CN114910355A - 一种能够直接产生拉伸应力波的装置 - Google Patents

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Abstract

一种能够直接产生拉伸应力波的装置，第一电磁加载枪中的放电线圈与第二电磁加载枪中的放电线圈并联。两个电磁加载枪中放电线圈的正极接线柱连接，两个负极接线柱连接。本发明的电容器在放电电路开关闭合后放电，放电电流为半正弦脉冲电流，两个放电线圈中电流方向相同产生半正弦脉冲引力，以拉伸应力波的形式在入射杆中传播，利用该拉伸应力波对试样进行动态拉伸加载试验，首次采用对两个主动线圈同时放电，利用两个主动线圈之间产生的电磁力进行应力波加载试验：当两个主动线圈中放电电流方向相同时，产生引力；当两个主动线圈中放电电流方向相反时，产生斥力，仅通过改变电流方向实现拉伸加载与压缩加载的切换，就够简单操作方便。

Description

一种能够直接产生拉伸应力波的装置
技术领域
本发明涉及材料的动态力学性能测试技术领域，具体说是一种基于电磁力的应力波发生装置，所述装置可以作为霍普金森拉杆和压杆的应力波输入装置。
背景技术
在各种类型材料或结构的动态加载实验中，往往要用到霍普金森杆实验技术。这一方法的基本原理是：将短试样置于两根拉杆或压杆之间，通过某种方式对入射杆输入拉伸应力波或者压缩应力波，对试样进行加载。同时利用粘在拉杆或压杆上并距杆端部一定距离的应变片来记录脉冲信号。如果拉杆或压杆保持弹性状态，那么杆中的脉冲将以弹性波速无失真地传播。这样粘贴在拉杆或压杆上的应变片就能够测量到作用于杆端的载荷随时间的变化历程。通过对弹性杆中应力波的测量就可以推导获得试样材料的动态应力应变响应。
传统霍普金森杆实验技术中应力波是由压缩气体驱动子弹撞击入射杆产生。对于霍普金森拉杆，目前所采用的普遍加载技术是：将拉杆的撞击杆做成空心圆管，并在入射杆一端加工一个凸台，通过气枪将撞击管高速发射，当它运动到达入射杆端时，撞击管与入射杆端的凸台碰撞产生一列压缩波向入射杆凸台端传播，并在自由端反射成拉伸波，该拉伸波通过入射杆对试样进行加载。这种加载方式即称为“反射式拉伸”。
“反射式拉伸”的加载方式存在诸多缺点：(1)由于撞击杆是沿入射杆一端发射到另一端，所以入射杆上的凸台到气枪的那一段，处于无支撑的自由状态，这使得入射杆容易弯曲；(2)这种设计限制了撞击筒的长度在500mm左右，所以产生的入射波长度为0.2ms左右，但是对于延展性材料和低应变率实验，需要更长的入射波；(3)撞击筒的更换很不方便(4)由于撞击筒的筒壁厚度限制，需要很高的气压来加速撞击筒；(5)遭受撞击的凸台常常会发生塑性变形，导致设备不能正常工作；(6)凸台的存在使得入射拉伸波的波形受到影响，不能产生规整的梯形波。也有很多学者提出了不同的设计思路：使用空心的入射杆，撞击杆从入射杆里面穿过，但这种方式使实验操作更加复杂。
在公开号为CN103994922A的发明创造中提出了一种电磁霍普金森杆，其应力波是通过电磁加载枪中放电线圈与次级线圈之间通过电磁感应定律产生的，采用电磁驱动技术由次级线圈对入射杆直接进行应力波的加载。电磁霍普金森杆中拉伸波的加载方式与传统分离式霍普金森杆相同，是通过在拉杆一端增加一个反射凸台，电磁加载枪冲击压缩凸台，产生压缩波，压缩波在凸台自由端反射形成拉伸波，该拉伸波沿入射杆向试样传播，最终形成动态拉伸加载。
可以看出，电磁霍普金森杆实验技术与传统霍普金森杆相比，虽然应力波产生方式有着本质的区别，但是拉伸波都是由压缩波在凸台自由端反射形成，因而同样不能避免“反射式拉伸”存在的问题。
在申请号为201910330386.5的发明创造中提出的装置节省了庞大的占用面积，结构简单方便可靠。在申请号为201410171963.8的发明创造中提出的装置易于控制入射波幅值，操作简单、应变范围大、能够实现一些低应变率实验的不足。在申请号为201510049642.5的发明创造中提出的装置通过减小放电电阻，保证电磁力应力波发生器的欠阻尼工作状态，提高了入射波最大幅值和上升沿斜率。在申请号为201510047455.3的发明创造中提出的装置，实现等效加载设备的统一，保证了双轴霍普金森压杆和拉杆实验的入射波等效加载。在申请号为202110724132.9的发明创造中提出的装置实现了中应变率加载。但以上这些发明中产生拉伸波的方式依然为“反射式拉伸”，而且在进行压缩加载和拉伸加载切换时，需要拆除部分设备，调整位置后再重新进行安装，操作复杂。
上述各电磁加载装置产生应力波的基本原理为：电容器组对主动线圈瞬间放电，在主动线圈中产生强大的脉冲电流，同时形成高强度的脉冲磁场。次级线圈与主动线圈相互贴紧，发生电磁感应现象而产生极强的涡流，次级线圈中的涡流与主动线圈产生的磁场相互作用，次级线圈靠近主动线圈的端面上的质点会受到洛伦兹力作用，在次级线圈中形成磁场力。磁场力在次级线圈内表现为压缩应力脉冲，应力脉冲传入到与次级线圈紧密贴合的入射杆后，以弹性波形式在入射杆中传播，对试样进行加载。
这种通过对主动线圈脉冲放电来对次级线圈产生电磁力的应力波加载方法只能产生压缩应力波。在材料的动态力学试验领域若要进行动态拉伸实验，只能利用压缩波在杆端凸台反射后生成拉伸波对试样进行加载，无法避免“反射式拉伸”带来的诸多问题。
发明内容
为解决现有技术难以直接产生拉伸应力波、压缩加载和拉伸加载切换操作复杂的问题，本发明提出了一种能够直接产生拉伸应力波的装置。
本发明包括放电电路、入射杆、第一电磁加载枪和第二电磁加载枪；所述第一电磁加载枪中的放电线圈中的与所述第二电磁加载枪中的放电线圈并联连接。所述两个电磁加载枪中放电线圈的两个正极接线柱通过导线接在一起，两个负极接线柱通过导线接在一起。所述第一电磁加载枪与入射杆的螺纹端螺纹连接。
所述第一电磁加载枪和第二电磁加载枪的结构相同，包括绝缘层、电磁加载枪壳体和放电线圈。所述放电线圈采用螺旋的方式盘绕在加载枪壳体内，并在该放电线圈的一端有正极导线柱，另一端有负极导线柱。绝缘层装填在所述盘绕的线圈之间；所述加载枪壳体与放电线圈同轴。
在所述加载枪壳体底板中心有用于连接入射杆的螺纹孔。
装填在盘绕的各线圈之间的绝缘层的厚度为2mm。加载枪壳体内表面与所述放电线圈外圆表面之间的绝缘层的厚度为1mm。
所述放电电路包括开关、电容器、二极管和电阻。其中，电容器的正极接线柱与二极管的电流流入端通过导线连接，该二极管的电流流出端与电阻的任意一端通过导线连接；所述电阻另一端的接线柱与所述电磁加载枪中放电线圈的正极接线柱通过导线连接；放电线圈的负极接线柱与开关的任意一个接线柱通过导线连接，该开关的另一接线柱与电容器的负极接线柱通过导线连接。所述电容充电器的正极输出线与电容器的正极接线柱相接，负极输出线与电容器的负极接线柱相接。
所述入射杆的材质为TC4钛合金。在该射杆悬臂端的外圆表面有与电磁加载枪连接的螺纹。
本发明中，所述电容充电器采用现有电磁霍普金森杆设备的供电部分，该电容充电器的正极输出线与电容器的正极线相接，负极输出线与电容器的负极线相接，电容器的正/负极线再与电磁加载枪的正/负极线相接。电磁加载枪中的绝缘层与放电线圈同轴；该电磁加载枪与入射杆同轴，第一电磁加载枪与入射杆通过螺纹连接，第二电磁加载枪通过底座固定在实验台上。
本发明在电容器为2mf，充电电压为1000v的条件下得到的拉伸应力波。其中横坐标代表时间，单位为ms，纵坐标代表入射杆距离第一电磁加载枪1m位置上采集到的应力波信号，单位为N/m2，如图5所示。
2mF的电容器在放电电路开关闭合后放电，放电电流为半正弦脉冲电流，两个放电线圈中电流方向相同产生半正弦脉冲引力，以拉伸应力波的形式在入射杆中传播，利用该拉伸应力波可以对试样进行动态拉伸加载试验。
在专利CN103994922A提出的电磁应力波发生器中，电磁霍普金森杆中应力波是通过电磁加载枪中放电线圈与次级线圈之间通过电磁感应定律产生的，采用电磁驱动技术由次级线圈对入射杆直接进行应力波的加载。电磁霍普金森杆中拉伸波的加载方式与传统分离式霍普金森杆相同，是通过在拉杆一端增加一个反射凸台，电磁加载枪冲击压缩凸台，产生压缩波，压缩波在凸台自由端反射形成拉伸波，该拉伸波沿入射杆向试样传播，最终形成动态拉伸加载。
可以看出，CN103994922A中提出的电磁霍普金森杆实验技术与传统霍普金森杆相比，虽然应力波产生方式有着本质的区别，但是拉伸波都是由压缩波在凸台自由端反射形成，不能避免“反射式拉伸”存在的问题：1、由于撞击杆是沿入射杆一端发射到另一端，所以入射杆上的凸台到气枪的那一段，处于无支撑的自由状态，这使得入射杆容易弯曲；2、传统的霍普金森拉杆设计限制了撞击筒的长度为500mm左右，所产生的入射波长度为0.2ms左右，但是对于延展性材料和低应变率实验，需要更长的入射波；3、撞击筒的更换很不方便；4、由于撞击筒的筒壁厚度限制，需要很高的气压来加速撞击筒；5、遭受撞击的凸台常常会发生塑性变形，导致设备不能正常工作；6、凸台的存在使得入射拉伸波的波形受到影响，不能产生规整的梯形波。
此外，该应力波发生器在进行压缩/拉伸应力波加载切换时，需要拆卸加载枪并调转方向，操作繁琐复杂。
本发明首次采用对两个主动线圈同时放电，利用两个主动线圈之间产生的电磁力进行应力波加载试验，当两个主动线圈中放电电流方向相同时，产生引力；当两个主动线圈中放电电流方向相反时，产生斥力。本发明不仅可以直接产生拉伸应力波，避免了“反射式拉伸”存在的诸多问题，而且使霍普金森拉杆和压杆的实验装置实现了一体化，仅仅通过改变电流方向就可以轻松实现拉伸加载和压缩加载的切换，操作简单，降低了设备的复杂性，节省了设备的占地空间。
附图说明
图1是电源和充/放电电路示意图。
图2是电磁加载枪的工程视图；其中，图2a是主视图，图2b是侧视图。
图3是电磁加载枪的结构示意图。
图4是本发明的整体示意图。
图5是在入射杆距离第一电磁加载枪1m位置上采集到的应力波信号。
图中：1.电源；2.电容充电器；3.电容器；4.二极管；5.电阻；6.放电线圈；7.开关；8.第一电磁加载枪；9.绝缘层；10.第二电磁加载枪；11.入射杆；12.放电电路；13.放电线圈接线柱；14.电磁加载枪壳体。
具体实施方式
本实施例是一种能够直接产生拉伸应力波的装置，包括放电电路12、入射杆11、第一电磁加载枪8和第二电磁加载枪10。
位于所述第一电磁加载枪端面中心处的螺栓孔与入射杆的螺纹端连接在一起。
所述第一电磁加载枪和第二电磁加载枪的结构相同，包括绝缘层、电磁加载枪壳体和放电线圈。
所述第一电磁加载枪中的放电线圈的与所述第二电磁加载枪中的放电线圈并联连接。所述两个电磁加载枪中放电线圈的两个正极接线柱通过导线接在一起，两个负极接线柱通过导线接在一起。
各所述电磁加载枪分别由加载枪壳体14、放电线圈6和绝缘层9组成。该电磁加载枪中，放电线圈采用宽8mm、厚2mm的铜带，采用螺旋的方式盘绕在加载枪壳体内，并在该放电线圈的一端有正极导线柱，另一端有负极导线柱。绝缘层9装填在所述盘绕的线圈之间；该绝缘层的厚度为1mm。所述电磁加载枪壳体采用绝缘的尼龙制造，该加载枪壳体内表面与所述放电线圈外圆表面之装填有厚度为2mm绝缘层。所述加载枪壳体14与放电线圈同轴。在该加载枪壳体底板中心有用于连接入射杆的螺纹孔。
所述放电电路包括开关、电容器、二极管和电阻。依据图1将电路中各元器件顺序依次连接。将电容器3的正极接线柱与二极管4的电流流入端通过导线连接，该二极管的电流流出端与电阻5的任意一端通过导线连接；所述电阻另一端的接线柱与所述电磁加载枪中放电线圈的正极接线柱通过导线连接；放电线圈的负极接线柱与开关的任意一个接线柱通过导线连接，该开关的另一接线柱与电容器3的负极接线柱通过导线连接。
所述电容充电器2采用现有电磁铆接设备的供电部分。将该电容充电器2的正极输出线与电容器3的正极接线柱相接，负极输出线与电容器的负极接线柱相接。
电源采用220V的三相交流电。
本实施例中，两个电磁加载枪放电线圈的两个正极接线柱接在一起，两个负极接线柱接在一起，电路中各元器件通过导线按照图1中的顺序依次连接：电容器的正极接线柱与二极管的电流流入端通过导线连接，二极管的电流流出端与电阻的任意一端通过导线连接，电阻的另一端接线柱与电磁加载枪放电线圈的正极接线柱通过导线连接，电磁加载枪放电线圈的负极接线柱与开关的任意一端接线柱通过导线连接，开关的另一接线柱与电容器的负极接线柱通过导线连接。
本实施例中，所述电容充电器采用公布在专利号为201410173843.1的专利中的电磁霍普金森杆设备的供电部分。在本实施例中，将2个额定电压为1000伏额定电容为2000微法的电解电容并联组成电容器组，将所述电容器组与电子开关安装在电容器箱中，通过电子开关控制电容器组的放电。控制箱主要包含PLC及其控制系统。控制系统主要由模拟控制部分、数字控制部分以及数字显示部分组成。其中模拟控制部分采用SIEMENS公司的TCA785芯片。数字控制部分由西门子的S7-200第一电磁加载枪系列CPU224第一电磁加载枪及西门子模拟输入输出扩展模块EM235组成。充电电压控制主要是通过电压环和电流环的PID第一电磁加载枪控制方式实现。数字显示部分主要是通过S7-200系列文本显示器TD200组成。
所述入射杆为回转体，半径为7mm，材质为TC4钛合金。该射杆悬臂端的外圆表面有与电磁加载枪连接的螺纹。
该装置进行拉伸应力波加载过程如下：
首先按照电路图连接电路，然后排布器材：入射杆与电磁加载枪壳体同轴，第一电磁加载枪与入射杆通过螺纹连接，第二电磁加载枪通过底座固定在实验台上。
用220V的三相交流电源通过电容充电器对电容器充电，充电电压可以通过电容充电器设置，本实施例设置充电电压为1000v。充电完成后接通放电电路开关，电容器对两个并联的放电线圈放电，第一电磁加载枪和第二电磁加载枪的两个放电线圈电流方向相同，感生出的电磁场相同方向极性相同，两线圈相互吸引产生吸引力，第一电磁加载枪通过螺纹连接部分将力传到入射杆上，在入射杆产生拉伸应力波，该拉伸应力波在入射杆上传播，能够对试样进行动态拉伸加载实验。
该装置进行压缩应力波加载只需将与其中一个放电线圈连接的正负接线对调，这样放电电路放电时，两放电线圈中的电流方向相反，产生的电磁场相同方向极性相反，两线圈相互排斥，通过螺纹连接在入射杆上的部分对入射杆产生压缩应力，该压缩应力以应力波的形式在入射杆上传播，能够对试样进行动态压缩实验。

Claims (6)

1.一种能够直接产生拉伸应力波的装置，其特征在于，包括放电电路、入射杆、第一电磁加载枪和第二电磁加载枪；所述第一电磁加载枪中的放电线圈中的与所述第二电磁加载枪中的放电线圈并联连接；所述两个电磁加载枪中放电线圈的两个正极接线柱通过导线接在一起，两个负极接线柱通过导线接在一起；所述第一电磁加载枪与入射杆的螺纹端螺纹连接。
2.如权利要求1能够直接产生拉伸应力波的装置，其特征在于，所述第一电磁加载枪和第二电磁加载枪的结构相同，包括绝缘层、电磁加载枪壳体和放电线圈；所述放电线圈采用螺旋的方式盘绕在加载枪壳体内，并在该放电线圈的一端有正极导线柱，另一端有负极导线柱；绝缘层装填在所述盘绕的线圈之间；所述加载枪壳体与放电线圈同轴。
3.如权利要求2所述能够直接产生拉伸应力波的装置，其特征在于，在所述加载枪壳体底板中心有用于连接入射杆的螺纹孔。
4.如权利要求2所述能够直接产生拉伸应力波的装置，其特征在于，装填在盘绕的各线圈之间的绝缘层的厚度为2mm；加载枪壳体内表面与所述放电线圈外圆表面之间的绝缘层的厚度为1mm。
5.如权利要求1所述能够直接产生拉伸应力波的装置，其特征在于，所述放电电路包括开关、电容器、二极管和电阻；其中，电容器的正极接线柱与二极管的电流流入端通过导线连接，该二极管的电流流出端与电阻的任意一端通过导线连接；所述电阻另一端的接线柱与所述电磁加载枪中放电线圈的正极接线柱通过导线连接；放电线圈的负极接线柱与开关的任意一个接线柱通过导线连接，该开关的另一接线柱与电容器的负极接线柱通过导线连接；所述电容充电器的正极输出线与电容器的正极接线柱相接，负极输出线与电容器的负极接线柱相接。
6.如权利要求1所述能够直接产生拉伸应力波的装置，其特征在于，所述入射杆的材质为TC4钛合金；在该射杆悬臂端的外圆表面有与电磁加载枪连接的螺纹。
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