CN111474067A - 一种模拟流体环境的霍普金森压杆试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟流体环境的霍普金森压杆试验系统及试验方法，所述霍普金森压杆试验系统，包括箱体、流体引入装置、流体放出装置、霍普金森压杆贯通装置一、霍普金森压杆贯通装置二、透射杆、入射杆、测速杆、测速仪及样品固定装置；本发明能够测定材料样品在流体环境中损伤或破碎的动态力学性质，分析材料样品在流体环境中损坏或破碎的能耗情况，进而还可更换流体介质、调节流体深度和流速，实现不同流体条件下的霍普金森压杆动力学试验。

Description

一种模拟流体环境的霍普金森压杆试验系统

技术领域

本发明涉及霍普金森压杆试验技术领域，尤其涉及一种模拟流体环境的霍普金森压杆试验系统。

背景技术

科研人员可利用多种试验方法分析材料的动态力学性质，其中，霍普金森压杆试验是研究材料动态力学性质的试验方法之一；霍普金森压杆试验的原理是将试样夹持于两个细长弹性杆(入射杆与透射杆)之间，由圆柱形子弹以一定的速度撞击入射杆的另一端，产生压应力脉冲并沿着入射杆向试样方向传播；当应力波传到入射杆与试样的界面时，一部分反射回入射杆，另一部分对试样加载并传向透射杆，通过贴在入射杆与透射杆上的应变片可记录入射脉冲，反射脉冲以及透射脉冲，由一维应力波理论可以确定试样上的应力、变变率、应变随时间的变化，以及应力、应变曲线。霍普金森压杆试验可测定材料在应变率范围为102～104的应力—应变曲线，进而通过电脑、应变仪等设备分析材料样品的能耗情况。

分析材料样品在流体环境中的动态力学特性具有重要的研究意义，目前针对基本的霍普金森压杆试验，尚未有将整个材料样品置于流动的流体环境内进行试验的系统，难以完成材料样品在流体中受到流速、深度等影响因素下的霍普金森压杆动力学试验。

发明内容

本发明提供了一种模拟流体环境的霍普金森压杆试验系统及试验方法，能够测定材料样品在流体环境中损伤或破碎的动态力学性质，分析材料样品在流体环境中损坏或破碎的能耗情况，进而还可更换流体介质、调节流体深度和流速，实现不同流体条件下的霍普金森压杆动力学试验。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种模拟流体环境的霍普金森压杆试验系统，包括箱体、流体引入装置、流体放出装置、霍普金森压杆贯通装置一、霍普金森压杆贯通装置二、透射杆、入射杆、测速杆、测速仪及样品固定装置；所述箱体的底部一侧开设通孔一，流体引入装置中的流体入口管自通孔一伸入箱体内，通孔一处通过密封透盖密封；箱体底部的另一侧开设通孔二，流体放出装置的流体出口管自通孔二伸入箱体内，通孔二处通过密封透盖密封；样品固定装置置于箱体中部，样品置于样品固定装置上；对应样品高度的箱体一侧开设通孔三，霍普金森压杆贯通装置一设钢管一自通孔三伸入箱体内，透射杆穿过钢管一后延伸至样品对应端外侧，通孔三处通过密封透盖密封；对应样品高度的箱体另一侧开设通孔四，霍普金森压杆贯通装置二设钢管二自通孔四伸入箱体内，入射杆穿过钢管二后延伸至样品对应端外侧，通孔四处通过密封透盖密封；透射杆的前端、入射杆的前设均设有应变片，应变片的信号输出端连接计算机；箱体顶部开设通孔五，测速杆悬吊于样品的正上方，测速杆的信号输出电缆穿过通孔五后连接测速仪，通孔五处通过密封透盖密封；对应样品高度的箱体一端开设通孔六，通孔六通过透明端盖封闭，通孔六外侧设高速摄影仪；所述通孔一～通孔五处均通过密封透盖密封。

所述流体引入装置由流体入口管以及沿流体流动方向依次设于流体入口管上的流体泵、流体控制开关一和超声波流量计一组成，流体入口管的一端连接流体储槽，流体入口管的另一端穿过对应的密封透盖后伸入箱体内。

所述流体放出装置由流体出口管以及沿流体流动方向依次设于流体出口管上的超声波流量计二及流体控制开关二组成，流体出口管的一端连接流体回收槽，流体出口管的另一端穿过对应的密封透盖后伸入箱体内。

所述霍普金森压杆贯通装置一由装置台一、钢管一及橡胶圈组成，钢管一的一端穿过对应密封透盖后伸入箱体内；透射杆的一端穿设在装置台一上的通孔中，另一端穿过钢管一后延伸至样品对应端外侧；橡胶圈套设在透射杆外与装置台一的通孔之间；钢管一与透射杆之间充满黄油；所述霍普金森压杆贯通装置二由装置台二、钢管二及橡胶圈组成，钢管二的一端穿过对应密封透盖后伸入箱体内；入射杆的一端穿设在装置台二上的通孔中，另一端穿过钢管二后延伸至样品对应端外侧；橡胶圈套设在入射杆外与装置台二的通孔之间；钢管二与入射杆之间充满黄油。

所述箱体由多块透明塑料板通过嵌套结构胶接组成，或由金属板通过焊接组成；箱体侧面沿高向设有标尺。

所述流体入口管、流体出口管为橡胶软管或钢管。

基于一种所述模拟流体环境的霍普金森压杆试验系统的试验方法，包括如下步骤：

1)制作样品，样品呈圆柱状；

2)将样品两端抹上黄油后，通过通孔六放入箱体内，并置于样品固定装置的顶部，样品的两端紧贴入射杆和透射杆；

3)通过透明端盖将通孔六封闭，打开流体引入装置中的流体控制开关一向箱体内注入流体，箱体内的液面到达设定液位后，打开流体放出装置中的流体控制开关二，通过流体控制开关一、流体控制开关二控制流入箱体与流出箱体的流体流量，保持箱体内样品所处位置的流体深度和流速均为一定值；

4)利用高速摄影仪透过透明端盖进行拍摄，记录样品的损坏或破碎过程；

5)对样品施加冲击荷载，通过机算机的数据分析单元处理后得到所述样品的应力—应变曲线；

6)冲击加载完成后，关闭流体控制开关一，将流体控制开关二调节至最大流量使箱体内的流体全部放出；

7)通过通孔六取出样品，分析样品在流体中的损伤或破碎情况，进而分析样品的能耗情况。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明可以获取材料样品基于流体环境中冲击加载的动态力学特性，可更换多种流体介质进行试验，有利于分析不同流体中霍普金森压杆冲击材料样品的动态力学特性，进而分析材料样品损伤或破碎的能耗情况；

(2)本发明可通过控制箱体内的流体速度和流体深度，达到相同流体介质不同流体条件下冲击加载材料样品的试验条件；

(3)本发明所述系统的结构简单，制作成本低廉，操作方便。

附图说明

图1是本发明所述一种模拟流体环境的霍普金森压杆试验系统的立体结构示意图。

图2是本发明所述流体引入装置的结构示意图。

图3是本发明所述流体放出装置的结构示意图。

图4是本发明所述霍普金森压杆贯通装置一/霍普金森压杆贯通装置二的结构示意图。

图中：1.箱体 2.流体引入装置 2a.流体泵 2b.流体控制开关一 2c.超声波流量计一 2d.流体入口管 3.流体放出装置 3a.超声波流量计二 3b.流体控制开关二 3c.流体出口管 4.通孔一 5.通孔二 6/7/19.密封透盖 8.通孔三 9.通孔四 10.透射杆 11.装置台一/装置台二 12.霍普金森压杆贯通装置一/霍普金森压杆贯通装置二 12a.橡胶圈12b.钢管一/钢管二 13.入射杆 14.样品固定装置 15.样品 16.通孔六 17.测速杆 18.测速仪 20.通孔五 21.标尺 22.黄油

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1所示，本发明所述一种模拟流体环境的霍普金森压杆试验系统，包括箱体1、流体引入装置2、流体放出装置3、霍普金森压杆贯通装置一、霍普金森压杆贯通装置二12、透射杆10、入射杆13、测速杆17、测速仪18及样品固定装置14；所述箱体1的底部一侧开设通孔一4，流体引入装置2中的流体入口管2d自通孔一4伸入箱体1内，通孔一4处通过密封透盖6密封；箱体1底部的另一侧开设通孔二5，流体放出装置3的流体出口管3c自通孔二5伸入箱体1内，通孔二5处通过密封透盖7密封；样品固定装置14置于箱体1中部，样品15置于样品固定装置14上；对应样品15高度的箱体1一侧开设通孔三8，霍普金森压杆贯通装置一12设钢管一12b自通孔三8伸入箱体1内，透射杆10穿过钢管一12b后延伸至样品15对应端外侧，通孔三8处通过密封透盖密封；对应样品15高度的箱体1另一侧开设通孔四9，霍普金森压杆贯通装置二12设钢管二12b自通孔四9伸入箱体1内，入射杆13穿过钢管二12b后延伸至样品15对应端外侧，通孔四9处通过密封透盖密封；透射杆10的前端、入射杆13的前设均设有应变片，应变片的信号输出端连接计算机；箱体1顶部开设通孔五20，测速杆17悬吊于样品15的正上方，测速杆17的信号输出电缆穿过通孔五20后连接测速仪18，通孔五处通过密封透盖19密封；对应样品15高度的箱体1一端开设通孔六16，通孔六16通过透明端盖封闭，通孔六16外侧设高速摄影仪。

如图2所示，所述流体引入装置2由流体入口管2d以及沿流体流动方向依次设于流体入口管2d上的流体泵2a、流体控制开关一2b和超声波流量计一2c组成，流体入口管2d的一端连接流体储槽，流体入口管2d的另一端穿过对应的密封透盖6后伸入箱体1内。

如图3所示，所述流体放出装置3由流体出口管3c以及沿流体流动方向依次设于流体出口管3c上的超声波流量计二3a及流体控制开关二3a组成，流体出口管3c的一端连接流体回收槽，流体出口管3c的另一端穿过对应的密封透盖7后伸入箱体1内。

如图1、图4所示，所述霍普金森压杆贯通装置一12由装置台一11、钢管一12b及橡胶圈12a组成，钢管一12b的一端穿过对应密封透盖后伸入箱体1内；透射杆10的一端穿设在装置台一11上的通孔中，另一端穿过钢管一12b后延伸至样品15对应端外侧；橡胶圈12a套设在透射杆10外与装置台一11的通孔之间；钢管一12b与透射杆10之间充满黄油22；所述霍普金森压杆贯通装置二12由装置台二11、钢管二12b及橡胶圈12a组成，钢管二12b的一端穿过对应密封透盖后伸入箱体1内；入射杆13的一端穿设在装置台二11上的通孔中，另一端穿过钢管二12b后延伸至样品15对应端外侧；橡胶圈12a套设在入射杆13外与装置台二11的通孔之间；钢管二12b与入射杆13之间充满黄油22。

所述箱体1由多块透明塑料板通过嵌套结构胶接组成，或由金属板通过焊接组成；箱体1侧面沿高向设有标尺21。

所述流体入口管2d、流体出口管3c为橡胶软管或钢管。

基于所述模拟流体环境的霍普金森压杆试验系统的试验方法，包括如下步骤：

1)制作样品15，样品15呈圆柱状；

2)将样品15两端抹上黄油后，通过通孔六16放入箱体1内，并置于样品固定装置14的顶部，样品15的两端紧贴入射杆13和透射杆10；

3)通过透明端盖将通孔六16封闭，打开流体引入装置2中的流体控制开关一2b向箱体1内注入流体，箱体1内的液面到达设定液位后，打开流体放出装置3中的流体控制开关二3b，通过流体控制开关一2b、流体控制开关二3b控制流入箱体1与流出箱体1的流体流量，保持箱体1内样品15所处位置的流体深度和流速均为一定值；

4)利用高速摄影仪透过透明端盖进行拍摄，记录样品15的损坏或破碎过程；

5)对样品15施加冲击荷载，通过机算机的数据分析单元处理后得到所述样品15的应力—应变曲线；

6)冲击加载完成后，关闭流体控制开关一2b，将流体控制开关二3b调节至最大流量使箱体1内的流体全部放出；

7)通过通孔六16取出样品15，分析样品15在流体中的损伤或破碎情况，进而分析样品15的能耗情况。

以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

【实施例1】

本实施例中，选用透明塑料板作为箱体的制作材料，密封透盖选用PVC材料制成，流体采用海水，流体入口管、流体出口管采用橡胶软管。样品为岩石。

本实施例中，箱体左侧(图示方向，以下涉及方向的均为图示方向)开设直径为65mm的通孔三与霍普金森压杆贯通装置一中的钢管一胶结，霍普金森压杆贯通装置一中的橡胶圈与左侧的装置台一上的通孔紧密连接，钢管一用于供透射杆通过，为防止流体泄漏，霍普金森压杆贯通装置一中的钢管一与透射杆之间充满黄油；通孔三下方的箱体上开设直径为15mm的通孔一，通过流体入口管与对应的密封透盖胶结、密封透盖通孔一胶接实现密封。

箱体的右侧一开设直径为65mm的通孔四，与霍普金森压杆贯通装置二中的钢管二胶结，霍普金森压杆贯通装置二中的橡胶圈另一端与装置台二紧密连接，钢管二用于供入射杆穿过；为了防止流体泄漏，霍普金森压杆贯通装置二中的钢管二与入射杆之间充满黄油；通孔四下方的箱体上开设直径为15mm的通孔二，通过流体出口管与对应的密封透盖胶结、密封透盖与通孔二胶接实现密封。

本实施例中，岩石样品固定在样品固定装置的顶部，样品固定装置放置在箱体内、箱体底板的中心位置，样品固定装置可以是固定台和/或固定架；测速杆的测试端位于岩石样品的正上方，用于测量样品近区的流速；箱体顶部开设10mm直径的通孔五，测速杆的信号输出电缆穿过通孔五后与测速仪连接，通过测速仪的显示器能够直接观察岩石样品近区的流速变动情况；通孔五处通过对应的密封透盖密封。

所有密封透盖的中部均设有通孔，供对应的部件穿过。

本实施例中，箱体的前端开设直径为200mm的通孔六，用于取放更换岩石样品，通孔六可通过透明端盖封闭。

箱体上的通孔全部封闭后，向箱体内部注入流体，当箱体内流体的深度达到需要的深度时，打开流体引入装置中的流体控制开关一向箱体内注入流体，箱体内的液面到达设定液位后，打开流体放出装置中的流体控制开关二，通过流体控制开关一、流体控制开关二控制流入箱体与流出箱体的流体流量，保持箱体内样品所处位置的流体深度和流速均为一定值；

进行霍普金森压杆试验，用高速摄影仪透过箱体前端的透明端盖对岩石样品进行摄影，观察岩石样品表面的裂纹扩展过程；试验结束以后停止注入海水，海水全部放出后，完整的取出岩石样品，分析岩石样品的破碎程度，更进一步地，通过霍普金森试验配合设施(如应变仪、电脑等)分析岩石样品在海水环境中破碎的能耗情况和应力—应变曲线。

【实施例2】

本实施例中，选用铁板作为箱体的制作材料，密封透盖采用钢板制成，透明端盖采用透明PVC材料制成；流体选用海水，样品为微型防水炸药，流体入口管、流体出口管选用钢管。

本实施例中，一种模拟流体环境的霍普金森压杆试验系统的各部组成及连接关系与实施例1相同。

进行霍普金森压杆试验，用高速摄影仪透过透明端盖对炸药样品进行摄影，观察炸药样品的爆破过程；试验结束以后停止注入海水，海水全部放出后，完整的取出炸药样品，分析炸药样品爆炸后的残留物，更进一步地，通过霍普金森试验配合使用的设施(应变仪、电脑等)分析炸药样品在海水环境中爆炸的动态力学特性。

【实施例3】

本实施例中，选用钢板作为箱体的制作材料，箱体高度3m，箱体之间采用焊接固定。密封透盖选用钢铁材料制成，流体选用海水，样品选用岩石样品，流体入口管、流体出口管选用钢管，透明端盖选用硬度较大的透明塑料制作。

本实施例中，一种模拟流体环境的霍普金森压杆试验系统的各部组成及连接关系与实施例1相同。

进行霍普金森压杆试验，用高速摄影仪透过透明端盖对岩石样品进行摄影，观察岩石样品表面的裂纹扩展过程；试验结束以后停止注入海水，海水全部放出后，完整的取出岩石样品，分析岩石样品的破碎程度，更进一步地，通过霍普金森试验配合的设施(应变仪、电脑等)分析岩石样品在海水环境中破碎的能耗情况和应力—应变曲线。

【实施例4】

本实施例中，选用铁板作为箱体的制作材料，箱体之间焊接固定；密封透盖选用钢板制成，流体选用河水，样品选用岩石样品，流体入口管、流体出口管采用钢管，透明端盖选用硬度较大的透明塑料制作。

本实施例中，一种模拟流体环境的霍普金森压杆试验系统的各部组成及连接关系与实施例1相同。

进行霍普金森压杆试验，用高速摄影仪透过透明端盖对岩石样品进行摄影，观察岩石样品表面的裂纹扩展过程；试验结束以后停止注入河水，河水全部放出后，完整的取出岩石样品，分析岩石样品的破碎程度，更进一步地，通过霍普金森试验配合的设施(应变仪、电脑等)分析岩石样品在流速较高的河水环境中破碎的能耗情况和应力—应变曲线。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种模拟流体环境的霍普金森压杆试验系统，其特征在于，包括箱体、流体引入装置、流体放出装置、霍普金森压杆贯通装置一、霍普金森压杆贯通装置二、透射杆、入射杆、测速杆、测速仪及样品固定装置；所述箱体的底部一侧开设通孔一，流体引入装置中的流体入口管自通孔一伸入箱体内，通孔一处通过密封透盖密封；箱体底部的另一侧开设通孔二，流体放出装置的流体出口管自通孔二伸入箱体内，通孔二处通过密封透盖密封；样品固定装置置于箱体中部，样品置于样品固定装置上；对应样品高度的箱体一侧开设通孔三，霍普金森压杆贯通装置一设钢管一自通孔三伸入箱体内，透射杆穿过钢管一后延伸至样品对应端外侧，通孔三处通过密封透盖密封；对应样品高度的箱体另一侧开设通孔四，霍普金森压杆贯通装置二设钢管二自通孔四伸入箱体内，入射杆穿过钢管二后延伸至样品对应端外侧，通孔四处通过密封透盖密封；透射杆的前端、入射杆的前设均设有应变片，应变片的信号输出端连接计算机；箱体顶部开设通孔五，测速杆悬吊于样品的正上方，测速杆的信号输出电缆穿过通孔五后连接测速仪，通孔五处通过密封透盖密封；对应样品高度的箱体一端开设通孔六，通孔六通过透明端盖封闭，通孔六外侧设高速摄影仪；所述通孔一～通孔五处均通过密封透盖密封。

2.根据权利要求1所述的一种模拟流体环境的霍普金森压杆试验系统，其特征在于，所述流体引入装置由流体入口管以及沿流体流动方向依次设于流体入口管上的流体泵、流体控制开关一和超声波流量计一组成，流体入口管的一端连接流体储槽，流体入口管的另一端穿过对应的密封透盖后伸入箱体内。

3.根据权利要求1所述的一种模拟流体环境的霍普金森压杆试验系统，其特征在于，所述流体放出装置由流体出口管以及沿流体流动方向依次设于流体出口管上的超声波流量计二及流体控制开关二组成，流体出口管的一端连接流体回收槽，流体出口管的另一端穿过对应的密封透盖后伸入箱体内。

4.根据权利要求1所述的一种模拟流体环境的霍普金森压杆试验系统，其特征在于，所述霍普金森压杆贯通装置一由装置台一、钢管一及橡胶圈组成，钢管一的一端穿过对应密封透盖后伸入箱体内；透射杆的一端穿设在装置台一上的通孔中，另一端穿过钢管一后延伸至样品对应端外侧；橡胶圈套设在透射杆外与装置台一的通孔之间；钢管一与透射杆之间充满黄油；所述霍普金森压杆贯通装置二由装置台二、钢管二及橡胶圈组成，钢管二的一端穿过对应密封透盖后伸入箱体内；入射杆的一端穿设在装置台二上的通孔中，另一端穿过钢管二后延伸至样品对应端外侧；橡胶圈套设在入射杆外与装置台二的通孔之间；钢管二与入射杆之间充满黄油。

5.根据权利要求1所述的一种模拟流体环境的霍普金森压杆试验系统，其特征在于，所述箱体由多块透明塑料板通过嵌套结构胶接组成，或由金属板通过焊接组成；箱体侧面沿高向设有标尺。

6.根据权利要求1所述的一种模拟流体环境的霍普金森压杆试验系统，其特征在于，所述流体入口管、流体出口管为橡胶软管或钢管。

7.基于权利要求1-6任意一种所述模拟流体环境的霍普金森压杆试验系统的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)制作样品，样品呈圆柱状；

2)将样品两端抹上黄油后，通过通孔六放入箱体内，并置于样品固定装置的顶部，样品的两端紧贴入射杆和透射杆；

3)通过透明端盖将通孔六封闭，打开流体引入装置中的流体控制开关一向箱体内注入流体，箱体内的液面到达设定液位后，打开流体放出装置中的流体控制开关二，通过流体控制开关一、流体控制开关二控制流入箱体与流出箱体的流体流量，保持箱体内样品所处位置的流体深度和流速均为一定值；

4)利用高速摄影仪透过透明端盖进行拍摄，记录样品的损坏或破碎过程；

5)对样品施加冲击荷载，通过机算机的数据分析单元处理后得到所述样品的应力—应变曲线；

6)冲击加载完成后，关闭流体控制开关一，将流体控制开关二调节至最大流量使箱体内的流体全部放出；

7)通过通孔六取出样品，分析样品在流体中的损伤或破碎情况，进而分析样品的能耗情况。

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