CN110926936A - 一种基于shpb试验系统的试件动态侧向应变测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于SHPB试验系统的试件动态侧向应变测量装置及方法，属于采用SHPB试验系统进行煤岩等脆性材料动态力学特性测试的领域。该装置包括固定系统、油压系统和数据采集系统，固定系统用来将整个装置固定在SHPB试验台上并且调节装置的高度；油压系统用于对试件施加所需的围压并且将试件的体积变化信号转化为油压变化信号；数据采集系统用于捕捉油压变化的信号并得出侧向应变的时程变化曲线。本发明利用油压系统对试件施加围压，模拟了试件的围压综合加载，并与分离式霍普金森压杆装置引起的轴向作用力共同作用，从而实现试件的复杂应力状态的模拟；本发明通过侧向应变引起的油压变化的信号来得出油压和侧向应变的关系，以计算侧向应变。

Description

一种基于SHPB试验系统的试件动态侧向应变测量装置及方法

技术领域

本发明涉及采用SHPB试验系统进行煤岩等脆性材料动态力学特性测试的技术领域，具体涉及一种基于SHPB试验系统的试件动态侧向应变测量装置及方法。

背景技术

大多数材料在强度等力学性质方面都表现出某种程度的加载率或应变率敏感性。高幅值短时间的脉冲动载引起的材料力学性质的应变率效应，对于抗动载的结构设计与分析是非常重要的。分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置是目前测试各种工程材料在100/s到10000/s应变率范围内动态应力-应变响应关系的主要试验手段，具有结构简单、操作方便、测量方法精巧、加载波形易于控制等优点。采用该装置进行煤岩等脆性材料的动态力学特性测试时，材料的轴向应变和轴向应力可以通过对波导杆上的动态应变时程曲线进行换算获得。但对于试件动态侧向应变的测量，目前尚缺乏准确有效的手段。大量霍普金森压杆实验中采用在试件侧面粘贴应变片来获得试件动态侧向应变。该方法具有一定的局限性，其一，对于煤岩等脆性材料，由于其表面相对粗糙，应变片不易粘贴，动载作用过程中很容易造成应变片脱落，影响实验数据的完整性；其二，动载冲击下试件侧向应变往往是不均匀的，采用粘贴应变片的方式只能测出试件侧面某一点的侧向应变，以此来代表试件整体的侧向应变是不准确的。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提出一种基于SHPB试验系统的试件动态侧向应变测量装置及方法。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种基于SHPB试验系统的试件动态侧向应变测量装置，包括油压系统、数据采集系统和固定系统；

所述油压系统包括缸体、盖板、密封垫圈和橡胶囊套，缸体为一空心圆筒，缸体的两端通过盖板封堵，在盖板的中心设置有供入射杆或透射杆穿过的圆孔；橡胶囊套布置在缸体的内侧，橡胶囊套的整体为空心柱形，内部轴向用于放置试件，且橡胶囊套的侧壁为中空结构，用于充注液压油；所述密封垫圈设置在盖板内壁和橡胶囊套的端面之间；

在缸体的上部设置有油压传感器连接口和排气口，所述排气口与缸体和橡胶囊套之间的空隙连通；在缸体的下部设置有进油口和出油口，进油口和出油口与传输液压油的液压管路连接，在液压管路上设置有液压油泵，进油口和出油口还与橡胶囊套的侧壁中空空间连通；

所述数据采集系统包括油压传感器、信号传输线、动态液压采集仪和计算机，油压传感器设置在油压传感器连接口处，油压传感器的下端位于橡胶囊套的侧壁中空空间中，油压传感器通过信号传输线与动态液压采集仪连接，动态液压采集仪与计算机连接；

所述固定系统包括底座和活柱，底座固定在SHPB试验台上，活柱的底端与底座焊接在一起，活柱的顶端与缸体焊接在一起，在活柱上配置有用于调节活柱升降的调节螺栓。

优选的，所述盖板和缸体之间通过螺纹连接，所述盖板的外表面设置成磨砂面。

优选的，所述进油口和出油口分别与液压管路之间通过锥形螺纹连接方式连接。

一种基于SHPB试验系统的试件动态侧向应变测量方法，采用如上所述的测量装置，包括以下步骤：

(1)将测量装置放置在SHPB试验台的夹持试件位置处，拧下两个盖板分别套在入射杆和透射杆上；通过调节螺栓调整活柱高度，使缸体与入射杆和透射杆处于同一高度；

(2)所选取的试件为圆柱形，直径与入射杆和透射杆的直径相等；将试件插入缸体内部，试件的侧面由橡胶囊套包裹，调整入射杆和透射杆，夹紧试件；然后移动装置底座，使试件处在缸体正中间位置；

(3)将密封垫圈放置在盖板和橡胶囊套之间，然后将两侧盖板拧到缸体上，再将装置底座用螺栓固定在SHPB试验台上；

(4)打开排气口和进油口，出油口保持关闭状态，液压油泵开始加压使液压油进入橡胶囊套，油量逐渐增多，缓慢将缸体内气体排出，直至液压油充满橡胶囊套，关闭排气口；

(5)继续进油加压，直至达到实验所需的围压，关闭进油口，使试件处于所需的围压状态；

(6)启动SHPB系统，子弹撞击入射杆，入射波经过入射杆传入试件，试件受到轴向压缩，产生侧向应变，橡胶囊套内油的密度增大，油压增大，油压传感器采集到信号，信号传输到动态液压采集仪上形成油压时程曲线，然在计算机上处理，得到侧向应变的时程曲线，分析曲线，处理数据；

(7)打开出油口，将液压油回收到液压油泵，拧开盖板，拆下装置，清理试验台。

上述步骤(6)中所述的油压时程曲线与侧向应变时程曲线采用以下步骤换算：

假设动态液压采集仪获得的油压变化的时程曲线为F(t)，缸体内的容积为V_缸，油压与缸体内油液体积的关系为V_油＝f(F)，试件初始长度为h，试件初始半径为r，与入射杆和透射杆的半径相同；应力波加载至t时刻时，试件长度为h_轴，侧向扩容的体积为V_侧，轴向应变为ε_轴(t)，侧向应变为ε_侧(t)，则：

h_轴＝h[1-ε_轴(t)]

V_油＝f[F(t)]

V_侧＝{r[1+ε_侧(t)]}²πh[1-ε_轴(t)]-πr²h[1-ε_轴(t)]

根据缸体内容积不变V_缸＝V_侧+V_油，可得：

V_缸＝{r[1+ε_侧(t)]}²πh[1-ε_轴(t)]-πr²h[1-ε_轴(t)]+f[F(t)]

通过换算可得：

在得到油压变化的时程曲线后，根据上述公式(1)，便可以得出试件侧向应变的时程曲线。

本发明的有益技术效果是：

(1)本发明能够适应在动载冲击下，试件侧向应变不均匀变化的条件，将试件的侧向应变的体积信号转化为液体压力信号，实验数据更加的直观。

(2)本发明能够测出整个试件完整的侧向应变，而不是某一点或某一区域的侧向应变，相比于粘贴应变片的测量方式，侧向应变测量数据更加精确。

(3)本发明不需要粘贴应变片，能够避免粘贴应变片所带来的局限性，比如：某些表面粗糙的试件，应变片不易粘贴，易脱落，易受扰动，导线连接处易断路等，而本发明较好地解决了上述问题。

(4)本发明原理简单操作方便，可重复使用。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明测量装置剖开的结构原理示意图；

图2为本发明测量装置的剖面图；

图3为本发明测量装置的左视图；

图4为本发明测量装置在SHPB试验系统中的装配总图；

图5为本发明中换算公式所涉及的参数标注示意图；

图6为本发明的方法流程图。

1.入射杆，2.盖板，3.油压传感器，4.缸体，5.排气口，6.密封垫圈，7.试件，8.透射杆，9.橡胶囊套，10.进油口，11.活柱，12.底座，13.调节螺栓，14.出油口，15.冲击加载系统，16.激光测速系统，17.液压油泵，18.液压管路，19.动态液压采集仪，20.计算机，21.吸收杆，22.轴向加压系统，23.试验台底座，24.子弹，25.高压氮气瓶。

具体实施方式

本发明涉及一种基于SHPB试验系统的试件动态侧向应变测量装置及方法。该测量装置包括固定系统、油压系统和数据采集系统，固定系统用来将整个装置固定在SHPB试验台上并且调节装置的高度；油压系统用于对试件施加所需的围压并且将试件的体积变化信号转化为油压变化信号；数据采集系统用于捕捉油压变化的信号并得出侧向应变的时程变化曲线。本发明利用油压系统对试件施加围压，模拟了试件的围压综合加载，并与分离式霍普金森压杆装置引起的轴向作用力共同作用，从而实现试件的复杂应力状态的模拟。通过侧向应变引起的油压变化的信号来得出油压和侧向应变的关系，以计算侧向应变，甚至结合轴向应变可以计算出动态泊松比。

下面对本发明试件动态侧向应变测量装置及方法进行详细说明。

结合附图，一种基于SHPB试验系统的试件动态侧向应变测量装置，包括固定系统、油压系统和数据采集系统。

所述的固定系统由底座12、活柱11和调节螺栓13组成。所述的底座12安置于SHPB试验台上，底座两侧各布置有两个固定孔，便于采用螺母将其与SHPB试验台固定。所述的活柱上部与缸体4焊接在一起，下部与底座12焊接在一起，活柱上有调节螺栓13，可通过调节螺栓来实现活柱的升降，以保证本装置、被测试件、SHPB波导杆(入射杆和透射杆)，满足同一个高度。

所述的油压系统由盖板2、缸体4、密封垫圈6、橡胶囊套9、液压管路18和液压油泵17组成。缸体4为一空心圆筒，缸体的作用是形成密闭的储油空间，缸体的两端通过盖板2封堵，盖板2有两个，分别位于缸体4两侧，盖板2和缸体4之间通过螺纹连接，并通过密封垫圈6密闭。密封垫圈6设置有两个，位于缸体两侧，紧贴橡胶囊套和盖板，密封垫圈的内环与穿过的入射杆或透射杆紧密接触，密封垫圈用于缸体的密封。在盖板2的中心设置有供入射杆1或透射杆8穿过的圆孔，圆孔直径略大于入射杆或透射杆的直径，以免妨碍入射杆或透射杆的水平运动。盖板2的外表面加工成磨砂面，以便于装卸。橡胶囊套9布置在缸体的内侧，橡胶囊套的整体为空心柱形，内部轴向用于放置试件7，且橡胶囊套的侧壁为中空结构，用于充注液压油。

在缸体的上部设置有油压传感器连接口和排气口5，分别用于连接油压传感器和排气，排气口采用普通高强度螺栓加铜制垫片密封，即采用普通密封即可，排气口5与缸体4和橡胶囊套9之间的空隙连通。在缸体4的下部设置有进油口10和出油口14，进油口和出油口的一端与橡胶囊套的侧壁中空空间连通，进油口和出油口的另一端与传输液压油的液压管路18连通，分别用于向橡胶囊套内进油和出油，橡胶囊套进油后膨胀紧贴试件表面，然后对试件施加所需的围压。在液压管路18上设置有液压油泵17，液压管路用于液压油的传输，液压油泵用于提供和回收液压油。上述进油口和出油口与液压管路优选通过锥形螺纹连接，用锥形螺纹是因为它有一定锥度，可以越拧越紧，可消除间隙，实现过盈配合，保证缸体的密封性更好，耐压性更高。

所述的数据采集系统主要由油压传感器3、信号传输线、动态液压采集仪19和计算机20组成。油压传感器3安装在油压传感器连接口处，油压传感器下端位于橡胶囊套内的油液中，动态液压采集仪与缸体正上方的油压传感器相连接。所述的油压传感器用于实时感应油压信号；所述的信号传输线用于连接油压传感器和动态液压采集仪并传输数据；所述的动态液压采集仪用于长时间捕捉油压变化信号，并生成缸体内油压变化的时程曲线，然后在计算机处理显示出侧向应变的时程曲线。

本发明试件动态侧向应变测量装置与现有SHPB试验系统组合使用，如图4所示，所述SHPB试验系统包括冲击加载系统15、激光测速系统16、轴向加压系统22、子弹24和高压氮气瓶25等。

本发明还提供一种基于SHPB试验系统的试件动态侧向应变测量方法，该方法采用如上所述的测量装置，包括以下步骤：

(1)将测量装置放置在SHPB试验台的夹持试件位置处，拧下两个盖板2分别套在入射杆1和透射杆8上；通过调节螺栓13调整活柱11高度，使缸体4与入射杆1和透射杆8处于同一高度。

(2)所选取的试件7为圆柱形，直径与入射杆和透射杆的直径相等。将试件插入缸体内部，试件的侧面由橡胶囊套9包裹，调整入射杆1和透射杆8，夹紧试件7；然后移动装置底座12，使试件7处在缸体4正中间位置。

(3)将密封垫圈6放置在盖板2和橡胶囊套9之间，然后将两侧盖板2拧到缸体4上，再将装置底座用螺栓固定在SHPB试验台上。

(4)打开排气口5和进油口10，出油口14保持关闭状态，液压油泵17开始加压使液压油进入橡胶囊套9，油量逐渐增多，缓慢将缸体内气体排出，直至液压油充满橡胶囊套9，关闭排气口5。

(5)继续进油加压，直至达到实验所需的围压，关闭进油口10，使试件处于所需的围压状态。

(6)启动SHPB系统，子弹24撞击入射杆1，入射波经过入射杆1传入试件7，试件7受到轴向压缩，产生侧向应变，橡胶囊套9内油的密度增大，油压增大，油压传感器3采集到信号，信号传输到动态液压采集仪19上形成油压时程曲线，然在计算机20上处理，得到侧向应变的时程曲线，分析曲线，处理数据。

(7)打开出油口14，将液压油回收到液压油泵17，拧开盖板2，拆下装置，清理试验台。

上述步骤(6)中所述的油压时程曲线与侧向应变时程曲线采用以下原理步骤换算：

假设动态液压采集仪获得的油压变化的时程曲线为F(t)，缸体内的容积为V_缸，油压与缸体内油液体积的关系为V_油＝f(F)，试件初始长度为h，试件初始半径为r，与入射杆和透射杆的半径相同；应力波加载至t时刻时，试件长度为h_轴，侧向扩容的体积为V_侧，轴向应变为ε_轴(t)，侧向应变为ε_侧(t)，则：

h_轴＝h[1-ε_轴(t)]

V_油＝f[F(t)]

V_侧＝{r[1+ε_侧(t)]}²πh[1-ε_轴(t)]-πr²h[1-ε_轴(t)]

根据缸体内容积不变V_缸＝V_侧+V_油，可得：

V_缸＝{r[1+ε_侧(t)]}²πh[1-ε_轴(t)]-πr²h[1-ε_轴(t)]+f[F(t)]

通过换算可得：

在得到油压变化的时程曲线后，根据上述公式(1)，便可以得出试件侧向应变的时程曲线。

上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下，本领域技术人员所作出的任何等同替代方式，或明显变型方式，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于SHPB试验系统的试件动态侧向应变测量装置，其特征在于：包括油压系统、数据采集系统和固定系统；

所述油压系统包括缸体、盖板、密封垫圈和橡胶囊套，缸体为一空心圆筒，缸体的两端通过盖板封堵，在盖板的中心设置有供入射杆或透射杆穿过的圆孔；橡胶囊套布置在缸体的内侧，橡胶囊套的整体为空心柱形，内部轴向用于放置试件，且橡胶囊套的侧壁为中空结构，用于充注液压油；所述密封垫圈设置在盖板内壁和橡胶囊套的端面之间；

在缸体的上部设置有油压传感器连接口和排气口，所述排气口与缸体和橡胶囊套之间的空隙连通；在缸体的下部设置有进油口和出油口，进油口和出油口与传输液压油的液压管路连接，在液压管路上设置有液压油泵，进油口和出油口还与橡胶囊套的侧壁中空空间连通；

所述数据采集系统包括油压传感器、信号传输线、动态液压采集仪和计算机，油压传感器设置在油压传感器连接口处，油压传感器的下端位于橡胶囊套的侧壁中空空间中，油压传感器通过信号传输线与动态液压采集仪连接，动态液压采集仪与计算机连接；

所述固定系统包括底座和活柱，底座固定在SHPB试验台上，活柱的底端与底座焊接在一起，活柱的顶端与缸体焊接在一起，在活柱上配置有用于调节活柱升降的调节螺栓。

2.根据权利要求1所述的一种基于SHPB试验系统的试件动态侧向应变测量装置，其特征在于：所述盖板和缸体之间通过螺纹连接，所述盖板的外表面设置成磨砂面。

3.根据权利要求1所述的一种基于SHPB试验系统的试件动态侧向应变测量装置，其特征在于：所述进油口和出油口分别与液压管路之间通过锥形螺纹连接方式连接。

4.一种基于SHPB试验系统的试件动态侧向应变测量方法，采用如权利要求1-3中任一权利要求所述的测量装置，其特征在于包括以下步骤：

(1)将测量装置放置在SHPB试验台的夹持试件位置处，拧下两个盖板分别套在入射杆和透射杆上；通过调节螺栓调整活柱高度，使缸体与入射杆和透射杆处于同一高度；

(2)所选取的试件为圆柱形，直径与入射杆和透射杆的直径相等；将试件插入缸体内部，试件的侧面由橡胶囊套包裹，调整入射杆和透射杆，夹紧试件；然后移动装置底座，使试件处在缸体正中间位置；

(3)将密封垫圈放置在盖板和橡胶囊套之间，然后将两侧盖板拧到缸体上，再将装置底座用螺栓固定在SHPB试验台上；

(4)打开排气口和进油口，出油口保持关闭状态，液压油泵开始加压使液压油进入橡胶囊套，油量逐渐增多，缓慢将缸体内气体排出，直至液压油充满橡胶囊套，关闭排气口；

(5)继续进油加压，直至达到实验所需的围压，关闭进油口，使试件处于所需的围压状态；

(6)启动SHPB系统，子弹撞击入射杆，入射波经过入射杆传入试件，试件受到轴向压缩，产生侧向应变，橡胶囊套内油的密度增大，油压增大，油压传感器采集到信号，信号传输到动态液压采集仪上形成油压时程曲线，然在计算机上处理，得到侧向应变的时程曲线，分析曲线，处理数据；

(7)打开出油口，将液压油回收到液压油泵，拧开盖板，拆下装置，清理试验台。

5.根据权利要求4所述的一种基于SHPB试验系统的试件动态侧向应变测量方法，其特征在于，步骤(6)中所述的油压时程曲线与侧向应变时程曲线采用以下步骤换算：

假设动态液压采集仪获得的油压变化的时程曲线为F(t)，缸体内的容积为V_缸，油压与缸体内油液体积的关系为V_油＝f(F)，试件初始长度为h，试件初始半径为r，与入射杆和透射杆的半径相同；应力波加载至t时刻时，试件长度为h_轴，侧向扩容的体积为V_侧，轴向应变为ε_轴(t)，侧向应变为ε_侧(t)，则：

h_轴＝h[1-ε_轴(t)]

V_油＝f[F(t)]

V_侧＝{r[1+ε_侧(t)]}²πh[1-ε_轴(t)]-πr²h[1-ε_轴(t)]

根据缸体内容积不变V_缸＝V_侧+V_油，可得：

V_缸＝{r[1+ε_侧(t)]}²πh[1-ε_轴(t)]-πr²h[1-ε_轴(t)]+f[F(t)]

通过换算可得：

在得到油压变化的时程曲线后，根据上述公式(1)，便可以得出试件侧向应变的时程曲线。

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