CN110411869B - 液压气动中应变率拉伸试验装置及方法 - Google Patents

液压气动中应变率拉伸试验装置及方法 Download PDF

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Abstract

液压气动中应变率拉伸试验装置及方法，属于材料动态力学性能测试技术领域，本发明为解决现有试验装置只适用于高、低应变率试验，并不能进行中应变率加载条件下拉伸动态应力波加载试验的问题。本发明装置包括输出杆、拉伸试件、测试应变片、输入杆、圆柱状缸体、活塞、活塞杆、流量控制阀、高压快开电磁阀、水路控制单元和气路控制单元；通过流量控制阀控制液体的流量控制活塞的运动速度，而由气体的压力控制施加应力波的幅值大小，实现中应变率加载条件下拉伸动态应力波加载。在输入杆和输出杆上设有应变片用来记录试件承受的拉伸载荷时间历程，由激光位移传感器记录试件的应变时间历程，进而获得试件应力应变曲线。

Description

液压气动中应变率拉伸试验装置及方法
技术领域
本发明属于材料动态力学性能测试技术领域，涉及一种液压气动的液压气动中应变率拉伸试验装置及方法，适用于在中应变率条件下研究材料的动态力学性能，获得材料的中应变率动态力学特性。
背景技术
汽车碰撞、外物对飞机和高铁的撞击、金属加工等等均涉及研究材料在中应变率加载条件下的动态力学响应特性。
研究率敏感材料的动态力学性能需要多种方法和手段，如准静态拉伸、压缩和扭转试验采用传统的伺服试验机，广泛用于研究材料的低应变率力学行为响应特性(产生的应变率为10-3～10-1S-1)；而分离霍普金森杆技术(Split Hopkinson Bar Technique)广泛用于研究材料的高应变率力学行为响应特性，霍普金森拉杆或者压杆一般产生的应变率是从200～103S-1。考虑材料中低应变率1～200S-1变形行为的文献数据是非常有限的。这主要是因为中应变率的拉伸或者压缩实验难度比较大，比伺服拉伸压缩试验机的应变率大，而比霍普金森拉杆或者压杆取得的应变率小。在传统的伺服液压试验机或者其它的快速试验机上增加加载速率时会造成应力波信号振荡。而振荡的滤波会降低精度和重要现象的发现。对于材料的中应变率力学性能测试仍然没有比较完善的设备。若在气动和机械加载机构基础上研发的中应变率材料试验方法，主要进行材料的压缩试验。为了得到一个可观的最大应变，所需的应力波脉冲很长，达到1ms到10ms之间，若采用传统的霍普金森杆加载技术，不但子弹长度过长，可能在数米的长度，而且要分离入射波和反射波所需的杆的长度也至少是子弹长度的两倍，这样整个装置的长度就可达十几米和几十米。所以采用传统的霍普金森杆装置进行中应变率加载的试验是不现实的。因此研发适宜于中应变率加载条件下材料动态力学性能研究的试验装置和方法，是十分必要和重要的。
发明内容
本发明目的是为了本发明目的是为了解决现有试验装置只适用于高、低应变率试验，并不能进行中应变率加载条件下拉伸动态应力波加载试验的问题，提供了一种液压气动中应变率拉伸试验装置及方法。
本发明所述液压气动中应变率拉伸试验装置包括输出杆1、拉伸试件23、测试应变片2、输入杆3、圆柱状缸体10、活塞7、活塞杆24、流量控制阀11、高压快开电磁阀12、水路控制单元和气路控制单元；
圆柱状缸体10的内腔被活塞7分割为气室5和水室9，位于气室5内的活塞杆24的右端与活塞7的左端面同轴连接，输入杆3的右端穿过气室5左端盖并与活塞杆24的左端同轴连接；
拉伸试件23的两端分别与端部粘贴测试应变片2的输入杆3和输出杆1连接；
水室9的右端盖中心沿轴向依次设置有流量控制阀11和高压快开电磁阀12；
水路控制单元，用于向水室9注水；还用于实验结束后在气路控制单元的协助下将水室9中的水排空；
气路控制单元，用于向气室5充入惰性气体；还用于保持充气过程中活塞7两侧的压力平衡；还用于在拉伸实验时实现对气室5内气体压力的释放；还用于在拉伸实验时实现往水室9内充水时排空水室内的气体；还用于在试验结束后将气室中的惰性气体排空。
优选地，还包括超动态应变仪和时间历程监测单元；超动态应变仪同时与两个测试应变片2电连接，实现测量拉伸试件23在应变时间历程中两侧的应力载荷数据；时间历程监测单元用于测量拉伸试件23发生应力形变的时间历程数据。
优选地，时间历程监测单元采用以下任一技术方案：
技术方案一、采用激光位移传感器22实现测量，输入杆3的左端设置有固定挡块，通过激光位移传感器22监测固定挡块来实现测量拉伸试件23的应变时间历程；
技术方案二、在拉伸试件23上粘贴应变片，通过应变片测得拉伸试件23的应变时间历程；
技术方案三、在拉伸试件23上喷射散斑，通过数字散斑DIC技术监测拉伸或压缩过程中拉伸试件23的形变来确定应变时间历程。
优选地，还包括数字示波器，激光位移传感器22的数据输出端与数字示波器的数据输入端连接。
优选地，水路控制单元包括注水漏斗14、一号高压手动截止阀8和二号高压手动截止阀13；注水漏斗14通过二号高压手动截止阀13与水室9上部连通；水室9下部通过一号高压手动截止阀8与外界连通。
优选地，气路控制单元包括高压气源分配器18、惰性气体瓶21、三号高压手动截止阀15、四号高压手动截止阀16、五号高压手动截止阀17和七号高压手动截止阀20；
惰性气体瓶21的出气口通过七号高压手动截止阀20与高压气源分配器18的气源入口连通；
高压气源分配器18通过五号高压手动截止阀17与外界连通；
高压气源分配器18通过四号高压手动截止阀16与气室5连通；高压气源分配器18通过三号高压手动截止阀15与水室9连通。
优选地，气路控制单元还包括六号高压手动截止阀19和气压表，气压表用于监测高压气源分配器18内部气压，气压表与高压气源分配器18之间的管路上设置有六号高压手动截止阀19。
优选地，活塞7采用铝合金活塞。
优选地，还包括一号O型圈4和二号O型圈6，输入杆3与圆柱状缸体10左端面接触处通过一号O型圈4实现密封；活塞7与圆柱状缸体10的内壁面通过两道二号O型圈6实现密封。
液压气动中应变率拉伸试验方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：向水室9中注满水：打开三号高压手动截止阀15和五号高压手动截止阀17，打开二号高压手动截止阀13，通过注水漏斗14将水注入水室9，水室9中的气体通过三号高压手动截止阀15、高压气源分配器18和五号高压手动截止阀17排出水室9；
步骤2：向气室5充满氮气：关闭五号高压手动截止阀17，打开四号高压手动截止阀16和六号高压手动截止阀19，打开惰性气体瓶21的开关，打开七号高压手动截止阀20，向气室5里面充入氮气，同时保证气室5和水室9的压力平衡，当充入的气体压力达到试验需求的压力值时，关闭三号高压手动截止阀15、四号高压手动截止阀16、六号高压手动截止阀19和七号高压手动截止阀20；
步骤3：打开高压快开电磁阀12，将水室9里面的水通过流量控制阀11按设定流速排出，在打开阀门的瞬间，水室9中的水压力为零，致使活塞7在此瞬间被加载瞬态载荷并传导施加在拉伸试件23上，在水室9排水的过程中，活塞7向右移动并将持续施加载荷到拉伸试件23上，使拉伸试件23持续被拉伸，直至3～10秒后将高压快开电磁阀12关闭为止；
步骤4：在持续施加载荷的过程中，利用激光位移传感器22测量拉伸试件23的应变时间历程，利用超动态应变仪测量所述应变时间历程中拉伸试件23两侧的应力载荷数据，根据两组数据构建拉伸应力应变曲线。
本发明的有益效果：本发明所述种液压气动中应变率拉伸试验装置及方法，特征在于在水室的轴线方向顺序连接流量控制阀和快开电磁阀实现水的瞬间排放和流量控制；在水室的下端安装一个高压手动截止阀用于试验后将剩余的水排空；在水室的上端顺序连接高压手动截止阀和漏斗用于水室在实验时注水。
附图说明
图1是本发明所述液压气动中应变率拉伸试验装置及方法的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的液压气动中应变率拉伸试验装置，包括输出杆1、拉伸试件23、测试应变片2、输入杆3、圆柱状缸体10、活塞7、活塞杆24、流量控制阀11、高压快开电磁阀12、水路控制单元和气路控制单元；
圆柱状缸体10的内腔被活塞7分割为气室5和水室9，活塞7采用铝合金活塞。位于气室5内的活塞杆24的右端与活塞7的左端面同轴连接，输入杆3的右端穿过气室5左端盖并与活塞杆24的左端同轴连接；
活塞杆24右端通过螺纹和止口与活塞7连接，而活塞杆24左端具有轴肩通过螺纹与输入杆3同轴连接，活塞杆24上的轴肩可以限制活塞杆24向左移动，避免拉伸试验前对拉伸试件23施加压缩载荷；
拉伸试件23的两端分别与端部粘贴测试应变片2的输入杆3和输出杆1连接；输出杆1左端固定，右端与拉伸试件23左端同轴连接；输入杆3左端与试件23右端同轴连接；
水室9的右端盖中心沿轴向依次设置有流量控制阀11和高压快开电磁阀12；
水路控制单元，用于向水室9注水；还用于实验结束后在气路控制单元的协助下将水室9中的水排空；
水路控制单元包括注水漏斗14、一号高压手动截止阀8和二号高压手动截止阀13；注水漏斗14通过二号高压手动截止阀13与水室9上部连通；水室9下部通过一号高压手动截止阀8与外界连通。
水室9的轴线方向顺序连接流量控制阀11和快开电磁阀12实现水的瞬间排放和流量控制；在水室9的下端安装一号高压手动截止阀8用于试验后将剩余的水排空；在水室9的上端顺序连接二号高压手动截止阀和注水漏斗14用于水室9在实验时注水。
气路控制单元，用于向气室5充入惰性气体；还用于保持充气过程中活塞7两侧的压力平衡；还用于在拉伸实验时实现对气室5内气体压力的释放；还用于在拉伸实验时实现往水室9内充水时排空水室内的气体；还用于在试验结束后将气室中的惰性气体排空。
气路控制单元包括高压气源分配器18、惰性气体瓶21、三号高压手动截止阀15、四号高压手动截止阀16、五号高压手动截止阀17和七号高压手动截止阀20；
惰性气体瓶21的出气口通过七号高压手动截止阀20与高压气源分配器18的气源入口连通；
高压气源分配器18通过五号高压手动截止阀17与外界连通；
高压气源分配器18通过四号高压手动截止阀16与气室5连通；高压气源分配器18通过三号高压手动截止阀15与水室9连通。
气路控制单元还包括六号高压手动截止阀19和气压表，气压表用于监测高压气源分配器18内部气压，气压表与高压气源分配器18之间的管路上设置有六号高压手动截止阀19。
通过高压气源分配器18和两个高压手动截止阀(15、16)将水室9和气室5连接，以保证水室9和气室5在试验装置充气的过程中两侧压力平衡。
惰性气体瓶21为氮气气体瓶。
高压气源分配器18通过高压手动截止阀(16、17)实现对气室5内压的释放；高压气源分配器18通过高压手动截止阀(15、17)实现往水室9内充水时排空水室内的气体。
具体实施方式二、本实施方式与实施方式一的不同之处在于，还包括超动态应变仪和时间历程监测单元；超动态应变仪同时与两个测试应变片2电连接，实现测量拉伸试件23在应变时间历程中两侧的应力载荷数据；时间历程监测单元用于测量拉伸试件23发生应力形变的时间历程数据。
时间历程监测单元采用以下任一技术方案：
技术方案一、采用激光位移传感器22实现测量，输入杆3的左端设置有固定挡块，通过激光位移传感器22监测固定挡块来实现测量拉伸试件23的应变时间历程；
技术方案二、在拉伸试件23上粘贴应变片，通过应变片测得拉伸试件23的应变时间历程；
技术方案三、在拉伸试件23上喷射散斑，通过数字散斑DIC技术监测拉伸或压缩过程中拉伸试件23的形变来确定应变时间历程。
具体实施方式三、本实施方式与实施方式二的不同之处在于，还包括数字示波器，激光位移传感器22的数据输出端与数字示波器的数据输入端连接。
数字示波器用于显示激光位移传感器22输出的数据。
具体实施方式四、本实施方式与实施方式一至三任一实施方式的不同之处在于，还包括一号O型圈4和二号O型圈6，输入杆3与圆柱状缸体10左端面接触处通过一号O型圈4实现密封；活塞7与圆柱状缸体10的内壁面通过两道二号O型圈6实现密封。
具体实施方式五、本实施方式所述液压气动中应变率拉伸试验方法，该方法基于实施方式四所述的液压气动中应变率拉伸试验装置实现，该方法包括以下步骤：
准备工作：首先将试件23连接到输入杆3和输出杆1之间，活塞杆24的轴肩向右与固定圆柱状缸体10的左端面接触，避免充水加气时对试件施加压缩载荷的影响；初始状态时所有阀门都处于关闭状态。
步骤1：向水室9中注满水：打开三号高压手动截止阀15和五号高压手动截止阀17，打开二号高压手动截止阀13，通过注水漏斗14将水注入水室9，里面的气体通过三号高压手动截止阀15、高压气源分配器18和五号高压手动截止阀17排出水室9；
步骤2：向气室5充满氮气：关闭五号高压手动截止阀17，打开四号高压手动截止阀16和六号高压手动截止阀19，打开惰性气体瓶21的开关，打开七号高压手动截止阀20，向气室5里面充入氮气，同时保证气室5和水室9的压力平衡，当充入的气体压力达到试验需求的压力值时，关闭三号高压手动截止阀15、四号高压手动截止阀16、六号高压手动截止阀19和七号高压手动截止阀20；
步骤3：打开高压快开电磁阀12，将水室9里面的水通过流量控制阀11按设定流速排出，在打开阀门的瞬间，水室9中的水压力为零，致使活塞7在此瞬间被加载瞬态载荷并传导施加在拉伸试件23上，在水室9排水的过程中，活塞7向右移动并将持续施加载荷到拉伸试件23上，使拉伸试件23持续被拉伸，直至3～10秒后将高压快开电磁阀12关闭为止；
排出水的流量大小控制活塞7的速度，也就是控制载荷对试件的加载时间；
通过流量控制阀11控制液体的流量控制活塞7的运动速度，也就是控制拉伸试件23的变形速率，而由气体的压力控制施加应力波的幅值大小，实现中应变率加载条件下拉伸动态应力波加载。
步骤4：在持续施加载荷的过程中，利用激光位移传感器22测量拉伸试件23的应变时间历程，利用超动态应变仪测量所述应变时间历程中拉伸试件23两侧的应力载荷数据，根据两组数据构建拉伸应力应变曲线。
进一步包括以下步骤：
步骤A5：打开四号高压手动截止阀16和五号高压手动截止阀17，将气室5内的气体排出，打开一号高压手动截止阀8和三号高压手动截止阀15将水室9内的水排出水室，完成拉伸试验。
本发明的液压气动中应变率拉伸试验装置易于控制应力波的幅值和应变率，具有良好的重复性，可产生所需的不同中应变率的加载波形。本发明的液压气动中应变率拉伸试验装置易于操作和控制，可以连续可调获得材料在1-200/s应变率下的变形行为和本构关系。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.液压气动中应变率拉伸试验装置，其特征在于，包括输出杆（1）、拉伸试件（23）、测试应变片（2）、输入杆（3）、圆柱状缸体（10）、活塞（7）、活塞杆（24）、流量控制阀（11）、高压快开电磁阀（12）、水路控制单元和气路控制单元；
圆柱状缸体（10）的内腔被活塞（7）分割为气室（5）和水室（9），位于气室（5）内的活塞杆（24）的右端与活塞（7）的左端面同轴连接，输入杆（3）的右端穿过气室（5）左端盖并与活塞杆（24）的左端同轴连接；
拉伸试件（23）的两端分别与端部粘贴测试应变片（2）的输入杆（3）和输出杆（1）连接；
水室（9）的右端盖中心沿轴向依次设置有流量控制阀（11）和高压快开电磁阀（12）；
水路控制单元，用于向水室（9）注水；还用于实验结束后在气路控制单元的协助下将水室（9）中的水排空；
气路控制单元，用于向气室（5）充入惰性气体；还用于保持充气过程中活塞（7）两侧的压力平衡；还用于在拉伸实验时实现对气室（5）内气体压力的释放；还用于在拉伸实验时实现往水室（9）内充水时排空水室内的气体；还用于在试验结束后将气室中的惰性气体排空；
还包括超动态应变仪和时间历程监测单元；超动态应变仪同时与两个测试应变片（2）电连接，实现测量拉伸试件（23）在应变时间历程中两侧的应力载荷数据；时间历程监测单元用于测量拉伸试件（23）发生应力形变的时间历程数据。
2.根据权利要求1所述液压气动中应变率拉伸试验装置，其特征在于，时间历程监测单元采用以下任一技术方案：
技术方案一、在拉伸试件（23）上粘贴应变片，通过应变片测得拉伸试件（23）的应变时间历程；
技术方案二、在拉伸试件（23）上喷射散斑，通过数字散斑DIC技术监测拉伸或压缩过程中拉伸试件（23）的形变来确定应变时间历程。
3.根据权利要求2所述液压气动中应变率拉伸试验装置，其特征在于，还包括数字示波器，激光位移传感器（22）的数据输出端与数字示波器的数据输入端连接。
4.根据权利要求1所述液压气动中应变率拉伸试验装置，其特征在于，水路控制单元包括注水漏斗（14）、一号高压手动截止阀（8）和二号高压手动截止阀（13）；注水漏斗（14）通过二号高压手动截止阀（13）与水室（9）上部连通；水室（9）下部通过一号高压手动截止阀（8）与外界连通。
5.根据权利要求1~4任一权利要求所述液压气动中应变率拉伸试验装置，其特征在于，气路控制单元包括高压气源分配器（18）、惰性气体瓶（21）、三号高压手动截止阀（15）、四号高压手动截止阀（16）、五号高压手动截止阀（17）和七号高压手动截止阀（20）；
惰性气体瓶（21）的出气口通过七号高压手动截止阀（20）与高压气源分配器（18）的气源入口连通；
高压气源分配器（18）通过五号高压手动截止阀（17）与外界连通；
高压气源分配器（18）通过四号高压手动截止阀（16）与气室（5）连通；高压气源分配器（18）通过三号高压手动截止阀（15）与水室（9）连通。
6.根据权利要求5所述液压气动中应变率拉伸试验装置，其特征在于，气路控制单元还包括六号高压手动截止阀（19）和气压表，气压表用于监测高压气源分配器（18）内部气压，气压表与高压气源分配器（18）之间的管路上设置有六号高压手动截止阀（19）。
7.根据权利要求1所述液压气动中应变率拉伸试验装置，其特征在于，活塞（7）采用铝合金活塞。
8.根据权利要求1所述液压气动中应变率拉伸试验装置，其特征在于，还包括一号O型圈（4）和二号O型圈（6），输入杆（3）与圆柱状缸体（10）左端面接触处通过一号O型圈（4）实现密封；活塞（7）与圆柱状缸体（10）的内壁面通过两道二号O型圈（6）实现密封。
9.液压气动中应变率拉伸试验方法，其特征在于，该方法基于权利要求6所述的液压气动中应变率拉伸试验装置实现，该方法包括以下步骤：
步骤1：向水室（9）中注满水：打开三号高压手动截止阀（15）和五号高压手动截止阀（17），打开二号高压手动截止阀（13），通过注水漏斗（14）将水注入水室（9），水室（9）中的气体通过三号高压手动截止阀（15）、高压气源分配器（18）和五号高压手动截止阀（17）排出水室（9）；
步骤2：向气室（5）充满氮气：关闭五号高压手动截止阀（17），打开四号高压手动截止阀（16）和六号高压手动截止阀（19），打开惰性气体瓶（21）的开关，打开七号高压手动截止阀（20），向气室（5）里面充入氮气，同时保证气室（5）和水室（9）的压力平衡，当充入的气体压力达到试验需求的压力值时，关闭三号高压手动截止阀（15）、四号高压手动截止阀（16）、六号高压手动截止阀（19）和七号高压手动截止阀（20）；
步骤3：打开高压快开电磁阀（12），将水室（9）里面的水通过流量控制阀（11）按设定流速排出，在打开阀门的瞬间，水室（9）中的水压力为零，致使活塞（7）在此瞬间被加载瞬态载荷并传导施加在拉伸试件（23）上，在水室（9）排水的过程中，活塞（7）向右移动并将持续施加载荷到拉伸试件（23）上，使拉伸试件（23）持续被拉伸，直至3~10秒后将高压快开电磁阀（12）关闭为止；
步骤4：在持续施加载荷的过程中，利用激光位移传感器（22）测量拉伸试件（23）的应变时间历程，利用超动态应变仪测量所述应变时间历程中拉伸试件（23）两侧的应力载荷数据，根据两组数据构建拉伸应力应变曲线。
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