CN116698626A - 基于霍普金森压杆的单脉冲高应变率拉伸试验装置 - Google Patents

基于霍普金森压杆的单脉冲高应变率拉伸试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及高应变率拉伸试验装置技术领域，具体为基于霍普金森压杆的单脉冲高应变率拉伸试验装置，包括：入射机构包括入射杆和质量块，入射杆的表面通过螺纹连接有单脉冲法兰；移动机构设置于入射机构的一侧对应入射杆的位置，通过入射机构控制移动机构移动；固定机构与移动机构配合设置，固定机构包括一号固定板和二号固定板；有益效果为：通过入射杆将入射压缩应力波传导到一号移动板，然后通过一号连接柱带动二号移动板对拉伸试样进行拉伸测试，由于一号固定板通过二号固定板和二号连接柱固定安装在安装座上，当二号移动板对拉伸试样进行拉伸后，一号固定板不会产生回弹力，使拉伸试样只受到单次加载形成拉伸。

Description

基于霍普金森压杆的单脉冲高应变率拉伸试验装置
技术领域
本发明涉及高应变率拉伸试验装置技术领域，具体为基于霍普金森压杆的单脉冲高应变率拉伸试验装置。
背景技术
在涉及国防工业、汽车、航空航天等领域的结构损伤、防护和能量传递及吸收均涉及到结构和材料的高应变率载荷环境下的力学性能，材料在准静态和中低应变率范围内的力学性能往往与高应变率加载下的性能存在较为明显的差异；
目前用于测试材料在高应变率下拉伸力学性能主要采用的是分离式霍普金森拉伸试验装置，该试验技术通过撞击管与入射杆端部法兰的撞击形成拉伸弹性应力波，应力波通过入射杆加载到安装于入射杆和透射杆之间的拉伸试样上，完成拉伸测试；
但是由于杆件中应力波的往复反射，导致拉伸试样在测试过程中会受到拉伸应力波的重复加载，试样的损伤、变形并非单次加载的结果，导致难以对单次加载的数据进行精确获取。
发明内容
本发明的目的在于提供基于霍普金森压杆的单脉冲高应变率拉伸试验装置，以解决上述背景技术中提出的因杆件中应力波的往复反射，导致拉伸试样在测试过程中会受到拉伸应力波的重复加载，试样的损伤、变形并非单次加载的结果，导致难以对单次加载的数据进行精确获取的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于霍普金森压杆的单脉冲高应变率拉伸试验装置，包括：
入射机构，入射机构包括入射杆和质量块，入射杆的表面通过螺纹连接有单脉冲法兰；
移动机构设置于入射机构的一侧对应入射杆的位置，通过入射机构控制移动机构移动，移动机构包括一号移动板和二号移动板，二号移动板的表面开设有一号插槽；
固定机构与移动机构配合设置，固定机构包括一号固定板和二号固定板，一号固定板设置于一号移动板与二号移动板之间，一号固定板的表面开设有二号插槽；
入射机构通过入射杆将应力波传导到移动机构，一号移动板受到应力波作用后开始响应，带动二号移动板向靠近二号固定板的方向移动，使二号移动板与一号固定板之间的距离逐渐加大，此时在二号移动板与一号固定板之间安装拉伸试样，实现对拉伸试样进行拉伸试验。
优选的，所述质量块固定安装于试验装置的底座上，质量块的中部开设有通孔，质量块中部的通孔的直径大于入射杆的直径小于单脉冲法兰的外径。
优选的，所述入射杆的表面固定安装有入射应变片，入射杆的端部固定安装有应力波整形器，入射杆靠近应力波整形器的一侧设置有轻气炮，轻气炮固定安装于试验装置的底座上，单脉冲法兰设置于质量块靠近轻气炮的一侧，轻气炮靠近入射杆的端部设置有撞击杆，通过轻气炮控制撞击杆发射。
优选的，所述一号移动板靠近入射杆的一侧固定安装有压力传感器，压力传感器的位置与入射杆对应，一号移动板远离入射杆的一侧固定连接有多组一号连接柱，多组一号连接柱等距设置，一号连接柱滑动贯穿一号固定板。
优选的，所述一号连接柱远离一号移动板的一端与二号移动板固定连接，一号插槽开设于二号移动板靠近一号移动板的一侧，二号移动板的表面固定安装有插杆，插杆的表面固定安装有压杆，压杆与插杆之间开设有滑槽，滑槽远离二号移动板的一端内壁设置为斜面。
优选的，所述二号插槽开设于一号固定板靠近二号移动板的一侧，二号插槽的位置与一号插槽的位置对应，拉伸试样通过拉伸夹具安装于二号插槽和一号插槽之间，一号固定板的中部安装有拉伸应变传感器透射应力测量传感器，一号固定板靠近二号移动板的一侧固定等距安装有多组二号连接柱，二号连接柱滑动贯穿二号移动板，二号连接柱远离一号固定板的一端与二号固定板固定连接，二号固定板固定安装于安装座的表面。
优选的，所述安装座固定安装于试验装置的底座上，安装座的中部开设有透射孔，安装座中部的透射孔侧壁固定安装有导向块，安装座远离二号固定板的一侧设置有透射机构。
优选的，所述透射机构包括透射杆和吸能器，吸能器通过挡块固定安装于试验装置的底座上，透射杆的表面固定安装有透射应变片，透射杆的表面开设有导向槽和斜齿槽，导向块滑动设置于导向槽的内部，斜齿槽等距开设有多组。
优选的，所述透射杆的侧面设置有顶齿，顶齿的位置与斜齿槽的位置对应，顶齿的表面开设有拉槽和安装孔，顶齿通过安装孔转动安装与转轴上，且顶齿与转轴之间设置有让顶齿向斜齿槽的方向翻转的扭力弹簧，顶齿远离透射杆的一侧设置有控制杆。
优选的，所述控制杆的一端固定安装有拉杆，拉杆滑动设置于拉槽的内部，控制杆的另一端转动安装有滑辊，滑辊滚动设置于滑槽的内部。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.通过入射杆将入射的单次压缩应力波传导到一号移动板，然后通过一号连接柱带动二号移动板对拉伸试样进行拉伸测试，由于一号固定板通过二号固定板和二号连接柱固定安装在安装座上，当二号移动板对拉伸试样进行拉伸后，一号固定板不会产生回弹力，使拉伸试样只受到单次加载形成拉伸，且通过单脉冲法兰与质量块的配合，阻止入射杆中因拉伸应力波反射形成的压缩应力波再次作用在二号移动板上，实现单脉冲加载，避免了因杆件中应力波往复反射，导致拉伸试样在测试过程中会受到拉伸应力波的重复加载，试样的损伤、变形并非单次加载的结果，导致难以对单次加载的数据进行精确获取的问题；
且同时采用霍普金森压杆的单脉冲高应变率的压缩试验手段，以简易的方法变压为拉，实现高应变率拉伸试验，使得拉伸试验的难度降低，适用性强，成本较低，利于普遍推广。
2.在通过入射杆实现一次单脉冲载荷加载后，通过调整恢复单脉冲法兰与质量块之间的间距后进行重复加载，可实现不同应变率的重复加载，从而实现爆炸冲击载荷形成的载荷应变率量级的准确的循环加载。
3.将拉伸夹具夹持凹槽设计为多种形态，根据待测试的拉伸试样的具体形态选择相应的拉伸夹具进行固定，实现在一定尺寸内多种形态的拉伸试样进行测试。
4.通过在二号移动板与透射杆之间放置压缩试样，可实现对压缩试样的压缩测试，且通过顶齿与斜齿槽的配合，使透射杆无法向远离吸能器的方向反弹，保证了压缩试样在测试的过程中只受到单次载荷加载，从而能够精确的获取压缩测试中单次加载载荷后的数据。
附图说明
图1为本发明基于霍普金森压杆的单脉冲高应变率拉伸试验装置结构示意图；
图2为本发明剖视结构示意图；
图3为本发明图2中A处放大结构示意图；
图4为本发明移动机构结构示意图；
图5为本发明拉杆结构示意图；
图6为本发明顶齿结构示意图。
图中：
入射机构1、轻气炮11、撞击杆12、入射杆13、入射应变片131、单脉冲法兰132、应力波整形器133、质量块14；
透射机构2、透射杆21、透射应变片211、导向槽212、斜齿槽213、挡块22、吸能器23、顶齿24、拉槽241、安装孔242、控制杆25、拉杆251、滑辊252；
移动机构3、一号移动板31、压力传感器311、二号移动板32、一号插槽321、插杆322、压杆323、滑槽324、一号连接柱33；
固定机构4、一号固定板41、二号插槽411、拉伸应变传感器透射应力测量传感器、412、二号固定板42、二号连接柱43、安装座44、导向块441、拉伸夹具45；
拉伸试样5。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案进行清楚、完整地描述，及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅仅用以解释本发明实施例，并不用于限定本发明实施例，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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1-图6，本发明提供基于霍普金森压杆的单脉冲高应变率拉伸试验装置，包括：
入射机构1，入射机构1包括入射杆13和质量块14，入射杆13的表面通过螺纹连接有单脉冲法兰132，质量块14固定安装于试验装置的底座上，质量块14的中部开设有通孔，质量块14中部的通孔的直径大于入射杆13的直径小于单脉冲法兰132的外径，入射杆13的表面固定安装有入射应变片131，入射杆13的端部固定安装有应力波整形器133，入射杆13靠近应力波整形器133的一侧设置有轻气炮11，轻气炮11固定安装于试验装置的底座上，单脉冲法兰132设置于质量块14靠近轻气炮11的一侧，轻气炮11靠近入射杆13的端部设置有撞击杆12，通过轻气炮11控制撞击杆12发射；
移动机构3设置于入射机构1的一侧对应入射杆13的位置，通过入射机构1控制移动机构3移动，移动机构3包括一号移动板31和二号移动板32，二号移动板32的表面开设有一号插槽321，一号移动板31靠近入射杆13的一侧固定安装有压力传感器311，压力传感器311的位置与入射杆13对应，一号移动板31远离入射杆13的一侧固定连接有多组一号连接柱33，多组一号连接柱33等距设置，一号连接柱33滑动贯穿一号固定板41，一号连接柱33远离一号移动板31的一端与二号移动板32固定连接，一号插槽321开设于二号移动板32靠近一号移动板31的一侧，二号移动板32的表面固定安装有插杆322，插杆322的表面固定安装有压杆323，压杆323与插杆322之间开设有滑槽324，滑槽324远离二号移动板32的一端内壁设置为斜面；
固定机构4与移动机构3配合设置，固定机构4包括一号固定板41和二号固定板42，一号固定板41设置于一号移动板31与二号移动板32之间，一号固定板41的表面开设有二号插槽411，二号插槽411开设于一号固定板41靠近二号移动板32的一侧，二号插槽411的位置与一号插槽321的位置对应，拉伸试样5通过拉伸夹具45安装于二号插槽411和一号插槽321之间，一号固定板41的中部安装有透射应力测量传感器412，一号固定板41靠近二号移动板32的一侧固定等距安装有多组二号连接柱43，二号连接柱43滑动贯穿二号移动板32，二号连接柱43远离一号固定板41的一端与二号固定板42固定连接，二号固定板42固定安装于安装座44的表面，安装座44固定安装于试验装置的底座上，安装座44的中部开设有透射孔，安装座44中部的透射孔侧壁固定安装有导向块441，安装座44远离二号固定板42的一侧设置有透射机构2，透射机构2包括透射杆21和吸能器23，吸能器23通过挡块22固定安装于试验装置的底座上，透射杆21的表面固定安装有透射应变片211，透射杆21的表面开设有导向槽212和斜齿槽213，导向块441滑动设置于导向槽212的内部，斜齿槽213等距开设有多组，透射杆21的侧面设置有顶齿24，顶齿24的位置与斜齿槽213的位置对应，顶齿24的表面开设有拉槽241和安装孔242，顶齿24通过安装孔242转动安装与转轴上，且顶齿24与转轴之间设置有让顶齿24向斜齿槽213的方向翻转的扭力弹簧，顶齿24远离透射杆21的一侧设置有控制杆25，控制杆25的一端固定安装有拉杆251，拉杆251滑动设置于拉槽241的内部，控制杆25的另一端转动安装有滑辊252，滑辊252滚动设置于滑槽324的内部。
实施例一：
当需要对拉伸试样5进行拉伸测试时，在拉伸试样5的两端固定安装拉伸夹具45，然后将拉伸试样5的一端的拉伸夹具45安装于一号插槽321的内部，拉伸试样5的另一端的拉伸夹具45安装于二号插槽411的内部，通过轻气炮11发射撞击杆12对入射杆13的端部形成撞击，入射杆13端部的应力波整形器133对撞击形成的应力波进行整形，撞击杆12撞击入射杆13形成的应力波通过入射杆13表面的入射应变片131进行测量，当产生的单次压缩应力波传导到入射杆13的另一端时，压力传感器311对单次加载量进行测量，一号移动板31中心受到入射杆13应力波的作用开始响应，一号移动板31通过一号连接柱33带动二号移动板32向远离一号固定板41的方向移动，实现对拉伸试样5的拉伸测试，测试透射信号由拉伸应变传感器透射应力测量传感器412进行测量；
通过入射杆13将入射的单次压缩应力波传导到一号移动板31，然后通过一号连接柱33带动二号移动板32对拉伸试样5进行拉伸测试，由于一号固定板41通过二号固定板42和二号连接柱43固定安装在安装座44上，当二号移动板32对拉伸试样5进行拉伸后，一号固定板41不会产生回弹力，使拉伸试样5只受到单次加载形成拉伸，且通过单脉冲法兰132与质量块14的配合，阻止入射杆13中因拉伸应力波反射形成的压缩应力波再次作用在二号移动板32上，实现单脉冲加载，避免了因应力波往复反射，导致试样在测试中受到多个载荷重复加载的问题。
实施例二：
在实施例一的基础上，通过恢复单脉冲法兰132与质量块14之间的距离，实现对入射杆单次加载的调整，在通过入射杆13实现一次单脉冲载荷加载后，通过恢复单脉冲法兰132与质量块14之间的间距进行重复加载，可实现不同应变率的重复加载，从而实现爆炸冲击载荷形成的载荷应变率量级的准确的循环加载。
实施例三：
在实施例一的基础上，拉伸夹具45的夹持凹槽可以根据不同的拉伸试样5设计为不同形状，以适应在一定尺寸内的不同形状的拉伸试样5的测试。
实施例四：
在实施例一的基础上，将压缩试样放置于透射杆21与二号移动板32之间，通过轻气炮11发射撞击杆12对入射杆13撞击，撞击杆12撞击入射杆13形成的应力波通过一号移动板31和一号连接柱33传导到二号移动板32，实现对压缩试样的压缩测试，透射应变片211对透射应力波进行测量；
在对压缩试样进行压缩测试时，透射杆21在受到透射应力波后向吸能器23的方向移动，通过顶齿24与斜齿槽213的配合，使透射杆21无法向远离吸能器23的方向反弹，保证了压缩试样在测试的过程中只受到单次载荷加载；
在测试完成后，通过拉动二号移动板32带动插杆322和压杆323移动，使滑槽324的斜面对滑辊252挤压，将控制杆25向远离透射杆21的方向拉动，从而使顶齿24从斜齿槽213的内部脱离，此时可将透射杆21的位置向靠近二号移动板32的方向调整，进行下次测试的准备。
出于简明和说明的目的，实施例的原理主要通过参考例子来描述。在以上描述中，很多具体细节被提出用以提供对实施例的彻底理解。然而明显的是，对于本领域普通技术人员，这些实施例在实践中可以不限于这些具体细节。在一些实例中，没有详细地描述公知方法和结构，以避免无必要地使这些实施例变得难以理解。另外，所有实施例可以互相结合使用。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.基于霍普金森压杆的单脉冲高应变率拉伸试验装置，其特征在于，包括：
入射机构(1)，入射机构(1)包括入射杆(13)和质量块(14)，入射杆(13)的表面通过螺纹连接有单脉冲法兰(132)；
移动机构(3)设置于入射机构(1)的一侧对应入射杆(13)的位置，通过入射机构(1)控制移动机构(3)移动，移动机构(3)包括一号移动板(31)和二号移动板(32)，二号移动板(32)的表面开设有一号插槽(321)；
固定机构(4)与移动机构(3)配合设置，固定机构(4)包括一号固定板(41)和二号固定板(42)，一号固定板(41)设置于一号移动板(31)与二号移动板(32)之间，一号固定板(41)的表面开设有二号插槽(411)；
入射机构(1)通过入射杆(13)将单次应力波传导到移动机构(3)，一号移动板(31)受到应力波作用后开始响应，带动二号移动板(32)向靠近二号固定板(42)的方向移动，使二号移动板(32)与一号固定板(41)之间的距离逐渐加大，此时在二号移动板(32)与一号固定板(41)之间安装拉伸试样，实现对拉伸试样进行拉伸试验。
2.根据权利要求1所述的基于霍普金森压杆的单脉冲高应变率拉伸试验装置，其特征在于：所述质量块(14)固定安装于试验装置的底座上，质量块(14)的中部开设有通孔，质量块(14)中部的通孔的直径大于入射杆(13)的直径小于单脉冲法兰(132)的外径。
3.根据权利要求1所述的基于霍普金森压杆的单脉冲高应变率拉伸试验装置，其特征在于：所述入射杆(13)的表面固定安装有入射应变片(131)，入射杆(13)的端部固定安装有应力波整形器(133)，入射杆(13)靠近应力波整形器(133)的一侧设置有轻气炮(11)，轻气炮(11)固定安装于试验装置的底座上，单脉冲法兰(132)设置于质量块(14)靠近轻气炮(11)的一侧，轻气炮(11)靠近入射杆(13)的端部设置有撞击杆(12)，通过轻气炮(11)控制撞击杆(12)发射。
4.根据权利要求1所述的基于霍普金森压杆的单脉冲高应变率拉伸试验装置，其特征在于：所述一号移动板(31)靠近入射杆(13)的一侧固定安装有压力传感器(311)，压力传感器(311)的位置与入射杆(13)对应，一号移动板(31)远离入射杆(13)的一侧固定连接有多组一号连接柱(33)，多组一号连接柱(33)等距设置，一号连接柱(33)滑动贯穿一号固定板(41)。
5.根据权利要求4所述的基于霍普金森压杆的单脉冲高应变率拉伸试验装置，其特征在于：所述一号连接柱(33)远离一号移动板(31)的一端与二号移动板(32)固定连接，一号插槽(321)开设于二号移动板(32)靠近一号移动板(31)的一侧，二号移动板(32)的表面固定安装有插杆(322)，插杆(322)的表面固定安装有压杆(323)，压杆(323)与插杆(322)之间开设有滑槽(324)，滑槽(324)远离二号移动板(32)的一端内壁设置为斜面。
6.根据权利要求1所述的基于霍普金森压杆的单脉冲高应变率拉伸试验装置，其特征在于：所述二号插槽(411)开设于一号固定板(41)靠近二号移动板(32)的一侧，二号插槽(411)的位置与一号插槽(321)的位置对应，拉伸试样(5)通过拉伸夹具(45)安装于二号插槽(411)和一号插槽(321)之间，一号固定板(41)的中部安装有透射应力测量传感器(412)，一号固定板(41)靠近二号移动板(32)的一侧固定等距安装有多组二号连接柱(43)，二号连接柱(43)滑动贯穿二号移动板(32)，二号连接柱(43)远离一号固定板(41)的一端与二号固定板(42)固定连接，二号固定板(42)固定安装于安装座(44)的表面。
7.根据权利要求6所述的基于霍普金森压杆的单脉冲高应变率拉伸试验装置，其特征在于：所述安装座(44)固定安装于试验装置的底座上，安装座(44)的中部开设有透射孔，安装座(44)中部的透射孔侧壁固定安装有导向块(441)，安装座(44)远离二号固定板(42)的一侧设置有透射机构(2)。
8.根据权利要求7所述的基于霍普金森压杆的单脉冲高应变率拉伸试验装置，其特征在于：所述透射机构(2)包括透射杆(21)和吸能器(23)，吸能器(23)通过挡块(22)固定安装于试验装置的底座上，透射杆(21)的表面固定安装有透射应变片(211)，透射杆(21)的表面开设有导向槽(212)和斜齿槽(213)，导向块(441)滑动设置于导向槽(212)的内部，斜齿槽(213)等距开设有多组。
9.根据权利要求8所述的基于霍普金森压杆的单脉冲高应变率拉伸试验装置，其特征在于：所述透射杆(21)的侧面设置有顶齿(24)，顶齿(24)的位置与斜齿槽(213)的位置对应，顶齿(24)的表面开设有拉槽(241)和安装孔(242)，顶齿(24)通过安装孔(242)转动安装与转轴上，且顶齿(24)与转轴之间设置有让顶齿(24)向斜齿槽(213)的方向翻转的扭力弹簧，顶齿(24)远离透射杆(21)的一侧设置有控制杆(25)。
10.根据权利要求9所述的基于霍普金森压杆的单脉冲高应变率拉伸试验装置，其特征在于：所述控制杆(25)的一端固定安装有拉杆(251)，拉杆(251)滑动设置于拉槽(241)的内部，控制杆(25)的另一端转动安装有滑辊(252)，滑辊(252)滚动设置于滑槽(324)的内部。
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