CN114112727A - 一种单脉冲霍普金森扭杆试验装置 - Google Patents

Abstract

一种单脉冲霍普金森扭杆试验装置，属于材料动态力学性能实验设备领域，本发明为解决现有单脉冲加载的霍普金森扭杆的传动器结构复杂、四个滑键在工作时容易甩出的问题。本发明方案：夹紧释放机构用于将输入杆夹紧或释放，在夹紧状态下，设置于输入杆首端的扭矩加载机构给输入杆施加设定扭矩，施加扭矩后夹紧释放机构瞬间释放输入杆，输入杆在扭矩的作用下高速旋转，扭矩波从输入杆向试件传播，一部分扭矩波从试件反射重新进入输入杆和输入端卸波杆；另一部分扭矩波透射进入输出杆和输出端卸波杆；当输入杆、输出杆速度渐慢至小于与其啮合的卸波杆的速度时，卸波杆在扭矩波传动器的作用下从输入杆/输出杆脱离，以防止扭矩波二次加载。

Description

一种单脉冲霍普金森扭杆试验装置

技术领域

本发明涉及单脉冲加载实验时将扭矩应力波导出和隔离技术，属于材料动态力学性能实验设备领域。

背景技术

霍普金森扭杆装置是研究高应变率下材料动态纯剪切力学性能特别是热塑剪切局部化现象的有效工具。在压缩、拉伸和扭转实验的基础上，可以确定材料的应力三轴度，实现有效预报材料在动态载荷作用下的断裂破碎行为。这一技术最初由Baker等人根据Kolsky的原理建立，此后Campbell等人又进行了改进和完善。但现有的霍普金森扭杆实验中扭矩应力波在杆中是来回反射造成对试件的反复加载，破坏了材料在首次加载过程中变形微结构，严重妨碍了材料宏微观损伤的研究。上个世纪九十年代，中国科学院力学所的薛青和沈乐天等人，通过引入卸波杆和传动器将从试件反射和透射的扭矩波从输入杆和输出杆完全导出，实现了单脉冲的加载过程。确定了材料微结构变形损伤与应力应变响应的对应关系，给出了结构材料损伤的演化过程。薛青和沈乐天等人发明的单脉冲加载的霍普金森扭杆，其应力波传动器是分别在卸波杆和输入/出杆上加工四个直导槽和斜导槽并在其中插入四个滑键将卸波杆和输入(出)杆紧密连接在一起，实现扭矩应力波的导出和隔离。其设计的传动器结构复杂，加工精度要求高，四个滑键在工作时容易甩出。

发明内容

本发明目的是为了解决现有单脉冲加载的霍普金森扭杆的传动器结构复杂、四个滑键在工作时容易甩出的问题，提供了一种单脉冲霍普金森扭杆试验装置。

本发明所述一种单脉冲霍普金森扭杆试验装置，包括输入杆1、输出杆2、输入端卸波杆3、输出端卸波杆4、试件5、输入端扭矩波传动器6、输出端扭矩波传动器7、滚动球支承支座8、滚动轴承9、扭矩加载机构10、夹紧释放机构11和应变片12；输入杆1、输出杆2、输入端卸波杆3和输出端卸波杆4同轴；

输入杆1和输出杆2均由若干个滚动轴承9支撑，试件5安装在输入杆1和输出杆2之间；输入杆1和输出杆2上各贴设一个应变片12；

输入杆1首端通过输入端扭矩波传动器6与输入端卸波杆3啮合；输出杆2末端通过输出端扭矩波传动器7与输出端卸波杆4啮合，输入端卸波杆3和输出端卸波杆4均由滚动球支承支座8支撑；

输入杆1上设置有扭矩加载机构10和夹紧释放机构11；

夹紧释放机构11用于将输入杆1夹紧或释放，在夹紧状态下，设置于输入杆1首端的扭矩加载机构10给输入杆1施加设定扭矩，施加扭矩后夹紧释放机构11瞬间释放输入杆1，输入杆1在扭矩的作用下高速旋转，扭矩波从输入杆1向试件5传播，其中一部分扭矩波从试件5反射重新进入输入杆1和输入端卸波杆3；另一部分扭矩波透射进入输出杆2和输出端卸波杆4；当输入杆1、输出杆2速度渐慢至小于与其啮合的输入端卸波杆3、输出端卸波杆4的速度时，输入端卸波杆3在输入端扭矩波传动器6的作用下从输入杆1首端脱离并沿轴向滑动远离输入杆1，以防止输入端卸波杆3通过输入杆1对试件5进行扭矩波二次加载；同步的，输出端卸波杆4在输出端扭矩波传动器7的作用下从输出杆2末端脱离并沿轴向滑动远离输出杆2，以防止输出端卸波杆4通过输出杆2对试件5进行扭矩波二次加载。

优选地，输入端扭矩波传动器6由一对卡爪副组成，该对卡爪副紧密啮合，其中一个卡爪副设置在输入杆1首端，另一个卡爪副设置在输入端卸波杆3末端，每个卡爪副包括两个卡块，一个卡块沿杆中心线旋转180度就是另一个卡块，每个卡块的配合工作面分别为通过杆中心线的平面和与中心线成一定角度的斜面；

输出端扭矩波传动器7与输入端扭矩波传动器6的结构相同，且输出端扭矩波传动器7与输入端扭矩波传动器6左右镜像对称设置。

优选地，卡爪副中的两个卡块各占半圆周位置，卡块中两个配合工作斜面的相对夹角为30～60度。

优选地，试件5包括圆柱体5-1，圆柱体5-1外圆周面中部设置有周向凹槽5-2，圆柱体5-1设置有轴向中心孔5-3，所述周向凹槽5-2底面与轴向中心孔5-3之间的薄壁管作为扭矩加载标距段5-5，圆柱体5-1的两个端面均设置有卡槽5-4。

优选地，卡槽5-4宽度与轴向中心孔5-3的直径相等。

优选地，输入杆1末端设置有卡头1-1，输出杆2首端设置卡头，两个卡头用于与试件5的两个卡槽5-4卡接。

优选地，安装试件时卡接在一起的卡头、卡槽为矩形截面。

优选地，滚动球支承支座8包括倒T型板8-1，倒T型板8-1的下横板左右对称设置有固定位置用螺栓孔8-2，倒T型板8-1的竖板设置有长孔8-3，输入端卸波杆3或输出端卸波杆4从所述长孔8-3中穿过，长孔8-3顶部中心设置有竖直螺纹孔，长孔8-3下半段左右对称设置两个水平螺纹孔，三个螺栓8-5从外部旋入三个螺纹孔中，且每个螺栓8-5端部均设置一个钢球8-4，所述钢球8-4在外力作用下在螺纹孔内端位置可绕自身中心原位旋转；调节三个螺纹孔中的螺栓8-5推动三个钢球8-4，以找正输入端卸波杆3或输出端卸波杆4的水平方向及在垂直方向具有一定间隙▲的长孔中位置，输入端卸波杆3或输出端卸波杆4在滚动球支承支座8支撑下可实现周向旋转及轴向滑动。

本发明的有益效果：本发明结构简单，操作方便，接触可靠，实现了材料的霍普金森扭杆的单脉冲加载。采用回转体整体扭转试件，试件安装方式简单、加工工艺简单。

本发明将扭矩加载实验时的扭矩波(应力波)传递至输入/输出杆两个端部的卸波杆，即将一次加载后的扭矩波导出主杆(输入/输出杆)，避免了主杆端部再次反射扭矩波叠加作用于在试件上而形成二次加载，克服了应力波反复加载的问题。本发明在主杆和卸波杆之间设置的扭矩波传动器结构简单，两个卡块的配合工作斜面保证啮合的紧密度。在主杆高速旋转时，主杆能周向推动卸波杆同步旋转，当随着能量的消减，主杆旋转速度渐慢，在渐慢过程中，当主杆卡块与卸波杆卡块周向出现缝隙后，两个卡块的配合工作斜面相互滑动，卸波杆从主杆脱离，并沿轴向滑动离开主杆，这样，主杆和卸波杆再各自转动至速度归零的过程中，卸波杆的应力对主杆无影响，不会产生二次加载，保证实验数据的准确性。

本发明实验装置可以获得材料微结构变形损伤与应力应变响应的对应关系，给出结构材料损伤的演化过程。为材料在瞬态载荷作用下损伤失效机理分析提供了有效的实验工具和手段。

附图说明

图1是本发明所述一种单脉冲霍普金森扭杆试验装置的结构示意图；

图2是卸波杆和输入/输出杆啮合和分离工作原理平面示意图，其中图2(a)为啮合状态，图2(b)为分离状态；

图3是卸波杆和输入/输出杆啮合和分离工作原理立体示意图，其中图3(a)为啮合状态，图3(b)为分离状态；

图4是卡爪的立体结构示意图；

图5是试件结构示意图，其中图5(a)为试件立体结构示意图，图5(b)为试件纵剖图，图5(c)为试件的侧视图；

图6是滚动球支承支座结构示意图，其中图6(a)为立体结构示意图，图6(b)为平面示意图，图中剖面杆为输入端卸波杆或输出端卸波杆。

图中：1、输入杆；2、输出杆；3、输入端卸波杆；4、输出端卸波杆；5、试件；6、输入端扭矩波传动器；7、输出端扭矩波传动器；8、滚动球支承支座；9、滚动轴承；10、扭矩加载机构；11、夹紧释放机构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落后于本申请所附权利要求所限定的范围。

具体实施方式一：下面结合图1～4说明本实施方式，本实施方式所述一种单脉冲霍普金森扭杆试验装置，包括输入杆1、输出杆2、输入端卸波杆3、输出端卸波杆4、试件5、输入端扭矩波传动器6、输出端扭矩波传动器7、滚动球支承支座8、滚动轴承9、扭矩加载机构10、夹紧释放机构11和应变片12；

输入杆1首端通过输入端扭矩波传动器6与输入端卸波杆3啮合；输出杆2末端通过输出端扭矩波传动器7与输出端卸波杆4啮合，

输入杆1上设置有扭矩加载机构10和夹紧释放机构11；

夹紧释放机构11用于将输入杆1夹紧或释放，在夹紧状态下，设置于输入杆1首端的扭矩加载机构10给输入杆1施加设定扭矩，施加扭矩后夹紧释放机构11瞬间释放输入杆1，输入杆1在扭矩的作用下高速旋转，扭矩波从输入杆1向试件5传播，其中一部分扭矩波从试件5反射重新进入输入杆1和输入端卸波杆3；另一部分扭矩波透射进入输出杆2和输出端卸波杆4；当输入杆1、输出杆2速度渐慢至小于与其啮合的输入端卸波杆3、输出端卸波杆4的速度时，输入端卸波杆3在输入端扭矩波传动器6的作用下从输入杆1首端脱离并沿轴向滑动远离输入杆1，以防止输入端卸波杆3通过输入杆1对试件5进行扭矩波二次加载；同步的，输出端卸波杆4在输出端扭矩波传动器7的作用下从输出杆2末端脱离并沿轴向滑动远离输出杆2，以防止输出端卸波杆4通过输出杆2对试件5进行扭矩波二次加载。

输入端扭矩波传动器6由一对卡爪副组成，该对卡爪副紧密啮合，其中一个卡爪副设置在输入杆1首端，另一个卡爪副设置在输入端卸波杆3末端，每个卡爪副包括两个卡块，一个卡块沿杆中心线旋转180度就是另一个卡块，每个卡块的配合工作面分别为通过杆中心线的平面和与中心线成一定角度的斜面；

输出端扭矩波传动器7与输入端扭矩波传动器6的结构相同，且输出端扭矩波传动器7与输入端扭矩波传动器6左右镜像对称设置。

卡爪副中的两个卡块各占半圆周位置，卡块中两个配合工作斜面的相对夹角为30～60度。相对旋转后形成夹角的目的是形成周向推动时的卡部，扭矩波传动器的两个卡爪副是相互啮合的，其具有沿一个方向旋转主杆与卸波杆同步旋转，反方向旋转则主杆与卸波杆出现周向缝隙，主杆和卸波杆相互推开，卸波杆脱离主杆。本实施方式利用这种简单结构满足实验要求。

具体实施方式二：下面结合图5对本实施方式进行说明，本实施方式是对实施方式一的进一步限定，本实施方式中试件5采用了回转体整体扭转试件，且用卡接的方式与主杆小间隙配合安装，既安装方便，又降低了加工难度。

试件5安装在输入杆1和输出杆2之间；输入杆1和输出杆2上各贴设一个应变片12；试件5包括圆柱体5-1，圆柱体5-1外圆周面中部设置有周向凹槽5-2，圆柱体5-1设置有轴向中心孔5-3，所述周向凹槽5-2底面与轴向中心孔5-3之间的薄壁管作为扭矩加载标距段5-5，圆柱体5-1的两个端面均设置有卡槽5-4。

卡槽5-4宽度与轴向中心孔5-3的直径相等。

输入杆1末端设置有卡头1-1，输出杆2首端设置卡头，两个卡头用于与试件5的两个卡槽5-4卡接。

具体实施方式三：下面结合图6对本实施方式进行说明，本实施方式是对实施方式一的进一步限定，杆系的支撑系统：

杆系：输入杆1、输出杆2、输入端卸波杆3和输出端卸波杆4同轴；输入杆1和输出杆2均由若干个滚动轴承9支撑，主杆(输入杆1、输出杆2)与滚动轴承9的内圈过盈配合，主杆可实现周向旋转，但无轴向移动。输入端卸波杆3和输出端卸波杆4均由滚动球支承支座8支撑，卸波杆(输入端卸波杆3、输出端卸波杆4)与滚动球支承支座8之间既能实现周向旋转，又能实现轴向滑动，滚动球支承支座8的结构如图6所示，滚动球支承支座8包括倒T型板8-1，倒T型板8-1的下横板左右对称设置有固定位置用螺栓孔8-2，倒T型板8-1的竖板设置有长孔8-3，输入端卸波杆3或输出端卸波杆4从所述长孔8-3中穿过，长孔8-3顶部中心设置有竖直螺纹孔，长孔8-3下半段左右对称设置两个水平螺纹孔，三个螺栓8-5从外部旋入三个螺纹孔中，且每个螺栓8-5端部均设置一个钢球8-4，所述钢球8-4在外力作用下在螺纹孔内端位置可绕自身中心原位旋转；调节三个螺纹孔中的螺栓8-5推动三个钢球8-4，以找正输入端卸波杆3或输出端卸波杆4的水平方向及在垂直方向具有一定间隙▲的长孔中位置，输入端卸波杆3或输出端卸波杆4在滚动球支承支座8支撑下可实现周向旋转及轴向滑动。滚动球支承支座8通过其上三个中心调节螺栓8-5推动三个钢球8-4找正放在水平方向与杆尺寸间隙配合而在垂直方向具有一定间隙▲长孔中杆的位置，杆相对长孔可上下移动，最后锁定准确位置；三个钢球8-4在外力作用下可绕自身中心原位旋转，使其兼具直线轴承和滚针轴承的功用。

具体实施方式四：本实施方式通过一个具体实施例来说明试验步骤。

在本发明的实施过程中，输入杆1、输出杆2和卸波杆直径选用25毫米的钢杆，杆的长度均为2000毫米。扭矩加载机构10采用双液压缸加载，夹紧释放装置11采用液压夹紧释放装置夹紧和释放输入杆1。

安装试件时卡接在一起的卡头、卡槽为矩形截面。

试验步骤：

S1、首先用夹紧释放装置11将输入杆1夹紧，然后启动扭矩加载机构10，给输入杆1施加一定的扭矩。

S2、将整体回转体结构的试件5的一端卡槽与输入杆1末端矩形截面的卡头进行连接，然后再将试件5的另一端卡槽与输出杆2首端矩形截面的卡头进行连接。

S3、将输入端卸波杆3与输入杆1之间的输入端扭矩波传动器6的卡爪副紧密啮合；输出端卸波杆4与输出杆2之间的输出端扭矩波传动器7的卡爪副也紧密啮合。

S4、检查并将输入杆1和输出杆2上的应变片12与超动态应变仪(未示出)和高速数字存储示波器(未示出)连接，让测试系统处于待测状态。

S5、启动夹紧释放装置10瞬间释放输入杆1，输入杆1在扭矩的作用下高速旋转，扭矩波就从输入杆1向试件5传播，其中一部分从试件5反射重新进入输入杆1和输入端卸波杆3；到达试件5扭矩波的另一部分透射进入输出杆2和输出端卸波杆4。

S6、当输入杆1和输出杆2的转速小于输入端卸波杆3、输出端卸波杆4的转速，输入端卸波杆3、输出端卸波杆4就在输入端扭矩波传动器6、输出端扭矩波传动器7的作用下分别与输入杆1和输出杆2分离，实现扭矩波的隔离，防止扭矩波对试件的二次加载。

S7、将高速数字存储示波器的数据进行存储，经过数据处理就可获得试件在扭矩载荷作用的应力-应变曲线。

Claims (8)

1.一种单脉冲霍普金森扭杆试验装置，其特征在于，包括输入杆(1)、输出杆(2)、输入端卸波杆(3)、输出端卸波杆(4)、试件(5)、输入端扭矩波传动器(6)、输出端扭矩波传动器(7)、滚动球支承支座(8)、滚动轴承(9)、扭矩加载机构(10)、夹紧释放机构(11)和应变片(12)；输入杆(1)、输出杆(2)、输入端卸波杆(3)和输出端卸波杆(4)同轴；

输入杆(1)和输出杆(2)均由若干个滚动轴承(9)支撑，试件(5)安装在输入杆(1)和输出杆(2)之间；输入杆(1)和输出杆(2)上各贴设一个应变片(12)；

输入杆(1)首端通过输入端扭矩波传动器(6)与输入端卸波杆(3)啮合；输出杆(2)末端通过输出端扭矩波传动器(7)与输出端卸波杆(4)啮合，输入端卸波杆(3)和输出端卸波杆(4)均由滚动球支承支座(8)支撑；

输入杆(1)上设置有扭矩加载机构(10)和夹紧释放机构(11)；

夹紧释放机构(11)用于将输入杆(1)夹紧或释放，在夹紧状态下，设置于输入杆(1)首端的扭矩加载机构(10)给输入杆(1)施加设定扭矩，施加扭矩后夹紧释放机构(11)瞬间释放输入杆(1)，输入杆(1)在扭矩的作用下高速旋转，扭矩波从输入杆(1)向试件(5)传播，其中一部分扭矩波从试件(5)反射重新进入输入杆(1)和输入端卸波杆(3)；另一部分扭矩波透射进入输出杆(2)和输出端卸波杆(4)；当输入杆(1)、输出杆(2)速度渐慢至小于与其啮合的输入端卸波杆(3)、输出端卸波杆(4)的速度时，输入端卸波杆(3)在输入端扭矩波传动器(6)的作用下从输入杆(1)首端脱离并沿轴向滑动远离输入杆(1)，以防止输入端卸波杆(3)通过输入杆(1)对试件(5)进行扭矩波二次加载；同步的，输出端卸波杆(4)在输出端扭矩波传动器(7)的作用下从输出杆(2)末端脱离并沿轴向滑动远离输出杆(2)，以防止输出端卸波杆(4)通过输出杆(2)对试件(5)进行扭矩波二次加载。

2.根据权利要求1所述一种单脉冲霍普金森扭杆试验装置，其特征在于，输入端扭矩波传动器(6)由一对卡爪副组成，该对卡爪副紧密啮合，其中一个卡爪副设置在输入杆(1)首端，另一个卡爪副设置在输入端卸波杆(3)末端，每个卡爪副包括两个卡块，一个卡块沿杆中心线旋转180度就是另一个卡块，每个卡块的配合工作面分别为通过杆中心线的平面和与中心线成一定角度的斜面；

输出端扭矩波传动器(7)与输入端扭矩波传动器(6)的结构相同，且输出端扭矩波传动器(7)与输入端扭矩波传动器(6)左右镜像对称设置。

3.根据权利要求2所述一种单脉冲霍普金森扭杆试验装置，其特征在于，卡爪副中的两个卡块各占半圆周位置，卡块中两个配合工作斜面的相对夹角为30～60度。

4.根据权利要求1所述一种单脉冲霍普金森扭杆试验装置，其特征在于，试件(5)包括圆柱体(5-1)，圆柱体(5-1)外圆周面中部设置有周向凹槽(5-2)，圆柱体(5-1)设置有轴向中心孔(5-3)，所述周向凹槽(5-2)底面与轴向中心孔(5-3)之间的薄壁管作为扭矩加载标距段(5-5)，圆柱体(5-1)的两个端面均设置有卡槽(5-4)。

5.根据权利要求4所述一种单脉冲霍普金森扭杆试验装置，其特征在于，卡槽(5-4)宽度与轴向中心孔(5-3)的直径相等。

6.根据权利要求4所述一种单脉冲霍普金森扭杆试验装置，其特征在于，输入杆(1)末端设置有卡头(1-1)，输出杆(2)首端设置卡头，两个卡头用于与试件(5)的两个卡槽(5-4)卡接。

7.根据权利要求6所述一种单脉冲霍普金森扭杆试验装置，其特征在于，安装试件时卡接在一起的卡头、卡槽为矩形截面。

8.根据权利要求1所述一种单脉冲霍普金森扭杆试验装置，其特征在于，滚动球支承支座(8)包括倒T型板(8-1)，倒T型板(8-1)的下横板左右对称设置有固定位置用螺栓孔(8-2)，倒T型板(8-1)的竖板设置有长孔(8-3)，输入端卸波杆(3)或输出端卸波杆(4)从所述长孔(8-3)中穿过，长孔(8-3)顶部中心设置有竖直螺纹孔，长孔(8-3)下半段左右对称设置两个水平螺纹孔，三个螺栓(8-5)从外部旋入三个螺纹孔中，且每个螺栓(8-5)端部均设置一个钢球(8-4)，所述钢球(8-4)在外力作用下在螺纹孔内端位置可绕自身中心原位旋转；调节三个螺纹孔中的螺栓(8-5)推动三个钢球(8-4)，以找正输入端卸波杆(3)或输出端卸波杆(4)的水平方向及在垂直方向具有一定间隙▲的长孔中位置，输入端卸波杆(3)或输出端卸波杆(4)在滚动球支承支座(8)支撑下可实现周向旋转及轴向滑动。

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