CN110261252B - 霍普金森压杆实验用透射杆及霍普金森压杆实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种霍普金森压杆实验用透射杆，其上设置有透杆应变片(13)，所述透射杆由前区圆柱(11)和后区圆柱(12)组成，所述前区圆柱(11)和后区圆柱(12)为一体成型的同轴的圆柱；前区圆柱(11)的直径小于后区圆柱(12)的直径，所述透杆应变片(13)设置在所述前区圆柱(11)上。通过将透射杆分成两个直径不同的圆柱，前区圆柱为接收区——接受透射脉冲，后区圆柱为吸收区——吸收透射脉冲，透射脉冲在抵达吸收区圆柱自由端面后，由于前区圆柱比后区圆柱直径小，反射到前区圆柱的脉冲少，极大地消除了透射杆中脉冲反射对透射杆上应变片上测得数据的影响。

Description

霍普金森压杆实验用透射杆及霍普金森压杆实验装置
技术领域
本发明属于材料测试领域，尤其涉及一种霍普金森压杆实验用透射杆及霍普金森压杆实验装置。
背景技术
霍普金森压杆实验装置用于测试高速率变形下材料的应力-应变关系，试验中通过入射杆上的应变片先后得到入射波和反射波的波形，通过透射杆上的应变片得到透射波波形，从而测得材料的应力-应变关系。目前采用的测试装置，测试中，由于透射杆中脉冲的反射作用往往会影响透射杆上应变片上测得的数据，虽然采用加长透射杆的方式可以降低脉冲反射的影响，但无法从根本上消除反射脉冲的作用，仅能起到延迟的效果，同时透射杆装置尺寸也变大了，达1~2m。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种霍普金森压杆实验用透射杆及霍普金森压杆实验装置，可有效消除透射杆中脉冲反射对透射杆上应变片测得的数据的影响。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种霍普金森压杆实验用透射杆，其上设置有透杆应变片13，其特征在于，所述透射杆由前区圆柱11和后区圆柱12组成，所述前区圆柱11和后区圆柱12为一体成型的同轴的圆柱；前区圆柱11的直径小于后区圆柱12的直径，所述透杆应变片13设置在所述前区圆柱11上。
进一步，所述后区圆柱12的自由端面呈内凹的曲面。
进一步，所述后区圆柱12的自由端面呈向中央内凹的弧面。
进一步，所述前区圆柱11的直径为14mm，轴向长度为13mm；所述后区圆柱12的直径为100mm，轴向长度为200mm。
一种霍普金森压杆实验装置，包括驱动装置、入射杆20、透射杆和能量吸收器30，入射杆20上设置有入杆应变片21，其特征在于，所述透射杆为所述霍普金森压杆实验用透射杆，所述透射杆的前区圆柱11的自由端正对所述入射杆20的尾端，透射杆的后区圆柱12滑动连接设置在透杆限位筒101内。
进一步，所述驱动装置包括电磁线圈41和水平驱动杆42，所述电磁线圈41固定设置在入射杆20的头端一侧，所述水平驱动杆42一端正对所述电磁线圈41、另一端正对所述入射杆20的头端，其正对电磁线圈41的一端设有金属片422，水平驱动杆42设置在驱杆限位筒421内并与驱杆限位筒421滑动连接。
再进一步，所述金属片422为铜片。
再进一步，所述水平驱动杆42由钢制成。
再进一步，所述金属片422和水平驱动杆之间设有绝缘层。
进一步，所述能量吸收器30为阻尼器。
本发明可获得的有益效果有：
1.通过将透射杆分成两个直径不同的圆柱，前区圆柱为接收区——接受透射脉冲，后区圆柱为吸收区——吸收透射脉冲，透射脉冲在抵达吸收区圆柱自由端面后，由于前区圆柱比后区圆柱直径小，反射到前区圆柱的脉冲少，极大地消除了透射杆中脉冲反射对透射杆上应变片上测得数据的影响；相对于其他透射杆，本透射杆长度短，便于实验中的运输和使用。
2.后区圆柱自由端面呈内凹的曲面时，对达到该端面的脉冲具有散射作用，散射产生的反射波在后区圆柱内反复回弹，直至吸收，可进一步消除透射杆中脉冲反射对透射杆上应变片上测得数据的影响。
3.相对现有装置加长透射杆长度以降低脉冲反射影响的做法，本发明透射杆长度短。
4.通过电磁线圈通电激发水平驱动杆撞击入射杆，由于水平驱动杆限制在限位筒内，故较常规用子弹撞击入射杆具有更好的安全性，因为子弹撞击后反射可能伤人伤物。由于电磁驱动电压控制的特点，较常规爆炸驱动的方式能量巨大难以控制具有更好的可控制性、可重复性。采用电磁驱动的作用是得到安全的、可控制的、可重复的实验输入能量。
5.能量吸收器主要作用是防止透射杆掉落，采用阻尼器有缓冲作用，可保护装置。
附图说明
图1是本发明透射杆的示意图；
图2是透射杆内透射波的反射脉冲行进示意图；
图3是使用本发明透射杆的霍普金森压杆实验装置示意图；
图4是在常规透射杆长度缩短至213mm时应变片测得的脉冲信号数据图；
图5是常规霍普金森压杆试验装置应变片测得的脉冲信号数据图；
图6是采用本发明的213mm透射杆时应变片测得的脉冲信号数据图。
附图标记：1-工作台；11-前区圆柱；12-后区圆柱；13-透杆应变片；20-入射杆；21-入杆应变片；30-能量吸收器；41电磁线圈；42-水平驱动杆；101-透杆限位筒；201-入杆限位筒；421-驱杆限位筒；422-金属片；A-试样。
具体实施方式
现结合附图说明本实验装置的实施方式。
如图1所示，一种霍普金森压杆实验用透射杆，其上设置有透杆应变片13，其特征在于，所述透射杆由前区圆柱11和后区圆柱12组成，所述前区圆柱11和后区圆柱12为一体成型的同轴的圆柱；前区圆柱11的直径小于后区圆柱12的直径，所述透杆应变片13设置在所述前区圆柱11上。
所述后区圆柱12的自由端面呈内凹的曲面。
所述后区圆柱12的自由端面呈向中央内凹的弧面。
所述前区圆柱11的直径为14mm，轴向长度为13mm；所述后区圆柱12的直径为100mm，轴向长度为200mm。
图2示意了透射杆接收透射波后，透射波的反射脉冲在透射杆内行进的示意图。透射脉冲在抵达吸收区圆柱自由端面后，由于前区圆柱比后区圆柱直径小，反射到前区圆柱的脉冲少，极大地消除了透射杆中脉冲反射对透射杆上应变片上测得数据的影响。而当后区圆柱自由端面呈内凹的曲面或弧面时，对达到该端面的脉冲具有散射作用，散射产生的反射波在后区圆柱内反复回弹，直至吸收，可进一步消除透射杆中脉冲反射对透射杆上应变片上测得数据的影响。
如图3所示，一种霍普金森压杆实验装置，包括驱动装置、入射杆20、透射杆和能量吸收器30，入射杆20上设置有入杆应变片21，所述透射杆为所述霍普金森压杆实验用透射杆，所述透射杆的前区圆柱11的自由端正对所述入射杆20的尾端，透射杆的后区圆柱12滑动连接设置在透杆限位筒101内。
本发明装置霍普金森压杆实验装置，工作台1上各组件的设置方式与常规霍普金森压杆实验装置是相同的，即顺次为，驱动装置，用于撞击入射杆，提供试验的动力，其可以为任何现有的或非现有的装置；紧接着是入射杆，其设置在入杆限位筒201上并与入杆限位筒201滑动连接；紧接着是透射杆，其设置在透杆限位筒101上并与透杆限位筒101滑动连接，其中透射杆为本发明的霍普金森压杆实验用透射杆，其后区圆柱12滑动连接设置在透杆限位筒101内；紧接着是能量吸收器30，其主要作用是防止透射杆掉落。
使用本装置测试时，将试样A安装设置在入射杆20尾端和透射杆前区圆柱11之间，之后通过驱动装置给予入射杆20头端一个冲击，在入射杆20内产生入射波被入杆应变片21测出，之后在入射杆20和试样A之间，一部分脉冲被反射后，再被入射杆20上的应变片21测出，一部分脉冲通过试样A与透射杆之间，此即透射波，被透杆应变片13测得。透射波抵达后区圆柱12后的反射脉冲在后区圆柱12内反复回弹后被后区圆柱12吸收。
所述驱动装置包括电磁线圈41和水平驱动杆42，所述电磁线圈41固定设置在入射杆20的头端一侧，所述水平驱动杆42一端正对所述电磁线圈41、另一端正对所述入射杆20的头端，其正对电磁线圈41的一端设有金属片422，水平驱动杆42设置在驱杆限位筒421内并与驱杆限位筒421滑动连接。通过电磁线圈通电后，由于磁感效应，水平驱动杆上的金属片422中产生电流，其磁场刚好与电磁线圈相反，于是磁场力驱动水平驱动杆42撞击入射杆20，为实验提供动力。由于水平驱动杆42限制在限位筒内，故较常规用子弹撞击入射杆具有更好的安全性，因为子弹撞击后反射可能伤人伤物。电磁线圈的输出能量具有可控性，可重复性，故使实验过程具有可控性、可重复性强。
所述金属片422为铜片。铜片具有较好的导电性能，其内产生的感应涡流电流大，磁场强，故产生的磁场力更大，与电磁线圈间的斥力大，给水平驱动杆42的作用力更强。
所述水平驱动杆42由钢制成。水平驱动杆可使用常见的钢材制成。
所述金属片422和水平驱动杆42之间设有电绝缘层。电绝缘层其保障作用，其存在可以阻止金属片422中的电流流入水平驱动杆42，从而保证金属片422获得足够磁场力来驱动水平驱动杆42。电绝缘层可采用非金属膜片，如塑料膜或者陶瓷膜。
所述能量吸收器30为阻尼器。能量吸收器主要作用是防止透射杆掉落，采用阻尼器有缓冲作用，可保护装置。
图5是目前的常规霍普金森压杆试验装置中应变片测得的脉冲信号图，图4是将常规透射杆长度缩短至213mm时应变片测量的脉冲信号数据图，两装置的区别仅在于透射杆长度一个是1000~2000mm，一个是213mm，但明显看到透射杆长度为213mm时，透射波的反射波干扰信号明显；图4与图5对比，说明当将1000~2000mm的透射杆缩短至213mm后，透射波的反射波干扰信号明显。
图6是采用本发明的213mm透射杆时应变片测量的脉冲信号数据图，可以看到应变片没有测到透射波的反射波信号。图6与图4对比，说明在采用本发明透射杆后，透射波的反射波信号得以消除，本发明的213mm透射杆达到了标准1000~2000mm透射杆的效果；图5与图6对比，透射波信号独立，达到现阶段标准霍普金森杆的测量水平，其中图6中的透射波信号前移是由于应变片的位置放置位置改变引起，对应力-应变关系的计算没有影响。

Claims (10)

1.一种霍普金森压杆实验用透射杆，其上设置有透杆应变片（13），其特征在于，所述透射杆由前区圆柱（11）和后区圆柱（12）组成，所述前区圆柱（11）和后区圆柱（12）为一体成型的同轴的圆柱；前区圆柱（11）的直径小于后区圆柱（12）的直径，所述透杆应变片（13）设置在所述前区圆柱（11）上。
2.根据权利要求1所述的霍普金森压杆实验用透射杆，其特征在于，所述后区圆柱（12）的自由端面呈内凹的曲面。
3.根据权利要求1所述的霍普金森压杆实验用透射杆，其特征在于，所述后区圆柱（12）的自由端面呈向中央内凹的弧面。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的霍普金森压杆实验用透射杆，其特征在于，所述前区圆柱（11）的直径为14mm，轴向长度为13mm；所述后区圆柱（12）的直径为100mm，轴向长度为200mm。
5.一种霍普金森压杆实验装置，包括驱动装置、入射杆（20）、透射杆和能量吸收器（30），入射杆（20）上设置有入杆应变片（21），其特征在于，所述透射杆为权利要求1至4中任意一项所述霍普金森压杆实验用透射杆，所述透射杆的前区圆柱（11）的自由端正对所述入射杆（20）的尾端，透射杆的后区圆柱（12）滑动连接设置在透杆限位筒（101）内。
6.根据权利要求5所述的霍普金森压杆实验装置，其特征在于，所述驱动装置包括电磁线圈（41）和水平驱动杆（42），所述电磁线圈（41）固定设置在入射杆（20）的头端一侧，所述水平驱动杆（42）一端正对所述电磁线圈（41）、另一端正对所述入射杆（20）的头端，其正对电磁线圈（41）的一端设有金属片（422），水平驱动杆（42）设置在驱杆限位筒（421）内并与驱杆限位筒（421）滑动连接。
7.根据权利要求6所述的霍普金森压杆实验装置，其特征在于，所述金属片（422）为铜片。
8.根据权利要求6所述的霍普金森压杆实验装置，其特征在于，所述水平驱动杆（42）由钢制成。
9.根据权利要求6至8中任意一项所述的霍普金森压杆实验装置，其特征在于，所述金属片（422）和水平驱动杆（42）之间设有电绝缘层。
10.根据权利要求5所述的霍普金森压杆实验装置，其特征在于，所述能量吸收器（30）为阻尼器。
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