CN112857965A - 一种shpb测试用高温加热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种SHPB测试用高温加热系统，属于材料动态力学试验技术领域。包括上箱体、下箱体、试样夹具、空心发热体、导轨、隔热挡板、金属杆、弹簧、衔铁、电磁铁和控制单元；下箱体两侧对称位置开有导向孔且内部设有空心发热体，导轨从空心发热体中穿过并通过导轨支架固定在下箱体上；试样夹具可在导轨上滑动；上箱体上穿设有金属杆，金属杆一端设有隔热挡板，另一端设有衔铁，衔铁与上箱体之间的金属杆上套设有弹簧，上箱体顶部设有电磁铁；上箱体及下箱体空余空间填充保温材料，控制单元用于控制电磁铁和空心发热体的通断电。所述系统配合分离式霍普金森杆使用，可实现测试样品的封闭加热和原位加载，测试精度较高。

Description

一种SHPB测试用高温加热系统
技术领域
本发明涉及一种分离式霍普金森压杆(SHPB)测试用高温加热系统，属于材料动态力学试验技术领域。
背景技术
分离式霍普金森压杆是目前材料动态力学性能测试的主要装置之一，可实现材料在中高应变率条件下(102～104s-1)力学性能参数的获取。随着科技的进步，工程材料往往需要在高温状态、高应变速率等极端环境服役，因此材料在高温条件下的动态力学性能成为众多科技工作者关注的对象。
目前高温动态试验主要有3种方式：第一种方式是将测试试样在加热炉中加热，待到达预定温度后将测试试样快速转移至波导杆处进行加载；如中国专利申请201710043014.5公开的一种用于SHPB动态冲击实验的高温加热装置，此方法较为粗糙，样品转移过程中的温度损失无法控制，实际测试温度偏差较大，试验精确度不高；第二种方式是将波导杆与测试试样一同加热，完成加载；如中国专利申请201911247826.7公开了一种高温下岩石动态力学性能测试方法及配套使用的加热炉，将测试试样与杆一同加热后开展试验，此方法实现难度低，但会在波导杆中形成温度梯度，改变波导杆本征参数，测试数据需要修正；第三种方式是在加热环境下原位加载，此方法测试效果较好，但测试过程中波导杆会与试样发生冷接触，接触时间过长会导致试样温度场发生变化，影响实验效果，这就需要实现波导杆的快速组装加载，对测试系统要求较高，实现难度较大。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种SHPB测试用高温加热系统，所述系统配合分离式霍普金森杆使用，可实现测试使用的封闭加热和原位加载，其结构简单、成本低廉、适应性广，可适用于不同尺寸形状试样，测试精度较高。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种SHPB测试用高温加热系统，包括上箱体、下箱体、试样夹具、空心发热体、导轨、隔热挡板、金属杆、弹簧、衔铁、电磁铁和控制单元；
下箱体内水平设置有导轨，导轨通过两对称设置的导轨支架固定在下箱体上，导轨上套设有空心发热体，空心发热体内预埋有热电偶；导轨支架和下箱体上均设有导向孔；
试样夹具为中空结构，测试试样固定在试样夹具内，试样夹具沿导轨滑动并可进入空心发热体内；
上箱体上沿竖直方向穿设有金属杆，金属杆位于上箱体内的一端设有隔热挡板，金属杆位于上箱体外的一端设有衔铁，且衔铁与上箱体之间的金属杆上套设有弹簧，上箱体顶部且位于衔铁下方设有电磁铁；电磁铁通电，按压衔铁与电磁铁吸合，金属杆带动隔热挡板向下移动，隔热挡板与导轨配合实现对空心发热体两端的封闭；电磁铁断电，衔铁在弹簧的作用下沿上箱体向上移动并由金属杆带动隔热挡板向上移动；
SHPB中的入射杆和透射杆分别穿过导向孔、试样夹具与测试试样的两端接触且入射杆、透射杆、导向孔和测试试样同轴设置；入射杆和透射杆穿入时与导向孔均无接触；
上箱体和下箱体扣合内部形成密闭空间，且上箱体和下箱体内的剩余空间填充有保温材料，空心发热体支撑在下箱体内的保温材料上，空心发热体与试样夹具、导轨均不接触；
控制单元用于控制电磁铁和空心发热体的通断电；
所述试样夹具、空心发热体、导轨和隔热挡板均为耐试验温度的材质。
进一步的，所述上箱体和下箱体通过铰链进行连接。
进一步的，所述下箱体的底部设有支撑脚，支撑脚与下箱体螺纹连接，用于调节所述加热系统的高度和水平度。
进一步的，所述控制单元包括控温开关，所述控温开关同时与电磁铁和空心发热体电连接，控温开关开启时，电磁铁通电且空心发热体开始加热；控温开关关闭时，电磁铁断电且空心发热体停止加热。
进一步的，所述空心发热体由电阻丝缠绕而成。
进一步的，所述隔热挡板的下端设有与导轨配合的缺口。
进一步的，所述测试试样上连接有热电偶。用于直接监测测试试样的加热温度。
进一步的，所述试样夹具为中空圆筒形结构，筒壁上对称设有通孔，通孔两侧设有窗口，测试试样通过穿过通孔的金属丝进行固定。
进一步的，所述试样夹具为中空圆筒形结构，试样夹具内设有用于对测试试样的两端进行夹持的垫块，所述垫块的波阻抗与所述入射杆和透射杆相匹配，试样夹具上靠近上箱体的筒壁上开有窗口。
进一步的，当所述测试试样为巴西圆盘试样时，所述试样夹具上对称设有用于支撑所述测试试样的通槽，通槽长度与测试试样的直径相同，通槽的宽度与测试试样的厚度相同。
使用时，将固定有测试试样的试样夹具沿导轨滑动至空心发热体内，控制单元控制电磁铁通电，按压衔铁与电磁铁吸合，金属杆带动隔热挡板向下移动，隔热挡板与导轨配合实现对空心发热体两端的封闭；控制单元同时控制空心发热体进行加热，根据热电偶反馈的温度，当温度达到待测试温度后，控制单元控制空心发热体停止加热，并控制电磁铁断电，衔铁在弹簧的作用下沿上箱体向上移动并由金属杆带动隔热挡板向上移动，入射杆和透射杆分别穿过导向孔与测试试样的两端接触，进而进行SHPB动态力学性能测试。
有益效果
本发明所述系统可配合分离式霍普金森压杆使用，试验过程中待测试样始终处于恒定温度环境，避免了试样转移时温差对测试结果的影响，控温更加准确；使用过程中，除加载时波导杆短暂进入高温环境外，波导杆始终处于室温环境，不存在温度梯度，应变片采集的数据真实有效，无需修正；进一步的，通过试样夹具及垫块的配合，消除了波导杆与试样冷接触的影响，保证了试样温度场的稳定。
附图说明
图1-4为本发明所述系统的结构示意图；
图5-7为本发明所述试样夹具的结构示意图。
其中，1-上箱体，2-下箱体，3-支撑脚，4-空心发热体，5-导轨，6-导轨支架，7-隔热挡板，8-金属杆，9-弹簧，10-衔铁，11-电磁铁，12-导向孔，13-样品夹具，14-测试试样，15-垫块。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
如图1-4所示，一种SHPB测试用高温加热系统，包括上箱体1、下箱体2、试样夹具3、空心发热体4、导轨5、隔热挡板7、金属杆8、弹簧9、衔铁10、电磁铁11和控制单元；
下箱体2内水平设置有导轨5，导轨5通过两对称设置的导轨支架6固定在下箱体2上，导轨5上套设有空心发热体4，空心发热体4内预埋有热电偶；导轨支架6和下箱体2上均设有导向孔12；
试样夹具3为中空结构，测试试样14固定在试样夹具3内，试样夹具3沿导轨5滑动并可进入空心发热体4内；
上箱体1上沿竖直方向穿设有金属杆8，金属杆8位于上箱体1内的一端设有隔热挡板7，金属杆8位于上箱体1外的一端设有衔铁10，且衔铁10与上箱体1之间的金属杆8上套设有弹簧9，上箱体1顶部且位于衔铁10下方设有电磁铁11；电磁铁11通电，按压衔铁10与电磁铁吸合，金属杆8带动隔热挡板7向下移动，隔热挡板7与导轨5配合实现对空心发热体4两端的封闭；电磁铁11断电，衔铁10在弹簧9的作用下沿上箱体1向上移动并由金属杆8带动隔热挡板7向上移动；
SHPB中的入射杆和透射杆分别穿过导向孔12、试样夹具3与测试试样14的两端接触且入射杆、透射杆、导向孔12和测试试样14同轴设置；入射杆和透射杆穿入时与导向孔12均无接触；
上箱体1和下箱体2扣合内部形成密闭空间，且上箱体1和下箱体2内的剩余空间填充有保温材料，空心发热体4支撑在下箱体2内的保温材料上，空心发热体4与试样夹具3、导轨5均不接触；
控制单元用于控制电磁铁11和空心发热体4的通断电；
所述试样夹具3、空心发热体4、导轨5和隔热挡板7均为耐试验温度的材质。
所述上箱体1和下箱体2通过铰链进行连接。
所述下箱体2的底部设有支撑脚3，支撑脚3与下箱体2螺纹连接，用于调节所述加热系统的高度和水平度。
所述控制单元包括控温开关，所述控温开关同时与电磁铁11和空心发热体4电连接，控温开关开启时，电磁铁11通电且空心发热体4开始加热；控温开关关闭时，电磁铁断电且空心发热体4停止加热。
所述空心发热体4由电阻丝缠绕而成。
所述隔热挡板7的下端设有与导轨5配合的缺口。
所述测试试样14上连接有热电偶。用于直接监测测试试样14的加热温度。
如图5所示，所述试样夹具3为中空圆筒形结构，筒壁上对称设有通孔，通孔两侧设有窗口，测试试样14通过穿过通孔的金属丝进行固定。
如图6所示，所述试样夹具3为中空圆筒形结构，试样夹具3内设有用于对测试试样14的两端进行夹持的垫块15，所述垫块15的波阻抗与所述入射杆和透射杆相匹配，试样夹具3上靠近上箱体1的筒壁上开有窗口。
如图7所示，当所述测试试样14为巴西圆盘试样时，所述试样夹具3上对称设有用于支撑所述测试试样14的通槽，通槽长度与测试试样14的直径相同，通槽的宽度与测试试样14的厚度相同。
使用时，将固定有测试试样14的试样夹具3沿导轨5滑动至空心发热体4内，控制单元控制电磁铁11通电，按压衔铁10与电磁铁11吸合，金属杆8带动隔热挡板7向下移动，隔热挡板7与导轨5配合实现对空心发热体4两端的封闭；控制单元同时控制空心发热体4进行加热，根据热电偶反馈的温度，当温度达到待测试温度后，控制单元控制空心发热体4停止加热，并控制电磁铁11断电，衔铁10在弹簧9的作用下沿上箱体1向上移动并由金属杆8带动隔热挡板7向上移动，入射杆和透射杆分别穿过导向孔12与测试试样14的两端接触，进而进行SHPB动态力学性能测试。
实施例1
本实施例针对φ16mm杆径分离式霍普金森压杆，设计制造了一种SHPB测试用高温加热系统。
在下箱体2底部设有4个支撑脚3，与下箱体2螺纹连接，可实现加热系统高度及水平度的调节；下箱体2两侧对称位置开有两个导向孔12，可使入射杆和透射杆进入箱体；下箱体2内部有空心发热体4，所述空心发热体4为电阻丝缠绕而成的环形结构，电阻丝内部预埋有K型热电偶，用于温度监测，外部包有金属套，防止破碎试样损坏线圈，空心发热体4与导向孔12同轴设置，导轨5从环形发热体4中穿过，通过导轨支架6固定在下箱体2上；样品夹具13呈圆管状，其内孔直径与透射杆直径相同，可在导轨5上自由滑动，滑动过程中其内孔与导向孔12始终保持同轴；本实施例中，上箱体1和下箱体2的长均为200mm，宽均为200mm；支撑脚3螺栓长度80mm，导向孔的直径为17mm，保证入射杆及透射杆顺畅穿过，无明显摩擦；空心发热体4的内径50mm，长50mm，保证装有测试样品的试样夹具13顺利进入，长度大于试样夹具13长度；
上箱体1通过铰链与下箱体2相连，上箱体1内部设有隔热挡板7，隔热挡板7由穿过上箱体1顶部通孔的金属杆8与箱体外部的衔铁10相连并保持联动，上箱体1顶部设有电磁铁11，其安装位置位于衔铁正下方，可与衔铁吸合，在衔铁10与上箱体1顶部之间的金属杆8上套有弹簧9，用于驱动衔铁与隔热挡板向上移动；
上箱体1及下箱体2空余空间填充保温材料，保温材料选用硅酸铝纤维。
所述导轨支架6上设有通孔，孔径与导向孔12相同，安装时两孔同轴对齐；
所述导轨5为耐热金属或陶瓷材质，两根导轨5平行安装，导轨5间距及位置根据试样夹具13外径设置，以保证试样夹具13与导向孔12保持同轴；本实施例中，导轨为两根直径5mm，长度200mm的AD99氧化铝杆。
所述试样夹具13为圆管状结构，由高温合金或陶瓷材料加工而成，样品夹具中间对称位置各开有两个通孔，通孔两侧设有窗口，以便试样安装。金属丝从孔中穿过，将试样14固定在样品夹具中心，使试样与样品夹具内孔同轴；本实施例中，试样夹具13的材质为AD99氧化铝，试样夹具13的内径为16mm，外径为20mm，可在导轨5上自由滑动，滑动过程中其内孔与导向孔12始终保持同轴。
所述隔热挡板7为热导率较低的耐热玻璃纤维材质，可耐温800℃，隔热挡板的长度及宽度大于环形发热体4直径，底部开有U形缺口，用于穿过导轨5，当隔热挡板7完全放下时，可实现环形发热体内孔的完全遮挡；本实施例中，隔热挡板7为两块60mm×70mm×5mm玻璃纤维板，两块隔热挡板7的间隔为55mm；
所述衔铁10为导磁性良好的铁磁性材质，当隔热挡板7完全放下时，弹簧9压缩，衔铁10与电磁铁11吸合，环形发热体4内腔完全封闭；
所述控制单元包括电源开关、控温仪表、继电器、热电偶、模式转换开关和控温开关，用于测试试样14温度实时监控、加热系统精确控温以及隔热挡板7的动作控制。
所述控制单元中的控温仪表为多程序段分段控温数显仪表，带有温度自整定功能并可实现加热速率控制；所述控制单元采用双通道设计，可同时使用两路热电偶监测炉体温度，其中一路为发热体内置的热电偶，另一路为外接热电偶，可直接将热电偶绑在测试试样14上，实现直接监测；相应的，空心发热体4有两种控温模式，一种为基于空心发热体4内部热电偶的“内部控温”，另一种为基于外接热电偶的“外部控温”，两种模式通过模式转换开关切换；电源开关控制整个电路，控温开关控制空心发热体4及电磁铁11的电源通断，当控温开关闭合时，空心发热体4由仪表控制开始加热，电磁铁11通电，可与衔铁吸合，当加热结束时，断开控温开关，环形发热体4停止加热，电磁铁11释放衔铁10。
使用本实施例所述高温加热系统进行SHPB测试时：
(1)用耐高温金属丝将测试试样14固定在试样夹具13中，打开上箱体1，将试样夹具13放置于导轨5之上，并将其推入空心发热体4内腔，关闭上箱体1；
(2)设定加热温度及保温时间，打开控温开关，空心发热体4加热，同时电磁铁11上电开启，将衔铁10下压，与电磁铁11吸合，隔热挡板7放下，完成加热腔体闭合；
(3)到达设定温度及保温时间后，关闭控温开关，空心发热体4停止加热，同时电磁铁11断电消磁，衔铁10及隔热挡板7在弹簧的驱动下抬起，打开入射杆和透射杆进入炉体的通道；
(4)入射杆和透射杆从导向孔12进入炉体，当入射杆进入试样夹具3中并与测试试样14的端面接触时，推动测试试样14与试样夹具3在导轨5内滑动使测试试样14与透射杆接触夹紧；
(5)发射撞击杆，采集数据，完成一次实验。
综上所述，发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种SHPB测试用高温加热系统，其特征在于：包括上箱体(1)、下箱体(2)、试样夹具(3)、空心发热体(4)、导轨(5)、隔热挡板(7)、金属杆(8)、弹簧(9)、衔铁(10)、电磁铁(11)和控制单元；
下箱体(2)内水平设置有导轨(5)，导轨(5)通过两对称设置的导轨支架(6)固定在下箱体(2)上，导轨(5)上套设有空心发热体(4)，空心发热体(4)内预埋有热电偶；导轨支架(6)和下箱体(2)上均设有导向孔(12)；
试样夹具(3)为中空结构，测试试样(14)固定在试样夹具(3)内，试样夹具(3)沿导轨(5)滑动并可进入空心发热体(4)内；
上箱体(1)上沿竖直方向穿设有金属杆(8)，金属杆(8)位于上箱体(1)内的一端设有隔热挡板(7)，金属杆(8)位于上箱体(1)外的一端设有衔铁(10)，且衔铁(10)与上箱体(1)之间的金属杆(8)上套设有弹簧(9)，上箱体(1)顶部且位于衔铁(10)下方设有电磁铁(11)；电磁铁(11)通电，按压衔铁(10)与电磁铁吸合，金属杆(8)带动隔热挡板(7)向下移动，隔热挡板(7)与导轨(5)配合实现对空心发热体(4)两端的封闭；电磁铁(11)断电，衔铁(10)在弹簧(9)的作用下沿上箱体(1)向上移动并由金属杆(8)带动隔热挡板(7)向上移动；
SHPB中的入射杆和透射杆分别穿过导向孔(12)、试样夹具(3)与测试试样(14)的两端接触且入射杆、透射杆、导向孔(12)和测试试样(14)同轴设置；入射杆和透射杆穿入时与导向孔(12)均无接触；
上箱体(1)和下箱体(2)扣合内部形成密闭空间，且上箱体(1)和下箱体(2)内的剩余空间填充有保温材料，空心发热体(4)支撑在下箱体(2)内的保温材料上，空心发热体(4)与试样夹具(3)、导轨(5)均不接触；
控制单元用于控制电磁铁(11)和空心发热体(4)的通断电；
所述试样夹具(3)、空心发热体(4)、导轨(5)和隔热挡板(7)均为耐试验温度的材质。
2.如权利要求1所述的一种SHPB测试用高温加热系统，其特征在于：所述上箱体(1)和下箱体(2)通过铰链进行连接。
3.如权利要求1所述的一种SHPB测试用高温加热系统，其特征在于：所述下箱体(2)的底部设有支撑脚(3)，支撑脚(3)与下箱体(2)螺纹连接，用于调节所述加热系统的高度和水平度。
4.如权利要求1所述的一种SHPB测试用高温加热系统，其特征在于：所述控制单元包括控温开关，所述控温开关同时与电磁铁(11)和空心发热体(4)电连接，控温开关开启时，电磁铁(11)通电且空心发热体(4)开始加热；控温开关关闭时，电磁铁断电且空心发热体(4)停止加热。
5.如权利要求1所述的一种SHPB测试用高温加热系统，其特征在于：所述空心发热体(4)由电阻丝缠绕而成。
6.如权利要求1所述的一种SHPB测试用高温加热系统，其特征在于：所述隔热挡板(7)的下端设有与导轨(5)配合的缺口。
7.如权利要求1所述的一种SHPB测试用高温加热系统，其特征在于：所述测试试样(14)上连接有热电偶。
8.如权利要求1所述的一种SHPB测试用高温加热系统，其特征在于：所述试样夹具(3)为中空圆筒形结构，筒壁上对称设有通孔，通孔两侧设有窗口，测试试样(14)通过穿过通孔的金属丝进行固定。
9.如权利要求1所述的一种SHPB测试用高温加热系统，其特征在于：所述试样夹具(3)为中空圆筒形结构，试样夹具(3)内设有用于对测试试样(14)的两端进行夹持的垫块(15)，所述垫块(15)的波阻抗与所述入射杆和透射杆相匹配，试样夹具(3)上靠近上箱体(1)的筒壁上开有窗口。
10.如权利要求1所述的一种SHPB测试用高温加热系统，其特征在于：当所述测试试样(14)为巴西圆盘试样时，所述试样夹具(3)上对称设有用于支撑所述测试试样(14)的通槽，通槽长度与测试试样(14)的直径相同，通槽的宽度与测试试样(14)的厚度相同。
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