CN114034541A - 分离式霍普金森岩石冲击试验装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种分离式霍普金森岩石冲击试验装置，分离式霍普金森岩石冲击试验装置包括入射实心杆，所述入射实心杆具有入射端受击端；输出杆，所述输出杆与所述入射实心杆的轴线共线，岩石试样设置在输出杆与入射实心杆之间；锥形子弹，所述锥形子弹包括扩径段，所述扩径段的大径端的直径为小径端直径的两倍；试验时，所述锥形子弹以所述小大径端在前的姿态由撞击所述入射端受击端射入所述入射实心杆的轴向空腔部。本申请的锥形子弹的扩径段的大径端的直径为小径端直径的两倍，波形满足要求的同时，避免小径端的端面撕裂。

Description

分离式霍普金森岩石冲击试验装置
技术领域
本申请涉及材料力学试验装置技术领域，特别涉及分离式霍普金森岩石冲击试验装置。
背景技术
传统的霍普金森压杆试验采用圆柱形子弹进行直接加载，加载波形近似矩形波，波速较大。对于低阻抗的脆性岩石试样材料，由于岩石类材料结构复杂，内部布满了大量不规则的裂隙、气泡等缺陷，为保证试验准确性，试验中所需的岩石试样尺寸较大，因此，试验过程中，在矩形波的上升沿时间内，岩石试样内部应力、应变很难达到均匀要求。因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本申请的目的在于提供一种，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：分离式霍普金森岩石冲击试验装置，包括
入射实心杆，所述入射实心杆具有受击端；
输出杆，所述输出杆与所述入射实心杆的轴线共线，岩石试样设置在输出杆与入射实心杆之间；
锥形子弹，所述锥形子弹包括扩径段，所述扩径段的大径端的直径为小径端直径的两倍；
试验时所述锥形子弹以所述小径端在前的姿态撞击所述受击端。
进一步的，所述锥形子弹还包括等径段，等径段与大径端一体成型，等径段的轴向长度为扩径段的轴向长度的1/3。
进一步的，所述锥形子弹为镁铝合金材质。
进一步的，试验装置还包括消振铜片，所述消振铜片设置在所述入射实心杆的端部，并位于所述入射实心杆与所述岩石试样之间。
进一步的，所述消振铜片的厚度为0.5毫米-2.5毫米。
进一步的，所述小径端的端面上贴设软质材料片，所述软质材料片的横截面形状、大小与所述小径端的端面匹配。
进一步的，所述软质材料片为电工胶布。
进一步的，所述小径端的直径为所述入射实心杆的径向尺寸的0.7倍。
进一步的，所述大径端的直径为50mm，所述锥形子弹的轴向长度为400mm-1000mm。
进一步的，试验装置还包括轨道，所述轨道中设有倒T形槽，倒T形槽的延伸方向与所述轨道的延伸方向相同，所述倒T形槽包括宽部和窄部，所述窄部的上端具有开口；
活动螺母，所述活动螺母以轴线竖直的形式设置在所述宽部中，能够沿倒T形槽的延伸方向活动；
多个杆件活动支撑架，所述杆件活动支撑架包括底座，所述底座支撑在所述轨道的上表面，所述杆件活动支撑架上设有螺栓过孔，所述螺栓过孔中的螺栓通过所述开口伸入所述倒T形槽中，并与所述活动螺母螺纹连接，使所述杆件活动支撑架在竖直方向上的位置固定；
所述杆件活动支撑架的上端设有支撑凹槽，所述支撑凹槽的槽壁支撑对应的所述入射实心杆或所述输出杆。
与最接近的现有技术相比，本申请实施例的技术方案具有如下有益效果：
1)在煤爆、岩爆及煤与瓦斯共采领域的研究中，本申请能够对煤体或岩体的能量释放问题给出指导，也即有利于解决煤体或岩体的结构塑性区内的损伤程度相关与失稳问题。采用锥形子弹，有效的改变入射波形，撞击端随着变截面增大，入射波应力峰值降低，上升区段趋于平缓，振荡现象减少，整体趋向钟形波，加载波形起始段是斜坡式的上升，可以认为岩石试样中的应力达到均匀化要求，而锥形子弹所产生的脉冲波形恰好是二级分阶段的加载波形，但是，使用锥形子弹时，小径端端面的直径过小就有可能在脉冲到达小径端之前产生足够大的拉应力，最终导致小径端断裂，另一个方面，当锥形子弹小径端的面积较小时会造成波的消散，不满足霍普金森压杆的一维假定，而小径端的端面直径较大时，入射波形状则会接近圆柱形子弹。扩径段的大径端的直径为小径端直径的两倍，波形满足要求的同时，避免小径端的端面撕裂。
2)相同形状锥形子弹，同样撞击速度下，钢锥形子弹产生的应力波幅值是铝锥形子弹产生幅值的近3倍，选用镁铝合金子弹，能够减少岩石试样的损伤。
3)粘贴消振铜片将明显改变入射波形的形状，“V”字形振荡会消除或减弱，入射波斜平台段更加平滑，且未改变整体波形的形状。
4)厚度0.5mm以下的铜片在加工时非常容易变形，而厚度超过2.5mm又会造成材料的浪费，所以铜片的厚度优选为0.5mm-2.5mm。
5)电工胶带能够进一步消除震荡。
6)400mm、600mm、800mm、1000mm四种锥形子弹长度，能够在试验前选择最适合长度的锥形子弹，确定最平缓的加载波形，保证半正弦脉冲波达到了预期波形的要求，实现了岩石试样的半正弦脉冲波加载，相应的峰值应力下降，较快达到岩石试样中应力平衡要求。
7)轨道、活动螺母和杆件活动支撑架的配合，具有侧向和高度上的高精度统一基准，可使动力系统、入射实心杆、输出杆、吸收杆在同一基准下任一位置调试安装，极大节约调试时间，操作方便，实验精度高。
附图说明
构成本申请的一部分说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。其中：
图1为本发明的分离式霍普金森岩石冲击试验装置的具体实施例的结构示意图；
图2为图1中轨道、杆件活动支撑架和活动螺母的结构示意图；
图3为图2中杆件活动支撑架的结构图；
图4为图1中岩石试样、入射实心杆和输出杆的应力波传递示意图。
附图标记说明：
1-岩石试样、2-入射实心杆、3-输出杆、4-动力系统、5-锥形子弹、6-时间间隔器、7-第一应变片、8-第二应变片、9-吸收杆、10-阻尼器、11-高速摄像机、12-数据记录处理系统、13-消振铜片、14-杆件活动支撑架、141-底座、142-支撑凹槽、15-轨道、16-活动螺母、17-窄部。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本申请包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
在本申请的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请而不是要求本申请必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。本申请中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本申请的分离式霍普金森岩石冲击试验装置的具体实施例：分离式霍普金森岩石冲击试验装置是一种建立在杆中一维应力传播和试样受力均匀这两个基本假定基础之上，得到冲击载荷作用下岩石材料的损伤破坏及应力-应变曲线的试验装置。
如图1至图4所示，分离式霍普金森岩石冲击试验装置包括动力系统4、锥形子弹5(撞击杆)、入射实心杆2、输出杆3、吸收杆9、时间间隔器6(平行光源)、阻尼器10、数据记录处理系统12、第一应变片7、第二应变片8、轨道15、杆件活动支撑架14和高速摄像机11。动力系统4采用气动动力，包括用于提供压缩氮气的氮气动力装置，本实施例中的氮气动力装置为气动领域的成熟技术，本申请的改进不在于此，此处不再赘述。
入射实心杆2具有受击端，输出杆3与入射实心杆2的轴线共线，岩石试样1设置在输出杆3与入射实心杆2之间。吸收杆9设置于输出杆3与阻尼器10之间并连接在所述输出杆3上，吸收杆9的作用为吸收部分透射波，未被吸收的透射波由阻尼器10完全吸收。
锥形子弹5为镁铝合金材质，锥形子弹5包括扩径段和等径段，扩径段的大径端的直径为小径端直径的两倍；等径段与大径端一体成型，等径段的轴向长度为扩径段的轴向长度的1/3。小径端的直径与入射实心杆的径向尺寸的比值为0.7，大径端的直径为50mm，锥形子弹5的轴向长度为400mm-1000mm，优选的，锥形子弹5的长度规格有四种，分别是400mm、600mm、800mm、1000mm。
消振铜片13设置在入射实心杆2的端部，并位于入射实心杆2与岩石试样1之间，消振铜片13的厚度为0.5mm-2.5mm。
小径端的端面上贴设软质材料片，软质材料片为电工胶布，软质材料片的横截面形状与大小与小径端的端面匹配，软质材料片的作用是进一步吸振。
轨道15中设有倒T形槽，倒T形槽的延伸方向与轨道15的延伸方向相同，倒T形槽包括宽部和窄部17，窄部17的上端具有开口；活动螺母16以轴线竖直的形式设置在宽部中，能够沿倒T形槽的延伸方向活动。
杆件活动支撑架14包括底座141，底座141支撑在轨道15的上表面，杆件活动支撑架14上设有螺栓过孔，螺栓过孔中的螺栓通过开口伸入倒T形槽中，并与活动螺母16螺纹连接，使杆件活动支撑架14在竖直方向上的位置固定。杆件活动支撑架14的上端设有支撑凹槽142，支撑凹槽142的槽壁支撑对应的入射实心杆2或输出杆3。轨道15和杆件活动支撑架14配合，能够调整入射实心杆2、输出杆3和吸收杆9的位置，以适用不同尺寸的岩石试样1及误差调整。
压缩氮气在环道中流动促使发射装置冲击锥形子弹5，推动锥形子弹5在炮膛内加速飞行，锥形子弹5由高压氮气的推动作用被加速到一定的撞击速度后，以小径端在前的姿态撞击入射实心杆2的撞击端，入射实心杆2发生弹性变形并产生应力波，当应力波到达岩石试样1与入射实心杆2之间的A-A界面时，产生反射波到入射实心杆2中，并透射一个压缩波进入岩石试样1中。
压缩波在岩石试样1传播一个岩石试样1的长度后，在岩石试样1与输出杆3的B-B界面反射与透射，分别进入岩石试样1与输出杆3。随后反射回岩石试样1的应力波将会继续在A-A界面与B-B界面之间反射与透射。一般地，当应力波在A-A界面与B-B界面之间反射2个来回后，岩石试样1将达到应力平衡。
利用粘贴在入射实心杆2、输出杆3上的第一应变片7、第二应变片8记录下应变脉冲(入射波、透射波、反射波)，数据记录处理系统12与入射实心杆2上设置的第一应变片7、输出杆3上设置的第二应变片8数据连通，接收并处理第一应变片7和第二应变片8的数据，分别用于监测并记录对应的入射实心杆2和输出杆3上的应变脉冲。数据记录处理系统12为高速数据采集系统，具有高速采样率、高同步性、高精度，低噪声，低失真和测试信号范围宽的特点，能够及时、精细地捕捉到高频、瞬时的超动态应变信号。
时间间隔器6记录锥形子弹5瞬时发射的动态速度。高速摄像机11设置于入射实心杆2与输出杆3所夹岩石试样1的正左侧(为避免遮挡岩石试样1，对图1中的高速摄像机11的位置进行了调整)，记录岩石试样1在高速冲击作用下的动态变化，能够实现实验过程中岩石试样1变形、破坏瞬间的准确捕捉，分析岩石试样1的破坏形态过程及破碎程度。根据应变波形曲线与数据采集分析系统，计算出岩石试样1的动态应力－应变关系。
以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.分离式霍普金森岩石冲击试验装置，其特征在于，包括
入射实心杆，所述入射实心杆具有受击端；
输出杆，所述输出杆与所述入射实心杆的轴线共线，岩石试样设置在输出杆与入射实心杆之间；
锥形子弹，所述锥形子弹包括扩径段，所述扩径段的大径端的直径为小径端直径的两倍；
试验时所述锥形子弹以所述小径端在前的姿态撞击所述受击端。
2.根据权利要求1所述的分离式霍普金森岩石冲击试验装置，其特征在于，所述锥形子弹还包括等径段，等径段与大径端一体成型，等径段的轴向长度为扩径段的轴向长度的1/3。
3.根据权利要求1所述的分离式霍普金森岩石冲击试验装置，其特征在于，所述锥形子弹为镁铝合金材质。
4.根据权利要求1所述的分离式霍普金森岩石冲击试验装置，其特征在于，试验装置还包括消振铜片，所述消振铜片设置在所述入射实心杆的端部，并位于所述入射实心杆与所述岩石试样之间。
5.根据权利要求4所述的分离式霍普金森岩石冲击试验装置，其特征在于，所述消振铜片的厚度为0.5毫米-2.5毫米。
6.根据权利要求4所述的分离式霍普金森岩石冲击试验装置，其特征在于，所述小径端的端面上贴设软质材料片，所述软质材料片的横截面形状、大小与所述小径端的端面匹配。
7.根据权利要求6所述的分离式霍普金森岩石冲击试验装置，其特征在于，所述软质材料片为电工胶布。
8.根据权利要求1所述的分离式霍普金森岩石冲击试验装置，其特征在于，所述小径端的直径为所述入射实心杆的径向尺寸的0.7倍。
9.根据权利要求1所述的分离式霍普金森岩石冲击试验装置，其特征在于，所述大径端的直径为50mm，所述锥形子弹的轴向长度为400mm-1000mm。
10.根据权利要求1所述的分离式霍普金森岩石冲击试验装置，其特征在于，试验装置还包括轨道，所述轨道中设有倒T形槽，倒T形槽的延伸方向与所述轨道的延伸方向相同，所述倒T形槽包括宽部和窄部，所述窄部的上端具有开口；
活动螺母，所述活动螺母以轴线竖直的形式设置在所述宽部中，能够沿倒T形槽的延伸方向活动；
多个杆件活动支撑架，所述杆件活动支撑架包括底座，所述底座支撑在所述轨道的上表面，所述杆件活动支撑架上设有螺栓过孔，所述螺栓过孔中的螺栓通过所述开口伸入所述倒T形槽中，并与所述活动螺母螺纹连接，使所述杆件活动支撑架在竖直方向上的位置固定；
所述杆件活动支撑架的上端设有支撑凹槽，所述支撑凹槽的槽壁支撑对应的所述入射实心杆或所述输出杆。
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