CN113281147B - 一种导体材料的动态力学性能检测方法和装置 - Google Patents

一种导体材料的动态力学性能检测方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种导体材料的动态力学性能检测方法和装置，属于电磁检测领域，所述方法包括：S1：置于瞬变磁场中所述导体材料加工的导体环在电磁感应作用下向外膨胀；所述导体材料的电导率大于预设值S2：获取向外膨胀过程中所述导体环中最宽处的环内侧应力σ1和最宽处的环外侧应力σ2；S3：利用所述最宽处的环内侧应力σ1和所述最宽处的环外侧应力σ2计算所述导体环中最窄处的环内侧应力σ3，计算所述最窄处的环内侧应力σ3与最窄处的应变ε3之间的映射关系，以表征所述导体材料的动态力学性能。本发明能够实现高应变率加载情况下电‑磁‑热‑力多场耦合作用的导体材料动态力学性能检测，检测效率高且检测结果准确率高。

Description

一种导体材料的动态力学性能检测方法和装置
技术领域
本发明属于电磁检测领域，更具体地，涉及一种导体材料的动态力学性能检测方法和装置。
背景技术
脉冲强磁场磁体、极端电磁能武器、短路时电力主变压器等电磁装备需要承受高应力、高电压、大电流等强冲击条件。它们都是多物理场耦合的复杂强电磁系统，影响其结构材料力学性能的因素众多。为了设计性能更强、疲劳寿命更长、可靠性更好的强电磁设备，必须对高应变率加载下特种材料的力学性能进行系统测试。
现有的一些测试手段无法模拟强电磁设备内部极高应变率的条件。一种方法是采用拉伸机在室温或液氮温度下对环形试件进行准静态拉伸，样品的单向拉伸借助于一对分离形的环形模具实现；另一种方法是将一定厚度的测试环向紧贴在压力容器的外壁上，通过压力容器的内压破坏测试其爆破强度。以上测试手段的应变率仅在10-4s-1到10-2s-1之间。而脉冲放电过程中，应变率可达10-1s-1至100s-1。而仪器霍普金森杆只能测高应变率的效应，但是无法测量包含热在内的多场耦合效应，与电磁装置实际工作条件有一定差别。因此上述测试手段并不能实现高应变率加载情况下电-磁-热-力多场耦合作用的导体材料动态力学性能测试。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种导体材料的动态力学性能检测方法和装置，其目的在于模拟复杂强电磁系统运行过程，实现高应变率加载下特种材料的力学强度测试。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种导体材料的动态力学性能检测方法，包括：
S1：置于瞬变磁场中所述导体材料加工的导体环在电磁感应作用下向外膨胀；所述导体材料的电导率大于预设值
S2：获取向外膨胀过程中所述导体环中最宽处的环内侧应力σ1和最宽处的环外侧应力σ2；
S3：利用所述最宽处的环内侧应力σ1和所述最宽处的环外侧应力σ2计算所述导体环中最窄处的环内侧应力σ3，计算所述最窄处的环内侧应力σ3与最窄处的应变ε3之间的映射关系，以表征所述导体材料的动态力学性能。
在其中一个实施例中，所述S2包括：
S21：利用设置于所述导体环上最宽处内侧的光栅应变仪S1获取所述最宽处的环内侧应变ε1；
S22：利用设置于所述导体环上最宽处外侧的光栅应变仪S2获取所述最宽处的环外侧应变ε2。
在其中一个实施例中，所述S2包括：
利用公式σ1＝E1ε1计算所述最宽处的环内侧应力σ1；
利用公式σ2＝E1ε2计算所述最宽处的环外侧应力σ2；
其中，E1所述导体环的模量，ε1为所述导体环中最宽处的环内侧应变；ε2为所述导体环中最宽处的环外侧应变。
在其中一个实施例中，所述S3包括：
利用公式σ3＝(2RIcBz-(σ1+σ2)A1/2)/A3计算最窄处的环内侧应力σ3；进而获取所述最窄处的环内侧应力σ3与最窄处的应变ε3之间的映射关系，以表征所述导体材料的动态力学性能；
其中，所述R为所述导体环的电阻值，A1为所述导体环中最宽处的截面积，A3为所述导体环中最窄处的截面积。
在其中一个实施例中，所述S1之前，所述方法还包括：
对脉冲磁体进行充电以使所述脉冲磁体产生所述瞬变磁场；
将所述导体环环套于所述脉冲磁体外围，且所述导体环的中心与所述脉冲磁体的中心轴重合。
在其中一个实施例中，所述方法还包括：
通过提高所述脉冲磁体的充电电压或增加所述脉冲磁体上绕组的匝数，增强所述瞬变磁场的磁场强度，以增大所述导体环向外膨胀的程度。
按照本发明的另一方面，提供了一种导体材料的动态力学性能检测装置，包括：
电容器组，用于输出充电电压；
脉冲磁体，与所述电容器组连接，用于在所述充电电压的作用下产生瞬变磁场；
导体材料加工的导体环，套于所述脉冲磁体外围，且所述导体环的中心与所述脉冲磁体的中心轴重合，用于在所述瞬变磁场中由于电磁感应向外膨胀；所述导体材料的电导率大于预设值
检测模块，与所述导体环连接，用于获取向外膨胀过程中所述导体环中最宽处的环内侧应力σ1和最宽处的环外侧应力σ2；利用所述最宽处的环内侧应力σ1和所述最宽处的环外侧应力σ2计算所述导体环中最窄处的环内侧应力σ3，计算所述最窄处的环内侧应力σ3与最窄处的应变ε3之间的映射关系，以表征所述导体材料的动态力学性能。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供一种导体材料的动态力学性能检测方法和装置，所述方法包括：将导体材料加工的导体环置于瞬变磁场中，以使所述导体环在电磁感应作用下向外膨胀；获取向外膨胀过程中所述导体环中最宽处的环内侧应力σ1和最宽处的环外侧应力σ2；利用所述最宽处的环内侧应力σ1和所述最宽处的环外侧应力σ2计算所述导体环中最窄处的环内侧应力σ3，计算所述最窄处的环内侧应力σ3与最窄处的应变ε3之间的映射关系，以表征所述导体材料的动态力学性能。本发明能够实现高应变率加载情况下电-磁-热-力多场耦合作用的导体材料动态力学性能检测，检测效率高，检测结果准确率高。
附图说明
图1为本发明一实施例中提供的导体材料的动态力学性能检测方法的流程图；
图2为本发明一实施例中提供的导体材料的动态力学性能检测装置的示意图；
图3为本发明一实施例中提供的导体材料装载于脉冲磁体，受电磁影响的示意图；
图4为本发明一实施例中提供的导体材料结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供了一种导体材料的动态力学性能检测方法，包括：
S1：置于瞬变磁场中导体材料加工的导体环在电磁感应作用下向外膨胀；导体环由电导率大于预设值的材料制造；
S2：获取向外膨胀过程中导体环中最宽处的环内侧应力σ1和最宽处的环外侧应力σ2；
S3：利用最宽处的环内侧应力σ1和最宽处的环外侧应力σ2计算导体环中最窄处的环内侧应力σ3，计算最窄处的环内侧应力σ3与最窄处的应变ε3之间的映射关系，以表征导体材料的动态力学性能。
在其中一个实施例中，S2包括：
S21：利用设置于导体环上最宽处内侧的光栅应变仪S1获取最宽处的环内侧应力σ1；
S22：利用设置于导体环上最宽处外侧的光栅应变仪S2获取最宽处的环外侧应力σ2。
在其中一个实施例中，S2包括：利用公式σ1＝E1ε1计算最宽处的环内侧应力σ1；利用公式σ2＝E1ε2计算最宽处的环外侧应力σ2；其中，E1导体环的模量，ε1为导体环中最宽处的环内侧应变；ε2为导体环中最宽处的环外侧应变。
在其中一个实施例中，S3包括：
利用公式σ3＝(2RIcBz-(σ1+σ2)A1/2)/A3计算最窄处的环内侧应力σ3；进而获取最窄处的环内侧应力σ3与最窄处的应变ε3之间的映射关系，以表征导体材料的动态力学性能；其中，R为导体环的电阻值，A1为导体环中最宽处的截面积，A3为导体环中最窄处的截面积。
在其中一个实施例中，S1之前，方法还包括：对脉冲磁体进行充电以使脉冲磁体产生瞬变磁场；将导体环环套于脉冲磁体外围，且导体环的中心与脉冲磁体的中心轴重合。
在其中一个实施例中，方法还包括：通过提高脉冲磁体的充电电压或增加脉冲磁体上绕组的匝数，增强瞬变磁场的磁场强度，以增大导体环向外膨胀的程度。
按照本发明的另一方面，本发明还提供了一种导体材料的动态力学性能检测装置，包括：
电容器组，用于输出充电电压；
脉冲磁体，与所述电容器组连接，用于在所述充电电压的作用下产生瞬变磁场；
导体材料加工的导体环，套于所述脉冲磁体外围，且所述导体环的中心与所述脉冲磁体的中心轴重合，用于在所述瞬变磁场中由于电磁感应向外膨胀；所述导体材料的电导率大于预设值
检测模块，与所述导体环连接，用于获取向外膨胀过程中所述导体环中最宽处的环内侧应力σ1和最宽处的环外侧应力σ2；利用所述最宽处的环内侧应力σ1和所述最宽处的环外侧应力σ2计算所述导体环中最窄处的环内侧应力σ3，计算所述最窄处的环内侧应力σ3与最窄处的应变ε3之间的映射关系，以表征所述导体材料的动态力学性能。
如图2所示，整体检测装置包括导体环、脉冲磁场产生电路和保护电路。导体环由高电导率的材料制造而成的；脉冲磁场产生回路由电容器组、晶闸管主开关、脉冲磁体串联构成(注：其中Re、Le为线路等效电阻和电感)；保护回路由续流二极管和限流电阻串联后并联于电容器组构成。
根据工作原理，该实验装置可看作为一副边绕组短路的空心变压器。其中，脉冲磁体的线圈为原边绕组，导体环为可移动、匝数为1的副边绕组。实验时，晶闸管主开关K闭合，电容器电源C对脉冲磁体放电，电流通过脉冲磁体产生瞬变的磁场。根据楞次定律，瞬变的磁场在导体环中感生出感应电势，从而产生与脉冲磁体电流方向相反的环向感应电流Lc，进而载流导体环在轴向磁场的作用下，受径向电磁力的作用而发生向外膨胀运动。更大的电磁力可以通过产生更高的磁场和更大的感应电流来实现，一方面可以在电路方面增大电容器容量和提高电容器放电电压，另一方面可以在脉冲磁体结构上增加绕组的匝数。不同于机械方式加载，导体环的载荷为脉冲电磁力，因此加载速率得到了大幅提高。
如图3所示，导体环套在脉冲磁体外侧，保持环的中心和磁体中心轴重合，并在环外侧表面布置光栅应变仪S1、S2和S3，目的是为了测量脉冲磁场下环上不同区域的应变情况。当脉冲电流流过磁体线圈时，瞬变磁场在导体环中产生向外排斥力，导体环受到脉冲电磁力而发生向外膨胀运动。导体环中涡流电流Ic、轴向磁场Bz、最宽处的环内侧应力σ1、最宽处的环外侧应力σ2，结合求得导体环中最窄处的环内侧应力σ3。
如图4所示，本发明中导体材料被加工为环状，其中部分区域比其他部分更窄更细，目的是在脉冲磁场下导体环由内向外膨胀运动时环较宽的部分为弹性阶段(截面积为A1，最宽处的环内侧应力σ1＝E1ε1，最宽处的环外侧应力σ2＝E1ε2)，而较窄处先进入塑性且先拉断(截面积为A3，环向应力为σ3)，由导体环的力学平衡方程可估算出应变仪S3处的环向应力σ3＝(2RIcBz-(σ1+σ2)A1/2)/A3，进而可以计算最窄处的环内侧应力σ3与最窄处的应变ε3之间的映射关系，以表征所述导体材料的动态力学性能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种导体材料的动态力学性能检测方法，其特征在于，包括：
S1：置于瞬变磁场中所述导体材料加工的导体环在电磁感应作用下向外膨胀；所述导体材料的电导率大于预设值；
S2：获取向外膨胀过程中所述导体环中最宽处的环内侧应力σ1和最宽处的环外侧应力σ2；
S3：利用所述最宽处的环内侧应力σ1和所述最宽处的环外侧应力σ2计算所述导体环中最窄处的环内侧应力σ3，计算所述最窄处的环内侧应力σ3与最窄处的应变ε3之间的映射关系，以表征所述导体材料的动态力学性能；
所述S2包括：利用公式σ1＝E1ε1计算所述最宽处的环内侧应力σ1；利用公式σ2＝E1ε2计算所述最宽处的环外侧应力σ2；E1所述导体环的模量，ε1为所述导体环中最宽处的环内侧应变；ε2为所述导体环中最宽处的环外侧应变；
所述S3包括：利用公式σ3＝(2RIcBz-(σ1+σ2)A1/2)/A3计算最窄处的环内侧应力σ3；进而获取所述最窄处的环内侧应力σ3与最窄处的应变ε3之间的映射关系，以表征所述导体材料的动态力学性能；其中，所述R为所述导体环的电阻值，A1为所述导体环中最宽处的截面积，A3为所述导体环中最窄处的截面积；Ic为所述导体环中的涡流电流，Bz为所述导体环的轴向磁场。
2.如权利要求1所述的导体材料的动态力学性能检测方法，其特征在于，所述S2包括：
S21：利用设置于所述导体环上最宽处内侧的光栅应变仪S1获取所述最宽处的环内侧应变ε1；
S22：利用设置于所述导体环上最宽处外侧的光栅应变仪S2获取所述最宽处的环外侧应变ε2。
3.如权利要求1或2所述的导体材料的动态力学性能检测方法，其特征在于，所述S1之前，所述方法还包括：
对脉冲磁体进行充电以使所述脉冲磁体产生所述瞬变磁场；
将所述导体环环套于所述脉冲磁体外围，且所述导体环的中心与所述脉冲磁体的中心轴重合。
4.如权利要求3所述的导体材料的动态力学性能检测方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过提高所述脉冲磁体的充电电压或增加所述脉冲磁体上绕组的匝数，增强所述瞬变磁场的磁场强度，以增大所述导体环向外膨胀的程度。
5.一种导体材料的动态力学性能检测装置，其特征在于，包括：
电容器组，用于输出充电电压；
脉冲磁体，与所述电容器组连接，用于在所述充电电压的作用下产生瞬变磁场；
导体材料加工的导体环，套于所述脉冲磁体外围，且所述导体环的中心与所述脉冲磁体的中心轴重合，用于在所述瞬变磁场中由于电磁感应向外膨胀；所述导体材料的电导率大于预设值；
检测模块，与所述导体环连接，用于获取向外膨胀过程中所述导体环中最宽处的环内侧应力σ1和最宽处的环外侧应力σ2；利用所述最宽处的环内侧应力σ1和所述最宽处的环外侧应力σ2计算所述导体环中最窄处的环内侧应力σ3，计算所述最窄处的环内侧应力σ3与最窄处的应变ε3之间的映射关系，以表征所述导体材料的动态力学性能；
所述检测模块还用于，利用公式σ1＝E1ε1计算所述最宽处的环内侧应力σ1；利用公式σ2＝E1ε2计算所述最宽处的环外侧应力σ2；E1所述导体环的模量，ε1为所述导体环中最宽处的环内侧应变；ε2为所述导体环中最宽处的环外侧应变；利用公式σ3＝(2RIcBz-(σ1+σ2)A1/2)/A3计算最窄处的环内侧应力σ3；进而获取所述最窄处的环内侧应力σ3与最窄处的应变ε3之间的映射关系，以表征所述导体材料的动态力学性能；其中，所述R为所述导体环的电阻值，A1为所述导体环中最宽处的截面积，A3为所述导体环中最窄处的截面积；Ic为所述导体环中的涡流电流，Bz为所述导体环的轴向磁场。
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Title
Increased Ductility in High Velocity Electromagnetic Ring Expansion;MARINA ALTYNOVA et,al;《METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A》;19960731;第27A卷;全文 *

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