CN114295475B - 霍普金森拉杆的电磁加载系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种霍普金森拉杆的电磁加载系统及其方法，该电磁加载系统包括：包括：入射杆、透射杆、子弹、加速器、加速轨道、减速装置、电磁铁；入射杆包括近端和远端，入射杆的近端和透射杆之间加持试样，入射杆的远端设置有法兰，并且入射杆上套设有子弹；加速轨道的近端与减速装置连接，加速轨道的远端与电磁铁相对设置；加速器设置在加速轨道上，并且加速器与子弹连接；其中，电磁铁加电后吸引加速器向其运动，子弹在加速器的带动下朝向电磁铁的方向运动，加速器与减速装置接触后逐渐降速并停止，子弹继续运动并撞击入射杆的法兰，从而实现对试样的动态加载。本申请能够有效提高加载效率。

Description

霍普金森拉杆的电磁加载系统及其方法
技术领域
本发明涉及霍普金森拉杆的电磁加载技术，尤其涉及一种霍普金森拉杆的电磁加载系统及其方法。
背景技术
霍普金森杆装置由霍普金森父子发明，经常被用来测试材料在高应变率下的力学性能。经过100多年的发展，已由最初的霍普金森压杆衍生出很多类型，如霍普金森拉杆，扭杆，压剪杆等。目前霍普金森杆中的加载系统主要是借助气缸中高压气体的突然释放实现对子弹的加速，这种加载方式虽然很容易实现，但是高压气体产生的载荷不稳定，这就导致加载中入射波的幅值不容易控制；另一方面实验过程中需要消耗大量的氮气。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种霍普金森拉杆的电磁加载系统及其方法，以解决现有加载技术中载荷不稳定、不环保，同时霍普金森杆加载效率较低等问题。
根据本发明实施例提出一种霍普金森拉杆的电磁加载系统，其包括：包括：入射杆、透射杆、子弹、加速器、加速轨道、减速装置、电磁铁；所述入射杆包括近端和远端，所述入射杆的近端和所述透射杆之间加持试样，所述入射杆的远端设置有法兰，并且所述入射杆上套设有所述子弹；所述加速轨道的近端与所述减速装置连接，所述加速轨道的远端与所述电磁铁相对设置；所述加速器设置在所述加速轨道上，并且所述加速器与所述子弹连接；其中，所述电磁铁加电后吸引所述加速器向其运动，所述子弹在所述加速器的带动下朝向所述电磁铁的方向运动，所述加速器与所述减速装置接触后逐渐降速并停止，所述子弹继续运动并撞击所述入射杆的法兰，从而实现对所述试样的动态加载。
其中，所述加速器进一步包括：相互连接的连接部和铁块，所述连接部和所述铁块限定一空间区域，所述减速装置以及所述入射杆至少包括法兰的部分设置在所述空间区域内。
其中，所述铁块的中间位置具有通孔，所述加速轨道穿过所述通孔与所述减速装置连接。
其中，所述子弹包括径向设置的突出部，所述连接部与所述突出部接触连接，所述铁块在所述加速轨道上朝向所述电磁铁的方向运动时，通过所述连接部与所述突出部的连接带动所述子弹朝向所述电磁铁的方向运动。
其中，所述子弹的外径小于或等于所述法兰的直径。
根据本发明实施例还提出一种霍普金森拉杆的电磁加载方法，其包括：在入射杆的近端和透射杆之间加持试样，所述入射杆的远端具有法兰，并在所述入射杆上套设子弹；将加速轨道的近端与减速装置连接，将所述加速轨道的远端与电磁铁相对设置；在所述加速轨道上设置加速器，并且使所述加速器与所述子弹连接；对所述电磁铁加电使得所述电磁铁吸引所述加速器向其运动，所述子弹在所述加速器的带动下朝向所述电磁铁的方向运动，当所述加速器与所述减速装置接触后逐渐降速并停止，所述子弹继续运动并撞击所述入射杆的法兰，从而实现对所述试样的动态加载。
其中，所述加速器进一步包括：相互连接的连接部和铁块，所述连接部和所述铁块限定一空间区域，所述减速装置以及所述入射杆至少包括法兰的部分设置在所述空间区域内。
其中，所述铁块的中间位置具有通孔；所述加速轨道的近端与所述减速装置连接，包括：所述加速轨道穿过所述通孔与所述减速装置连接。
其中，所述子弹包括径向设置的突出部，所述连接部与所述突出部接触连接；所述子弹在所述加速器的带动下朝向所述电磁铁的方向运动，包括：所述铁块在所述加速轨道上朝向所述电磁铁的方向运动时，通过所述连接部与所述突出部的连接带动所述子弹朝向所述电磁铁的方向运动。
其中，所述子弹的外径小于或等于所述法兰的直径。
根据本发明的技术方案，电磁铁加电后吸引加速器带动子弹朝向电磁铁的方向运动，加速器与减速装置接触后逐渐降速并停止，子弹继续运动并撞击入射杆的法兰，从而实现对所述试样的动态加载，本申请通过更加简单的加载方式，使得载荷更加稳定，更加环保，并有效提高了加载效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的霍普金森拉杆的电磁加载系统的示意图；
图2是根据本发明实施例的子弹的示意图；
图3是根据本发明实施例的加速轨道与减速装置的连接状态的示意图；
图4是根据本发明实施例的加速器与子弹的连接状态的示意图；
图5是根据本发明实施例电磁加载系统的局部的示意图；
图6是根据本发明实施例的霍普金森拉杆的电磁加载方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
根据本发明实施例提供了一种霍普金森拉杆的电磁加载系统，能够实现对试样的高应变率加载。参考图1，所述电磁加载主要包括：透射杆1、入射杆2、试样3、子弹4、减速装置5、加速器(连接部6和铁块7)、加速轨道8、电磁铁9，下面详细描述各部分的结构及其连接关系。
其中，透射杆1和入射杆2相对设置，二者之间加持有试样3，所述试样3为拉伸试样，将试样3固定在入射杆2和透射杆1之间，试样3与入射杆2和透射杆1应该紧密连接，以确保数据质量。具体地，所述入射杆2包括近端和远端，入射杆2的近端和透射杆1相对设置，入射杆2的远端设置有法兰21。在实际应用中，入射杆2和透射杆1均为细长的圆杆，制作材料可为钛合金。法兰21可与入射杆2一体成型，或者法兰21带有外螺纹，与远端具有内螺纹的入射杆2进行螺纹连接。
结合参考图1和图2，在入射杆2上套设有子弹4，子弹4大体呈管状，其内径稍大于入射杆2的直径，使得子弹4能够在入射杆2上轴向运动。并且，子弹4的外径小于或等于法兰21的直径，也就是说，当子弹4由入射杆2的近端至远端运动时能够撞击法兰21，从而使得入射杆2能够对试样3进行拉伸加载。子弹4的制作材料可为钛合金，在子弹4的径向上设置有突出部41，突出部41可呈环状设置在靠近子弹4的远端的位置，其中突出部41可与子弹4一体成型。
结合参考图1和图3，所述加速轨道8为细长的圆杆，制作材料可为钛合金。加速轨道8包括近端和远端，在其近端，加速轨道8与减速装置5连接。具体地，减速装置5主要包括两根弹簧，可通过金属条将弹簧固定在加速轨道8的近端处。在加速轨道8的远端，加速轨道8与电磁铁9相对设置，即加速轨道8与电磁铁9之间间隔一预定距离，该预定距离能够确保电磁铁9通过磁性吸引到在加速轨道8上的加速器(铁块)。
根据本申请实施例，加速器与子弹4连接，并且加速器能够在加速轨道8上运动。当加速器在加速轨道8上运动时，能够带动子弹4在入射杆2上同向运动。加载时，加速器在加速轨道8上朝向电磁铁9运动，运行一段距离后加速器会与减速装置5接触，在弹簧的约束下加速器逐渐降速并停止，同时子弹4会继续运动并撞击入射杆2的法兰21，从而实现对试样3的动态加载。
具体地，加速器包括：相互连接的连接部6和铁块7。铁块7为中间具有通孔的铁饼，通孔的直径稍大于加速轨道8的直径，以确保铁块7能够套接在加速轨道8上并进行滑动，而加速轨道8穿过铁块7的通孔与减速装置5连接。结合参考图1和图4，连接部6包括两根平行的连杆61和62、以及带动杆63和64，其中61和63连接，62和64连接，连杆61和62分别与铁块7固定连接。带动杆63和64之间的距离稍大于子弹4的直径，使得子弹4能够穿过。带动杆63和64与子弹4的突出部41接触连接，当铁块7向右(朝向电磁铁的方向)运动时，通过带动杆与突出部的接触能够带动子弹4也向右滑动。需要说明，带动杆63和64的长度大于突出部41的长度，而带动杆63和64超出突出部41的长度的部分用于与减速装置5接触。
继续参考图5，在本申请的实施例中，连接部6和铁块7共同限定一空间区域65，减速装置5、入射杆2至少包括法兰21的部分、以及子弹4至少包括突出部41的部分设置在空间区域65内。具体地，减速装置5的两根弹簧在空间区域65内尽可能靠近或贴近连杆61和62，并且由于带动杆63和64的长度大于突出部41的长度，使得当带动杆63和64与减速装置5接触时突出部41不与减速装置5接触。并且，带动杆63(或64)到减速装置5的端部51之间的距离小于带动杆63(或64)到法兰21的距离，使得带动杆63和64与减速装置5接触后，子弹4能够继续运动并撞击法兰21。
下面描述具体实验过程，包括以下步骤：
步骤1，准备拉伸试样，将试样固定在入射杆和透射杆之间；其中试样与两个杆子的应该紧密连接，以确保数据质量；
步骤2，将入射杆、透射杆、子弹和加速器置于初始位置；
步骤3，在入射杆的法兰撞击面贴上整形片，一方面可以起到滤波作用，另一方面可以根据实验需求对入射信号进行整形；
步骤4，打开数据采集系统，准备采集冲击过程中的数据；
步骤5，电磁铁通电，吸引加速器在加速轨道向右运动，其中连接部带动子弹在入射杆上向右运动，当加速器的连接部与减速弹簧接触后，子弹继续向右运动，直到子弹撞击入射杆上的法兰，完成加载，保存数据采集记录的波形数据；
步骤6，电磁铁断电，取下加载完成后的试样；将加速器、入射杆、透射杆和子弹恢复到初始位置，准备下一次实验。
对于实验中的数据处理，有以下几点需要说明：
第一，基于物体做匀加速直线运动基本理论，结合以下三个公式，当电磁铁产生电磁力F、加速器质量m和加速轨道长度S固定时，即可得到加速器最终加载速度范围；第二，根据实验测试需求，试打几次，确定电磁铁输出功率、加速轨道距离S等变量；第三，根据第二步中确定的参数进行实验，实验中用数据采集系统记录波形，根据霍普金森杆实验理论基础处理采集到的数据。
F＝m·a (1)
vt＝at (3)
参考图6，根据本申请实施的霍普金森拉杆的电磁加载方法，包括：
步骤S602，在入射杆的近端和透射杆之间加持试样，所述入射杆的远端具有法兰，并在所述入射杆上套设子弹；
步骤S604，将加速轨道的近端与减速装置连接，将所述加速轨道的远端与电磁铁相对设置；
步骤S606，在所述加速轨道上设置加速器，并且使所述加速器与所述子弹连接。
具体地，所述加速器进一步包括：相互连接的连接部和铁块，连接部和铁块限定一空间区域，减速装置、入射杆至少包括法兰的部分、以及子弹至少包括突出部的部分设置在空间区域内。在铁块的中间位置具有通孔，加速轨道穿过铁块的通孔与减速装置连接。所述子弹包括径向设置的突出部，连接部与子弹的突出部接触连接，子弹至少包括突出部的部分也设置在空间区域内。
步骤S608，对所述电磁铁加电使得所述电磁铁吸引所述加速器向其运动，所述子弹在所述加速器的带动下朝向所述电磁铁的方向运动，当所述加速器与所述减速装置接触后逐渐降速并停止，所述子弹继续运动并撞击所述入射杆的法兰，从而实现对所述试样的动态加载。
其中，铁块在加速轨道上朝向电磁铁的方向运动时，通过连接部与突出部的连接带动子弹朝向所述电磁铁的方向运动。
本发明的方法的操作步骤与系统的结构特征对应，可以相互参照，不再一一赘述。
本领域技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种霍普金森拉杆的电磁加载系统，其特征在于，包括：入射杆、透射杆、子弹、加速器、加速轨道、减速装置、电磁铁；
所述入射杆包括近端和远端，所述入射杆的近端和所述透射杆之间加持试样，所述入射杆的远端设置有法兰，并且所述入射杆上套设有所述子弹；
所述加速轨道的近端与所述减速装置连接，所述加速轨道的远端与所述电磁铁相对设置；
所述加速器设置在所述加速轨道上，并且所述加速器与所述子弹连接；
其中，所述电磁铁加电后吸引所述加速器向其运动，所述子弹在所述加速器的带动下朝向所述电磁铁的方向运动，所述加速器与所述减速装置接触后逐渐降速并停止，所述子弹继续运动并撞击所述入射杆的法兰，从而实现对所述试样的动态加载；
所述加速器进一步包括：相互连接的连接部和铁块，所述连接部和所述铁块限定一空间区域，所述减速装置以及所述入射杆至少包括法兰的部分设置在所述空间区域内；
所述铁块的中间位置具有通孔，所述加速轨道穿过所述通孔与所述减速装置连接；
所述子弹包括径向设置的突出部，所述连接部与所述突出部接触连接，所述铁块在所述加速轨道上朝向所述电磁铁的方向运动时，通过所述连接部与所述突出部的连接带动所述子弹朝向所述电磁铁的方向运动。
2.根据权利要求1所述的电磁加载系统，其特征在于，所述子弹的外径小于或等于所述法兰的直径。
3.一种霍普金森拉杆的电磁加载方法，其特征在于，包括：
在入射杆的近端和透射杆之间加持试样，所述入射杆的远端具有法兰，并在所述入射杆上套设子弹；
将加速轨道的近端与减速装置连接，将所述加速轨道的远端与电磁铁相对设置；
在所述加速轨道上设置加速器，并且使所述加速器与所述子弹连接；
对所述电磁铁加电使得所述电磁铁吸引所述加速器向其运动，所述子弹在所述加速器的带动下朝向所述电磁铁的方向运动，当所述加速器与所述减速装置接触后逐渐降速并停止，所述子弹继续运动并撞击所述入射杆的法兰，从而实现对所述试样的动态加载；
所述加速器进一步包括：相互连接的连接部和铁块，所述连接部和所述铁块限定一空间区域，所述减速装置以及所述入射杆至少包括法兰的部分设置在所述空间区域内；
所述铁块的中间位置具有通孔；所述加速轨道的近端与所述减速装置连接，包括：所述加速轨道穿过所述通孔与所述减速装置连接；
所述子弹包括径向设置的突出部，所述连接部与所述突出部接触连接；
所述子弹在所述加速器的带动下朝向所述电磁铁的方向运动，包括：所述铁块在所述加速轨道上朝向所述电磁铁的方向运动时，通过所述连接部与所述突出部的连接带动所述子弹朝向所述电磁铁的方向运动。
4.根据权利要求3所述的电磁加载方法，其特征在于，所述子弹的外径小于或等于所述法兰的直径。
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