样，入射杆8和透射杆9的试样连接端均加工有与试样凸台尺寸配合的凹槽，可以实现与试样31实现钩挂连接，连接形式如图3所示。本装置的高温离线加热和同步组装实现部分包括电磁感应加热系统、电磁推动系统和电磁拖曳系统。在入射杆8和透射杆9的试样连接端侧方，加装一套电磁推动系统，由电磁推动机构13、推动延时器14、陶瓷滑轨15组成。快速加热系统由高频电磁感应加热机19、感应加热线圈20和温控仪27组成。高频电磁感应加热机19输入功率为30KW，振荡频率30-100KHz，与温控仪27连接可实现加热温度设定和自动温度控制的功能。感应加热线圈为铜材线圈，线圈内径为30mm，匝数可根据加热范围进行调节，加热区域宽度即线圈宽度，可实现仅对试样进行加热的功能。试样31放置于陶瓷滑轨15的中间位置，同时处于感应加热线圈20的加热范围内，在被加热至指定温度后，温控仪27可自动进行保温，保温时间到达后可发出触发信号，触发推动延时器14工作。延时结束后，推动延时器14可触发电磁推动机构13，瞬间推动试样31沿陶瓷滑轨15运动，进入入射杆8和透射杆9的试样连接端凹槽内，完成组装过程。陶瓷滑轨15采用氧化铝陶瓷材料，避免加热过程中表面发生氧化与试样31表面发生粘连，影响试样的推动。透射杆9尾端加装一套电磁拖曳装置，由电磁拖曳机构16、拖曳延时器17、聚四氟乙烯卡箍18组成。聚四氟乙烯卡箍18为半开型圆形卡箍，套于透射杆9的尾端，与电磁拖曳机构16连接。利用预紧螺丝可以调节卡箍的松紧程度，使得卡箍18与透射杆9之间的摩擦力在合适的范围，既可以拖动透射杆9向后运动，又可以当透射杆9所受加载力大于摩擦力的时候使得透射杆9可以在聚四氟乙烯卡箍18中滑脱，不影响加载脉冲在透射杆9中的传播。在入射杆8、透射杆9距离试样连接端600mm的位置分别粘贴阻值为120欧姆的应变片10，采用惠斯通电桥半桥接法与超动态应变仪和高精度数据采集器连接作为数据采集系统。本装置将压力传感器24、启动开关25、减压开关26、温控仪27、增压开关28集成在统一的控制柜里。气源与发射气室21的进气口之间连接一个增压电磁阀22，增压电磁阀22与增压开关28连接，可以控制发射气室的进气，增加发射气室21的压力。发射气室21的出气口连接一个减压电磁阀23，与减压开关26连接。当发射气室21内的气压高于所需气压时，可通过减压开关26来降低发射气室21内部的压力，使其气压稳定在所需数值。启动开关25与高频电磁感应加热机19连接，控制其通断。本装置中的吸收杆2、入射杆8和透射杆9均通过铝合金滑动支座29-1安装在铝合金平台30上，阻尼器1、发射炮管7和电磁拖曳机构16通过铝合金固定支座29-2固定在铝合金平台30上。通过调节支座可以调节本装置中的阻尼器1、吸收杆2、定位销钉3、法兰盘4、撞击管5、发射炮管7、入射杆8、透射杆9、电磁拖曳机构16均处于同轴心位置，轴心线均处于同一高度。设定发射延时器12的延时时间为T1，推动延时器14的延时触发时间为T2，拖曳延时器17的触发时间为T3，发射电磁阀体11开启到入射波32传递至试样31的时间间隔为T4，电磁推动机构13触发到推动试样进入加载杆凹槽的时间间隔为T5，电磁拖曳机构16触发到拖动透射杆9向后运动完成的时间间隔为T6，则该装置拉伸试验过程需满足：T1+T4≥T2+T5+T3+T6。高温试样与常温加载杆接触的时间称为冷接触时间(CCT),则CCT＝T1+T4-(T2+T5+T3+T6)。通过合理设置T1、T2和T3，可以精确定量化控制冷接触时间，控制精度可以得到1ms，从而避免温度梯度对测试结果的影响，提高高温动态拉伸测试的精度。
具体测试步骤：
步骤1：将试样31置于位于陶瓷导轨15之上，使其位于感应加热线圈20的加热范围的中央。调整入射杆8和透射杆9的位置，使两根加载杆上的凹槽对准陶瓷导轨15，以确保组装过程中试样能顺利进入凹槽之内。
步骤2：设定参数。根据所需试验温度，设定温控仪27的控制温度为所需试验温度。设定发射延时器12的延时时间为T1，推动延时器14的延时触发时间为T2，拖曳延时器17的触发时间为T3。
步骤3：设置发射压力。通过增压开关28和减压开关26调节发射气室21内部压力至预定发射压力。
步骤4：按动启动开关25，开启高频电磁感应加热机19首先工作，将试样31在很短时间内加热至预定试验温度T后启动保温功能，保温3min后，试样31上的温度分布已均匀。温控仪17发出触发信号，同时触发发射延时器12、推动延时器14和拖曳延时器17工作。通过合理设置三个延时器的延时时间，可以实现发射过程、推动过程和拖曳过程的协调配合。首先，发射延时器12工作，开始延时计时，经过合理的延时时间T1后触发发射电磁阀体11开启，撞击管5沿发射炮管7向入射杆8的撞击端运动，撞击法兰盘4产生压缩加载波，经自由端面反射成为拉伸加载波，沿入射杆8向试样连接端传递。同时，推动延时器14触发电磁推动机构13工作，将加热后的高温试样31迅速推动，进入入射杆8和透射杆9上的凹槽。随后，拖曳延时器17触发电磁拖曳机构16工作，迅速拖动透射杆9向后运动，拉紧试样31以消除试样与凹槽接触面之间的空隙。此时，经过对延时时间T1、T2、T3的精确设置，可以实现在电磁拖曳机构16拖动透射杆9拉紧试样过程完成的同时，拉伸加载波正好传递至试样连接处，完成对试样31的加载。由于每个过程历时均可以定量化，本装置可以精确地控制加热后的高温试样31与常温加载杆的冷热接触时间，将该冷热接触时间控制在10ms以下。
步骤4：数据采集和处理。撞击管5撞击入射杆8一端的法兰盘4，产生沿入射杆轴向的动态加载应力波，被粘贴在入射杆8上的应变片10采集记录为入射波32，应力波传递至试样连接处，部分应力波反射回来被入射杆8上的应变计10记录下来作为反射波33，部分应力波进入透射杆9，由透射杆9上应变计10记录为透射波34。该系统满足一维应力波基本假定以及应力/应变均匀化假定，根据一维应力波理论可以获得材料在常温和高温动态拉伸载荷下的应力应变曲线，即：
其中C为弹性波波速，L为试样的长度，E为加载杆的弹性模量，A为加载杆的横截面积，As为试样的横截面积。
Claims (8)
1.一种可精确定量化电磁控制的高温Hopkinson杆拉伸试验装置，包括阻尼器(1)、吸收杆(2)、定位销(3)、法兰盘(4)、撞击管(5)、发射炮管(7)、入射杆(8)、透射杆(9)和粘贴于入射杆(8)和透射杆(9)上的应变片(10)；其特征在于还包括聚四氟乙烯托弹器(6)、发射电磁阀体(11)、发射延时器(12)、电磁推动机构(13)、推动延时器(14)、陶瓷滑轨(15)、电磁拖曳机构(16)、拖曳延时器(17)、聚四氟乙烯卡箍(18)、高频电磁感应加热机(19)、感应加热线圈(20)、发射气室(21)、增压电磁阀(22)、减压电磁阀(23)、压力传感器(24)、减压开关(26)、温控仪(27)、增压开关(28)、支座(29)和平台(30)；沿X主轴方向，阻尼器(1)、吸收杆(2)、定位销钉(3)、法兰盘(4)、撞击管(5)、发射炮管(7)、发射电磁阀体(11)、入射杆(8)、透射杆(9)和电磁拖曳机构(16)通过支座(29)固定于平台(30)，且各部件的轴心一致；其中，多个支座(29-1)与阻尼器(1)、吸收杆(2)和发射炮管(7为固定连接，多个支座(29-2)与入射杆(8)和透射杆(9)为滑动连接；吸收杆(2)与法兰盘(4)通过定位销钉(3)连接，法兰盘(4)连接入射杆(8)，撞击管(5)套在入射杆(8)外侧，与入射杆(8)形成滑动连接，其外部设有聚四氟乙烯托弹器(6)，一并置入发射炮管(7)内；发射炮管(7)后部设有发射电磁阀体(11)，发射气室(21)的输出管路与发射电磁阀体(11)连接；入射杆(8)与透射杆(9)相对部位设有凹槽，被测试样(31)被卡于凹槽之间；沿被测试试样(31)的Y轴方向设有滑轨(15)，滑轨(15)上设有感应加热线圈(20)，与滑轨(15)一侧的高频电磁感应加热机(19)连接；滑轨(15)的上端为电磁推动机构(13)，其推杆前端夹持推动试样(31)沿滑轨(15)进入入射杆(8)与透射杆(9)之间的试验区域；透射杆(9)后部通过聚四氟乙烯卡箍(18)与电磁拖曳机构(16)连接；启动感应加热线圈(20)对试样(31)加热，推动机构(13)将试样(31)推送，启动拖曳和启动发射。
2.根据权利要求1所述可精确定量化电磁控制的高温Hopkinson杆拉伸试验装置，其特征在于：在电磁拖曳机构(16)的输入端设有拖曳延时器(17)，在推动机构(13)的输入端设有推动延时器(14)，在发射电磁阀体(11)的输入端设有发射延时器(12)；由温控仪(27)连接控制电磁感应加热机(19)，启动感应加热线圈(20)对试样(31)加热，同时连接控制拖曳延时器(17)，推动延时器(14)和发射延时器(12)，选择合适的延迟时间，实施加热、推送、拖曳和启动发射之间的自动配合。
3.根据权利要求1所述可精确定量化电磁控制的高温Hopkinson杆拉伸试验装置，其特征在于：在发射气室(21)设有增压电磁阀(22)和减压电磁阀(23)，分别由增压开关(28)和减压开关(26)控制，发射气室(21)与发射电磁阀体(11)之间的管路上设有压力传感器(24)。
4.根据权利要求1所述可精确定量化电磁控制的高温Hopkinson杆拉伸试验装置，其特征在于：所述拉伸试样为两端带有凸台的平板式拉伸试样，凸台与入射杆和透射杆端部的凹槽完成钩挂配合。
5.根据权利要求1所述可精确定量化电磁控制的高温Hopkinson杆拉伸试验装置，其特征在于：所述入射杆(8)采用直径为19mm、长度2500mm的钛合金圆杆；所述透射杆(9)采用直径19mm、长度1200mm的钛合金圆杆；所述吸收杆(2)为直径19mm、长度300mm的钛合金圆杆。
6.根据权利要求1所述可精确定量化电磁控制的高温Hopkinson杆拉伸试验装置，其特征在于：所述撞击管(5)为空心圆管，外径与法兰盘外径相同，内径等于杆径。
7.根据权利要求1所述可精确定量化电磁控制的高温Hopkinson杆拉伸试验装置，其特征在于：所述滑轨(15)为陶瓷材料。
8.一种利用权利要求1～7所述任一项可精确定量化电磁控制的高温Hopkinson杆拉伸试验装置，其特征在于步骤如下：
步骤1：将试样(31)置于位于陶瓷导轨(15)之上，使其位于感应加热线圈(20)的加热范围的中央。调整入射杆(8)和透射杆(9)的位置，使两根加载杆上的凹槽对准陶瓷导轨(15)，以确保组装过程中试样能顺利进入凹槽之内；
步骤2：根据所需试验温度，设定温控仪(27)的控制温度为所需试验温度；设定发射延时器(12)的延时时间为T1，推动延时器(14)的延时触发时间为T2，拖曳延时器(17)的触发时间为T3；
步骤3：通过增压开关(28)和减压开关(26)调节发射气室(21)内部压力至预定发射压力；
步骤4：开启高频电磁感应加热机(19)，将试样(31)加热至预定试验温度T后启动保温功能，保温3min后，试样(31)上的温度分布已均匀；温控仪(17)发出触发信号，同时触发发射延时器(12)、推动延时器(14)和拖曳延时器(17)工作；
首先，发射延时器(12)工作，开始延时计时，经过合理的延时时间T1后触发发射电磁阀体(11)开启，撞击管(5)沿发射炮管(7)向入射杆(8)的撞击端运动，撞击法兰盘(4)产生压缩加载波，经自由端面反射成为拉伸加载波，沿入射杆(8)向试样连接端传递；
同时，推动延时器(14)触发电磁推动机构(13)工作，将加热后的高温试样(31)迅速推动，进入入射杆(8)和透射杆(9)上的凹槽；
拖曳延时器(17)触发电磁拖曳机构(16)工作，迅速拖动透射杆(9)向后运动，拉紧试样(31)以消除试样与凹槽接触面之间的空隙；
对延时时间T1、T2、T3的设置，实现在电磁拖曳机构(16)拖动透射杆(9)拉紧试样过程完成的同时，拉伸加载波正好传递至试样连接处，完成对试样(31)的加载；
步骤5：撞击管(5)撞击入射杆(8)一端的法兰盘(4)，产生沿入射杆轴向的动态加载应力波，被粘贴在入射杆(8)上的应变片(10)采集记录为入射波(32)，应力波传递至试样(31)连接处，部分应力波反射回来被入射杆(8)上的应变计(10)记录下来作为反射波(33)，部分应力波进入透射杆(9)，由透射杆(9)上应变计(10)记录为透射波(34)；
根据一维应力波理论获得材料在常温和高温动态拉伸载荷下的应力应变曲线，即：
其中：C为弹性波波速，L为试样的长度，E为加载杆的弹性模量，A为加载杆的横截面积，As为试样的横截面积。
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