CN115184187A - 一种可实现不同频率冲击波的霍普金森试验装置 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种可实现不同频率冲击波的霍普金森试验装置，包括支撑基座、入射杆、透射杆、实验样品，支撑基座上设置有滑轨，滑轨的两端分别设置有移动框架，两个移动框架上分别设置有发射系统和吸能系统；入射杆和透射杆的下方均设置有多个支撑架，以通过多个支撑架分别对入射杆和透射杆进行支撑，入射杆和透射杆分别由多个入射短杆和多个透射短杆连接而成，实验样品设置在入射杆和透射杆之间；支撑架包括设置在滑轨上的移动框架和设置在移动框架上的弧形框架，入射杆和透射杆放置在弧形框架上，在不改变试验测试系统整体框架的基础上，通过改变入射杆和/或透射杆的长度，可方便激发出不同频率冲击波，保证试验测试精度。

Description

一种可实现不同频率冲击波的霍普金森试验装置

技术领域

本申请涉及样品动态破裂实验技术领域，尤其涉及一种可实现不同频率冲击波的霍普金森试验装置。

背景技术

深部地质工程活动中，局部围岩体在各种动力载荷作用下，发生破裂、错动、粘滑，伴随释放出高应变率应力波，进而诱发严重的动力灾害。因此，很有必要开展围岩体动态断裂力学行为研究。目前广泛采用的霍普金森冲击压杆设备可以产生与深部围岩体破裂过程中释放的能量及频率特征相似的应力波，设计上符合动力学理论，激发的入射波波形规则，且在整个试验过程中符合一维波传播的假定，在样品受到冲击波作用后，样品两端的入射杆和透射杆随即分离，避免余波因循环震荡等惯性效应对试样产生二次破坏，保证了试验结果的精确性。现有的绝大多数霍普金森压杆装置的入射杆、透射杆及吸能杆的长度固定，产生的应力波频率范围较小，应变率的范围也有局限，仅适用于研究高应变率或激发高频(3MHz-30MHz)、极高频(30MHz-300MHz)应力波。有极少数通过研制超长霍普金森试验装置，增加应力波的传播距离，从而降低波的频率，激发中低频应力波(30KHz-1000KHz)，以便实现低应变率冲击实验。目前尚缺乏一套可以实现由低频向高频应力波大跨度的霍普金森冲击装置，同时兼容常规霍普金森试验装置和超长霍普金森试验装置。然而，在实际的深部工程活动中，不同工况对应的冲击波能量范围不同，应变率也有巨大差异，且激发应力波的震源所在位置频率极高，随着向远距离方向传播，频率逐渐降低，携带的能量也逐渐减小，当到达矿井开挖面或顶板处时，应力波频率与震源处的相差多个数量级。因此，为研究不同频率应力波作用下深部围岩体的破裂行为，需研制可同时实现不同频率应力波的霍普金森试验装置。

发明内容

本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本申请的目的在于提出一种可实现不同频率冲击波的霍普金森试验装置，在不改变试验测试系统整体框架的基础上，通过改变入射杆和/或透射杆的长度，可方便激发出不同频率冲击波，且能满足入射杆、透射杆的对中操作，保证试验测试精度。

为达到上述目的，本申请提出的一种可实现不同频率冲击波的霍普金森试验装置，包括：

支撑基座，所述支撑基座上设置有滑轨，所述滑轨的两端分别设置有移动框架，两个所述移动框架上分别设置有发射系统和吸能系统；

入射杆，所述入射杆的下方均设置有多个支撑架，以通过多个所述支撑架分别对所述入射杆进行支撑，所述入射杆由多个入射短杆连接而成；

透射杆，所述透射杆的下方均设置有多个支撑架，以通过多个所述支撑架对所述透射杆进行支撑，所述透射杆由多个透射短杆连接而成；

实验样品，所述实验样品设置在所述入射杆和所述透射杆之间；

所述支撑架包括设置在所述滑轨上的移动框架和设置在所述移动框架上的弧形框架，所述入射杆和所述透射杆放置在所述弧形框架上。

进一步地，还包括多个对中架，多个所述对中架分别设置在所述入射杆和所述透射杆处；

所述对中架包括设置在所述滑轨上的移动框架，所述移动框架上设置有对中框架，所述对中框架的周侧等角度设置有三个螺母，三个所述螺母围成的圆形的圆心与所述弧形框架的弧形中心在同一中心水平轴线上；

所述螺母的一端中部开有球形槽，所述球形槽中设置有圆形滚珠，所述圆形滚珠能够在所述球形槽中转动，所述入射杆和所述透射杆穿过三个所述圆形滚珠之间。

进一步地，所述对中框架为正六边形框架。

进一步地，所述移动框架包括滑块，所述滑块与所述滑轨滑动配合，所述滑块在所述滑轨上滑动，所述滑块相对两侧的外壁上设置有定位块，所述定位块上设置有顶丝，以使所述移动框架移动至指定位置后通过所述顶丝顶紧在所述支撑基座上；

所述弧形框架设置在所述支撑架上的所述滑块顶部；

所述对中框架设置在所述对中架上的所述滑块顶部。

进一步地，所述入射杆和透射杆的材料相同，所述入射杆和所述透射杆的端面直径相同。

进一步地，所述透射杆、所述入射杆以及所述实验样品的外壁上均设置有应变片，用于检测动态实验过程中的应变。

进一步地，还包括动态应变仪，所述动态应变仪连接所述应变片和示波器，用于收集并放大波形信号，记录应变信息。

进一步地，所述实验样品的两端涂抹有凡士林，用于减小端部效应。

进一步地，所述支撑基座包括下矩形框架和设置在所述下矩形框架上的上矩形框架，所述上矩形框架位于所述下矩形框架中部；

所述下矩形框架的底部设置有多个可调节支腿，用于调平。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本申请一实施例提出的一种可实现不同频率冲击波的霍普金森试验装置的结构示意图；

图2是本申请另一实施例提出的一种可实现不同频率冲击波的霍普金森试验装置的结构示意图；

图3是本申请另一实施例提出的支撑架的结构示意图；

图4是本申请另一实施例提出的对中架的结构示意图；

图中：1、支撑基座；11、滑轨；12、下矩形框架；13、上矩形框架；2、入射杆；21、入射短杆；3、透射杆；31、透射短杆；4、移动框架；41、滑块；42、定位块；43、顶丝；5、发射系统；6、吸能系统；7、支撑架；71、弧形框架；8、实验样品；9、对中架；91、对中框架；92、螺母；93、圆形滚珠。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

图1是本申请一实施例提出的一种可实现不同频率冲击波的霍普金森试验装置结构示意图。

参照图1-4，一种可实现不同频率冲击波的霍普金森试验装置，包括支撑基座1、入射杆2、透射杆3、实验样品8，支撑基座1上设置有滑轨11，滑轨11的两端分别设置有移动框架4，两个移动框架4上分别设置有发射系统5和吸能系统6，入射杆2的下方均设置有多个支撑架7，以通过多个支撑架7分别对入射杆2进行支撑，入射杆2由多个入射短杆21连接而成；透射杆3的下方均设置有多个支撑架7，以通过多个支撑架7对透射杆3进行支撑，透射杆3由多个透射短杆31连接而成，实验样品8设置在入射杆2和透射杆3之间，支撑架7包括设置在滑轨11上的移动框架4和设置在移动框架4上的弧形框架71，入射杆2和透射杆3放置在弧形框架71上。

可以理解的是，根据波长、波速及传播距离的关系：

其中，λ是波长，f是频率，u指波速；

这里的波长与波传播时通过的霍普金森试验装置中的入射杆2和透射杆3的杆长(L)有关，这里假定整个杆的材质和截面积一样，即波阻抗不变的情况下，通常认为二者之间呈现线性关系，

K＝kλ (2)

由上式(1)和(2)，可以得到波的频率与杆长之间的对应关系：

因此，通过改变入射杆2和透射杆3的长度，从而改变波通过的距离，以更改波的频率。

在本申请中，通过将入射杆2和透射杆3分别分成多个连接的入射短杆21和多个连接的透射短杆31，并且多个入射短杆21之间以及多个透射短杆31之间均可以通过螺纹连接，在拆卸安装时方便，进而可以根据需要通过改变连接的入射短杆21和透射短杆31的个数，进而改变入射杆2和透射杆3的长度，进而实现更改波的频率，并且通过设置多个支撑架7，在支撑架7上设置移动框架4，移动框架4能够沿着滑轨11移动，进而使得入射杆2或者透射杆3的长度改变时，通过移动支撑架7在支撑基座1上的位置，能够调节支撑架7的位置，实现即使入射杆2或透射杆3长度改变时仍能够通过支撑架7进行支撑，并且由于发射系统5和吸能系统6也均设置在移动框架4上，进而使得入射杆2或透射杆3长度改变时，发射系统5和吸能系统6也能够通过调节移动框架4的位置适应入射杆2或透射杆3长度改变。

另外，发射系统5可以由压缩气枪，子弹等组成，通过压缩气枪驱动撞击入射杆2一端，吸能系统6起到缓冲作用，避免入射杆2与透射杆3撞击后，实验样品破碎，由于惯性力对杆件产生破坏或对实验样品产生二次破坏，影响实验结果。

还需要说明的是，在支撑架7上设置弧形框架71，弧形框架71起到了对入射杆2、透射杆3的支撑对中，弧形框架71内壁光洁度0.8以内，满足开展动态冲击实验的需求。

在一些实施例中，还包括多个对中架9，多个对中架9分别设置在入射杆2和透射杆3处，对中架9包括设置在滑轨11上的移动框架4，移动框架4上设置有对中框架91，对中框架91的周侧等角度设置有三个螺母92，三个螺母92围成的圆形的圆心与弧形框架71的弧形中心在同一中心水平轴线上，螺母的一端中部开有球形槽，球形槽中设置有圆形滚珠93，圆形滚珠93能够在球形槽中转动，入射杆2和透射杆3穿过三个圆形滚珠93之间。

可以理解的是，在每两个入射短杆21之间以及每两个透射短杆31之间均设置对中架9，在入射杆2的两端和在透射杆3的两端设置支撑架7，通过设置对中架9，使得相邻两个入射短杆21或透射短杆31在对接拧紧时，以入射杆2的安装为例，从一端开始，将端部的一个入射短杆21一端通过支撑架7支撑，相邻的入射短杆21插入三个圆形滚珠93之间，并且通过调节三个螺母92伸出的长度直到三个圆形滚珠93与入射短杆21相接，此时保障三个圆形滚珠93的圆心围成的环形的圆心在弧形框架71顶端的弧形的中心线上，也就是说，相邻两个入射短杆21的轴线在同一直线上，然后将两个入射短杆21拧紧，此时由于圆形滚珠93能够滚动，因此在拧紧过程中即使三个圆形滚珠93将入射短杆21压紧，但是在入射短杆21连接时圆形滚珠93通过滚动能够保障入射短杆的移动，保障两个入射短杆21能够顺利拧紧连接，另外，在相连的另一个入射短杆21拧紧连接时，同上，直到入射杆2连接完成，并且三个螺母分布按照顶部一个两侧两个的设置方式，保障在顶部螺母拧松后通过另外两个螺母的支撑入射短杆21的位置不会改变，不会影响对中效果，因此在实验过程中，只需要将顶部的一个螺母拧松，使其不与入射杆2相接，保障实验顺利进行，并且圆形滚珠93外壁和球形槽内壁的光洁度均在0.8以内，满足开展动态冲击实验的标准。

在一些实施例中，对中框架91为正六边形框架，三个螺母分布在间隔的三个框壁上。

在一些实施例中，移动框架4包括滑块41，滑块41与滑轨11滑动配合，滑块41在滑轨11上滑动，滑块41相对两侧的外壁上设置有定位块42，定位块42上设置有顶丝43，以使移动框架4移动至指定位置后通过顶丝43顶紧在支撑基座1上；弧形框架71设置在支撑架7上的滑块41顶部，对中框架91设置在对中架9上的滑块41顶部。

可以理解的是，通过滑块41和滑轨11的配合，实现移动框架4的移动，实现支撑架7和对中架9的移动调节，在滑块41移动至一定位置后，可以通过旋转顶丝43，使得顶丝43压紧在支撑基座1上，实现对支撑架7和对中架9的固定。

在一些实施例中，入射杆2和透射杆3的材料相同，入射杆2和透射杆3的端面直径相同。

在一些实施例中，透射杆3、入射杆2以及实验样品8的外壁上均设置有应变片，用于检测动态实验过程中的应变。

另外，还包括动态应变仪，动态应变仪连接应变片和示波器，示波器连接电脑，收集并放大波形信号，记录应变信息，可通过超动态应变片、波形示波器等获取动态实验中应力波信息，根据入射波、透射波及反射波信息，分析实验样品8受力历史，评估实验样品8两端的动态应力平衡状态，通过超动态应变片获取的波形数据与试验机输入波形进行对比，并依据样品破裂形式及应力应变曲线等信息，对波形进行反演。

在一些实施例中，实验样品8的两端涂抹有凡士林，用于减小端部效应，实验样品8安装在入射杆2和透射杆3之间，也可根据实验样品8的形状和尺寸定制实验夹具。

在一些实施例中，支撑基座1包括下矩形框架12和设置在下矩形框架12上的上矩形框架13，上矩形框架13位于下矩形框架12中部，下矩形框架12的底部设置有多个可调节支腿，用于调平。

本申请在不改变试验测试系统整体框架的基础上，通过改变入射杆和/或透射杆的长度，可方便激发出不同频率冲击波，且能满足入射杆、透射杆的对中操作，保证试验测试精度。本发明装置安装操作简单、且无需单独加工多套发射装置、测试所需杆件及支撑结构，节约了成本。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种可实现不同频率冲击波的霍普金森试验装置，其特征在于，包括：

支撑基座，所述支撑基座上设置有滑轨，所述滑轨的两端分别设置有移动框架，两个所述移动框架上分别设置有发射系统和吸能系统；

入射杆，所述入射杆的下方均设置有多个支撑架，以通过多个所述支撑架分别对所述入射杆进行支撑，所述入射杆由多个入射短杆连接而成；

透射杆，所述透射杆的下方均设置有多个支撑架，以通过多个所述支撑架对所述透射杆进行支撑，所述透射杆由多个透射短杆连接而成；

实验样品，所述实验样品设置在所述入射杆和所述透射杆之间；

所述支撑架包括设置在所述滑轨上的移动框架和设置在所述移动框架上的弧形框架，所述入射杆和所述透射杆放置在所述弧形框架上。

2.如权利要求1所述的可实现不同频率冲击波的霍普金森试验装置，其特征在于，还包括多个对中架，多个所述对中架分别设置在所述入射杆和所述透射杆处；

所述对中架包括设置在所述滑轨上的移动框架，所述移动框架上设置有对中框架，所述对中框架的周侧等角度设置有三个螺母，三个所述螺母围成的圆形的圆心与所述弧形框架的弧形中心在同一中心水平轴线上；

所述螺母的一端中部开有球形槽，所述球形槽中设置有圆形滚珠，所述圆形滚珠能够在所述球形槽中转动，所述入射杆和所述透射杆穿过三个所述圆形滚珠之间。

3.如权利要求2所述的可实现不同频率冲击波的霍普金森试验装置，其特征在于，所述对中框架为正六边形框架。

4.如权利要求2所述的可实现不同频率冲击波的霍普金森试验装置，其特征在于，所述移动框架包括滑块，所述滑块与所述滑轨滑动配合，所述滑块在所述滑轨上滑动，所述滑块相对两侧的外壁上设置有定位块，所述定位块上设置有顶丝，以使所述移动框架移动至指定位置后通过所述顶丝顶紧在所述支撑基座上；

所述弧形框架设置在所述支撑架上的所述滑块顶部；

所述对中框架设置在所述对中架上的所述滑块顶部。

5.如权利要求1所述的可实现不同频率冲击波的霍普金森试验装置，其特征在于，所述入射杆和透射杆的材料相同，所述入射杆和所述透射杆的端面直径相同。

6.如权利要求1所述的可实现不同频率冲击波的霍普金森试验装置，其特征在于，所述透射杆、所述入射杆以及所述实验样品的外壁上均设置有应变片，用于检测动态实验过程中的应变。

7.如权利要求6所述的可实现不同频率冲击波的霍普金森试验装置，其特征在于，还包括动态应变仪，所述动态应变仪连接所述应变片和示波器，用于收集并放大波形信号，记录应变信息。

8.如权利要求7所述的可实现不同频率冲击波的霍普金森试验装置，其特征在于，所述实验样品的两端涂抹有凡士林，用于减小端部效应。

9.如权利要求1所述的可实现不同频率冲击波的霍普金森试验装置，其特征在于，所述支撑基座包括下矩形框架和设置在所述下矩形框架上的上矩形框架，所述上矩形框架位于所述下矩形框架中部；

所述下矩形框架的底部设置有多个可调节支腿，用于调平。

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