CN116337591A - 一种适用于材料复杂应力状态的分离式霍普金森压杆实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于材料复杂应力状态的分离式霍普金森压杆实验装置，包括入射杆、透射杆和试块，其特征在于，还包括外套筒、贴合入射杆端面设置的入射杆垫块，以及贴合透射杆端面设置的透射杆垫块，所述外套筒套设于所述入射杆和所述透射杆之间、以形成密封放置区；所述入射杆垫块和所述透射杆垫块相对布置、并设于所述试块放置区内，所述入射杆垫块和所述透射杆垫块相对布置的端面为相互平行的试块作用面。本发明具有结构简单，占用空间小，保证实验在不同复杂条件下安全可靠进行等优点。

Description

一种适用于材料复杂应力状态的分离式霍普金森压杆实验 装置

技术领域

本发明涉及霍普金森压杆实验领域，尤其涉及一种适用于材料复杂应力状态的分离式霍普金森压杆实验装置。

背景技术

霍普金森压杆实验装置最初主要用于金属和高聚物类均匀材料在高应变率下的动态力学性能测量。随着对霍普金森试验的改进和发展，分离式霍普金森压杆实验装置被广泛使用，且被认为是一种能够有效测试材料高应变率下力学性能的实验装置，其已广泛应用于材料动态力学性能等领域，其有助于研究材料(如混凝土、煤、岩石等)在冲击载荷下的动态强度、应力-应变关系和能量耗散规律等。

分离式霍普金森压杆实验技术的理论基础是一维应力波理论，通过测定压杆上的应变来推导试块材料的应力－应变关系。当驱动撞击杆撞击入射杆时，在入射杆和透射杆之间放置试块，通过采集入射杆和透射杆的应变脉冲-时间波形，就可得到作用于试块的冲击荷载。而改变撞击速度就可以改变作用于试块的冲击荷载和试块的应变率。通过多次测试，就能得到试块在不同应变率下表现出的应力-应变关系。通过研究应力-应变关系就可以得到材料的动态力学性能。

在实际工程中，材料的原始应力状态往往非常复杂，尤其是常常处于被动控制的情况，现有的霍普金森压杆实验装置难以实现材料在不同复杂应力(如被动围压、压缩-压剪、动态劈裂拉伸条件下等)条件下的有效加载，通用性差；同时，现有的装置结构复杂、占用空间大、操作不便，在进行复杂应力实验时费时费力、成本高、且安全性低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单，占用空间小，保证实验在不同复杂条件下安全可靠进行的适用于材料复杂应力状态的分离式霍普金森压杆实验装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种适用于材料复杂应力状态的分离式霍普金森压杆实验装置，包括入射杆、透射杆和试块，其特征在于，还包括外套筒、贴合入射杆端面设置的入射杆垫块，以及贴合透射杆端面设置的透射杆垫块，所述外套筒套设于所述入射杆和所述透射杆之间、以形成密封放置区；所述入射杆垫块和所述透射杆垫块相对布置、并设于所述试块放置区内，所述入射杆垫块和所述透射杆垫块相对布置的端面为相互平行的试块作用面。

作为上述技术方案的进一步改进：

当进行被动围压实验时，所述试块、所述入射杆垫块和所述透射杆垫块均为与所述入射杆直径相同的圆柱体结构，所述外套筒的内表面与所述圆柱体结构的外表面贴合。

所述外套筒的外壁设有套筒应变感应单元，所述套筒应变感应单元电连接有控制器；所述套筒应变感应单元实时采集外套筒表面的径向电压信号、并发送所述径向电压信号至控制器，所述控制器根据所述径向电压信号获得所述外套筒的径向应变值和所述外套筒的内压力，所述外套筒的径向应变值和内压力的表达式为：

式中，P_内为外套筒的内压力；E_c为外套筒的弹性模量；ε_外为外套筒表面的径向电压信号；r₁为外套筒的外径；r₂为外套筒的内径；ε_c为外套筒的径向应变值；v_c为试块的泊松比；k为折减系数。

所述套筒应变感应单元为两个应变片，两个所述应变片垂直于所述外套筒的中心轴线对称布置，且所述应变片均位于所述外套筒沿长度方向的中心位置。

当进行压剪复合加载实验时，所述入射杆垫块和所述透射杆垫块的试块作用面为单斜面或双斜面；当所述入射杆垫块和所述透射杆垫块的试块作用面为双斜面时，所述双斜面垂直于所述入射杆的中心轴线对称布置，且所述试块为两个，两个所述试块分设于所述双斜面的其中一斜边。

当进行劈裂加载实验时，所述试块为圆盘形试块，所述入射杆垫块和所述透射杆垫块包括与圆盘形试块适配的弧形夹头，以及与入射杆直径相同的圆柱体连接部，其中，所述圆柱体连接部与所述入射杆或所述透射杆贴合；所述圆柱体连接部与所述弧形夹头为一体成型或装配连接。

所述入射杆和所述透射杆均设有杆体应变感应单元，所述杆体应变感应单元依次电连接有应变放大单元、波形转换单元和数据存储处理单元，所述杆体应变感应单元实时采集所述入射杆和所述透射杆的轴向电压信号，并发送给所述应变放大单元；所述应变放大单元放大所述电压信号，并发送给所述波形转换单元；所述波形转换单元转换为波形显示，并发送所述电压信号至所述数据存储处理单元；所述数据存储处理单元根据所述电压信号转化输出所述入射杆和所述透射杆的轴向应变值，并根据所述轴向应变值和杆体弹性模量获得所述入射杆和所述透射杆的轴向应变力。

当进行压剪复合加载实验时，所述数据存储处理单元根据所述入射杆和所述透射杆的轴向应变值获得试块在弹性阶段的试块正应力和试块切应力，以及试块在非弹性阶段的正应力增量和切应力增量，所述入射杆的轴向应变值包括入射波应变值和反射波应变值，所述透射杆的轴向应变值包括透射波应变值；所述试块正应力、所述试块切应力、所述正应力增量和所述切应力增量的表达式为：

式中，σ为试块正应力；E₀为入射杆和透射杆的弹性模量；A₀为入射杆和透射杆的横截面面积；v为试块在弹性阶段的泊松比；θ为入射杆垫块和透射杆垫块试块作用面的倾斜角度；A_s为试块的横截面面积；ε_i(t)为弹性阶段的入射波应变值；ε_r(t)为弹性阶段的反射波应变值；

ε_t(t)为弹性阶段的透射波应变值；τ为试块切应力；Δσ为正应力增量；Δτ为切应力增量；v(σ)为试块在非弹性阶段的泊松比；Δε_i(t)为非弹性阶段的入射波应变值；Δε_r(t)为非弹性阶段的反射波应变值；Δε_t(t)为非弹性阶段的透射波应变值。

所述数据存储处理单元根据所述入射杆垫块和透射杆垫块的倾斜角度、所述入射杆垫块和透射杆垫块的高度，以及所述入射杆垫块和透射杆垫块沿加载方向的相对位移获得试块在弹性阶段的试块正应变和试块切应变，以及试块在非弹性阶段的正应变增量和切应变增量。

当进行动态劈裂加载实验时，所述数据存储处理单元根据所述透射杆的轴向应变值获得试块的动态劈裂强度，并根据所述动态劈裂强度获得试块应变率，所述透射杆的轴向应变值包括透射波应变值；所述试块的动态劈裂强度和试块应变率的表达式为：

式中，σ_td为试块的动态劈裂强度；E为入射杆和透射杆的弹性模量；A为其入射杆和透射杆的的横截面面积；ε_t为透射波应变值；D为试块的直径；L为试块的厚度；R为入射杆和透射杆的的半径；

为试块应变率；T是传输应力脉冲开始与最大传输应力发生之间的时间差；E₀是试块的杨氏弹性模量。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明在入射杆和透射杆之间设置外套筒，以形成密封放置区，入射杆垫块和透射杆垫块设于密封放置区内，其无需改变原有霍普金森杆结构，结构简单，占用空间小，且拆装方便。

(2)在被动围压实验时，由于试块的泊松效应会发生侧向膨胀变形，而外套筒的设置使得试块在被动围压时可向试块施加侧向约束力(即围压)，其限制了试块侧向变形，从而提高了试块的强度和应力值，减少试块应变，以实现试块被动围压的模拟，试块所处被动围压条件下的状况，更贴近工程实际；外套筒对试块施加的围压均匀，使得外套筒与入射杆垫块和透射杆垫块的整体性、稳定性好，且外套筒内可填充分散性材料(如砂土等)，实现了分散性材料的被动围压性能测试。

(3)入射杆垫块和透射杆垫块分别贴合入射杆和透射杆的端面，入射杆垫块和透射杆垫块相对布置的端面为相互平行的试块作用面，试块作用面共同作用于试块，加大了冲击作用力与试块的接触面积，其有利于试块的均匀变形，避免了应力集中使试块两端在开裂前压碎破坏而失效现象的发生，保证了实验的顺利可靠进行；同时，其使得复杂作用力可有效传递作用于试块，有效防止试块在实验过程中发生滑移，保证了实验结果的准确性。

(4)入射杆垫块和透射杆垫块可根据不同加载条件进行设置，且拆装方便，通过改变垫块类型即可实现不同实验条件试块的有效夹紧，实现了在被动围压加载、压剪复合加载、动态劈裂加载等不同复杂应力条件下试件的有效加载，其无需针对不同加载实验设置对应的实验装置，其通用性强、大大降低了成本，为测试在复杂受力情况下材料动态力学性能和变形破坏规律等研究提供了安全可靠的结构基础。

(5)入射杆垫块和透射杆垫块的试块作用面共同作用于试块，其加大了冲击作用力与试块的接触面积，其有利于试块的均匀变形，避免了应力集中使试块两端在开裂前压碎破坏而失效现象的发生，保证了实验的顺利可靠进行。

(6)在压剪复合加载和动态劈裂拉伸实验时，外套筒、入射杆垫块和透射杆垫块的设置可防止试块在破碎时向外飞溅，起到保护入射杆和透射杆的作用，且可收集碎片的试块碎片，保证了霍普金森杆实验的安全性。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是图1的A部的放大透视图。

图3是本发明实施例1的外套筒结构示意图。

图4是本发明实施例2的结构示意图(双斜面压剪复合加载)。

图5是图4的B部的放大透视图。

图6是图5的试块受力分析示意图。

图7是本发明实施例2的结构示意图(单斜面压剪复合加载)。

图8是图7的C部的放大透视图。

图9是图8的试块受力分析示意图。

图10是本发明实施例2的外套筒结构示意图。

图11是本发明实施例2的带有翻盖式透明视窗的外套筒结构示意图。

图12是本发明实施例3的结构示意图。

图13是图11的D部的放大透视图。

图14是分离式霍普金森压杆实验装置的原理图。

图中各标号表示：

1、入射杆；2、透射杆；3、试块；4、外套筒；41、透明视窗；42、水平刻度线；5、垫块；51、入射杆垫块；52、透射杆垫块；53、试块作用面；54、弧形夹头；55、圆柱体连接部；6、套筒应变感应单元；7、应变应力检测组件；71、杆体应变感应单元；72、应变放大单元；73、波形转换单元；74、数据存储处理单元；8、发射组件；81、气压源；82、储气腔；83、撞击杆安装套；84、撞击杆；85、测速仪；86、压力表；9、弹性夹紧件；10、弹性支撑块。

具体实施方式

下面将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1

图1至图3示出了本发明适用于材料复杂应力状态的分离式霍普金森压杆实验装置的实施例，其包括入射杆1、透射杆2、试块3、外套筒4、入射杆垫块51和透射杆垫块52。其中，试块3设于入射杆1与透射杆2之间；外套筒4套设于入射杆1和透射杆2之间、以形成密封放置区；入射杆垫块51和透射杆垫块52设于试块3放置区内，且入射杆垫块51贴合入射杆1端面，透射杆垫块52贴合透射杆2端面；入射杆垫块51和透射杆垫块52相对布置，入射杆垫块51和透射杆垫块52相对布置的端面为相互平行的试块作用面53，试块作用面53共同作用于试块3。其无需改变原有霍普金森杆结构，结构简单，占用空间小，且拆装方便。

在被动围压实验时，由于试块3的泊松效应会发生侧向膨胀变形，而外套筒4的设置使得试块3在被动围压时可向试块3施加侧向约束力(即围压)，其限制了试块3侧向变形，从而提高了试块3的强度和应力值，减少了试块3的应变，实现试块3被动围压的模拟；同时，外套筒4对试块3施加均匀的被动围压，使得外套筒4与入射杆垫块51和透射杆垫块52的整体性、稳定性好，且外套筒4内可填充分散性材料(如砂土等)，实现了分散性材料的被动围压性能测试。

入射杆垫块51和透射杆垫块52分别贴合入射杆1和透射杆2的端面，入射杆垫块51和透射杆垫块52相对布置的端面为相互平行的试块作用面53，试块作用面53共同作用于试块3，其加大了冲击杆体与试块3的接触面积，其有利于试块3的均匀变形，避免了应力集中使试块3两端在开裂前压碎破坏而失效现象的发生，保证了实验的顺利可靠进行；同时，其使得复杂作用力可有效传递作用于试块3，有效防止了试块3在实验过程中发生滑移，保证了实验结果的准确性。

入射杆垫块51和透射杆垫块52可根据不同加载条件进行设置，且拆装方便，通过改变垫块类型即可夹紧不同实验条件下的试块3，实现了在被动围压加载、压剪复合加载、动态劈裂加载等不同复杂应力条件下试块3的有效加载，其无需针对不同加载实验设置对应的实验装置，其通用性强、大大降低了成本，为测试在复杂受力情况下材料动态力学性能和变形破坏规律等研究提供了安全可靠的结构基础。

在压剪复合加载和动态劈裂拉伸实验时，外套筒4、入射杆垫块51和透射杆垫块52的设置可防止试块3在破碎时向外飞溅，起到保护入射杆1和透射杆2的作用，且可收集试块碎片，保证实验安全性。

如图2所示，本实施例的实验装置用于进行被动围压实验，试块3、入射杆垫块51和透射杆垫块52均为圆柱体结构，圆柱体结构与入射杆1和透射杆2的直径相同，外套筒4的内表面与圆柱体结构的外表面贴合。外套筒4的整体设置形式便于给试块3(如混凝土材料、煤、岩石等)施加均匀的被动围压，避免了分体式套筒在被动围压大时易变形破坏、散状材料易进入分体式套筒缝隙等现象的发生，其保证了实验结果的准确性，且提高了装置使用寿命和可靠安全性。

进一步地，如图3所示，外套筒4的外壁设有套筒应变感应单元6，套筒应变感应单元6电连接有控制器。套筒应变感应单元6实时采集外套筒4表面的径向电压信号、并发送径向电压信号至控制器；控制器根据径向电压信号获得外套筒4的径向应变值和外套筒4的内压力，外套筒4的内压力即为外套筒4的围压大小。

本发明通过在外套筒4外壁设置的套筒应变感应单元6检测外套筒4表面的径向电压信号来获得外套筒4的围压大小和径向应变值，获得外套筒4的围压大小和径向应变值可最终得到试块3在围压条件下的动态应力应变关系曲线、应变与时间关系曲线、应变率效应等，从而测试试块3在被动围压条件下的性能，其实现了在增加设置外套筒4基础上试块3性能测试参数的自动可靠检测，且其测试方便、检测效率和准确性高。

本实施例中，外套筒4的径向应变值和内压力的表达式为：

式中，P_内为外套筒4的内压力；E_c为外套筒4的弹性模量；ε_外为外套筒4表面的径向电压信号；r₁为外套筒4的外径；r₂为外套筒4的内径；ε_c为外套筒4的径向应变值；v_c为试块3的泊松比；k为折减系数。

本发明通过E_c、ε_外、r₁、r₂可获得外套筒4的内压力，即获得外套筒4的围压大小；通过ε_外、v_c、r₁、r₂可获得外套筒4的径向应变值，其实现了外套筒4的径向应变值和围压大小的精确计算，从而使得性能测试结果准确性更高。

本实施例中，试块为混凝土试块，v_c选取为0.3；同时，考虑到外套筒4的长度有限、试块3可能存在不均匀、试块3端面不平整等误差及不标准现象，因此，设置折减系数k,k取值为0.9。在其他实施例中，v_c的取值可根据试块3的具体材料进行调整，k可根据装置实际偏差情况进行调整。

进一步地，如图3所示，套筒应变感应单元6为两个应变片，两个应变片垂直于外套筒4的中心轴线对称布置，且应变片均位于外套筒4沿长度方向的中心位置。两个应变片对称布置、且设置于外套筒4中部的形式实现了外套筒4表面径向电压信号的精准检测，保证了检测结果的准确性。

更进一步地，外套筒4的外表面设置有水平刻度线42，水平刻度线42与外套筒4的中心轴线平行，应变片粘贴于水平刻度线42上，以保证应变片准确的粘贴位置，保证检测结果的准确性。

如图14所示，入射杆1和透射杆2均设有杆体应变感应单元71，杆体应变感应单元71依次电连接有应变放大单元72、波形转换单元73和数据存储处理单元74，以形成应变应力检测组件7。杆体应变感应单元71实时采集入射杆1和透射杆2的轴向电压信号、并将轴向电压信号发送给应变放大单元72；应变放大单元72放大电压信号，并将放大的电压信号发送给波形转换单元73；波形转换单元73转换为波形显示，并发送电压信号至数据存储处理单元74；数据存储处理单元74根据电压信号转化输出入射杆1和透射杆2的轴向应变值，具体的，根据电桥工作原理可知杆体应变感应单元71输出电压信号与轴向应变值之间的关系，从而得到轴向应变值；同时，根据轴向应变值和杆体弹性模量获得入射杆1和透射杆2的轴向应变力。

本发明通过有杆体应变感应单元71的设置即可获得入射杆1和透射杆2的轴向应变值和轴向变应力，最终得到入射杆1和透射杆2的应变脉冲-时间波形、作用于试块3的准确冲击荷载等，其实现了试块3性能测试参数的自动可靠检测，且其测试方便、检测效率和准确性高。

本实施例中，杆体应变感应单元71为应变片，应变片粘贴于入射杆1和透射杆2上；应变放大单元72为应变放大器；波形转换单元73为示波器。

进一步地，入射杆垫块51与入射杆1之间、透射杆垫块52与透射杆2之间、以及试块3与入射杆垫块51和透射杆垫块52之间均设有减磨介质，其在有效传递作用力的同时，减少了两部件之间的摩擦，以方便应力波的传递，方便各部件安装。本实施例中，减磨介质可为凡士林或黄油等耦合介质。

进一步地，图1所示，入射杆1和透射杆2设有弹性夹紧件9。弹性夹紧件9的一端连接一固定部件，弹性夹紧件9的另一端连接入射杆1或透射杆2，弹性夹紧件9的与杆体的连接端设于固定部件的远离试块3的一侧，以提供试块3一定的弹性压紧作用力，使得入射杆垫块51和透射杆垫块52与试块3紧密贴合，保证试块3在安装和实验过程中处于固定压紧状态，保证实验可靠进行，避免了试块3移动对实验结果的影响。

本实施例中，适用于材料复杂应力状态的分离式霍普金森压杆实验装置还包括发射组件8。发射组件8包括气压源81、储气腔82、撞击杆安装套83和撞击杆84，其中，气压源81、储气腔82和撞击杆安装套83依次连接，气压源81用于储存高压、以对储气腔82加压；储气腔82用于储存由气压源81传来的气压、并向撞击杆84提供撞击力；撞击杆84设于撞击杆安装套83内，撞击杆安装套83与入射杆1和透射杆2同轴布置，撞击杆84在储气腔82的压强释放时撞击入射杆1，产生动态冲击力。同时，储气腔82处设有压力表86，以测量储气腔82的发射压力，以方便储气腔82提供不同的压强来冲击产生不同的应变率和冲击力。其发射结构简单，且发射安全可靠。动态压剪复合加载装置还包括测速仪85、，测速仪85设于发射组件8与入射杆1之间，用于检测撞击杆84的发射速度。

本实施例中，入射杆垫块51和透射杆垫块52的外周面为弧形面，以方便垫块的安装拆卸。本实施例中，入射杆垫块51和透射杆垫块52的材质与入射杆1和透射杆2的材质相同，以保证应力波的有效传播。如图3所示，外套筒4的两端设有螺纹杆，以保证外套筒4与入射杆1和透射杆2的有效安装固定。

本实施例中，适用于材料复杂应力状态的分离式霍普金森压杆实验装置的具体实施方式为：

在实验前，检查数据存储处理单元74是否正常运行、电桥桥路是否平衡、示波器显示的波形是否正常。在电桥平衡时，电压信号在示波器上显示为平滑无振荡的直线；当电桥不平衡时，应检查桥盒线路的连法是否正确，使用万用表检查应变片是否损坏，导线与应变片引线的焊接是否牢固等等；当电压信号噪声大，振荡严重时，则需要将仪器进行接地处理，并检查附近是否有强电磁干扰源。

在检查完成后，采用杆件对中组件将入射杆1和透射杆2调整至与撞击杆84同心同轴，将撞击杆84导入撞击杆安装套83内；将试块3的端面、入射杆垫块51和透射杆垫块52与杆体接触的位置分别涂抹减磨介质；

先将试件安置于外塔筒内居中位置，随后在试件的两侧安装入射杆垫块51和透射杆垫块52，入射杆垫块51与透射杆垫块52的的试块作用面53相对布置，再将入射杆1和透射杆2插入外套筒4内，试块3夹持于入射杆1和透射杆2之间；

在入射杆1与子弹的撞击面粘贴波形整形器，然后依次打开气压源81和储气腔82的阀门，当压力表86的数值达到预设气压值后关闭阀门；打开测速仪85，将示波器调至待触发状态，确保人员安全后，发射撞击杆84；撞击后，从测速仪85读取撞击杆84的速度，储存示波器中的实验波形，实验结束。

实施例2

图4至图10示出了本发明的另一种适用于材料复杂应力状态的分离式霍普金森压杆实验装置的实施例，本实施例与上一实施例基本相同，区别在于本实施例用于压剪复合加载实验，入射杆垫块51和透射杆垫块52的试块作用面53为单斜面或双斜面，从而形成可靠有效的动态压剪复合加载部件，为测试材料在动态压剪复合条件下的动态力学性能和变形破坏规律等研究提供了安全可靠的结构基础。

如图4至图5所示，入射杆垫块51和透射杆垫块52的试块作用面53为双斜面，双斜面垂直于入射杆1的中心轴线对称布置；试块3为两个，两个试块3分设于双斜面的其中一斜边，其布局结构简单。同时，在实验时，由于双斜面的几何效应，当撞击杆84撞击入射杆1产生的压缩应力波到达入射杆1与试块3接触的试块作用面53时，原来沿杆轴向传播的压缩应力波将分解为垂直于杆端斜面的压缩波和平行于杆端斜面的剪切波，其中，压缩波将试块3施加压缩载荷；同时，在试块作用面53摩擦效应的作用下，剪切波也被施加在试块3上，从而同时实现对试块3施加压缩和剪切冲击载荷，形成双斜面压剪复合加载，可对两个试块3同时进行压剪复合加载，其操作方便、实验效率高。在其他实施例中，如图7和图8所示，当进行单斜面压剪复合加载时，入射杆垫块51和透射杆垫块52的试块作用面53为单斜面。

进一步地，当进行压剪复合加载实验时，数据存储处理单元74根据入射杆1和透射杆2的轴向应变值获得试块3在弹性阶段的试块正应力和试块切应力，以及试块3在非弹性阶段的正应力增量和切应力增量。入射杆1的轴向应变值包括入射波应变值和反射波应变值，透射杆2的轴向应变值包括透射波应变值。

本发明通过杆体应变感应单元71检测的入射杆1和透射杆2的轴向应变值获得试块3在弹性阶段的试块正应力和试块切应力，以及试块3在非弹性阶段的正应力增量和切应力增量，其实现了试块3性能测试参数的自动可靠检测，且其测试方便、检测效率和准确性高。

本实施例中，试块正应力、试块切应力、正应力增量和切应力增量的表达式为：

式中，σ为试块正应力；E₀为入射杆和透射杆的弹性模量；A₀为入射杆1和透射杆2的横截面面积；v为试块3在弹性阶段的泊松比；θ为试块作用面53的倾斜角度；A_s为试块3的横截面面积；ε_i(t)为弹性阶段的入射波应变值；ε_r(t)为弹性阶段的反射波应变值；ε_t(t)为弹性阶段的透射波应变值；τ为试块切应力；Δσ为正应力增量；Δτ为切应力增量；v(σ)为试块3在非弹性阶段的泊松比；Δε_i(t)为非弹性阶段的入射波应变值；Δε_r(t)为非弹性阶段的反射波应变值；Δε_t(t)为非弹性阶段的透射波应变值。

本发明通过E₀、A₀、v、θ、A_s、ε_i(t)、ε_r(t)、ε_t(t)获得试块正应力和试块切应力，通过E₀、A₀、v(σ)、θ、A_s、ε_i(t)、ε_r(t)、ε_t(t)获得试块3的正应力增量和切应力增量，本发明由于实验装置结构基础的改进，使得正应力和切应力的计算需考虑垫块5和试块3的具体结构和尺寸，其完全不同于传统的应力计算公式，本发明在结构改进的基础上实现了试块3的正应力和切应力的精确计算，从而使得性能测试结果准确性更高。

进一步地，数据存储处理单元74根据入射杆垫块51和透射杆垫块52的倾斜角度、入射杆垫块51和透射杆垫块52的高度，以及入射杆垫块51和透射杆垫块52沿加载方向的相对位移获得试块3在弹性阶段的试块正应变和试块切应变，以及试块3在非弹性阶段的正应变增量和切应变增量。其实现了试块3性能测试参数的自动可靠检测，且其测试方便、检测效率和准确性高。

本发明获得的试块正应力、试块切应力、正应力增量、切应力增量、试块正应变、试块切应变、正应变增量和切应变增量可最终得到试块3在动态压剪复合加载条件下的的动态应力应变曲线，应变率效应，应变与时间的关系曲线等，从而实现试样在压剪复合加载条件下的性能测试。

本实施例中，如图6和图9所示，试块正应变、试块切应变、正应变增量和切应变增量的表达式为：

式中，ε为试块3正应变；γ为试块3切应变；θ为入射杆垫块51和透射杆垫块52试块作用面53的倾斜角度；Δε为试块3的正应变增量；Δγ为试块3的切应变增量；d_s为试块3的高度；d为入射杆垫块51和透射杆垫块52的试块作用面53在弹性阶段沿加载方向的相对位移，Δd为入射杆垫块51和透射杆垫块52的试块作用面53在非弹性阶段沿加载方向的位移增量。

本发明通过θ、d、d_s获得试块正应变和试块切应变，通过θ、Δd、d_s获得试块3的正应变增量和切应变增量，其实现了试块正应变和试块切应变的精确计算，从而使得性能测试结果准确性更高。

进一步地，两个试块3的形状和尺寸相同，且两个试块3垂直于入射杆1的中心轴线对称布置，使得作用力均匀传递至各试块3，保证测试结果的准确性。本实施例中，试块3为立方体试块；在其他实施例中，试块3也可为圆柱体试块。

本实施例中，入射杆垫块51的试块作用面53、以及透射杆垫块52的试块作用面53与入射杆1的中心轴线的角度为45°。在其他实施例中，可通过调整入射杆垫块51和透射杆垫块52的试块作用面53的倾斜角度来调整施加荷载的压缩和剪切分量，如试块作用面53的倾斜角度也可设置为30°或60°等。

进一步地，如图10所示，外套筒4设有透明视窗41，透明视窗41可观察试块3安装位置是否合理，且可配合高速摄像设备观察试块3在实验时的破环过程。如图11所示，透明视窗41为翻盖式透明视窗，以方便试块3的取放。

图如5、图8和图12所示，试块3的下方支撑有弹性支撑块10，以防止试块3在实验时发生竖向移动，保证实验过程的顺利可靠进行。

实施例3

图12和图13示出了本发明的另一种适用于材料复杂应力状态的分离式霍普金森压杆实验装置的实施例，本实施例与上一实施例基本相同，区别在于本实施例用于劈裂加载实验时，试块3为圆盘形试块3，入射杆垫块51和透射杆垫块52包括弧形夹头54和圆柱体连接部55。其中，弧形夹头54与圆盘形试块3适配，以更好的夹紧圆盘形试块3，避免试块3在劈裂抗拉实验中局部应力集中导致试件压缩破坏现象的发生，保证试块3劈裂抗拉实验的顺利可靠进行。

同时，圆柱体连接部55与入射杆1或透射杆2贴合，圆柱体连接部55与入射杆1直径相同，圆柱体连接部55与弧形夹头54为螺纹连接，其使得冲击载荷通过圆柱体连接部55、弧形夹头54有效传递至试块3。在其他实施例中，圆柱体连接部55与弧形夹头54也可为一体成型件。

进一步地，当进行动态劈裂加载实验时，数据存储处理单元74根据透射杆2的轴向应变值获得试块3的动态劈裂强度、并根据动态劈裂强度获得试块3应变率，透射杆2的轴向应变值包括透射波应变值，从而最终得到试块3在动态劈裂加载条件下的动态应力应变曲线，应变率效应，应变与时间的关系曲线等，从而实现试样在动态劈裂加载条件下的性能测试，其实现了在增加设置弧形夹头54的基础上试块3性能测试参数的自动可靠检测，且其测试方便、检测效率和准确性高。

本实施例中，试块3的动态劈裂强度和试块3应变率的表达式为：

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式中，σ_td为试块3的动态劈裂强度；E为入射杆1和透射杆2的弹性模量；A为其入射杆1和透射杆2的的横截面面积；ε_t为透射波应变值；D为试块的直径；L为试块3的厚度；R为入射杆1和透射杆2的的半径；

为试块3应变率；T是传输应力脉冲开始与最大传输应力发生之间的时间差；E₀是试块3的杨氏弹性模量。

本发明通过E、A、ε_t、D、L、R获得试块3的动态劈裂强度，通过σ_td、E₀、T获得试块3应变率，其实现了动态劈裂强度和试块3应变率的精确计算，从而使得性能测试结果准确性更高。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种适用于材料复杂应力状态的分离式霍普金森压杆实验装置，包括入射杆、透射杆和试块，其特征在于，还包括外套筒、贴合入射杆端面设置的入射杆垫块，以及贴合透射杆端面设置的透射杆垫块，所述外套筒套设于所述入射杆和所述透射杆之间、以形成密封放置区；所述入射杆垫块和所述透射杆垫块相对布置、并设于所述试块放置区内，所述入射杆垫块和所述透射杆垫块相对布置的端面为相互平行的试块作用面。

2.根据权利要求1所述的适用于材料复杂应力状态的分离式霍普金森压杆实验装置，其特征在于，当进行被动围压实验时，所述试块、所述入射杆垫块和所述透射杆垫块均为与所述入射杆直径相同的圆柱体结构，所述外套筒的内表面与所述圆柱体结构的外表面贴合。

3.根据权利要求2所述的适用于材料复杂应力状态的分离式霍普金森压杆实验装置，其特征在于，所述外套筒的外壁设有套筒应变感应单元，所述套筒应变感应单元电连接有控制器；所述套筒应变感应单元实时采集外套筒表面的径向电压信号、并发送所述径向电压信号至控制器，所述控制器根据所述径向电压信号获得所述外套筒的径向应变值和所述外套筒的内压力，所述外套筒的径向应变值和内压力的表达式为：

式中，P_内为外套筒的内压力；E_c为外套筒的弹性模量；ε_外为外套筒表面的径向电压信号；r₁为外套筒的外径；r₂为外套筒的内径；ε_c为外套筒的径向应变值；v_c为试块的泊松比；k为折减系数。

4.根据权利要求2所述的适用于材料复杂应力状态的分离式霍普金森压杆实验装置，其特征在于，所述套筒应变感应单元为两个应变片，两个所述应变片垂直于所述外套筒的中心轴线对称布置，且所述应变片均位于所述外套筒沿长度方向的中心位置。

5.根据权利要求1所述的适用于材料复杂应力状态的分离式霍普金森压杆实验装置，其特征在于，当进行压剪复合加载实验时，所述入射杆垫块和所述透射杆垫块的试块作用面为单斜面或双斜面；当所述入射杆垫块和所述透射杆垫块的试块作用面为双斜面时，所述双斜面垂直于所述入射杆的中心轴线对称布置，且所述试块为两个，两个所述试块分设于所述双斜面的其中一斜边。

6.根据权利要求1所述的适用于材料复杂应力状态的分离式霍普金森压杆实验装置，其特征在于，当进行劈裂加载实验时，所述试块为圆盘形试块，所述入射杆垫块和所述透射杆垫块包括与圆盘形试块适配的弧形夹头，以及与入射杆直径相同的圆柱体连接部，其中，所述圆柱体连接部与所述入射杆或所述透射杆贴合；所述圆柱体连接部与所述弧形夹头为一体成型或装配连接。

7.根据权利要求1至7中任意一项所述的适用于材料复杂应力状态的分离式霍普金森压杆实验装置，其特征在于，所述入射杆和所述透射杆均设有杆体应变感应单元，所述杆体应变感应单元依次电连接有应变放大单元、波形转换单元和数据存储处理单元，所述杆体应变感应单元实时采集所述入射杆和所述透射杆的轴向电压信号，并发送给所述应变放大单元；所述应变放大单元放大所述电压信号，并发送给所述波形转换单元；所述波形转换单元转换为波形显示，并发送所述电压信号至所述数据存储处理单元；所述数据存储处理单元根据所述电压信号转化输出所述入射杆和所述透射杆的轴向应变值，并根据所述轴向应变值和杆体弹性模量获得所述入射杆和所述透射杆的轴向应变力。

8.根据权利要求7所述的适用于材料复杂应力状态的分离式霍普金森压杆实验装置，其特征在于，当进行压剪复合加载实验时，所述数据存储处理单元根据所述入射杆和所述透射杆的轴向应变值获得试块在弹性阶段的试块正应力和试块切应力，以及试块在非弹性阶段的正应力增量和切应力增量，所述入射杆的轴向应变值包括入射波应变值和反射波应变值，所述透射杆的轴向应变值包括透射波应变值；所述试块正应力、所述试块切应力、所述正应力增量和所述切应力增量的表达式为：

式中，σ为试块正应力；E₀为入射杆和透射杆的弹性模量；A₀为入射杆和透射杆的横截面面积；v为试块在弹性阶段的泊松比；θ为入射杆垫块和透射杆垫块试块作用面的倾斜角度；A_s为试块的横截面面积；ε_i(t)为弹性阶段的入射波应变值；ε_r(t)为弹性阶段的反射波应变值；

ε_t(t)为弹性阶段的透射波应变值；τ为试块切应力；Δσ为正应力增量；Δτ为切应力增量；v(σ)为试块在非弹性阶段的泊松比；Δε_i(t)为非弹性阶段的入射波应变值；Δε_r(t)为非弹性阶段的反射波应变值；Δε_t(t)为非弹性阶段的透射波应变值。

9.根据权利要求8所述的适用于材料复杂应力状态的分离式霍普金森压杆实验装置，其特征在于，所述数据存储处理单元根据所述入射杆垫块和透射杆垫块的倾斜角度、所述入射杆垫块和透射杆垫块的高度，以及所述入射杆垫块和透射杆垫块沿加载方向的相对位移获得试块在弹性阶段的试块正应变和试块切应变，以及试块在非弹性阶段的正应变增量和切应变增量。

10.根据权利要求7所述的适用于材料复杂应力状态的分离式霍普金森压杆实验装置，其特征在于，当进行动态劈裂加载实验时，所述数据存储处理单元根据所述透射杆的轴向应变值获得试块的动态劈裂强度，并根据所述动态劈裂强度获得试块应变率，所述透射杆的轴向应变值包括透射波应变值；所述试块的动态劈裂强度和试块应变率的表达式为：

式中，σ_td为试块的动态劈裂强度；E为入射杆和透射杆的弹性模量；A为其入射杆和透射杆的的横截面面积；ε_t为透射波应变值；D为试块的直径；L为试块的厚度；R为入射杆和透射杆的的半径；

为试块应变率；T是传输应力脉冲开始与最大传输应力发生之间的时间差；E₀是试块的杨氏弹性模量。

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