CN114166617A - 一种基于电磁线圈的霍普金森压杆发射装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁线圈的霍普金森压杆发射装置，包括支撑结构、发射管、电磁线圈组件、子弹和撞击杆。其中，支撑结构用于固定发射管，发射管的第一端口用于放入子弹，发射管的第二端口用于射出撞击杆；电磁线圈组件包括多级的电磁线圈，电磁线圈缠绕于发射管的外壁上，电磁线圈在通电后，产生磁场作用于子弹，使子弹撞击撞击杆。本发明通过多级的电磁线圈对发射管中的子弹进行加速，相较于传统的气动加载方式，实现了子弹较快的发射速度和较高的撞击能量；通过控制电磁线圈的尺寸、匝数以及驱动电压的大小，实现了子弹发射速度和撞击能量的控制，使得子弹的发射具有更高的可靠性，并且具有可重复性。

Description

一种基于电磁线圈的霍普金森压杆发射装置

技术领域

本发明涉及材料测试领域，特别是涉及一种基于电磁线圈的霍普金森压杆发射装置。

背景技术

在对材料进行动态压缩性能实验时常常用到霍普金森压杆。分离式的霍普金森压杆是用于测试冲击荷载下材料的应力-应变关系的装置。在传统实验过程中，霍普金森压杆的发射装置由于内外的气压差会产生气体推动，发射装置中的圆柱型撞击杆在气体的推动下撞击入射杆，从而产生一个入射波。入射波沿着入射杆向试样方向传播。当入射波到达试样位置时，由于入射杆和试样连接处阻抗的不同，入射波的一部分会被反射回入射杆，被反射回去的波叫做反射波。入射波的剩余部分被传递到了试样中，最后进入透射杆中，这部分叫做透射波。在入射波加载到试样上时，导致组件的应力和应变发生变化，即可得到材料在冲击荷载下力学性能。由于撞击杆的速度是确定材料冲击状态或应力状态的重要参数，因此应力波的产生方式及稳定性至关重要。而传统的气动加载方式，在子弹的发射速度、试验可重复性和加载装置小型化等方面不足。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种基于电磁线圈的霍普金森压杆发射装置，能够实现一种发射速度快、撞击能量高并且撞击可控、安全、可重复的霍普金森压杆发射装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于电磁线圈的霍普金森压杆发射装置，包括:

支撑结构，用于固定发射管；

发射管，为一根直管，所述发射管的第一端口用于放入子弹，所述述发射管的第二端口用于射出撞击杆；

电磁线圈组件，包括多级的电磁线圈，所述电磁线圈缠绕于所述发射管的外壁上，所述电磁线圈在通电后，产生磁场作用于所述子弹；

所述子弹为软磁铁子弹，在磁场的作用下加速移动并撞击所述撞击杆。

进一步，所述支撑结构包括底板、第一挡板和第二挡板，所述第一挡板面朝所述第二挡板，所述第一挡板垂直设置在所述底板的一端，所述第二挡板垂直设置在所述底板的另一端，所述第二挡板上设有通孔，所述发射管的第二端口垂直设置在所述第二挡板上，所述发射管的第二端口与所述通孔对齐，所述第一挡板上设置有第一缓冲组件，所述第一缓冲组件与所述子弹相连。

进一步，所述第一缓冲组件包括缓冲块和缓冲绳，所述缓冲块设置在所述第一挡板上，所述缓冲绳设置在所述缓冲块上，所述缓冲绳与所述子弹连接，所述缓冲绳的长度等于所述缓冲块与所述撞击杆之间的距离。

进一步，本发明的一种基于电磁线圈的霍普金森压杆发射装置还包括供电组件，所述供电组件包括充电组件和电容组件和电压表，所述充电组件用于给所述电容组件充电，所述电容组件用于给所述电磁线圈供电。

进一步，所述充电组件包括电源和升压模块，所述电源通过所述升压模块与所述电容组件连接，所述电容组件包括多个电容，所述电容的个数与所述电磁线圈的级数相等，所述电容组件与所述升压模块以及所述电磁线圈之间的连接通路上还设置有第一开关，所述第一开关用于控制所述电容组件的充电，以及用于控制所述电容组件向所述电磁线圈放电。

进一步，所述电磁线圈包括第一电磁线圈和第二电磁线圈，所述电磁线圈组件中的第一级电磁线圈采用所述第一电磁线圈，所述第一电磁线圈设置在所述发射管靠近所述第一挡板的一侧，所述第一电磁线圈沿所述发射管向所述第二挡板延伸的方向依次为所述电磁线圈组件中的第2～n级电磁线圈，所述电磁线圈组件中的第2～n级电磁线圈分别采用所述第二电磁线圈。

进一步，所述第一电磁线圈包括第一限位块和第一驱动线圈，所述第一限位块设置在所述第一驱动线圈靠近所述第一挡板的一侧，所述第一电磁线圈的两端与对应的电容连接。

进一步，所述第二电磁线圈包括第二限位块、第二驱动线圈、第二开关和第二缓冲组件，所述第二限位块设置在所述第二驱动线圈靠近所述第一电磁线圈的一侧，所述第二开关设置在所述第二限位块远离所述第二驱动线圈的一侧，所述第二缓冲组件设置在所述第二驱动线圈靠近所述第二挡板的一侧，所述第二电磁线圈的两端与对应的电容连接，所述第二开关用于在所述子弹通过时闭合，并将对应的电容中存储的电能导入所述第二驱动线圈。

进一步，本发明的一种基于电磁线圈的霍普金森压杆发射装置，还包括测速组件，所述测速组件设置在所述电磁线圈组件靠近所述第二挡板的一侧。

进一步，所述测速组件包括第三开关、第四开关和示波器，所述第三开关和所述第四开关被所述发射管贯穿，所述第四开关设置在所述第三开关和所述第二挡板之间，所述第三开关和所述第四开关分别与所述示波器连接。

本发明的有益效果是：

本发明的一种基于电磁线圈的霍普金森压杆发射装置，通过多级的电磁线圈对发射管中的子弹进行加速，相较于传统的气动加载方式，实现了子弹较快的发射速度和较高的撞击能量；通过控制电磁线圈的尺寸、匝数以及驱动电压的大小，实现了子弹发射速度和撞击能量的控制，使得子弹的发射具有更高的可靠性，并且具有可重复性。

附图说明

图1是本发明一种基于电磁线圈的霍普金森压杆发射装置的结构示意图；

图2是本发明一种基于电磁线圈的霍普金森压杆发射装置的纵向截面示意图；

图3是本发明一种基于电磁线圈的霍普金森压杆发射装置的驱动线圈的结构示意图。

附图标记：101、底板；102、第一挡板；103、第二挡板；104、发射管；105、通孔；106、子弹；107、撞击杆；108、缓冲块；109、缓冲绳；110、第一限位块；111、第一驱动线圈；112、第二限位块；113、第二驱动线圈；114、第二开关；115、第二缓冲组件；116、第三开关；117、第四开关；201、电容组件；202、电压表；203、电源；204、升压模块；205、第一开关；206、示波器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

参照图1，本发明提供了一种基于电磁线圈的霍普金森压杆发射装置，包括:

支撑结构，用于固定发射管104；

发射管104，为一根直管，所述发射管的第一端口用于放入子弹106，所述述发射管的第二端口用于射出撞击杆107；

电磁线圈组件，包括多级的电磁线圈，所述电磁线圈缠绕于所述发射管104的外壁上，所述电磁线圈在通电后，产生磁场作用于所述子弹106；

所述子弹106为软磁铁子弹，在磁场的作用下加速移动并撞击所述撞击杆107。

其中，支撑结构用于支撑本发明一种基于电磁线圈的霍普金森压杆发射装置中的其他组件。

发射管104，为透明的硬质薄壁圆管，作为子弹106和撞击杆107的发射管道。

电磁线圈组件，用于在通电状态下通过电磁效应给子弹106加速。在本发明的实施例中，多级电磁线圈组成的电磁线圈组件的内表面与发射管104的外表面可滑动贴合。

子弹106，采用圆柱状的铁磁材料，例如材质为DT4C的电工纯铁，直径为14mm，用于在通电的电磁线圈组件的加速下撞击撞击杆107。

撞击杆107，采用圆柱状的铝合金材料，直径为14mm，用于在子弹106的撞击下从发射管104发射出去，进行材料的动态压缩性能试验。

作为一种可选的实施方式，所述支撑结构包括底板101、第一挡板102和第二挡板103，所述第一挡板102面朝所述第二挡板103，所述第一挡板102垂直设置在所述底板101的一端，所述第二挡板103垂直设置在所述底板101的另一端，所述第二挡板103上设有通孔105，所述发射管104的第二端口垂直设置在所述第二挡板103上，所述发射管104的第二端口与所述通孔105对齐，所述第一挡板102上设置有第一缓冲组件，所述第一缓冲组件与所述子弹106相连。

其中，第一缓冲组件设置在第一挡板102上并与子弹106相连，用于缓冲、吸收子弹106进行撞击后返回的能量，防止第一挡板102因子弹106的撞击而受损。

作为一种可选的实施方式，所述第一缓冲组件包括缓冲块108和缓冲绳109，所述缓冲块108设置在所述第一挡板102上，所述缓冲绳109设置在所述缓冲块108上，所述缓冲绳109与所述子弹106连接。

其中，缓冲绳109，采用高强度、高阻尼性能的橡胶材料，在本发明的实施例中，所述缓冲绳109的长度等于所述缓冲块108与所述撞击杆107之间的距离，用于将撞击撞击杆107之后的子弹106收回发射管104靠近第一挡板102的一侧，并在子弹106撞击缓冲块108前起到缓冲作用。

缓冲块108，用于缓冲返回的子弹106，吸收子弹106的返回撞击能量，防止第一挡板102因子弹106的撞击而受损。在本发明的实施例中，缓冲块108为圆柱形，与发射管104和通孔105同轴心装配，形成定位轴心。

参照图2，作为一种可选的实施方式，本发明一种基于电磁线圈的霍普金森压杆发射装置还包括供电组件所述供电组件包括充电组件和电容组件201和电压表202，所述充电组件用于给所述电容组件201充电，所述电容组件201用于给所述电磁线圈供电。

其中，供电组件，用于驱动电磁线圈。

电压表202，为数显电压表，用于显示充电组件输出电压的电压数值，按照需求控制电容组件201的充电电压，实现不同的子弹106驱动效果与撞击杆107发射速度。

作为一种可选的实施方式，所述充电组件包括电源203和升压模块204，所述电源203通过所述升压模块204与所述电容组件201连接。所述电容组件201包括多个电容，所述电容的个数与所述电磁线圈的级数相等，所述电容组件201与所述升压模块204以及所述电磁线圈之间的连接通路上还设置有第一开关205，所述第一开关205用于控制所述电容组件201的充电，以及用于控制所述电容组件201向所述电磁线圈放电。

其中，电源203为大功率恒压输出电源，用于供电。

升压模块204，用于提高电源203的输出电压，并将升压后的电压输入到电容组件201，对电容组件201进行充电。

电容组件201，用于在放电状态下对电磁线圈组件进行供电。

第一开关205，用于控制所述电容组件201的充放电，具体地，当第一开关205将升压模块204与电容组件201之间的电路闭合时，电源203、升压模块204以及电容组件201形成通路，此时电容组件201为充电状态；当第一开关205将第一驱动线圈111与电容组件201之间的电路闭合时，电源203、升压模块204以及电容组件201之间的通路断开，此时电容组件201为放电状态。

作为一种可选的实施方式，所述电磁线圈包括第一电磁线圈和第二电磁线圈，所述电磁线圈组件中的第一级电磁线圈采用所述第一电磁线圈，所述第一电磁线圈设置在所述发射管104靠近所述第一挡板102的一侧，所述第一电磁线圈沿所述发射管104向所述第二挡板103延伸的方向依次为所述电磁线圈组件中的第2～n级电磁线圈，所述电磁线圈组件中的第2～n级电磁线圈分别采用所述第二电磁线圈。

其中，第一电磁线圈的位置靠近子弹106，用于在通电状态下通过电磁效应对子弹106进行第一级吸引驱动，实现子弹106的第一级加速。

作为一种可选的实施方式，所述第一电磁线圈包括第一限位块110和第一驱动线圈111，所述第一限位块110设置在所述第一驱动线圈111靠近所述第一挡板102的一侧，所述第一电磁线圈的两端与对应的电容连接。

其中，第一限位块110，为管状限位块，通过至少两个螺丝固定在发射管104上，并与第一驱动线圈111之间不留间隙，用于限制第一驱动线圈111在发射管104上的位置。具体地，第一限位块110可防止第一驱动线圈111因与子弹106的之间的吸力产生运动，实现第一驱动线圈111高效率地将电磁能转化为驱动子弹106运动的动能。

第一驱动线圈111，用于在通电状态下通过电磁效应驱动子弹106，使子弹106在磁场作用下加速。具体地，由前述可知，当第一开关205将第一驱动线圈111与电容组件201之间的电路闭合时，电源203、升压模块204以及电容组件201之间的通路断开，此时电容组件201为放电状态，其中与第一电磁线圈两端连接的对应的电容将电能导入到第一驱动线圈111中，形成环状电流通路，通过电磁效应形成磁场，驱动子弹106，使子弹106在磁场的作用下加速。

参照图1和图3，作为一种可选的实施方式，所述第二电磁线圈包括第二限位块112、第二驱动线圈113、第二开关114和第二缓冲组件115，所述第二限位块112设置在所述第二驱动线圈113靠近所述第一电磁线圈的一侧，所述第二开关114设置在所述第二限位块112远离所述第二驱动线圈113的一侧，所述第二缓冲组件115设置在所述第二驱动线圈113靠近所述第二挡板103的一侧，所述第二电磁线圈的两端与对应的电容连接，所述第二开关114用于在所述子弹106通过时闭合，并将对应的电容中存储的电能导入所述第二驱动线圈113。

其中，第二限位块112，为管状限位块，通过至少两个螺丝固定在发射管104上，并与第二驱动线圈113之间不留间隙，用于限制第二驱动线圈113在发射管104上的位置。

第二驱动线圈113，用于在通电状态下通过电磁效应驱动子弹106，使子弹106在磁场作用下加速。

第二开关114，为光电开关，用于在检测到子弹106通过时闭合。具体地，由前述可知，当第一开关205将电磁线圈与电容组件201之间的电路闭合时，电源203、升压模块204以及电容组件201之间的通路断开，此时电容组件201为放电状态。第二开关114在检测到子弹106通过时闭合，使得第二驱动线圈113与对应的电容形成通路，对应的电容放电，将存储的电能导入到第二驱动线圈113中，形成环状电流通路，通过电磁效应形成磁场，驱动子弹106，使子弹106在磁场的作用下加速。

第二缓冲组件115，采用低刚度的弹簧与环状限位块的组合结构，弹簧与第二驱动线圈113之间不留间隙，环状限位块采用螺丝固定在发射管104上，且环状限位块的外径与第二驱动线圈的外径相同，第二缓冲组件115用于缓冲第二驱动线圈113的位移，实现第二驱动线圈113的自动复位。具体地，本发明实施例中采用的子弹106长度较长，在运动时会产生较大的动能，使得子弹106在通过第二驱动线圈113后与第二驱动线圈113之间的吸力较大，容易导致第二驱动线圈113发生向第二挡板103的方向位移。采用第二缓冲组件115，能够缓冲第二驱动线圈113的位移，并实现第二驱动线圈113的自动复位。

作为一种可选的实施方式，本发明一种基于电磁线圈的霍普金森压杆发射装置还包括测速组件，所述测速组件设置在所述电磁线圈组件靠近所述第二挡板103的一侧。

作为一种可选的实施方式，所述测速组件包括第三开关116、第四开关117和示波器206，所述第三开关116和所述第四开关117被所述发射管104贯穿，所述第四开关117设置在所述第三开关116和所述第二挡板103之间，所述第三开关116和所述第四开关117分别与所述示波器206连接。

其中，第三开关116，为光电开关，用于在检测到撞击杆107通过时闭合。

第四开关117，为光电开关，用于在检测到撞击杆107通过时闭合。

示波器206，用于显示撞击杆107通过第三开关116和第四开关117时的数据，从而得出撞击杆107的发射速度。

在本发明的一个实施例中，启动电源203，通过升压模块204对电源203的输出电压进行升压，并利用第一开关205将升压模块204与电容组件201之间的电路闭合，此时电容组件201处于充电状态。通过电压表202检测充电组件的输出电压，按照需求控制电容组件201的充电电压，实现不同的子弹106驱动效果与撞击杆107发射速度。当电压表202的显示的电压数值达到指定的数值后关闭电源停止充电，随后利用第一开关205闭合电容组件201和电磁线圈之间的电路，此时电容组件201处于放电状态，电容组件201中与第一电磁线圈连接的电容给第一驱动线圈111供电，在第一驱动线圈111上形成环形电流通路，通过电磁效应形成磁场，驱动子弹106，使子弹106在磁场的作用下加速。当子弹106通过第二开关114时，第二开关114闭合，使得第二驱动线圈113与对应的电容形成通路，对应的电容放电，将存储的电能导入到第二驱动线圈113中，形成环状电流通路，通过电磁效应形成磁场，驱动子弹106，使子弹106在磁场的作用下被进一步加速。电磁线圈组件中的第2～n级电磁线圈分别采用第二电磁线圈，实现了对子弹106的n级加速。随后，子弹106撞击撞击杆107，被撞击的撞击杆107向通孔105方向发射，而子弹106在缓冲绳109的牵引下往第一挡板102方向运动，并在缓冲绳109和缓冲块108的缓冲作用下复位。在撞击杆107通过第三开关116时，第三开关116闭合；在撞击杆107通过第四开关117时，第四开关117闭合，并配合示波器206记录撞击杆107的发射速度。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种基于电磁线圈的霍普金森压杆发射装置，其特征在于，包括:

支撑结构，用于固定发射管；

发射管，为一根直管，所述发射管的第一端口用于放入子弹，所述述发射管的第二端口用于射出撞击杆；

电磁线圈组件，包括多级的电磁线圈，所述电磁线圈缠绕于所述发射管的外壁上，所述电磁线圈在通电后，产生磁场作用于所述子弹；

所述子弹为软磁铁子弹，在磁场的作用下加速移动并撞击所述撞击杆。

2.根据权利要求1所述的一种基于电磁线圈的霍普金森压杆发射装置，其特征在于，所述支撑结构包括底板、第一挡板和第二挡板，所述第一挡板面朝所述第二挡板，所述第一挡板垂直设置在所述底板的一端，所述第二挡板垂直设置在所述底板的另一端，所述第二挡板上设有通孔，所述发射管的第二端口垂直设置在所述第二挡板上，所述发射管的第二端口与所述通孔对齐，所述第一挡板上设置有第一缓冲组件，所述第一缓冲组件与所述子弹相连。

3.根据权利要求2所述的一种基于电磁线圈的霍普金森压杆发射装置，其特征在于，所述第一缓冲组件包括缓冲块和缓冲绳，所述缓冲块设置在所述第一挡板上，所述缓冲绳设置在所述缓冲块上，所述缓冲绳与所述子弹连接，所述缓冲绳的长度等于所述缓冲块与所述撞击杆之间的距离。

4.根据权利要求1所述的一种基于电磁线圈的霍普金森压杆发射装置，其特征在于，还包括供电组件，所述供电组件包括充电组件和电容组件和电压表，所述充电组件用于给所述电容组件充电，所述电容组件用于给所述电磁线圈供电。

5.根据权利要求4所述的一种基于电磁线圈的霍普金森压杆发射装置，其特征在于，所述充电组件包括电源和升压模块，所述电源通过所述升压模块与所述电容组件连接，所述电容组件包括多个电容，所述电容的个数与所述电磁线圈的级数相等，所述电容组件与所述升压模块以及所述电磁线圈之间的连接通路上还设置有第一开关，所述第一开关用于控制所述电容组件的充电，以及用于控制所述电容组件向所述电磁线圈放电。

6.根据权利要求5所述的一种基于电磁线圈的霍普金森压杆发射装置，其特征在于，所述电磁线圈包括第一电磁线圈和第二电磁线圈，所述电磁线圈组件中的第一级电磁线圈采用所述第一电磁线圈，所述第一电磁线圈设置在所述发射管靠近所述第一挡板的一侧，所述第一电磁线圈沿所述发射管向所述第二挡板延伸的方向依次为所述电磁线圈组件中的第2～n级电磁线圈，所述电磁线圈组件中的第2～n级电磁线圈分别采用所述第二电磁线圈。

7.根据权利要求6所述的一种基于电磁线圈的霍普金森压杆发射装置，其特征在于，所述第一电磁线圈包括第一限位块和第一驱动线圈，所述第一限位块设置在所述第一驱动线圈靠近所述第一挡板的一侧，所述第一电磁线圈的两端与对应的电容连接。

8.根据权利要求6所述的一种基于电磁线圈的霍普金森压杆发射装置，其特征在于，所述第二电磁线圈包括第二限位块、第二驱动线圈、第二开关和第二缓冲组件，所述第二限位块设置在所述第二驱动线圈靠近所述第一电磁线圈的一侧，所述第二开关设置在所述第二限位块远离所述第二驱动线圈的一侧，所述第二缓冲组件设置在所述第二驱动线圈靠近所述第二挡板的一侧，所述第二电磁线圈的两端与对应的电容连接，所述第二开关用于在所述子弹通过时闭合，并将对应的电容中存储的电能导入所述第二驱动线圈。

9.根据权利要求1所述的一种基于电磁线圈的霍普金森压杆发射装置，其特征在于，还包括测速组件，所述测速组件设置在所述电磁线圈组件靠近所述第二挡板的一侧。

10.根据权利要求9所述的一种基于电磁线圈的霍普金森压杆发射装置，其特征在于，所述测速组件包括第三开关、第四开关和示波器，所述第三开关和所述第四开关被所述发射管贯穿，所述第四开关设置在所述第三开关和所述第二挡板之间，所述第三开关和所述第四开关分别与所述示波器连接。

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