CN111337361A - 一种集束式霍普金森压杆实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种集束式霍普金森压杆实验装置，包括压缩空气发射系统、撞击子弹、集束式入射杆、集束式透射杆、吸收杆、缓冲器、支撑平台，压缩空气发射系统、集束式入射杆、集束式透射杆、吸收杆、缓冲器依次排列置在支撑平台上，撞击子弹位于压缩空气发射系统中，集束式入射杆和集束式透射杆之间用于固定试件，集束式入射杆、集束式透射杆均包括多根等截面的方杆、多个卡箍和多个圆形卡箍过渡件，多根方杆通过所述的卡箍集束固定形成正方形截面的集束杆。本发明可有效解决随着杆径的增大横向惯性效应凸显的问题，能够满足对岩石、混凝土等工程类材料，以及一些内部细观结构非均匀材料的实验研究需求，且实验结果有效可靠，实验精度高。

Description

一种集束式霍普金森压杆实验装置

技术领域

本发明涉及材料动态力学性能实验设备领域，尤其涉及一种集束式霍普金森压杆实验装置。

背景技术

目前，在材料科学领域测量材料在高应变率下的力学性能使用最广泛的就是分离式霍普金森压杆技术，其基本原理是一维应力波理论。实验装置通常由压缩空气发射系统、撞击子弹、单根圆形输入杆、单根圆形透射杆、吸收杆、缓冲器和测量系统等组成。撞击子弹、输入杆和透射杆多采用高强度金属制作，实验时均处于弹性状态,且一般具有相同的直径和材质。试件夹持于输入杆和透射杆之间(相对于输入杆和透射杆而言试件十分短)，当压缩空气发射系统驱动撞击子弹撞击输入杆时产生冲击荷载，在输入杆中传播入射应力波。试件在该入射应力波的作用下高速变形。

由于国防及民用工程的需要，霍普金森压杆实验装置的研究对象已从金属、合金等均质密实材料发展到泡沫材料、混凝土等非均质离散型材料，为保证实验结果的有效性，试件尺寸会变大，仅增大相应的霍普金森压杆的直径会破坏“一维应力波”的基本假定，无法满足非均质材料的实验需求，主要表现在：

1.随着单根入射圆杆杆径的增大，杆中横向惯性效应变得显著，杆中一维应力波波阵面的上升沿将随传播距离的增加而逐渐由陡变缓，且杆径愈大其升时变化愈显著，降低了受试材料的应变率效应；

2.随着单根入射圆杆杆径的增大，杆的几何弥散效应凸显，杆中应力波峰值随传播距离增大而减小，且杆径愈大衰减愈严重，影响了实验结果的有效性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有分离式霍普金森压杆应变率偏低，随看杆径增大几何弥散效应凸显等技术缺陷，提供一种集束式霍普金森压杆实验装置。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种集束式霍普金森压杆实验装置，所述的实验装置包括压缩空气发射系统、撞击子弹、集束式入射杆、集束式透射杆、吸收杆、缓冲器、支撑平台，所述的压缩空气发射系统、集束式入射杆、集束式透射杆、吸收杆、缓冲器依次排列置在支撑平台上，所述的撞击子弹位于压缩空气发射系统中，集束式入射杆和集束式透射杆之间用于固定试件，所述的集束式入射杆、集束式透射杆均包括多根等截面的方杆、多个卡箍和多个圆形卡箍过渡件，多根方杆通过所述的卡箍集束固定形成正方形截面的集束杆。

优选地，所述的支撑平台包括可调节支腿、基座、线性导轨以及多组杆件对中支架，所述的杆件对中支架可通过滑块在线性导轨上滑动。

优选地，所述的集束式入射杆和集束式透射杆穿过所述的杆件对中支架，并通过所述的圆形卡箍过渡件与杆件对中支架连接。

优选地，所述的圆形卡箍过渡件的截面为具有方形孔的圆形，所述的方形孔与集束杆的截面相匹配。

优选地，所述的集束式入射杆与集束式透射杆具有相同的截面形状及相等的横截面积。

优选地，集束式入射杆的集束杆的入射端被加工成螺纹结构，并连接具有盲孔内螺纹的圆形撞击帽，所述的圆形撞击帽的外圆周能完全覆盖集束式入射杆的正方形截面。

优选地，所述的卡箍和圆形卡箍过渡件均由上下个等分卡块组成，上下2个卡块之间通过螺栓箍抱在集束杆上。

优选地，所述的卡块为聚碳酸酯材料制成。

优选地，所述的多根方杆的外表面间断性喷涂有聚脲束裹涂层。

本发明的集束式霍普金森压杆实验装置，与常规圆杆霍普金森杆实验装置相比，具有以下发明点：

1.本发明的集束式霍普金森杆实验装置可显著提高受试材料的应变速率效应。在材料动态应力应变霍普金森杆实验中，由于横向惯性效应，杆中一维应力波波阵面的上升沿将随传播距离的增加而逐渐由陡变缓，且杆径愈大其升时变化愈显著。所以，由多根方杆组成的束杆与等效直径圆杆相比，可有效减小应力波前沿的升时(即，应力波的上升时间)，提高受试材料的应变率效应。

2.横向惯性引起的杆中应力波形的几何弥散，还表现为杆中应力波峰值随传播距离增大而减小。同样，杆径愈大衰减愈严重。因此，由多根方杆组成的束杆与等效直径圆杆相比，可显著降低应力波幅值的衰减，提高实验结果的精度。

附图说明

图1是本发明的集束式霍普金森压杆的结构示意图。

图2是本发明集束式入射杆的结构示意图。

图3是本发明圆形卡箍过渡件结构示意图。

其中：1、压缩空气发射系统，2、撞击子弹，3、集束式入射杆，4、集束式透射杆，5、吸收杆,6、缓冲器，7、支撑平台，8、可调节支腿，9、装配式钢结构基座，10、高精度线性导轨，11、杆件对中支架，12、卡箍；13、圆形卡箍过渡件，14、集束杆，15、圆形撞击帽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，一种集束式霍普金森压杆实验装置，主要由压缩空气发射系统1、撞击子弹2、集束式入射杆3、集束式透射杆4、吸收杆5、缓冲器6、模块化标准化支撑平台7构成。所述的压缩空气发射系统1、集束式入射杆3、集束式透射杆4、吸收杆5、缓冲器6依次顺序排列置放在模块化标准化支撑平台7上方。所述的撞击子弹2位于压缩空气发射系统3中。试件可固定于集束式入射杆3和集束式透射杆4之间。

如图1所示，所述的模块化标准化支撑平台7由可调节支腿8、装配式钢结构基座9、高精度线性导轨10以及多组杆件对中支架11构成。所述的杆件对中支架11可作较大范围对中调整，并可通过滑块沿线性导轨10上方滑动。

如图2所示，所述的集束式入射杆3、集束式透射杆4均由多根等截面的高平直度方杆11、多个卡箍12和多个圆形卡箍过渡件13组成，其特征在于多根方杆11可通过卡箍12集束固定形成正方形截面的集束杆14。集束式入射杆3和集束式透射杆4均可穿过杆件对中支架11的中心，并通过圆形卡箍过渡件13与杆件对中支架11连接；圆形卡箍过渡件13的截面为外圆内方形，见图3,可实现方形集束杆14与杆件对中支架11的适配。

集束式入射杆3与集束式透射杆4具有相同的截面形状及相等的横截面积。

如图2所示，为使集束式入射杆3入射端均匀受力，多根方杆11在集束固定形成集束式入射杆3后，在入射端，一侧加工出一段螺纹结构，并连接具有盲孔内螺纹的圆形撞击帽15。圆形撞击帽15的外圆周能完全覆盖集束式入射杆3的正方形截面。

所述的卡箍12和圆形卡箍过渡件13均由上下2个等分卡块组成，上下2个卡块之间通过螺栓箍抱在集束杆14上。卡块材料均为聚碳酸酯，此种材料的波阻抗较金属类集束杆14的材料差一个数量级以上，对集束杆14中应力波传播的影响甚微。

所述的多根方杆11的外表面间断性喷涂聚脲束裹涂层来进一步保证集束杆14形式的稳定性。

以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种集束式霍普金森压杆实验装置，所述的实验装置包括压缩空气发射系统、撞击子弹、集束式入射杆、集束式透射杆、吸收杆、缓冲器、支撑平台，所述的压缩空气发射系统、集束式入射杆、集束式透射杆、吸收杆、缓冲器依次排列置在支撑平台上，所述的撞击子弹位于压缩空气发射系统中，集束式入射杆和集束式透射杆之间用于固定试件，其特征在于，所述的集束式入射杆、集束式透射杆均包括多根等截面的方杆、多个卡箍和多个圆形卡箍过渡件，多根方杆通过所述的卡箍集束固定形成正方形截面的集束杆。

2.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述的支撑平台包括可调节支腿、基座、线性导轨以及多组杆件对中支架，所述的杆件对中支架可通过滑块在线性导轨上滑动。

3.如权利要求2所述的实验装置，其特征在于，所述的集束式入射杆和集束式透射杆穿过所述的杆件对中支架，并通过所述的圆形卡箍过渡件与杆件对中支架连接。

4.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述的圆形卡箍过渡件的截面为具有方形孔的圆形，所述的方形孔与集束杆的截面相匹配。

5.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述的集束式入射杆与集束式透射杆具有相同的截面形状及相等的横截面积。

6.如权利要求4所述的实验装置，其特征在于，集束式入射杆的入射端被加工成螺纹结构，并连接具有盲孔内螺纹的圆形撞击帽，所述的圆形撞击帽的外圆周能完全覆盖集束式入射杆的正方形截面。

7.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述的卡箍和圆形卡箍过渡件均由上下个等分卡块组成，上下2个卡块之间通过螺栓箍抱在集束杆上。

8.如权利要求7所述的实验装置，其特征在于，所述的卡块为聚碳酸酯材料制成。

9.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述的多根方杆的外表面间断性喷涂有聚脲束裹涂层。

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