CN111665153A - 中应变率压缩实验装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于多次连续循环无间隔应力波加载的中应变率压缩实验装置及其方法，该装置包括：撞击杆、波形整形器、入射杆、透射杆、试样；撞击杆撞击入射杆的近端产生入射应力波并在入射杆中传播，入射应力波传播至试样后被试样反射并在入射杆中形成反射应力波；第一列入射应力波被试样反射形成第一列反射应力波，当第一列反射应力波的波前从试样处反射至入射杆的近端时，第一列入射应力波的波尾也到达入射杆的近端；第一列反射应力波从入射杆的近端无损反射成为第二列入射应力波，第二列入射应力波的波前与第一列入射应力波的波尾连接，从而形成连续的入射应力波对试样进行连续的压缩加载，使试样的应变率在10⁰s^‑1～10²s^‑1之间。

Description

中应变率压缩实验装置及其方法

技术领域

本发明涉及材料的动态力学性能测试技术，尤其涉及一种基于多次连续循环无间隔应力波加载的中应变率压缩实验装置及其方法。

背景技术

目前，对材料的力学性能研究中，人们往往只关注于低应变率(<1s^-1)和高应变率(>10²s^-1)范围内的研究，而在实际的工程应用中，也常常遇到如材料的变形成型、车辆撞击等中应变率(100s^-1～10²s^-1)加载过程。材料在中应变率下的应力-应变行为对于描述这些过程至关重要，而中应变率状态是一个加载要求苛刻的测试状态，其加载过程是一个典型的应力波作用过程，基于通用的准静态力学试验机，其式样夹具/压头很难实现相对应的高加载速度，而其载荷传感器也很难实现应力波形式传导的载荷的高精度测量。而对于传统的Hopkinson杆实验系统来说，其加载式样所能实现的应变是由加载脉宽和应变率的乘积决定，其加载脉宽多为60μs～200μs不等，对于中应变率(10⁰s^-1～10²s^-1)实验理论计算可知所能实现的加载应变为0.006％～2％，实验获得的应力应变曲线为(极)小变形特征，这对于研究材料的力学性能意义有限。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于多次连续循环无间隔应力波加载的中应变率压缩实验装置及其方法，以解决现有技术存在的无法实现中应变率加载下的大应变测试的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种多次连续循环无间隔的应力波加载的中应变率压缩实验装置，其包括：同轴顺序布置的撞击杆、波形整形器、入射杆和透射杆；其中在所述入射杆和所述透射杆之间设置有压缩试样；所述撞击杆撞击所述入射杆的近端产生入射应力波并在所述入射杆中传播，所述入射应力波传播至所述试样后被所述试样反射并在所述入射杆中形成反射应力波；其中，所述入射杆的长度比所述撞击杆的长度长0-5％，所述波形整形器对所述入射应力波进行滤波整形，所述入射应力波的脉宽为二倍的撞击杆长度与波速的比值；其中，第一列入射应力波被所述试样反射形成第一列反射应力波，当所述第一列反射应力波的波前从所述试样处反射至所述入射杆的近端时，所述第一列入射应力波的波尾也到达所述入射杆的近端；所述第一列反射应力波从所述入射杆的近端无损反射成为第二列入射应力波，所述第二列入射应力波的波前与所述第一列入射应力波的波尾连接，从而形成连续的入射应力波对所述试样进行连续的压缩加载，使所述试样的应变率在100s^-1～10²s^-1之间。

其中，所述透射杆的长度为所述入射杆的长度的4-10倍。

其中，所述撞击杆的波阻抗不大于所述入射杆的波阻抗。

其中，所述入射杆的波阻抗大于所述试样的波阻抗，所述入射杆的波阻抗不小于所述透射杆的波阻抗。

其中，所述装置还包括：设置在所述入射杆上的第一应变片和设置在所述透射杆上的第二应变片，其中所述第一应变片靠近所述入射杆的近端，所述第二应变片靠近所述透射杆的近端。

根据本发明的另一方面，提供一种基于多次连续循环无间隔应力波加载的中应变率压缩实验方法，其包括：同轴顺序布置撞击杆、波形整形器、入射杆和透射杆；在所述入射杆和所述透射杆之间设置试样；使所述撞击杆撞击所述入射杆的近端产生入射应力波，其中，所述入射杆的长度比所述撞击杆的长度长0-5％，所述波形整形器对所述入射应力波进行滤波整形，所述入射应力波的脉宽为二倍的撞击杆长度与波速的比值；所述入射应力波传播至所述试样后被所述试样反射并在所述入射杆中形成反射应力波；其中，第一列入射应力波被所述试样反射形成第一列反射应力波，当所述第一列反射应力波的波前从所述试样处反射至所述入射杆的近端时，所述第一列入射应力波的波尾也到达所述入射杆的近端；所述第一列反射应力波从所述入射杆的近端无损反射成为第二列入射应力波，所述第二列入射应力波的波前与所述第一列入射应力波的波尾连接，从而形成连续的入射应力波对所述试样进行连续的压缩加载，使所述试样的应变率在10⁰s^-1～10²s^-1之间。

其中，所述透射杆的长度为所述入射杆的长度的4-10倍。

其中，所述撞击杆的波阻抗不大于所述入射杆的波阻抗。

其中，所述入射杆的波阻抗大于所述试样的波阻抗，所述入射杆的波阻抗不小于所述透射杆的波阻抗。

其中，所述方法还包括：在所述入射杆上设置第一应变片和在所述透射杆上设置的第二应变片，其中所述第一应变片靠近所述入射杆的近端，所述第二应变片靠近所述透射杆的近端。

本发明通过使用长度几近相同的撞击杆和入射杆，使入射应力波的脉宽为二倍的撞击杆长度与波速的比值，实现了入射应力波能够对试样进行多次连续循环无间隔加载，使得材料可以在中应变率加载下产生大的应变；并且由于使用长且波阻抗低的透射杆实现透射信号的高精度测量，且能够记录到更多个循环应力波加载时的透射信号，为试样发生大应变时应力的计算提供依据。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的材料动态压缩循环加载装置的示意图；

图2是连续恒幅的入射波加载采集到的入射波及反射波原始波形图；

图3是根据本发明实施例的加载装置试验的典型原始波形图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。

本发明可用于测试例如像橡胶等具有弹性的聚合物材料的动态力学性能，尤其是测试聚合物材料的在数百微秒甚至亚毫秒量级的压缩应力应变曲线，并可高精度采集和记录试样被加载/卸载变形过程中的载荷数据。

根据本发明实施例提供了一种基于多次连续循环无间隔应力波加载的中应变率压缩实验装置，参考图1，所述装置至少包括：高压气室1、撞击杆2、波形整形器3、入射杆4、粘贴于入射杆4表面径向相对的一对应变片5、试样(或压缩试样)6、透射杆7、粘贴于透射杆7表面径向相对的一对应变片8、以及进行高频数据采集的数据采集器9。其中，撞击杆2、波形整形器3、入射杆4、试样6和透射杆7同轴顺序布置。

其中，撞击杆2、入射杆4、透射杆7均为圆柱形长直杆，三者的横截面与轴线的垂直度满足国标GB/T 1184-1996的要求。将撞击杆2、入射杆4和透射杆7三者的中心轴在同一水平线上，撞击杆2、入射杆4和透射杆7可沿轴线方向自由滑动。撞击杆2和入射杆4均为高强度的金属杆，波阻抗较大。波形整形器3粘贴于入射杆4的撞击端(近端)面上，波形整形器3可采用铜片、铝片或者橡胶等材料。撞击杆2受高压气体加速撞击入射杆4，经波形整形器3滤波整形，在入射杆4中产生一列入射应力波(入射波)；压缩试样6紧密夹持于入射杆4和透射杆7之间，可在夹持面上加凡士林润滑减小摩擦。入射应力波传播至试样6处时，极大部分应力波反射传回入射杆4，其余应力波经试样6传入透射杆7中；透射杆7由低阻抗、低波速的材料制成，用来传递透射信号。入射杆上4上的应变片5采集入射和反射应变信号，透射杆7上的应变片8采集透射信号，所测信号转变为电学信号被数据采集器9记录。

在进行应力波加载的过程中，入射应力波的脉宽约为二倍的撞击杆的长度与波速的比值，但由于入射杆4仅比撞击杆2略长，且纵波在高强度金属杆中的传播速度几乎相同，再在波形整形器3的作用下略微加长脉宽，使得入射波在入射杆4中的持续历程为二倍的入射杆4的长度。因此，实现了以下特征的应力波加载：当第一列入射应力波的波前从试样处反射返回至入射杆的近端时(或称为第一列反射应力波)，第一列入射波的波尾也到达入射杆的近端；之后，第一列入射波的波前再从入射杆的近端无损反射成为压缩的第二列入射应力波，与第一列入射波的波尾连接，如此往复，形成连续加载的入射应力波对试样进行连续的压缩加载，从而使试样产生大的应变变形。由于压缩试样的波阻抗远远小于入射杆的波阻抗，根据一维应力波传播原理，入射波几乎实现了恒幅反射，因此，基本上可以实现幅值恒定的入射应力波连续不间断加载。下面详细描述具体的加载过程。

步骤1、设置器材设备。

将撞击杆、入射杆、透射杆按顺序支撑于工作台上，波形整形器粘贴于入射杆靠近撞击杆一端的端面上，入射杆与撞击杆之间保持一定的距离，压缩试样紧密夹持于入射杆与撞击杆之间。撞击杆、波形整形器、入射杆、压缩试样、透射杆的中心轴在同一水平线上，且各杆可沿轴线方向自由滑动。分别将一对参数完全相同的应变片径向相对粘贴于入射杆和透射杆上。入射杆上的应变片要尽量靠近入射杆的近端，以能够记录到一个完整的入射波，透射杆上的应变片要尽量靠近透射杆的近端(即压缩试样夹持端)，以能够记录到更长的透射应力波信号，记录时间为第一个透射信号到达透射杆上的应变片至其从透射杆的自由端反射传回应变片。本实施例中，撞击杆可由钛合金制成，长度80cm，直径19mm；入射杆可采用高强度钢杆(例如材料编号为1Cr18Ni的不锈钢)制成，长度84cm，直径20mm，撞击杆的波阻抗小于入射杆的波阻抗；透射杆可选用有机玻璃杆制成，长度4m，直径18mm，纵波在有机玻璃中的传播速度约为2110m/s，则记录到的加载时间可达到3.5ms。入射杆上的应变片采用普通金属应变片，阻值为1000Ω，灵敏度系数为1.92；透射杆上的应变片采用半导体应变片，阻值为120Ω，灵敏度系数为110。本实验装置适用于几乎所有低阻抗材料的中应变率大应变加载。将每对应变片通过引线与桥盒连接，桥盒是根据惠斯通半桥原理制作而成的，两应变片相当于半桥的两个相对桥臂。接1000Ω的应变片时，惠斯通半桥中另外两个臂上的固定电阻取1000Ω，供电电源为30V的直流电源；接120Ω的应变片时，惠斯通半桥中另外两个臂上的固定电阻取120Ω，供电电源为5V的直流电源。桥盒通过通道线与数据采集器相连接，将由应变片阻值变化引起的电压变化传输到数据采集器中并记录。

步骤2、加载实验。

向高压气室内充入适当的气体，关闭进气阀。不同的充气量导致高压气室内的气压不同，最终导致撞击杆的撞击速度不同，进而使试样产生不同的应变率。检查波形整形器、压缩试样是否准备完毕、应变片是否完好、数据采集器是否开启等，准备工作完成后，瞬间打开发射阀门，使高压气室内的气体迅速释放，推动撞击杆以一定的速度撞击入射杆，经波形整形器滤波整形后在入射杆中产生一列历程约为二倍入射杆长度的压缩应力波。

当入射应力波传播至试样处时，由于试样的波阻抗远远低于入射杆的波阻抗，入射波几乎全部反射传回入射杆，形成反射波。小部分的应力波通过试样透射进入透射杆中，形成透射波。当反射波的波前传回入射杆的近端时，入射波的波尾恰好也达到入射杆的近端，反射波在入射杆的近端无损反射并与入射波的波尾相连，形成连续的加载应力波，实现了对试样的连续循环加载。

透射杆选用有机玻璃杆材料制成并配合半导体应变片才能实现微弱透射信号的高精度测量，透射信号的有效采集时间经计算约为3.5ms，基本相当于10个加载脉宽，即在该压缩加载装置下所产生的应变可以达到普通Hopkinson杆在相同应变率下产生应变的10倍左右。若选用更长的透射杆可以实现更大应变的中应变率加载实验测试。

步骤3、验证装置可靠性。

为了验证该实验装置在连续多次加载的过程中入射波幅值基本保持恒定不变，可以维持试样恒定的应变率加载，将步骤1中实验装置的入射杆换成长度1m、直径20mm的高强度钢杆(例如材料编号为1Cr18Ni的不锈钢)，如此设置，入射杆比撞击杆长1/4，可以使得连续的两个入射应力波加载间隙增大，方便将记录到的入射和反射应力波的峰值与第一列完整的入射波的幅值进行比较。重复步骤2的实验过程，在对压缩试样加载的过程中入射杆上应变片记录到的信号，参考图2。在有效记载时间3.5ms内，入射应力波的幅值未发生明显的下降，基本保持恒定不变，而它们都比第一个完整入射波幅值低的原因是由于在短暂的加载间隙之后应变片处入射压缩波和反射拉伸波又相互叠加，导致应变片不能测出有效信号，而非应力波的幅值发生了骤降。

步骤4、数据采集及处理。

入射杆和透射杆上的应变片将应变信号表现为电阻阻值的变化，经桥盒转换输出为电压信号，通过通道线传输到数据采集器中，并被其记录采集。在对低阻抗压缩试样进行中应变率试样过程中，入射杆和透射杆上的应变片采集到的信号如图3所示，根据惠斯通电桥公式，可以得到电压与应变的转换公式(1)：

在公式(1)中，ΔU表示测得的电压信号，K表示应变片的灵敏度系数；30和5表示电源幅值，单位为V。

由于入射杆和透射杆的波阻抗不匹配，在计算应力、应变时要采用三波法(2)。入射杆上的应变片靠近撞击端，能够记录到一个完整的入射波，之后入射杆中处处几乎同时存在向试样传播的压缩波以及从试样处反射返回的拉伸波，由于两列幅值几乎相同的应力波的叠加作用，之后应变片上采集到的应变信号几乎为零。由于测量的是低阻抗材料，透射的应力波所占入射波的比例非常小，基本上可以认为反射波等同于入射波，且步骤3证明了该结论，故之后的入射波和反射波都用第一列完整的入射波来代替。此外，还可以通过在试样上粘贴应变片或者利用DIC等技术获得试样的应变。由此，根据公式(2)得到材料的应力、应变数据，进而可以得到测试材料的应力—应变曲线，得到其在中应变率大应变下的力学行为。

公式(2)中，下标inci、ref、tran分别表示入射波、反射波、透射波；

ε、σ分别表示应变率、应变和应力；E、C、A、L分别表示弹性模量、波速、截面积以及长度。

根据本申请还提供一种基于多次连续循环无间隔应力波加载的中应变率压缩实验方法，其包括：

同轴顺序布置撞击杆、波形整形器、入射杆和透射杆；

在所述入射杆和所述透射杆之间设置试样；

使所述撞击杆撞击所述入射杆的近端产生入射应力波，其中，所述入射杆的长度比所述撞击杆的长度长0-5％，所述波形整形器对所述入射应力波进行滤波整形，所述入射应力波的脉宽为二倍的撞击杆长度与波速的比值；

所述入射应力波传播至所述试样后被所述试样反射并在所述入射杆中形成反射应力波；

其中，第一列入射应力波被所述试样反射形成第一列反射应力波，当所述第一列反射应力波的波前从所述试样处反射至所述入射杆的近端时，所述第一列入射应力波的波尾也到达所述入射杆的近端；所述第一列反射应力波从所述入射杆的近端无损反射成为第二列入射应力波，所述第二列入射应力波的波前与所述第一列入射应力波的波尾连接，从而形成连续的入射应力波对所述试样进行连续的压缩加载，使所述试样的应变率在100s^-1～10²s^-1之间。

在实施例中，所述透射杆的长度为所述入射杆的长度的4-10倍。所述撞击杆的波阻抗不大于所述入射杆的波阻抗。所述入射杆的波阻抗大于所述试样的波阻抗，所述入射杆的波阻抗不小于所述透射杆的波阻抗。

上述方法还包括：在所述入射杆上设置第一应变片和在所述透射杆上设置的第二应变片，其中所述第一应变片靠近所述入射杆的撞击端，所述第二应变片靠近压缩试样夹持端。

本发明的方法的操作步骤与装置的结构特征对应，可以相互参照，不再一一赘述。需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“应力波”应做广义理解，例如，可以是瞬时脉冲，也可以是加载波。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明通过对传统Hopkinson杆进行改进，对材料进行多次循环压缩加载，使得其能够在中应变率加载下产生大应变，弥补了目前对中应变率测试技术的不足，至少能够实现以下技术效果：

1、在传统霍普金森杆技术的基础上，采用较长的且长度几近相同的撞击杆和入射杆(撞击杆的长度要略短于入射杆)，由于波形整形器的滤波整形作用可加宽脉宽，所以当反射波在入射杆的撞击自由端无损反射再次成为压缩入射波时，其波前可以实现与前一列入射应力波的波尾相连，形成连续加载应力波，对试样进行持续压缩加载，产生长达数毫秒量级的应力波加载时间，进而在中应变率加载下产生大的应变。

2、撞击杆的波阻抗不大于入射杆的波阻抗。杆的广义波阻抗定义为密度、纵波在杆中传播速度以及横截面积三者的乘积，根据一维应力波传播原理，撞击杆撞击入射杆，第一次撞击后，撞击杆将停止运动(当撞击杆的波阻抗与入射杆的相同时)或背向运动(当撞击杆的波阻抗比入射杆的小时)，这都会杜绝多次撞击的发生，对之后应力波在入射杆中的传播不产生任何影响。

3、入射杆的波阻抗要大于压缩试样的波阻抗100倍以上。当高强度高阻抗入射杆中的应力波传播到阻抗低的式样时，几乎所有的应力波全部反射传回入射杆，之后该反射波从入射杆撞击自由端无损反射再次成为入射波对试样进行压缩加载，如此往复，可以实现对材料的多次循环恒幅应力波加载。

4、为实现长时间的信号采集，透射杆要尽量长，测量时间为第一列透射应力波信号到达透射杆上应变片至其从透射杆的自由端反射传回到应变片。由于压缩试样的波阻抗低，在本申请中采用波阻抗低的透射杆并结合高灵敏度的半导体应变片实现对透射信号的高精度测量。波阻抗低的材料作为透射杆，其波速较低，透射波再由透射杆自由端反射传回到应变片所需要的时间更长，越有利于测量更长时间的透射应力波信号。

本领域技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

以上所述仅为本发明的实施例而已，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权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种基于多次连续循环无间隔应力波加载的中应变率压缩实验装置，其特征在于，包括：同轴顺序布置的撞击杆、波形整形器、入射杆和透射杆；其中在所述入射杆和所述透射杆之间设置有试样；

所述撞击杆撞击所述入射杆的近端产生入射应力波并在所述入射杆中传播，所述入射应力波传播至所述试样后被所述试样反射并在所述入射杆中形成反射应力波；其中，所述入射杆的长度比所述撞击杆的长度长0-5％，所述波形整形器对所述入射应力波进行滤波整形，所述入射应力波的脉宽为二倍的撞击杆长度与波速的比值；

其中，第一列入射应力波被所述试样反射形成第一列反射应力波，当所述第一列反射应力波的波前从所述试样处反射至所述入射杆的近端时，所述第一列入射应力波的波尾也到达所述入射杆的近端；所述第一列反射应力波在所述入射杆的近端无损反射成为第二列入射应力波，所述第二列入射应力波的波前与所述第一列入射应力波的波尾连接，从而形成连续的入射应力波对所述试样进行连续的压缩加载，使所述试样的应变率在10⁰s^-1～10²s^-1之间。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述透射杆的长度为所述入射杆的长度的4-10倍。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述撞击杆的波阻抗不大于所述入射杆的波阻抗。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述入射杆的波阻抗大于所述试样的波阻抗，所述入射杆的波阻抗不小于所述透射杆的波阻抗。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：设置在所述入射杆上的第一应变片和设置在所述透射杆上的第二应变片，其中所述第一应变片靠近所述入射杆的近端，所述第二应变片靠近所述透射杆的近端。

6.一种基于多次连续循环无间隔应力波加载的中应变率压缩实验方法，其特征在于，包括：

同轴顺序布置撞击杆、波形整形器、入射杆和透射杆；

在所述入射杆和所述透射杆之间设置试样；

使所述撞击杆撞击所述入射杆的近端产生入射应力波，其中，所述入射杆的长度比所述撞击杆的长度长0-5％，所述波形整形器对所述入射应力波进行滤波整形，所述入射应力波的脉宽为二倍的撞击杆长度与波速的比值；

所述入射应力波传播至所述试样后被所述试样反射并在所述入射杆中形成反射应力波；

其中，第一列入射应力波被所述试样反射形成第一列反射应力波，当所述第一列反射应力波的波前从所述试样处反射至所述入射杆的近端时，所述第一列入射应力波的波尾也到达所述入射杆的近端；所述第一列反射应力波从所述入射杆的近端无损反射成为第二列入射应力波，所述第二列入射应力波的波前与所述第一列入射应力波的波尾连接，从而形成连续的入射应力波对所述试样进行连续的压缩加载，使所述试样的应变率在10⁰s^-1～10²s^-1之间。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述透射杆的长度为所述入射杆的长度的4-10倍。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述撞击杆的波阻抗不大于所述入射杆的波阻抗。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述入射杆的波阻抗大于所述试样的波阻抗，所述入射杆的波阻抗不小于所述透射杆的波阻抗。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：

在所述入射杆上设置第一应变片和在所述透射杆上设置的第二应变片，其中所述第一应变片靠近所述入射杆的近端，所述第二应变片靠近所述透射杆的近端。

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