CN113640118A - 材料原位动态拉伸加载试验装置 - Google Patents

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Abstract

材料原位动态拉伸加载试验装置，属于材料动态力学性能测试技术领域，本发明为解决中应变率加载试验存在的问题。本发明方案：上压板和下拉板为相互平行的立板，并通过两条导向支承柱连接；上拉板和下基板为相互平行的立板，并通过两条导向支承柱连接；上拉板和下拉板相对面各设置一个测力基座，两个测力基座用于夹持试件；下基板末端固定在支承座上；上压板首端端面中心位置设置整形器；撞击杆发射单元发射的撞击杆通过整形器撞击上压板，并将瞬态拉伸载荷通过导向支承柱传给下拉板，使下拉板产生与撞击杆同向的运动，进而拉伸试件，试件拉伸的力载荷由测力基座测量，试件拉伸引起的应变由应变测量单元测量，完成材料原位动态拉伸加载试验。

Description

材料原位动态拉伸加载试验装置
技术领域
本发明涉及一种材料原位中应变率拉伸试验装置及方法，适用于在中应变率条件下研究材料的动态力学性能，获得材料的中应变率动态力学特性，属于材料动态力学性能测试技术领域。
背景技术
汽车碰撞、外物对飞机和高铁的撞击、金属加工等等均涉及研究材料在中应变率加载条件下的动态力学响应特性。
研究率敏感材料的动态力学性能需要多种方法和手段，如准静态拉伸、压缩和扭转试验10-3～10-1S-1采用传统的伺服试验机；而霍普金森杆技术广泛用于研究材料的高应变率力学行为响应特性，霍普金森拉杆一般产生的应变率是从200～103S-1。考虑材料中低应变率1～200S-1变形行为的文献数据是非常有限的。这主要是因为中应变率的拉伸实验难度比较大，比伺服拉伸试验机的应变率大，而比霍普金森拉杆取得的应变率小。在传统的伺服液压试验机或者其它的快速试验机上增加加载速率时会造成应力波信号振荡。而振荡的滤波会降低精度和重要现象的发现。对于材料的中应变率力学性能测试仍然缺乏比较完善的设备，国外的高速拉伸试验机的价格非常昂贵，不便于试验研究的普及推广。在气动和机械加载机构基础上研发的中应变率材料试验方法，主要进行材料的压缩试验。为了得到一个可观的最大应变，所需的应力波脉冲很长，达到1ms到10ms之间，若采用传统的霍普金森杆加载技术，不但子弹长度过长，可能在数米的长度，而且要分离入射波和反射波所需的杆的长度也至少是子弹长度的两倍，这样整个装置的长度就可达十几米和几十米。所以采用传统的霍普金森杆装置进行中应变率加载的试验是不现实的。因此研发适宜于中应变率加载条件下材料动态力学性能研究的试验装置和方法，是十分必要和重要的。
发明内容
本发明目的是为了解决中应变率加载试验存在的问题，提供了一种材料原位动态拉伸加载试验装置。
本发明所述材料原位动态拉伸加载试验装置及方法，包括撞击杆发射单元、拉伸加载单元和应变测量单元；所述拉伸加载装置包括整形器4、导向支承柱5、上压板16、下拉板11、上拉板6、下基板12、测力基座7、试件10和支承座18；
上压板16和下拉板11为相互平行的立板，并通过两条导向支承柱5进行固定连接；
上拉板6和下基板12为相互平行的立板，并通过两条导向支承柱5进行固定连接；
上拉板6和下拉板11相对面各设置一个测力基座7，两个测力基座7用于夹持试件10；
下基板12末端固定在支承座18上；
上压板16首端端面中心位置设置整形器4；
撞击杆发射单元发射的撞击杆3通过整形器4撞击上压板16，并将瞬态拉伸载荷通过导向支承柱5传给下拉板11，使下拉板11产生与撞击杆3同向的运动，进而拉伸试件10，试件10拉伸的力载荷由测力基座7测量，试件拉伸引起的应变由应变测量单元测量，完成材料原位动态拉伸加载试验。
优选地，测力基座7包括压盖71、锁紧螺母72、支承盘73、力传感器74和芯轴螺栓75，支承盘73的底面设置于上拉板6和下拉板11的相对面上并通过芯轴螺栓75固定连接，芯轴螺栓75端部通过支承盘73底面伸入其面向内侧的开口中，测力传感器74放置在支承盘73开口中并套设在芯轴螺栓75端部，并由锁紧螺母72将其固定，压盖71通过螺栓固定设置于支承盘73的开口端，压盖71具有螺纹内孔，两个相对设置的压盖71通过螺纹内孔与试件10的两端连接。
优选地，试件10采用回转体哑铃型，回转体哑铃型试件两端具有与压盖71螺纹内孔相匹配的外螺纹。
优选地，试件10采用板类哑铃型，板类哑铃型试件通过配套夹具安装于两个测力基座7中，所述配套夹具包括楔形压块19和具有锥形内孔的夹具夹头20，板类哑铃型试件两端分别通过两个楔形压块19设置于夹具夹头20的锥形内孔中，楔形压块19与试件的接触面具有三角形压齿，增加与试件的咬合摩擦力，夹具夹头20具有与压盖71螺纹内孔相匹配的外螺纹。
优选地，应变测量单元采用应变片8实现，应变片8粘贴于试件10上，在试件10拉伸时由应变片8记录其应变随时间变化曲线，进而获取试件10的应变时间历程。
优选地，应变测量单元采用三维散斑DIC系统相机15实现，所述三维散斑DIC系统相机15直接观测在试件10拉伸时其位移随时间变化曲线，进而获取试件10的应变时间历程。
优选地，应变测量单元采用激光位移传感器13和参照板14实现，两个参照板14对称设置于测力基座7，参照板14具有内孔并夹持在压盖71和支承盘73开口端之间，参照板14下部悬空伸出，在两个参照板14外部各设置一个激光位移传感器13，激光位移传感器13记录试件10拉伸时位移随时间变化曲线，进而获取试件10的应变时间历程。
优选地，还包括导向板9，所述导向板9设置在上拉板6和下拉板11之间，且沿四条导向支承柱5左右滑动，用于在施加拉伸载荷时对导向支承柱5进行导向。
优选地，还包括缓冲垫21，所述缓冲垫21设置于上压板16的后端而或上拉板6的前端面，用于减缓上压板16和上拉板6之间的硬撞击损伤；
以及所述缓冲垫21设置于下拉板11的后端而或下基板12的前端面，用于减缓下拉板11和下基板12之间的硬撞击损伤；
优选地，撞击杆发射单元包括轻气炮发射系统发射管1、发射管支座17、撞击杆3和测速系统2，发射管支座17支撑轻气炮发射系统发射管1，轻气炮发射系统发射管1发射的撞击杆3水平撞击产生瞬态拉伸载荷；测速系统2用于观测撞击杆3的速度。
本发明的有益效果：通过发射不同长度和速度的撞击杆，及利用不同材料和尺寸的整形器，来控制加载载荷的大小和加载速率，实现中应变率加载条件下原位拉伸动态加载。
为了满足材料本构关系及其应变率效应的研究要求，本发明加载装置要适用于不同固体类材料的原位动态拉伸加载-棒料和板料试件，能量大，易于控制应力波的幅值和应变率，具有良好的重复性，可产生所需的不同中应变率的加载波形。
附图说明
图1是本发明所述材料原位动态拉伸加载试验装置及方法的结构示意图；
图2是拉伸加载单元的结构示意图，本图试件为板类哑铃型；
图3是板类哑铃型的结构示意图；
图4是图3的局部放大图；
图5是回转体哑铃型试件与测力基座的连接结构图；
图6是力传感器信号测得的力载荷随时间变化的曲线；
图7是光位移传感器测得的位移随时间变化的曲线；
图8是试验获取的应力-应变曲线。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1～图8说明本实施方式，本实施方式所述材料原位动态拉伸加载试验装置，包括撞击杆发射单元、拉伸加载单元和应变测量单元；所述拉伸加载装置包括整形器4、导向支承柱5、上压板16、下拉板11、上拉板6、下基板12、测力基座7、试件10和支承座18；
上压板16和下拉板11为相互平行的立板，并通过两条导向支承柱5进行固定连接；
上拉板6和下基板12为相互平行的立板，并通过两条导向支承柱5进行固定连接；
上拉板6和下拉板11相对面各设置一个测力基座7，两个测力基座7用于夹持试件10；
下基板12末端固定在支承座18上；
上压板16首端端面中心位置设置整形器4；
撞击杆发射单元发射的撞击杆3通过整形器4撞击上压板16，并将瞬态拉伸载荷通过导向支承柱5传给下拉板11，使下拉板11产生与撞击杆3同向的运动，进而拉伸试件10，试件10拉伸的力载荷由测力基座7测量，试件拉伸引起的应变由应变测量单元测量，完成料原位动态拉伸加载试验。测力基座7包括压盖71、锁紧螺母72、支承盘73、力传感器74和芯轴螺栓75，支承盘73的底面设置于上拉板6和下拉板11的相对面上并通过芯轴螺栓75固定连接，芯轴螺栓75端部通过支承盘73底面伸入其面向内侧的开口中，测力传感器74放置在支承盘73开口中并套设在芯轴螺栓75端部，并由锁紧螺母72将其固定，压盖71通过螺栓固定设置于支承盘73的开口端，压盖71具有螺纹内孔，两个相对设置的压盖71通过螺纹内孔与试件10的两端连接。两个测力基座7可有效监测试件加载时两侧的动态拉力是否平衡。
撞击杆发射单元包括轻气炮发射系统发射管1、发射管支座17、撞击杆3和测速系统2，发射管支座17支撑轻气炮发射系统发射管1，轻气炮发射系统发射管1发射的撞击杆3水平撞击产生瞬态拉伸载荷；测速系统2用于观测撞击杆3的速度。轻气炮发射系统发射管1在靠近出口处具有对称分布的4个长孔泄气孔，避免撞击杆3的进一步加速。由撞击杆3的长度和速度以及整形器4的材料和尺寸等参数的控制拉伸载荷的大小和加载的应变率。
工作过程：轻气炮发射系统发射管1发射撞击杆3，通过整形器4水平撞击在上压板16上并产生瞬态拉伸载荷，载荷通过导向支承柱5传给下拉板11，使下拉板11与撞击杆3的运动方向相同；与试件10连接的两个测力基座7的压盖71相对芯轴螺栓75移动就会给力传感器74施加压缩载荷，实现对试件10的动态拉伸加载。
力传感器74采集在试件10动态拉伸过程中力载荷，并形成力载荷随时间变化曲线，即在拉伸时的应力情况，参见图6所示。
应变测量单元采集在动态拉伸过程中，试件10拉伸变形量(位移)，并形成形变量随时间变化曲线，即在拉伸时的应变情况，参见图7所示。
根据图6和图7构建出应力-应变曲线，即实验结果，参见图8所示。
由普通氮气气体驱动的轻气炮系统的发射管1将不同长度的撞击杆3发射到不同的速度，最大速度可达50m/s，经测速后水平撞击上压板16上的整形器4产生瞬态拉伸载荷。由撞击杆3的长度和速度以及整形器4的材料和尺寸等参数的控制拉伸载荷的大小和加载的应变率。
本发明的一种材料原位动态拉伸加载试验系统易于控制应力波的幅值和应变率，具有良好的重复性，可产生所需的不同中应变率的加载波形。本发明的一种材料原位动态拉伸加载试验系统易于操作，可以连续可调获得材料在1-200/s应变率下的变形行为和本构关系。
具体实施方式二：下面结合图2～5说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式提供试件10的两种实现方案：
方案1、试件10采用回转体哑铃型，回转体哑铃型试件两端具有与压盖71螺纹内孔相匹配的外螺纹，参见图5所示。
方案2、试件10采用板类哑铃型，板类哑铃型试件通过配套夹具安装于两个测力基座7中，所述配套夹具包括楔形压块19和具有锥形内孔的夹具夹头20，板类哑铃型试件两端分别通过两个楔形压块19设置于夹具夹头20的锥形内孔中，夹具夹头20具有与压盖71螺纹内孔相匹配的外螺纹，参见图2、3和4所示。板类哑铃型试件10的两端与楔形压块19一起通过专用工装压入夹具夹头20的锥形内孔，保证试件可靠夹紧。在夹具夹头的外表面具有螺纹，与压盖71连接。夹具夹头20的锥形内孔的角度α为10-15度，而与试件接触的楔形压块19的压齿采用60度角的等边三角形齿，高度1毫米，保证试件夹持的稳定可靠。
具体实施方式三：下面结合图1和图7说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式给出应变测量单元的三个实施方案：
方案1、应变测量单元采用应变片8实现，应变片8粘贴于试件10上，在试件10拉伸时由应变片8记录其应变随时间变化曲线，进而获取试件10的应变时间历程。
在拉伸试件10上粘贴应变片8，通过超动态应变仪和数字示波器，由应变片8测得拉伸试件10的应变时间历程。
方案2、应变测量单元采用三维散斑DIC系统相机15实现，所述三维散斑DIC系统相机15直接观测在试件10拉伸时其位移随时间变化曲线，进而获取试件10的动态拉伸应变量。
在试件10上喷射散斑，通过三维散斑DIC系统相机15监测拉伸过程中拉伸试件10的形变来确定应变时间历程。
方案3、应变测量单元采用激光位移传感器13和参照板14实现，两个参照板14对称设置于测力基座7上，参照板14具有内孔并夹持在压盖71和支承盘73开口端之间，参照板14下部悬空伸出，在两个参照板14外部各设置一个激光位移传感器13，激光位移传感器13记录试件10拉伸时位移随时间变化曲线，进而获取试件10的动态拉伸应变量。
采用激光位移传感器13实现测量，在测力基座7的压盖71和支承盘73之间放置激光位移传感器13测试用的参照板14，用于在加载实验时用两套激光位移传感器记录拉伸试件10的形变时间历程；数字示波器用于显示激光位移传感器13输出的数据。
具体实施方式四：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，还包括导向板9，所述导向板9设置在上拉板6和下拉板11之间，且沿四条导向支承柱5左右滑动，用于在施加拉伸载荷时对导向支承柱5进行导向。
具体实施方式五：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，还包括缓冲垫21，所述缓冲垫21设置于上压板16的后端而或上拉板6的前端面，用于减缓上压板16和上拉板6之间的硬撞击损伤；
以及所述缓冲垫21设置于下拉板11的后端而或下基板12的前端面，用于减缓下拉板11和下基板12之间的硬撞击损伤。
具体实施方式六：本实施方式通过一个具体实施例来说明试验步骤：
S1、首先将试件10两端连接到测力基座7的压盖71上。回转体哑铃型试件10是直接连接到压盖71上；板类哑铃型试件10的两端与楔形压块19一起通过专用的工装未示出压入夹具夹头20的锥形内孔，保证试件可靠夹紧。在夹具夹头的外表面具有螺纹，可与压盖71连接。
S2、选择合适的整形器材料和尺寸放置在上压板16的前端面中心；将合适的撞击杆3推入轻气炮发射系统发射管1里面一定的位置；将给定压力的普通氮气充入轻气炮的气室，等待开展试验。
S3、打开测速系统2，让其处于待测状态。
S4、将测力基座7中的力传感器74与电荷放大器和数字示波器连接，用于测量瞬态拉伸载荷的大小；激光位移传感器13与数字示波器连接，测量试件的形变；也可将试件上粘贴的应变片8与超动态应变仪与数字示波器连接，测量试件的形变；如果采用三维散斑DIC系统相机15也要与计算机连接调整好处于待测状态，用于监测拉伸过程中拉伸试件10的形变来时间历程。
S5、击发轻气炮系统，撞击杆3沿轻气炮发射系统发射管1经测速系统2测速后高速飞出撞击整形器4与上压板16，实现对试件10的瞬态原位拉伸加载。
S6、将示波器记录的力传感器74信号、应变片8信号保存、或激光位移传感器13信号保存、或将三维散斑DIC系统相机15记录的图像在计算机上进行保存。
S7、根据记录的力信号和位移信号构建出试件拉伸加载的应力时程曲线和应变时程曲线。至此完成一次材料中应变率的加载试验，得到材料在该应变率条件下的一组应力应变曲线数据。
按上述过程可完成多次不同撞击杆3长度、不同撞击杆3速度、不同整形器4材料、不同整形器4尺寸下的控制拉伸载荷的大小和加载的应变率实验。

Claims (10)

1.材料原位动态拉伸加载试验装置，其特征在于，包括撞击杆发射单元、拉伸加载单元和应变测量单元；所述拉伸加载装置包括整形器(4)、导向支承柱(5)、上压板(16)、下拉板(11)、上拉板(6)、下基板(12)、测力基座(7)、试件(10)和支承座(18)；
上压板(16)和下拉板(11)为相互平行的立板，并通过两条导向支承柱(5)进行固定连接；
上拉板(6)和下基板(12)为相互平行的立板，并通过两条导向支承柱(5)进行固定连接；
上拉板(6)和下拉板(11)相对面各设置一个测力基座(7)，两个测力基座(7)用于夹持试件(10)；
下基板(12)末端固定在支承座(18)上；
上压板(16)首端端面中心位置设置整形器(4)；
撞击杆发射单元发射的撞击杆(3)通过整形器(4)撞击上压板(16)，并将瞬态拉伸载荷通过导向支承柱(5)传给下拉板(11)，使下拉板(11)产生与撞击杆(3)同向的运动，进而拉伸试件(10)，试件(10)拉伸的力载荷由测力基座(7)测量，试件拉伸引起的应变由应变测量单元测量，完成材料原位动态拉伸加载试验。
2.根据权利要求1所述材料原位动态拉伸加载试验装置，其特征在于，测力基座(7)包括压盖(71)、锁紧螺母(72)、支承盘(73)、力传感器(74)和芯轴螺栓(75)，支承盘(73)的底面设置于上拉板(6)和下拉板(11)的相对面上并通过芯轴螺栓(75)固定连接，芯轴螺栓(75)端部通过支承盘(73)底面伸入其面向内侧的开口中，测力传感器(74)放置在支承盘(73)开口中并套设在芯轴螺栓(75)端部，并由锁紧螺母(72)将其固定，压盖(71)通过螺栓固定设置于支承盘(73)的开口端，压盖(71)具有螺纹内孔，两个相对设置的压盖(71)通过螺纹内孔与试件(10)的两端连接。
3.根据权利要求2所述材料原位动态拉伸加载试验装置，其特征在于，试件(10)采用回转体哑铃型，回转体哑铃型试件两端具有与压盖(71)螺纹内孔相匹配的外螺纹。
4.根据权利要求2所述材料原位动态拉伸加载试验装置，其特征在于，试件(10)采用板类哑铃型，板类哑铃型试件通过配套夹具安装于两个测力基座(7)中，所述配套夹具包括楔形压块(19)和具有锥形内孔的夹具夹头(20)，板类哑铃型试件两端分别通过两个楔形压块(19)设置于夹具夹头(20)的锥形内孔中，夹具夹头(20)具有与压盖(71)螺纹内孔相匹配的外螺纹。
5.根据权利要求3或4所述材料原位动态拉伸加载试验装置，其特征在于，应变测量单元采用应变片(8)实现，应变片(8)粘贴于试件(10)上，在试件(10)拉伸时由应变片(8)记录其应变随时间变化曲线，进而获取试件(10)的应变时间历程。
6.根据权利要求3或4所述材料原位动态拉伸加载试验装置，其特征在于，应变测量单元采用三维散斑DIC系统相机(15)实现，所述三维散斑DIC系统相机(15)直接观测在试件(10)拉伸时其位移随时间变化曲线，进而获取试件(10)的应变时间历程。
7.根据权利要求3或4所述材料原位动态拉伸加载试验装置，其特征在于，应变测量单元采用激光位移传感器(13)和参照板(14)实现，两个参照板(14)对称设置于测力基座(7)上，参照板(14)具有内孔并夹持在压盖(71)和支承盘(73)开口端之间，参照板(14)下部悬空伸出，在两个参照板(14)外部各设置一个激光位移传感器(13)，激光位移传感器(13)记录试件(10)拉伸时位移随时间变化曲线，进而获取试件(10)的应变时间历程。
8.根据权利要求3或4所述材料原位动态拉伸加载试验装置，其特征在于，还包括导向板(9)，所述导向板(9)设置在上拉板(6)和下拉板(11)之间，且沿四条导向支承柱(5)左右滑动，用于在施加拉伸载荷时对导向支承柱(5)进行导向。
9.根据权利要求3或4所述材料原位动态拉伸加载试验装置，其特征在于，还包括缓冲垫(21)，所述缓冲垫(21)设置于上压板(16)的后端而或上拉板(6)的前端面，用于减缓上压板(16)和上拉板(6)之间的硬撞击损伤；
以及所述缓冲垫(21)设置于下拉板(11)的后端而或下基板(12)的前端面，用于减缓下拉板(11)和下基板(12)之间的硬撞击损伤。
10.根据权利要求3或4所述材料原位动态拉伸加载试验装置，其特征在于，撞击杆发射单元包括轻气炮发射系统发射管(1)、发射管支座(17)、撞击杆(3)和测速系统(2)，发射管支座(17)支撑轻气炮发射系统发射管(1)，轻气炮发射系统发射管(1)发射的撞击杆(3)水平撞击产生瞬态拉伸载荷；测速系统(2)用于观测撞击杆(3)的速度。
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