CN113363044A - 一种能够产生任意应力波形的电磁加载线圈 - Google Patents

一种能够产生任意应力波形的电磁加载线圈 Download PDF

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Abstract

一种能够产生任意应力波形的电磁加载线圈，主动线圈与次级线圈为相互配合的凹凸形结构，使主动线圈在接入不同波形的电流脉冲后能够产生不同波形的应力波。主动线圈产生的感应磁场在次级线圈当中产生电流涡流，并且次级线圈的涡流方向与主动线圈的电流方向相反，从而使次级线圈和主动线圈之间产生极强的电磁斥力；电磁斥力在次级线圈中为应力波。接入不同波形的电流激励产生不同形状的应力波形。本发明根据应力波的传播原理，使次级线圈中的压缩应力波在一个变截面体中来回反射叠加后，得到与通入主动线圈电流波形相对应的应力波。本发明在霍普金森杆实验中能够方便的实现对材料加载不同的应力波形，也适用于其他应力波加载实验中。

Description

一种能够产生任意应力波形的电磁加载线圈
技术领域
本发明涉及电磁加载发生装置的一个部件结构，具体说是一种能够产生任意应力波形的电磁式应力波发生器的线圈结构。
背景技术
在各种类型材料或结构的加载实验中，往往要用到不同波形的应力脉冲对试件进行加载，来更准确的得到材料的各项力学参数和模拟真实的受载环境。目前对应于不同波形应力波形加载，卢芳云等在《霍普金森杆实验技术》一书中提到，以Hopkinson杆实验为例，大多使用异型子弹撞击入射杆或利用整形片的方式将产生的原始应力波整形成不同波形的应力脉冲，但这种整形方法较为复杂，不同幅值和脉宽的应力波需要不同的异型子弹或整形片，存在很大的随机性和不确定性，且整形片无法多次重复利用，实验结果重复性较差。
现有技术中的电磁加载线圈由于结构形式的限制，即使通入不同波形的电流脉冲，也难以产生不同波形的应力脉冲，其产生的应力脉冲大多仍为正弦型应力脉冲。在201410171963.8和201510051071.9的中国专利中公开的电磁应力波发生器，该装置基于电磁感应的原理能够产生正弦型的应力脉冲，但无法产生其他波型的应力脉冲。
发明内容
为解决现有技术中存在的应力波波形单一、应力波整形随机性的不足，本发明提出了一种能够产生任意应力波形的电磁加载线圈。
本发明包括主动线圈、次级线圈和垫块；所述次级线圈位于该主动线圈的上端面，垫块位于该次级线圈的上端面，并使主动线圈的上端面与次级线圈的下端面紧密贴合，使所述次级线圈的上端面与垫块的下端面紧密贴合，并使该次级线圈与垫块之间干涉配合；所述主动线圈、次级线圈和垫块同轴。
所述主动线圈为采用铜带绕制或者线切割制成的线圈，线圈的匝数为16～64匝；所述主动线圈的上端面为凹槽状，所述凹槽的内壁面为锥面或凸弧面或凹弧面；凹槽槽底表面与该主动线圈下端面之间的轴向高度为4mm。
当采用铜带绕制时，用等宽的铜带绕制成主动线圈的坯体，再根据要求将该坯体的上端面加工成为凹槽状，并使该凹槽的内壁面为锥面或凸弧面或凹弧面；得到采用铜带绕制的主动线圈；
当采用线切割时，以上端面有凹槽的回转体铜块作为主动线圈的坯体，通过线切割将该坯体加工成为主动线圈；线切割时，根据设计要求对该坯体进行线切割，切割方向平行于该坯体的中心线。
所述主动线圈的外径为70～280mm，最大内径为65～260mm，最小轴向长度为4～16mm，最大轴向长度为25～250mm。
当所述主动线圈的上端面凹槽的内壁面为锥面时，该凹槽的槽底表面为锥形，并且该锥面的锥度为30°～60°；
当所述主动线圈的上端面凹槽的内壁面为凸弧面时，该凹槽的槽底表面为锥形，并且该凸弧面的半径为40～500mm；
当所述主动线圈的上端面凹槽的内壁面为凹弧面时，该凹槽的槽底表面为弧形，并且该凹弧面的半径为40～500mm。
所述次级线圈的上端面为凹槽状，该凹槽的内壁面为锥面或凸弧面或凹弧面；所述凹槽槽底表面与该主动线圈下端面之间的轴向高度为2mm；该次级线圈的最大外径为60～240mm，最大内径为50～200mm，轴向高度为21～210mm，壁厚为4～16mm。
当所述次级线圈的上端面凹槽的内壁面为锥面时，该凹槽内壁面由等径段、锥段和平面段组成；其中，所述等径段位于该凹槽的槽口处，形成了所述垫块的定位止口；所述平面段位于该凹槽的底部，形成了凹槽的底表面；所述锥段的上端与该等径段的下端相接，下端与该平面段的边缘相接；该锥段的锥度为30°～60°；该次级线圈的下端面与上端面的结构形式相同且相互平行。
当所述次级线圈的上端面凹槽的内壁面为凸弧面时，该凹槽内壁面由等径段、凸弧段和平面段组成；其中，所述等径段位于该凹槽的槽口处，形成了所述垫块的定位止口；所述平面段位于该凹槽的底部，形成了凹槽的底表面；所述凸弧段的上端与该等径段的下端相接，下端与该平面段的边缘相接；该凸弧段的半径为40～500mm；该次级线圈的下端面与上端面的结构形式相同且相互平行。
当所述次级线圈的上端面凹槽的内壁面为凹弧面时，该凹槽内壁面由等径段和圆弧段组成；其中，所述等径段位于该凹槽的槽口处，形成了所述垫块的定位止口；所述圆弧段的上端与该等径段的下端相接，该圆弧段的圆弧顶点处为所述凹槽的槽底；所述圆弧段的内半径为40～500mm；该次级线圈的下端面与上端面的结构形式相同且相互平行。
所述垫块的上端面为平面，下端面与与之配合的次级线圈的上端面锥度或弧度相同，被安放在该次级线圈上端面的凹槽内，并与该次级线圈的表面贴合；该垫块的最大直径为50～200mm，轴向高度为17～194mm。
本发明中，主动线圈接入外部激励电流，激励电流流经主动线圈，由于激励电流是随时间变化的，因此主动线圈中会产生感应磁场，变化的感应磁场在次级线圈当中产生电流涡流，次级线圈中的涡流方向与主动线圈中的电流方向相反，二者产生的脉冲磁场也相反，从而使次级线圈和主动线圈之间产生极强的电磁斥力，电磁斥力在次级线圈中表现为一个应力波。由于是通过电磁方式对应力波进行控制的，接入不同波形的电流激励可以产生不同形状的应力波形。
与现有技术相比较，本发明取得的有益效果是：
在本发明中，将主动线圈设计成中间凹陷的碗状多匝线圈，次级线圈设计成与主动线圈相配合的凸形结构，使得主动线圈在接入不同波形的电流脉冲后，能够产生不同波形的应力波。由于主动线圈接入的电流脉冲激励是随时间变化的，因此会在次级线圈当中产生涡流，电流和涡流的瞬时变化会在主动线圈和次级线圈上产生感应磁场，次级线圈中的涡流方向与主动线圈中的电流方向相反，二者产生的磁场也相反，从而使次级线圈和主动线圈之间产生电磁斥力，电磁斥力在次级线圈中表现为压缩应力波。本发明通过设计的凸形次级线圈，根据应力波的传播原理，使次级线圈中的压缩应力波在一个变截面体中来回反射叠加，经过多次反射叠加，最终得到与通入主动线圈电流波形相对应的应力波。
图5是在主动线圈中通入脉宽相同，波形分别为正弦形、斜波形、矩形的电流激励，得到的应力波波形图，横坐标为时间，单位为ms，纵坐标为应力，单位为Mpa。从图中可以看出，在通入不同波形的电流激励后，得到的应力波波形也不同。相对于现有技术而言，本发明应力波的波形可以随电流激励波形的变化而变化，理论上通过通入不同波形的激励电流，即可产生任意不同波形的应力波。由于以上优点，本发明应用于霍普金森杆实验中可以方便得对材料实现不同应力波形的加载，也可以应用于其他应力波加载的实验中。
附图说明
图1是采用锥面凹槽的电磁加载线圈的结构示意图。
图2是采用凸弧面凹槽的电磁加载线圈的结构示意图。
图3是采用凹弧面凹槽的电磁加载线圈的结构示意图。
图4是图1的俯视图。
图5是在主动线圈中分别通入正弦形、斜波形和矩形三种波形的电流激励，分别得到的应力波波形图，其中横坐标代表时间，单位为ms，纵坐标表示应力大小，单位为Mpa。
图6是在主动线圈中通入波形为矩形的电流激励，得到的应力波波形图，其中横坐标代表时间，单位为ms，纵坐标表示应力大小，单位为Mpa。
图中：1.主动线圈；2.次级线圈；3.垫块；4.正弦波的应力波波形图；5.斜波的应力波波形图；6.矩形波的应力波波形图；7.应力波波形图。
具体实施方式
本发明是一种能够产生任意应力波形的电磁加载线圈，将通过九个实施例具体说明其技术方案。
本发明包括主动线圈1、次级线圈2和垫块3。所述次级线圈2位于该主动线圈1的上端面，所述垫块3位于该次级线圈的上端面，并使主动线圈1的上端面与次级线圈2的下端面紧密贴合，使所述次级线圈2的上端面与垫块3的下端面紧密贴合，并使该次级线圈与垫块3之间干涉配合。所述主动线圈1、次级线圈2和垫块3同轴。
所述主动线圈1为回转体，采用铜带绕制或者线切割的形式制成的多匝线圈。所述主动线圈的上端面为凹槽状，使该主动线圈的外径为70～280mm，最大内径为65～260mm，最小轴向长度为4～16mm，最大轴向长度为25～250mm。所述凹槽的内壁面为锥面或凸弧面或凹弧面；凹槽槽底表面与该主动线圈下端面之间的轴向高度为4mm。
当采用铜带绕制时，用等宽的铜带绕制成主动线圈的坯体，再根据要求将该坯体的上端面加工成为凹槽状，并使该凹槽的内壁面为锥面或凸弧面或凹弧面。得到采用铜带绕制的主动线圈。
当采用线切割时，以上端面有凹槽的回转体铜块作为主动线圈的坯体，通过线切割将该坯体加工成为主动线圈。线切割时，根据设计要求对该坯体进行线切割，切割方向平行于该坯体的中心线。
本实施例采用线切割或铜带绕制制成该主动线圈；线圈匝数为16～64匝，采用线切割时的实施例各匝线圈的纵截面面积平均为15mm2。
当所述主动线圈的上端面凹槽的内壁面为锥面时，该凹槽的槽底表面为锥形，并且该锥面的锥度为30°～60°。
当所述主动线圈的上端面凹槽的内壁面为凸弧面时，该凹槽的槽底表面为锥形，并且该凸弧面的半径为40～500mm。
当所述主动线圈的上端面凹槽的内壁面为凹弧面时，该凹槽的槽底表面为弧形，并且该凹弧面的半径为40～500mm。
所述次级线圈2采用铜块制成，上端面为凹槽状，该凹槽的内壁面为锥面或凸弧面或凹弧面。所述凹槽槽底表面与该主动线圈下端面之间的轴向高度为2mm。该次级线圈的最大外径为60～240mm，最大内径为50～200mm，轴向高度为21～210mm，壁厚为4～16mm。
当所述次级线圈的上端面凹槽的内壁面为锥面时，该凹槽内壁面由等径段、锥段和平面段组成。其中，所述等径段位于该凹槽的槽口处，形成了所述垫块3的定位止口；所述平面段位于该凹槽的底部，形成了凹槽的底表面；所述锥段的上端与该等径段的下端相接，下端与该平面段的边缘相接；该锥段的锥度为30°～60°。该次级线圈的下端面与上端面的结构形式相同且相互平行。
当所述次级线圈的上端面凹槽的内壁面为凸弧面时，该凹槽内壁面由等径段、凸弧段和平面段组成。其中，所述等径段位于该凹槽的槽口处，形成了所述垫块3的定位止口；所述平面段位于该凹槽的底部，形成了凹槽的底表面；所述凸弧段的上端与该等径段的下端相接，下端与该平面段的边缘相接；该凸弧段的半径为40～500mm。该次级线圈的下端面与上端面的结构形式相同且相互平行。
当所述次级线圈2的上端面凹槽的内壁面为凹弧面时，该凹槽内壁面由等径段和圆弧段组成。其中，所述等径段位于该凹槽的槽口处，形成了所述垫块3的定位止口；所述圆弧段的上端与该等径段的下端相接，该圆弧段的圆弧顶点处为所述凹槽的槽底；所述圆弧段的内半径为40～500mm。该次级线圈的下端面与上端面的结构形式相同且相互平行。
所述垫块3采用TC4制成，所述垫块的上端面为平面，下端面与与之配合的次级线圈2的上端面锥度或弧度相同，被安放在该次级线圈上端面的凹槽内，并与该次级线圈的表面贴合。该垫块的最大直径为50～200mm，轴向高度为17～194mm。
在主动线圈中通入矩形波波形的激励电流，所得应力波波形如图6所示
本发明中各实施例的结构特征及参数：
Figure BDA0003070005700000061
Figure BDA0003070005700000071

Claims (10)

1.一种能够产生任意应力波形的电磁加载线圈，其特征在于，包括主动线圈、次级线圈和垫块；所述次级线圈位于该主动线圈的上端面，垫块位于该次级线圈的上端面，并使主动线圈的上端面与次级线圈的下端面紧密贴合，使所述次级线圈的上端面与垫块的下端面紧密贴合，并使该次级线圈与垫块之间干涉配合；所述主动线圈、次级线圈和垫块同轴。
2.如权利要求1所述能够产生任意应力波形的电磁加载线圈，其特征在于，所述主动线圈为采用铜带绕制或者线切割制成的线圈，线圈的匝数为16～64匝；所述主动线圈的上端面为凹槽状，所述凹槽的内壁面为锥面或凸弧面或凹弧面；凹槽槽底表面与该主动线圈下端面之间的轴向高度为4mm。
3.如权利要求2所述能够产生任意应力波形的电磁加载线圈，其特征在于，当采用铜带绕制时，用等宽的铜带绕制成主动线圈的坯体，再根据要求将该坯体的上端面加工成为凹槽状，并使该凹槽的内壁面为锥面或凸弧面或凹弧面；得到采用铜带绕制的主动线圈；
当采用线切割时，以上端面有凹槽的回转体铜块作为主动线圈的坯体，通过线切割将该坯体加工成为主动线圈；线切割时，根据设计要求对该坯体进行线切割，切割方向平行于该坯体的中心线。
4.如权利要求2所述能够产生任意应力波形的电磁加载线圈，其特征在于，所述主动线圈的外径为70～280mm，最大内径为65～260mm，最小轴向长度为4～16mm，最大轴向长度为25～250mm。
5.如权利要求2所述能够产生任意应力波形的电磁加载线圈，其特征在于：
当所述主动线圈的上端面凹槽的内壁面为锥面时，该凹槽的槽底表面为锥形，并且该锥面的锥度为30°～60°；
当所述主动线圈的上端面凹槽的内壁面为凸弧面时，该凹槽的槽底表面为锥形，并且该凸弧面的半径为40～500mm；
当所述主动线圈的上端面凹槽的内壁面为凹弧面时，该凹槽的槽底表面为弧形，并且该凹弧面的半径为40～500mm。
6.如权利要求1所述能够产生任意应力波形的电磁加载线圈，其特征在于，所述次级线圈的上端面为凹槽状，该凹槽的内壁面为锥面或凸弧面或凹弧面；所述凹槽槽底表面与该主动线圈下端面之间的轴向高度为2mm；该次级线圈的最大外径为60～240mm，最大内径为50～200mm，轴向高度为21～210mm，壁厚为4～16mm。
7.如权利要求6所述能够产生任意应力波形的电磁加载线圈，其特征在于，当所述次级线圈的上端面凹槽的内壁面为锥面时，该凹槽内壁面由等径段、锥段和平面段组成；其中，所述等径段位于该凹槽的槽口处，形成了所述垫块的定位止口；所述平面段位于该凹槽的底部，形成了凹槽的底表面；所述锥段的上端与该等径段的下端相接，下端与该平面段的边缘相接；该锥段的锥度为30°～60°；该次级线圈的下端面与上端面的结构形式相同且相互平行。
8.如权利要求6所述能够产生任意应力波形的电磁加载线圈，其特征在于，当所述次级线圈的上端面凹槽的内壁面为凸弧面时，该凹槽内壁面由等径段、凸弧段和平面段组成；其中，所述等径段位于该凹槽的槽口处，形成了所述垫块的定位止口；所述平面段位于该凹槽的底部，形成了凹槽的底表面；所述凸弧段的上端与该等径段的下端相接，下端与该平面段的边缘相接；该凸弧段的半径为40～500mm；该次级线圈的下端面与上端面的结构形式相同且相互平行。
9.如权利要求6所述能够产生任意应力波形的电磁加载线圈，其特征在于，当所述次级线圈的上端面凹槽的内壁面为凹弧面时，该凹槽内壁面由等径段和圆弧段组成；其中，所述等径段位于该凹槽的槽口处，形成了所述垫块的定位止口；所述圆弧段的上端与该等径段的下端相接，该圆弧段的圆弧顶点处为所述凹槽的槽底；所述圆弧段的内半径为40～500mm；该次级线圈的下端面与上端面的结构形式相同且相互平行。
10.如权利要求1所述能够产生任意应力波形的电磁加载线圈，其特征在于，所述垫块的上端面为平面，下端面与与之配合的次级线圈的上端面锥度或弧度相同，被安放在该次级线圈上端面的凹槽内，并与该次级线圈的表面贴合；该垫块的最大直径为50～200mm，轴向高度为17～194mm。
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