CN116818563A - 一种基于霍普金森杆的实验装置 - Google Patents

一种基于霍普金森杆的实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于霍普金森杆的实验装置，包括：底座、入射杆、扭杆、夹持释放机构和加载机构，其中，入射杆沿长度方向可移动地设置于底座上，入射杆的第二端与扭杆的第一端可拆卸连接，且入射杆的第二端嵌入至扭杆的第一端中，或者扭杆的第一端嵌入至入射杆的第二端中；加载机构与扭杆的第二端连接，用于向扭杆施加轴向压力和扭矩；夹持释放机构与扭杆连接，且沿长度方向设置在入射杆和加载机构之间，夹持释放机构用于限制扭杆的转动；当加载机构向扭杆施加的扭矩达到实验预设值时，夹持释放机构解除对扭杆的转动限制。入射杆和扭杆采用可拆卸嵌入式连接不仅可减少波在传递过程中的损失，降低实验误差，而且零件数量少，安装过程简单。

Description

一种基于霍普金森杆的实验装置
技术领域
本申请涉及材料动态力学性能实验领域，尤其涉及一种基于霍普金森杆的实验装置。
背景技术
分离式霍普金森压杆(SHPB，Split-Hopkinson-Pressure-Bar)已经成功地应用于金属、复合材料、聚合物、岩石、混凝土和泡沫材料等多种工程材料的动态力学性能测试，被公认为是最常用、最有效的研究脉冲动载作用下材料力学性质的实验设备。随着科学研究及工程应用的深入，复合动载下材料的力学特性成为急需解决的问题，相应的测试技术需求也越来越高。
为了研究材料的动态抗剪性能，现有技术中已经出现了霍普金森杆扭杆实验装置，主要包括扭矩施加机构、扭杆，夹持释放机构等。其中，扭杆一端与扭矩施加机构相连，另一端与试样相连，利用夹持释放机构将扭杆夹住，防止其发生扭转；通过扭矩施加机构对扭杆施加扭矩，从而使得扭杆将扭转变形能进行储存；当预贮能量值达到预期值时，通过夹持释放机构将扭杆中所储存的扭转变形能瞬间释放，并以波的形式沿杆件迅速传递到试样上，从而完成实验。
现有技术中入射杆和扭杆通常是通过套筒进行组装，在实验过程中波的传递会受到干扰，使得在两杆的连接处存在波的损失，影响实验结果。
发明内容
针对现有技术中上述不足，本发明提供了一种基于霍普金森杆的实验装置，可以解决现有技术中的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于霍普金森杆的实验装置，所述实验装置包括：底座、入射杆、扭杆、夹持释放机构和加载机构，其中，
所述入射杆沿长度方向可移动地设置于所述底座上，所述入射杆的第二端与所述扭杆的第一端可拆卸连接，且所述入射杆的第二端嵌入至所述扭杆的第一端中，或者所述扭杆的第一端嵌入至所述入射杆的第二端中；
所述加载机构与所述扭杆的第二端连接，用于向所述扭杆施加轴向压力和扭矩；
所述夹持释放机构与所述扭杆连接，且沿长度方向设置在所述入射杆和所述加载机构之间，所述夹持释放机构用于限制所述扭杆的转动；
当所述加载机构向所述扭杆施加的扭矩达到实验预设值时，所述夹持释放机构解除对所述扭杆的转动限制。
在本发明一个可选的实施例中，所述入射杆为空心杆状结构，所述扭杆的第一端嵌入至所述入射杆的第二端中。
在本发明一个可选的实施例中，所述入射杆的第二端的壁厚大于所述入射杆的第一端的壁厚。
在本发明一个可选的实施例中，所述入射杆的第二端与所述扭杆的第一端的连接方式为螺纹连接、内六角连接和锥形连接中的一种。
在本发明一个可选的实施例中，所述加载机构包括第一驱动组件和第二驱动组件，其中，所述第一驱动组件与所述扭杆的第二端连接，用于带动所述扭杆转动；所述第二驱动组件用于向所述扭杆施加轴向压力。
在本发明一个可选的实施例中，所述第一驱动组件和所述第二驱动组件一体化连接；沿所述长度方向，所述扭杆设置在所述入射杆和所述加载机构之间。
在本发明一个可选的实施例中，所述实验装置还包括限位结构，所述限位结构的第一端固定在所述底座上，所述限位结构的第二端朝向所述入射杆的第一端；所述限位结构用于与所述入射杆共同夹持试样。
在本发明一个可选的实施例中，所述夹持释放机构包括第一钳体、第二钳体、连接件和顶推机构；所述第一钳体和所述第二钳体的两端沿高度方向设置，所述第一钳体的第一端固定于所述底座，所述第二钳体的第二端可移动地设置于所述底座；所述第一钳体和所述第二钳体的远离所述底座的第二端均与所述连接件固定连接；所述第一钳体和所述第二钳体用于共同夹持所述扭杆的周向侧面；
当所述加载机构向所述扭杆施加的扭矩未达到所述实验预设值时，所述顶推机构沿宽度方向对所述第二钳体施加第一顶推力，以使所述第一钳体和所述第二钳体共同限制所述扭杆的转动；其中，所述宽度方向与所述高度方向和所述长度方向均垂直；
当所述加载机构向所述扭杆施加的扭矩达到所述实验预设值时，所述顶推机构沿所述宽度方向对所述第二钳体施加第二顶推力，以使所述连接件断开并解除对扭杆的转动限制；其中，所述第二顶推力的值大于所述第一顶推力的值。
在本发明一个可选的实施例中，所述夹持释放机构包括第一制动杆，所述第一制动杆的第一端与所述扭杆侧面的第一位置固定连接，所述第一制动杆的第二端沿所述长度方向可移动地设置于所述底座上，所述第一制动杆的轴线垂直于所述扭杆的轴线；
当所述加载机构向所述扭杆施加的扭矩达到实验预设值时，所述第一制动杆被拉断，以使所述扭杆产生扭转波，并通过所述入射杆将所述扭转波传导至所述试样。
在本发明一个可选的实施例中，所述夹持释放机构包括第一钳体、第二钳体、连接件、第一加载液压缸和第二加载液压缸；沿与所述长度方向垂直的高度方向，所述第一钳体的顶端和所述第二钳体的顶端均与所述连接件固定连接；沿与所述长度方向和所述高度方向均垂直的宽度方向，所述第一加载液压缸、所述第一钳体、所述第二钳体和所述第二加载液压缸依次设置，且所述扭杆穿设于所述第一钳体和所述第二钳体之间；所述第一加载液压缸和所述第二加载液压缸分别用于向所述第一钳体和所述第二钳体施加沿所述宽度方向相对的挤压力，以使所述连接件断开。
与现有技术相比，本发明公开的一种基于霍普金森杆的实验装置，包括：底座、入射杆、扭杆、夹持释放机构和加载机构，其中，入射杆沿长度方向可移动地设置于底座上，入射杆的第二端与扭杆的第一端可拆卸连接，且入射杆的第二端嵌入至扭杆的第一端中，或者扭杆的第一端嵌入至入射杆的第二端中；加载机构与扭杆的第二端连接，用于向扭杆施加轴向压力和扭矩；夹持释放机构与扭杆连接，且沿长度方向设置在入射杆和加载机构之间，夹持释放机构用于限制扭杆的转动；当加载机构向扭杆施加的扭矩达到实验预设值时，夹持释放机构解除对扭杆的转动限制。通过采用入射杆的第二端与扭杆的第一端可拆卸连接，且入射杆的第二端嵌入至扭杆的第一端中，或者扭杆的第一端嵌入至入射杆的第二端中，可拆卸嵌入式连接克服之前的连接方式在传递扭转波时，会对扭转波产生干扰，减少在入射杆和扭杆的连接处产生波损失，本发明基于霍普金森杆的实验装置中，由于入射杆和扭杆采用可拆卸嵌入式连接，不仅可减少波在传递过程中的损失，降低实验误差，而且零件数量少，安装过程简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于霍普金森杆的实验装置的俯视图；
图2为本发明实施例提供的一种基于霍普金森杆的实验装置的剖面图；
图3为本发明实施例提供的一种基于霍普金森杆的实验装置中入射杆与扭杆三种结构剖面图；
图4为本发明实施例提供的再一种基于霍普金森杆的实验装置的立体图；
图5为本发明实施例提供的另一种基于霍普金森杆的实验装置的立体图；
图6为本发明实施例提供的一种夹持释放机构的侧视图；
图7为本发明实施例提供的再一种夹持释放机构的立体图；
图8为本发明实施例提供的再一种夹持释放机构的侧视图；
图9为本发明实施例提供的另一种夹持释放机构的侧视图；
图10为本发明实施例提供的又一种夹持释放机构的侧视图；
图11为本发明实施例提供的又一种夹持释放机构的主视图。
附图标记说明：
100-底座，101-底板，102-前挡板，103-后挡板，104-挡板拉杆，105-试样，106-限位结构，107-第三门架，108-第一支撑腿，109-第二支撑腿，110-支撑横梁，111-第一门架，112-第一连杆，113-第二连杆，114-第三连杆，115-第二门架，116-第一滑槽；
200-入射杆；
300-扭杆；
400-夹持释放机构，401-第一钳体，402-第二钳体，403-连接件，404-顶推机构，405-第一制动杆，406-第二制动杆，407-第一限位块，408-第二限位块，409-固定螺栓，410-第一卡环，411-第二卡环，412-第一连接耳，413-第二连接耳，414-第一颈缩部，415-第二颈缩部，416-第一加载液压缸，417-第二加载液压缸，418-连接颈缩部；
500-加载机构，501-第一驱动组件，502-第二驱动组件，503-加载齿轮，504-齿条，505-驱动件，506-驱动齿轮，507-电机，508-控制器，509-制动齿轮；
X-长度方向，Y-宽度方向，Z-高度方向。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、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。
在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。
参考图1-图11，本发明实施例提供了一种基于霍普金森杆的实验装置，包括：底座100、入射杆200、扭杆300、夹持释放机构400和加载机构500，其中，入射杆200沿长度方向X可移动地设置于底座100上，入射杆200的第二端与扭杆300的第一端可拆卸连接，且入射杆200的第二端嵌入至扭杆300的第一端中，或者扭杆300的第一端嵌入至入射杆200的第二端中；加载机构500与扭杆300的第二端连接，用于向扭杆300施加轴向压力和扭矩；夹持释放机构400与扭杆300连接，且沿长度方向X设置在入射杆200和加载机构500之间，夹持释放机构400用于限制扭杆300的转动；当加载机构500向扭杆300施加的扭矩达到实验预设值时，夹持释放机构400解除对扭杆300的转动限制。
本实施例中，高度方向Z与长度方向X垂直，并且霍普金森杆实验装置在使用过程中，高度方向Z通常与水平面垂直。宽度方向Y与高度方向Z和长度方向X均垂直，且霍普金森杆实验装置在使用过程中，宽度方向Y和长度方向X均与水平面平行。
本实施例中，底座100用于装配其他零部件，具体结构形式不限，只要能实现固定和支撑的功能，并且底座100的材料强度能够满足实验要求即可。
可选地，为了使实验装置的结构安排更加合理紧凑，底座100包括底板101以及连接于底板101上的前挡板102和后挡板103，加载机构500远离扭杆300的一侧连接于前挡板102；进行实验的试样105远离扭杆300的端面连接于后挡板103；夹持释放机构400安装在底板101上。
进一步地，为了保证实验效果，并且便于装配，可优选前挡板102和后挡板103相对的两个表面相互平行地设置，且均垂直于长度方向X。
进一步地，为了提高底座100的结构稳固性，防止前挡板102和后挡板103因为在实验中受力产生变形，可优选前挡板102和后挡板103之间连接有多个挡板拉杆104。
本实施例中，入射杆200用于将加载机构500所施加的轴向压力和扭矩传递到试样105上。其中，入射杆200与试样105的连接方式不限，可根据实际应用需求进行合理选择。例如：入射杆200的第一端可以与试样105粘接连接，也可以与限位结构106共同夹持试样105。
此外，在确保满足实验要求的强度的情况下，入射杆200的结构形状不限，例如：入射杆200可以为实心杆状结构、可以为空心杆状结构、可以为中空管状结构等。
本实施例中，入射杆200沿长度方向X可移动地设置于底座100上，可以根据试样105的尺寸、形状和实验需求来灵活地调整入射杆200的位置。其中，入射杆200与底座100的连接方式不限，可根据实际应用需求进行合理选择。
本实施例中，扭杆300用于储存加载机构500所施加扭转变形能和释放扭转变形能以产生扭矩传递给入射杆200，以及将加载机构500向其施加的轴向压力也传递给入射杆200。入射杆200的第二端与扭杆300的第一端采用嵌入式的可拆卸连接方式，具体的嵌入式可拆卸连接形式不限，可根据实际应用需求进行合理选择，例如可以为螺纹连接、内六角连接、锥形连接、弹簧销连接、快速扣环、快速插销和键槽连接等多种连接方式中的至少其一。
本实施例中，加载机构500用于向扭杆300施加轴向压力和扭矩，具体的结构形式不限，可根据实际应用需求进行合理选择。例如加载机构500可以为一体式或者分体式，即加载机构500用于向扭杆300施加轴向压力的部分和用于向扭杆300施加扭矩的部分可以连接设置，也可以分开设置。
本实施例中，夹持释放机构400沿长度方向X设置在入射杆200和加载机构500之间，夹持释放机构400用于当加载机构500向扭杆300施加的扭矩未达到实验预设值时，限制扭杆300的转动；以及当加载机构500向扭杆300施加的扭矩达到实验预设值时，解除对扭杆300的转动限制。夹持释放机构400的具体结构形式不限，可根据实际应用需求进行合理选择。
本实施例中，利用霍普金森杆的实验装置进行实验时，首先，通过沿长度方向X移动安装在底座100上的入射杆200，将试样105夹持在入射杆200的第一端和底座100之间。然后，利用加载机构500向扭杆300的第二端施加扭矩，由于夹持释放机构400限制扭杆300的转动，使得位于夹持释放机构400与加载机构500之间的扭杆300发生扭转变形并储存扭转变形能。当加载机构500向扭杆300施加的扭矩逐渐增加至实验预设值时，夹持释放机构400可解除对扭杆300的转动限制，扭杆300释放所储存的扭转变形能并将产生的扭转波传递至入射杆200，并由入射杆200传递给试样105，从而完成对试样105的扭矩加载。同时加载机构500根据实验要求在设定的时间点向扭杆300第二端施加轴向压力并通过入射杆200传递给试样105，以完成对试样105的轴向压力加载。可见，通过上述实验操作可以实现对试样105的轴向压力和扭矩的复合加载。
可选地，为了节省材料，可优选入射杆200为空心杆状结构。
进一步地，考虑到由于扭杆300需要存储扭转变形能并释放以产生扭矩，相对于入射杆200而言，对扭杆300强度要求更高，所以优选将扭杆300的第一端嵌入至入射杆200的第二端中。其中，入射杆200的第二端的壁厚与入射杆200的第一端的壁厚大小关系不限，可根据实际应用需求进行合理选择，例如：入射杆200的第二端的壁厚可大于入射杆200的第一端的壁厚，或者入射杆200的第二端的壁厚小于入射杆200的第一端的壁厚，又或者入射杆200的第二端的壁厚等于入射杆200的第一端的壁厚。
进一步地，为了保证入射杆200在实验过程中不被损坏，可优选入射杆200的第二端的壁厚大于入射杆200的第一端的壁厚。
可选地，为了便于将入射杆200的第二端与扭杆300的第一端进行可拆卸连接，同时保证结构强度和稳定性，参考图3，可优选入射杆200的第二端与扭杆300的第一端的连接方式为螺纹连接、内六角连接和锥形连接中的一种。
其中，采用螺纹连接方式可以保证连接的稳固性并具有较高的连接强度，使得入射杆200和扭杆300均能够承受较大的轴向压力和扭矩。
采用内六角连接方式由于入射杆200和扭杆300之间具有六个接触位置，使得入射杆200和扭杆300可以承受更大的扭矩。此外，可优选对入射杆200和扭杆300的连接位置进行防滑处理，以提供更好的紧固效果，避免在高扭矩情况下发生滑动。
由于锥形连接方式具有自定位的特点，即在连接过程中，可根据两个锥形表面的形状，自动找到最佳的对位位置，使得入射杆200和扭杆300在装配过程中更容易进行对位及装配，减少了调整和校正的需求。
可选地，为了提高加载机构500的可控性和一致性，可优选加载机构500包括第一驱动组件501和第二驱动组件502，其中，第一驱动组件501与扭杆300的第二端连接，用于向扭杆300施加扭矩；第二驱动组件502用于向所述扭杆300施加轴向压力。
进一步地，为了减少加载机构500所占空间，参考图2，可优选第一驱动组件501和第二驱动组件502一体化连接；沿长度方向X，扭杆300设置在入射杆200和加载机构500之间。
进一步地，为了获得较好的加载效果，参考图4，第一驱动组件501可包括加载齿轮503、与加载齿轮503啮合的齿条504以及驱动齿条504的驱动件505，加载齿轮503套设在扭杆300上且与扭杆300固定连接。其中，驱动件505优选为可进行直线驱动的液压缸、气缸等。通过加载齿轮503向扭杆300施加扭矩，可以确保扭矩加载的持续性和稳定性，确保向扭杆300施加的扭矩按照实验要求在设定时间内增加至实验预设值。
第一驱动组件501可包括驱动件505、驱动齿轮506和加载齿轮503，其中驱动件505与驱动齿轮506连接，驱动齿轮506和加载齿轮503啮合连接，加载齿轮503与扭杆300连接。实验过程中，驱动件505可带动驱动齿轮506旋转，从而使得加载齿轮503带动扭杆300转动。
可选地，为了提高加载机构500对扭杆300所加载的扭矩大小，参考图5，扭杆300的外侧面设有转动齿(未图示)，第一驱动组件501可包括驱动齿轮506和驱动件505，驱动齿轮506与转动齿啮合。实验过程中，驱动件505可带动驱动齿轮506旋转，从而使得驱动齿轮506通过转动齿带动扭杆300转动。
其中，驱动件505只要能够根据试验要求带动驱动齿轮506旋转即可；驱动齿轮506需要满足与扭杆300上的转动齿的连续啮合以向扭杆300施加连续的扭矩。采用驱动齿轮506与转动齿啮合，驱动齿轮506可以连续地通过转动齿向扭杆300施加扭矩，与齿条与转动齿啮合的方式相比，由于驱动齿轮506的旋转角度不受限制，因此其所施加的最大扭矩值仅与驱动齿轮506和转动齿的材料强度有关而不受其转动行程的限定。
其中，扭杆300的外侧面设有转动齿，转动齿的数量只要能够与驱动齿轮506连续啮合，并能够在驱动齿轮506的带动下向扭杆300施加持续的扭矩即可。转动齿的具体设置方式不限，可根据实际应用需求进行合理选择。例如，转动齿可以是与扭杆300一体成型，也可以是固定连接在扭杆300上，还可以是可拆卸连接在扭杆300上。
进一步地，为了实现转动齿的可替换性，霍普金森扭杆实验装置还包括固定在扭杆300的外侧面的加载齿轮503，加载齿轮503包括转动齿。在扭杆300的外侧面固定包括转动齿的加载齿轮503，实现了转动齿与扭杆300的分体设计，可以方便在不同的实验中，根据实验要求更换所需的转动齿；同时在转动齿磨损后，仅需要更换加载齿轮503即可，减少了不必要的浪费。进一步地，为实现加载齿轮503向扭杆300施加的扭矩的加载大小和加载速度的自动化控制，驱动件505可包括电机507，电机507的输出轴与驱动齿轮506连接；加载机构500还包括与电机507电连接的控制器508，控制器508用于控制电机507输出轴的转速。通过控制器508来控制电机507的输出轴的转速，来实现对加载齿轮503向扭杆300所施加的扭矩的精准控制，使得扭矩加载的速度和大小能够满足实验要求。
进一步地，作为驱动机构的电机507可优选为永磁同步电机，永磁同步电机具有构造简单、尺寸小、输出转矩更加平稳、速度响应快且调速范围广等优点，采用永磁同步电动机运行时，可以进一步保证驱动齿轮506向扭杆300施加的扭矩值的准确性，同时又使得驱动齿轮506向扭杆300施加的扭矩的范围更大，以满足不同试验的扭矩调整需求。
优选地，为了确保永磁同步电机输出轴的电磁转矩满足试验要求而能够达到试验预设值，实验过程中，可以通过控制机构控制永磁同步电机的输出轴的转速为ω，ω可通过以下公式确定：
其中，T0为电机507向扭杆300施加的扭矩的试验预设值，即扭矩达到T0时，夹持释放机构400解除对扭杆300的转动限制以使其释放扭转能量；U为电机507电压；Xd为电机507的直轴电抗；Xq为电机507的交轴电抗；E0为电机507的空载反电动势；A为电机507的转矩角；p为电机507极对数；m为电压波动幅值。
进一步地，为了实现对加载齿轮503的准确制动，防止加载齿轮503向扭杆300施加的扭矩达到试验预设值后，还在继续转动向扭杆300施加扭矩，霍普金森杆扭杆实验装置还包括齿轮制动机构(未图示)和扭矩测量器(未图示)，其中，扭矩测量器用于测量加载齿轮503向扭杆300施加的加载扭矩值，并将用于表征加载扭矩值的信号传递出。当加载扭矩值达到试验预设值时，齿轮制动机构对加载齿轮503进行制动。
在试验中，扭矩测量器可将所测得的加载扭矩值传递给齿轮制动机构或者控制机构，以使得齿轮制动机构在加载扭矩值达到试验预设值时能够及时制动加载齿轮503，使得加载齿轮503立即停止转动，从而停止向扭杆300继续施加扭矩，有效防止扭矩加载过大，进一步保障了试验的准确度。
其中，齿轮制动机构的具体结构和制动方式在此不作限制，只要能够实现对加载齿轮503的制动，阻止加载齿轮503继续向扭杆300施加扭矩即可。齿轮制动机构的制动方式例如是可以对加载齿轮503进行直接制动，也可以对驱动齿轮506进行制动以间接对加载齿轮503实现制动，本实施例在此不做限制。
其中，扭矩测量器的结构及信号处理方法在此也不进行限制，只要能够测量并确定出加载齿轮503向扭杆300施加的加载扭矩值即可。例如，扭矩测量器可以为扭矩传感器(未图示)，扭矩传感器通过联轴器(未图示)连接于制动齿轮509与磁粉制动器(未图示)之间，扭杆300所受扭矩能够通过与扭矩传感器电连接的显示仪表显示。
进一步地，为了使得扭杆300在承受扭矩时，其受力更加稳定，齿轮制动机构包括制动齿轮509和用于制动制动齿轮509的齿轮制动器(未图示)，制动齿轮509与加载齿轮503啮合，齿轮制动器与扭矩测量器电连接；当加载扭矩值达到试验预设值时，齿轮制动器控制制动齿轮509对加载齿轮503进行制动。采用制动齿轮509与加载齿轮503啮合，使得加载齿轮503同时与制动齿轮509和驱动齿轮506同时啮合，提高了加载齿轮503工作时的受力稳定性，从而也提高了扭杆300受力的稳定性；而且采用制动齿轮509直接对加载齿轮503进行制动，使得实验装置的内部结构的布局更加紧凑合理，安装更加方便。制动齿轮509和驱动齿轮506的中心轴优选为相对于扭杆300的轴线对称分布。
其中，对制动齿轮509进行制动的齿轮制动器的种类有很多，只要能够实现对制动齿轮509的制动功能就可以，在此对制动器不做限制。
为了进一步提高制动齿轮509的制动转矩的控制精度，制动器优选为磁粉制动器。磁粉制动器是根据电磁原理和利用磁粉传递转矩的，其输出转矩与输入的励磁电流具有良好的线性关系，可通过调节励磁电流来实现对输出转矩的控制，从而达到对加载齿轮503的精准制动。磁粉制动器具有响应速度快、无冲击振动等优点，可以进一步减少试验误差，提高了本发明的实验装置的精确度。
具体地，磁粉制动器在对制动齿轮509进行制动时，所输入的励磁电流I通过以下公式确定：
其中，Dm为磁粉制动器的制动外径；μ0为气隙磁导率；μδ为磁粉磁导率；Lm为磁粉制动器线圈宽度；Rδ为间隙及磁粉总磁阻；Ri为铁磁阻；N为线圈匝数；L为电感量；Sδ为磁粉填充区域垂直于磁路的有效面积；S为拉式变换后的复频率；T0为电机507向扭杆300施加的扭矩的试验预设值。
其中，可以采用张力控制器来控制输入磁粉制动器的励磁电流的数值。
可选地，为了防止在实验过程中试样105移动，实验装置还包括限位结构106，限位结构106的第一端固定在底座100上，限位结构106的第二端朝向入射杆200的第一端；限位结构106用于与入射杆200共同夹持试样105。限位结构106用于与入射杆200共同夹持试样105，限制试样105的移动。其中，限位结构106和试样105的具体形状不限，可根据实际应用需求进行合理选择。例如：限位结构106和试样105沿长度方向X的横截面可以为圆形、矩形、三角形等。
此外，限位结构106和试样105的具体大小关系以及尺寸不限，可根据实际应用需求进行合理选择，例如：沿长度方向X，限位结构106的横截面外边缘的直径可等于试样105的横截面外边缘的直径5-15倍。
进一步地，为了获得更好的限位效果，可优选限位结构106为圆盘状，并且试样105沿长度方向X的横截面外边缘为圆形。
进一步地，为了保证限位结构106具有很大的转动惯量，使得试样105在扭矩的作用下转动时，限位结构106相对于底座100能保持静止。可优选沿长度方向X，限位结构106的横截面外边缘的直径大于或者等于试样105的横截面外边缘的直径8倍。
进一步地，为了方便进行实验操作，可优选将试样105固定设置于入射杆200的第一端，具体设置方式不限，可根据实际应用需求进行合理选择。例如：可以通过胶水将试样105粘接于入射杆200上。
可选地，在夹持释放机构400限制扭杆300转动时，为了使得扭杆300的受力更加稳定，确保扭杆300不会沿宽度方向Y发生偏移，参考图6，夹持释放机构400包括第一钳体401、第二钳体402、连接件403和顶推机构404；第一钳体401和第二钳体402的两端沿高度方向Z设置，第一钳体401的第一端固定于底座100，第二钳体402的第一端可移动地设置于底座100；第一钳体401和第二钳体402的远离底座100的第二端均与连接件403固定连接；第一钳体401和第二钳体402用于共同夹持扭杆300的周向侧面。
当加载机构500向扭杆300施加的扭矩未达到实验预设值时，顶推机构404沿宽度方向Y对第二钳体402施加第一顶推力，以使第一钳体401和第二钳体402共同限制扭杆300的转动；其中，宽度方向Y与高度方向Z和长度方向X均垂直；当加载机构500向扭杆300施加的扭矩达到实验预设值时，顶推机构404沿宽度方向Y对第二钳体402施加第二顶推力，以使连接件403断开并解除对扭杆300的转动限制；其中，第二顶推力的值大于第一顶推力的值。
此外，顶推机构404只要能够将第二钳体402推动至与第一钳体401共同顶紧扭杆300，并保持这种顶紧状态就可以，其具体结构在此不做限制。
第二钳体402的第一端相对底座100可移动地设置，是为了便于顶推机构404推动第二钳体402的第一端朝第一钳体401移动。可移动地设置方式有很多种，例如可以在第二钳体402的第一端的端面设置滚轮，在此不对其做具体限制。
实验过程中，当夹持释放机构400用于限制扭杆300转动时，顶推机构404可推动第二钳体402向第一钳体401移动，直到第一钳体401与第二钳体402共同顶紧扭杆300并保持这种顶紧状态，此时，第一钳体401和第二钳体402夹紧扭杆300的侧面。当加载机构500向扭杆300施加扭矩时，第一钳体401和第二钳体402与扭杆300之间产生较大的摩擦力来限制扭杆300的转动。当向扭杆300施加的扭矩达到实验预设值时，加载机构500停止向扭杆300继续施加扭矩，顶推机构404增加对第二钳体402的侧面的推力直到连接件403断开，从而解除了对第一钳体401和第二钳体402的第二端的束缚，使得第一钳体401和第二钳体402无法夹紧扭杆300，从而允许扭杆300转动以释放所储存的扭转变形能。采用两个钳体来夹持扭杆300以限制扭杆300的转动，可以使得扭杆300在实验过程中的受力更加稳定，不会发生晃动或者偏移现象。
进一步地，为了使得连接件403的断开处位于预先指定位置处，确保实验的顺利进行，连接件403的位于第一钳体401和第二钳体402之间的部分设有连接颈缩部418，沿高度方向Z，连接颈缩部418的横截面积小于连接件403其他部位的横截面积。其中，为了确保在实验过程中连接件403能够断开，连接件403的材料优选为脆性材料。
进一步地，为了简化第一钳体401和第二钳体402的结构，便于对钳体的受力分析和加工制作，第一钳体401设有与扭杆300的第一侧面配合的第一卡紧面，第二钳体402设有与扭杆300的第二侧面配合的第二卡紧面。当第一钳体401和第二钳体402夹紧扭杆300时，第一卡紧面和第二卡紧面相对扭杆300的轴线对称；第一钳体401和第二钳体402的第二端的端面均同时平行于长度方向X和宽度方向Y，即均与水平面平行；第一钳体401的第二端的端面所在平面到扭杆300轴线的最小距离与第二钳体402的第二端的端面所在平面到扭杆300轴线的最小距离相等，即第一钳体401的第二端的端面与第二钳体402的第二端的端面位于同一平面上，并且该平面与水平面平行。此外，连接件403的下表面贴合于第一钳体401的第二端的端面和第二钳体402的第二端的端面。
进一步地，为了有效限制扭杆300的转动，防止因为顶推机构404的顶推力不够而导致扭杆300在加载机构500向其施加的扭矩还未到达实验预设值时发生转动的现象，顶推机构404向第二钳体402施加的第一顶推力的值F1根据下述公式计算确定：
其中，T0为加载机构500向扭杆300施加的扭矩的实验预设值；l为扭杆300被第一钳体401所夹持的侧面的轴向长度；μ为扭杆300被夹持的侧面与第一钳体401之间的静摩擦系数；α为第二钳体402夹持扭杆300时，第二卡紧面环抱扭杆300的环抱角度；L1为第一钳体401的第二端的端面所在平面与扭杆300的轴线之间的最小距离；L2为第一钳体401的第二端的端面所在平面与第二钳体402与顶推机构404抵接部位的中心点之间的最小距离；A1为沿宽度方向Y连接颈缩部418的横截面积；Rm1为连接件403的材料的抗拉强度。
在加载机构500向扭杆300施加的扭矩达到实验预设值之前，顶推机构404向第二钳体402施加的第一顶推力的值F1可以确保第一钳体401和第二钳体402能够抱紧扭杆300防止其发生转动，同时又能防止连接件403被拉断，确保实验的顺利进行。
进一步地，当加载机构500向扭杆300施加的扭矩达到实验预设值时，为了使得连接件403在其连接颈缩部418处断开，顶推机构404施加的第二顶推力的值F2根据下述公式计算确定：
进一步地，为了便于加工和安装，可优选连接件403为方形板，连接件403的沿长度方向X的宽度为5cm,其沿宽度方向Y的长度为13cm,其厚度为2.5cm。
进一步地，在满足实验要求的基础上，为了使得整个实验装置的结构更加紧凑，同时便于实验的操作，第一钳体401和第二钳体402的第一端面均为与第二端面平行的平面，并且第一钳体401的第一端面到第二端面之间的最小距离为50cm，第二钳体402的第一端面到第二端面之间的最小距离为47cm；第一钳体401的第二端面所在平面与扭杆300的轴线之间的最小距离以及第二钳体402的第二端面所在平面到扭杆300轴线之间的最小距离均为17cm。
进一步地，为了在第一卡紧面和第二卡紧面在抱紧扭杆300时能与扭杆300尽可能增大接触面积，第二卡紧面环抱扭杆300的环抱角度α≤165°，由于第一卡紧面与第二卡紧面相对扭杆300轴线对称，因此第一卡紧面环抱扭杆300的环抱角度与第二卡紧面环抱扭杆300的环抱角度相等。环抱角度α优选为165°，可以使得第一卡紧面和第二卡紧面的端部在保持间隔的同时又可以对充分的环抱扭杆300。同时，优选地，扭杆300被第一钳体401夹持的轴向长度为15厘米。
进一步地，为了增加第一卡紧面和第二卡紧面与扭杆300之间的摩擦力，可优选第一卡紧面和第二卡紧面上设有间隔分布的锯齿。
可选地，在加载机构500向扭杆300施加的扭矩达到实验预设值时，为了保证扭杆300可以在自由状态下释放所储存的扭转变形能，即扭杆300可以不受到加载机构500的任何束缚例如摩擦力等，如图7所示，夹持释放机构400包括第一制动杆405，第一制动杆405的第一端与扭杆300侧面的第一位置固定连接，第一制动杆405的第二端沿长度方向X可移动地设置于底座100上，第一制动杆405的轴线垂直于扭杆300的轴线；当加载机构500向扭杆300施加的扭矩达到实验预设值时，第一制动杆405被拉断，以使扭杆300产生扭转波，并通过入射杆200将扭转波传导至试样105。
其中，在实验时，当加载机构500向扭杆300施加扭矩，由于扭杆300的侧面与第一制动杆405的第一端固定连接，而第一制动杆405的第二端沿长度方向X可移动的设置于底座100上，所以当向扭杆300施加扭矩时，第一制动杆405受到沿其轴线方向的拉力，当第一制动杆405所受到的拉力未超过第一制动杆405的材料的抗拉强度时，扭杆300被第一制动杆405所限制，仅在第一制动杆405与加载机构500之间的扭杆300发生扭转变形以储存扭转变形能。当施加在扭杆300上的扭矩逐渐增加至实验预设值时，即第一制动杆405所受的拉力达到其材料本身的抗拉强度时，第一制动杆405断开，此时，扭杆300不再受到第一制动杆405任何限制，扭杆300自由释放所储存的扭转变形能以产生扭转波，并通过入射杆200快速传递给试样105。采用第一制动杆405限制扭杆300的转动，减少了因为采用夹持释放机构400限制扭杆300旋转而导致产生的摩擦力损坏扭杆300的现象，同时避免了扭杆300释放能量时，因为受到夹持释放机构400的摩擦力而产生的实验误差，提高了实验数据的准确度。本实施方式的夹持释放机构400确保了扭杆300可以快速释放扭转变形能，并在释放过程中不受其他外力影响，处于自由释放过程。
进一步地，为了确保在向扭杆300施加扭矩时，扭杆300的侧面受到的制动力更加均匀，本实施例的实验装置还包括第二制动杆406，第二制动杆406的第一端与扭杆300侧面的第二位置固定连接，第二制动杆406的第二端沿长度方向X可移动地设置于底座100上，第二制动杆406的轴线垂直于扭杆300的轴线；当加载机构500向扭杆300施加的扭矩达到实验预设值时，第二制动杆406与第一制动杆405均被拉断，以使扭杆300产生扭转波，并通过入射杆200将扭转波传导至试样105。通过第二制动杆406的第一端与扭杆300侧面的第二位置固定连接，实现了对扭杆300侧面的两个位置的固定连接，可以有效提高扭杆300在实验过程中的稳定性，防止其发生沿垂直于扭杆300轴线方向的偏移，保障了实验结果的准确性。其中，第二制动杆406与第一制动杆405均被拉断，这里指的是第二制动杆406与第一制动杆405被拉断的时间间隔值很短，以使扭杆300失去两个制动杆的束缚；第二制动杆406的第一端与扭杆300侧面的固定连接方式有多种，在此不受限制，只要能够满足将第二制动杆406的第一端固定至扭杆300的侧面即可。其中，第二制动杆406的第二端沿长度方向X可移动地设置于底座100上的实现方式在现有技术中有很多种，在此不受限制，只要满足当扭杆300沿长度方向X移动时，第二制动杆406可以随同扭杆300一起沿长度方向X移动即可。
进一步地，为了简化对扭杆300的受力分析以减少不必要的计算误差，以及为了方便实验人员根据实验需求设计第一制动杆405和第二制动杆406，可优选第一位置与第二位置相对于扭杆300的轴线对称分布，且第一制动杆405从其第一端到其第二端的指向与第二制动杆406从其第一端到其第二端的指向相反。通过对第一制动杆405和第二制动杆406的位置进行如上设置，当对扭杆300施加扭矩时，扭杆300的第一位置与第二位置所受到的拉力方向相反，且受力点相对于扭杆300的轴线对称，可提高实验过程中扭杆300受力的稳定性，进一步保障了实验结果的准确度。
进一步地，为了便于安装和装配，可优选第一制动杆405和第二制动杆406的轴线均垂直于水平面，即均垂直于长度方向X和宽度方向Y。
进一步地，第一制动杆405和第二制动杆406的轴线到扭杆300的轴线的距离相等，这样可以使得两个制动杆所受拉力也相同。具体地，为了便于加工，第一制动杆405和第二制动杆406的结构完全相同，即两个制动杆的材料和尺寸相同。并且为了保证第二制动杆406与第一制动杆405被拉断的时间间隔值很短，可优选第二制动杆406和第一制动杆405与扭杆300侧面的固定连接方式相同。
进一步地，如图8所示，可优选第一制动杆405和第二制动杆406的第一端分别与第一限位块407和第二限位块408的第二端固定连接，第一限位块407和第二限位块408的第一端分别包括与扭杆300侧面形状适配的卡槽，第一限位块407和第二限位块408的第一端分别与扭杆300侧面的第一位置和第二位置固定连接。通过在第一限位块407和第二限位块408的第一端上设置与扭杆300侧面形状适配的卡槽，在安装时，可以快速将第一限位块407和第二限位块408的第一端安装固定于扭杆300的侧面；当在向扭杆300施加扭矩时，与扭杆300侧面形状适配的卡槽可以充分保证第一限位块407和第二限位块408与扭杆300的接触面积，从而保证了第一制动杆405和第二制动杆406与扭杆300之间的连接强度，有效防止在第一限位块407和第二限位块408与扭杆300的连接处断裂；同时第一限位块407和第二限位块408可以起到设定第一制动杆405和第二制动杆406到扭杆300轴线的力臂的作用，根据具体实验需求的力臂来设定第一限位块407和第二限位块408的尺寸。
进一步地，如图9所示，第一制动杆405和第二制动杆406可通过卡箍(未图示)与扭杆300固定连接。卡箍上设有装配孔(未图示)和固定孔(未图示)，扭杆300穿过装配孔，以使得卡箍可套设在扭杆300上；固定螺栓409穿过固定孔与扭杆300的外表面抵接，以使得卡箍可被固定在扭杆300上。第一制动杆405第一端和第二制动杆406第一端分别与卡箍固定连接，从而实现将第一制动杆405和第二制动杆406的第一端固定连接在扭杆300侧面。
其中，在实验过程中，当向扭杆300施加扭矩时，固定螺栓409可限制扭杆300的旋转，并将力传递给卡箍，卡箍在力的作用下产生一个旋转趋势从而分别向第一制动杆405和第二制动杆406施加拉力。当随着向扭杆300施加的扭矩的增加，拉力增加至第一制动杆405和第二制动杆406所承受的抗拉强度时，第一制动杆405和第二制动杆406断开，卡箍失去制动杆的束缚后，在固定螺栓409的连接作用下，跟随扭杆300一起旋转，使得扭杆300释放扭转变形能以产生扭转波，并通过入射杆200快速传递给试样105。
进一步地，为了便于进行安装，卡箍还可包括第一连接耳412和第二连接耳413。在具体安装时，扭杆300穿过卡箍的装配孔，第一制动杆405和第二制动杆406分别与第一连接耳412和第二连接耳413可拆卸地连接。其中，第一制动杆405和第二制动杆406分别与第一连接耳412和第二连接耳413可拆卸地固定连接方式有多种，例如直接螺纹连接、轴肩卡接、螺母连接等，本实施例在此不做限制。
进一步地，为了方便调节第一制动杆405和第二制动杆406到扭杆300的轴线的距离，以达到调节制动杆的相对扭杆300轴线的力臂长度的效果，第一制动杆405和第二制动杆406设置为可分别在第一连接耳412和第二连接耳413上沿同时垂直于扭杆300和制动杆轴线的平面调整位置。其中，实现上述制动杆位置调整的方式的有很多种，例如，可以将第一连接耳412和第二连接耳413的分别与第一制动杆405和第二制动杆406配合的连接孔设置为长条孔。
进一步地，为了能够沿长度方向X调节第一制动杆405和第二制动杆406的第一端在扭杆300上的位置，以便于适应不同的实验要求，扭杆300沿其侧面周向设置有多个用于与固定螺栓409配合的螺纹孔，以使得可通过选择不同的与固定螺栓409配合的螺纹孔，调整所述卡箍在扭杆300上的位置，以保证基于霍普金森杆的实验装置可以更好地满足多样化的实验需求。
进一步地，为了确保在向扭杆300施加扭矩时，扭杆300的侧面受到的阻力更加均匀，可优选在扭杆300的侧面均匀设置至少两个固定螺栓409。例如，为了简化结构，可优选在扭杆300的侧面设置两个相对于扭杆300轴向对称分布的固定螺栓409。
进一步地，为了使卡箍在任何情况下都可以很方便地安装于扭杆300上，如图9所示，卡箍设置为由第一卡环410和第二卡环411对接而成。这样在具体安装实验装置时，无需考虑其他零部件的安装顺序，只需要根据实验要求在扭杆300上选择合适的位置，将两个卡环对接，然后分别通过紧固件将两个卡环固定在扭杆300上即可。例如，第一卡环410和第二卡环411的左右两端分别设有紧固件(未图示)，第一卡环410和第二卡环411的紧固件对接后分别形成卡箍的第一连接耳412和第二连接耳413，可由紧固件将第一连接耳412和第二连接耳413紧固固定。
进一步地，为了使第一制动杆405和第二制动杆406在扭杆300所承受的扭矩达到实验预设值时，可以在其指定位置断开，防止因为断开位置不合适而导致实验的积累误差或者影响最终的实验结果，第一制动杆405包括第一颈缩部414，第一颈缩部414位于第一制动杆405的两端之间，在沿第一制动杆405的长度方向X上，第一颈缩部414的横截面积小于第一制动杆405两端的横截面积；第二制动杆406包括第二颈缩部415，第二颈缩部415位于第二制动杆406的两端之间，在沿第二制动杆406的长度方向X上，第二颈缩部415的横截面积小于第二制动杆406两端的横截面积。因为第一颈缩部414和第二颈缩部415的横截面积分别相对于第一制动杆405和第二制动杆406的其他位置较小，所以当向扭杆300施加的扭矩达到实验预设值时，可以确保第一制动杆405和第二制动杆406分别在其各自的颈缩部位置断开。准确预设制动杆的断开位置，在生产加工制动杆时，可以重点处理制动杆的颈缩部，使其加工精度更高，减少计算误差，同时对于横截面积大于颈缩部的制动杆的其他部分，选择粗加工成形即可，由此可以降低生产加工难度。
进一步地，当第一制动杆405和第二制动杆406的第一端与扭杆300的固定连接采用如图9所示的固定螺栓409和卡箍固定的方式时，为了确保第一制动杆405和第二制动杆406在实验过程中能在第一颈缩部414和第二颈缩部415处断开，第一颈缩部414和第二颈缩部415的轴向横截面积A0可优选通过以下公式计算确定：
其中，Rm1为制动杆的材料抗拉强度；L3为制动杆的轴线到扭杆300的轴线的最小距离；D为扭杆300的外径；d为扭杆300的内径；G为扭杆300的材料剪切模量。L4为截面S1和截面S2之间的最小距离，其中，截面S1和截面S2均与扭杆300的轴线垂直，固定螺栓409与扭杆300外表面接触的中心点位于截面S1上，加载机构500与扭杆300外表面接触的中心点位于截面S2上。为加载机构500向扭杆300施加的扭矩达到实验预设值时，截面S2相对S1的转角。
进一步地，在第一制动杆405和第二制动杆406的材料以及第一颈缩部414和第二颈缩部415的横截面积A0确定的情况下，还可通过调整L4、L3中至少一个值来调整或者预先确定出加载机构500向扭杆300施加的扭矩的实验预设值。
进一步地，为了方便计算，可优选将扭杆300设置为圆柱形，从而可通过下述公式计算第一颈缩部414和第二颈缩部415的轴向横截面积A0：
进一步地，当施加在扭杆300的扭矩达到实验预设值时，为了使第一制动杆405和第二制动杆406能够快速断开，同时又能将第一制动杆405和第二制动杆406在断开前的拉伸变形量控制得到极小，以保证实验结果的准确度，可优选第一制动杆405和第二制动杆406的材料均为脆性材料，以使得第一制动杆405和第二制动杆406在施加在扭杆300的扭矩达到实验预设值时断开。脆性材料的特点就是在外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形就会发生破坏断裂，将第一制动杆405和第二制动杆406均选用脆性材料，可以将断开前的拉伸变形降到很小，与其他材料相比，脆性材料可以充分保证实验结果的准确度。
进一步地，上述脆性材料为聚甲基丙烯酸甲酯材料(PMMA)。聚甲基丙烯酸甲酯具有良好的综合力学性能，在通用塑料中居前列,聚甲基丙烯酸甲酯的拉伸强度可达到50-77MPa水平，力学性能特征基本上属于硬而脆的塑料，且具有缺口敏感性，在应力下易开裂。因此，由聚甲基丙烯酸甲酯材料制成的第一制动杆405和第二制动杆406，可以进一步保证实验结果的准确度。
进一步地，为了实现第二制动杆406的第二端沿长度方向X可移动地设置于底座100上，本实施例的实验装置还包括设置于底座100上的第三门架107，第二制动杆406的第二端固定连接于第三门架107，第三门架107可沿长度方向X相对于底座100移动。当扭杆300沿长度方向X移动时，扭杆300通过第二制动杆406带动第三门架107沿长度方向X相对于底座100移动，从而实现了第二制动杆406与扭杆300的同步移动，方便在入射杆200与限位机构之间安装试样105，同时当加载机构500对扭杆300的第二段施加轴向压力时，第二制动杆406与扭杆300同步移动，可以有效避免外力的干扰，提高实验数据的准确度，同时又可以限制第二制动杆406的旋转，保障实验的顺利进行。
进一步地，为了确保第三门架107的稳定性，防止其在第二制动杆406承受拉力时发生偏转等现象而导致实验失败，如图8所示，第三门架107包括沿长度方向X可移动地设置于底座100上的第一支撑腿108和第二支撑腿109，以及设置于第一支撑腿108和第二支撑腿109之间的支撑横梁110；扭杆300位于第一支撑腿108和第二支撑腿109之间；第二制动杆406的第二端固定在支撑横梁110上，并且位于扭杆300的上方。当向扭杆300施加扭矩时，第二制动杆406向支撑横梁110施加向下的拉力，位于扭杆300两侧的第一支撑腿108和第二支撑腿109可以有效平衡来自第二制动杆406向下的拉力，确保第三门架107可以稳定地设置于底座100上。其中，第一支撑腿108和第二支撑腿109沿长度方向X可移动地设置于底座100上的实现方式有多种，例如，底座100上设有分别与第一支撑腿108和第二支撑腿109的下端配合的第二滑槽。
进一步地，为了减少实验耗材，确保第三门架107可以在多次时间中重复使用，降低实验成本，第二制动杆406的第二端可拆卸地连接于第三门架107。可拆卸地连接方式有多种，在此不做限制。
进一步地，为了实现第一制动杆405的第二端沿长度方向X可移动地设置于底座100上，如图7所示，底座100上设有第一滑槽116,通过第一制动杆405的第二端在第一滑槽116内的滑行，使得第一制动杆405的第二端沿长度方向X移动，从而实现第一制动杆405与扭杆300沿长度方向X的同步移动。
可选地，在夹持释放机构400限制扭杆300转动时，为了使得扭杆300的受力更加均衡，使实验结果更加准确，如图10所示，夹持释放机构400可包括第一钳体401、第二钳体402、连接件403、第一加载液压缸416和第二加载液压缸417；沿与长度方向X垂直的高度方向Z，第一钳体401的顶端和第二钳体402的顶端均与连接件403固定连接；沿与长度方向X和高度方向Z均垂直的宽度方向Y，第一加载液压缸416、第一钳体401、第二钳体402和第二加载液压缸417依次设置，且扭杆300穿设于第一钳体401和第二钳体402之间；第一加载液压缸416和第二加载液压缸417分别用于向第一钳体401和第二钳体402施加沿宽度方向Y相对的挤压力，以使连接件403断开。
其中，第一钳体401和第二钳体402用于共同夹持扭杆300并限制扭杆300的转动，第一钳体401和第二钳体402的具体形状、尺寸和安装位置不限，可根据实际应用需求进行合理选择。例如：第一钳体401和第二钳体402可以相对于于扭杆300对称设置；第一钳体401和第二钳体402还可以在扭杆300两边不对称设置等。
其中，第一钳体401和第二钳体402用于共同夹持扭杆300并限制扭杆300的转动，第一钳体401和第二钳体402的具体形状、尺寸和安装位置不限，可根据实际应用需求进行合理选择。例如：第一钳体401和第二钳体402可以相对于于扭杆300对称设置；第一钳体401和第二钳体402还可以在扭杆300两边不对称设置等。
进一步地，为了便于对连接件403的断裂时间进行精准计算及控制，参见图10，可优选第一钳体401的底端和第二钳体402的底端分别与底座100连接。其中，具体连接方式不限，可根据实际应用需求进行合理选择。例如：铰接、滑动连接、弹性连接、齿轮传动等。
进一步地，为了实现夹持释放机构400的更稳固的夹持扭杆300，可优选第一钳体401和第二钳体402相对于扭杆300的轴线镜像对称设置，且第一加载液压缸416和第二加载液压缸417镜像对称设置。
进一步地，为了使得连接件403的断开处位于预先指定位置处，确保实验的顺利进行，可优选连接件403位于第一钳体401和第二钳体402中间的部分设有连接颈缩部418，连接颈缩部418沿长度方向X的横截面积相同。
进一步地，为了确保在实验过程中连接件403能够断开，可优选连接件403的材料优选为脆性材料。
进一步地，可优选第一钳体401和第二钳体402的底端相对底座100可移动地设置，以便于第一加载液压缸416和第二加载液压缸417推动第一钳体401和第二钳体402移动。其中，第一钳体401、第二钳体402分别与底座100的可移动地设置方式不限，可根据实际应用需求进行合理选择。例如可以在第一钳体401和第二钳体402的底端均设置滚轮；或者在第一钳体401和第二钳体402的底端设置滑槽或者滑块，在底座100上设置与之适配的滑块或者滑槽。
进一步地，为了便于第一钳体401和第二钳体402在底座100上进行装配，可优选沿高度方向Z，第一钳体401的底端和第二钳体402的底端分别与底座100铰接。
进一步地，为了使第一钳体401和第二钳体402与底座100之间可以悬空，并且获得第一钳体401和第二钳体402相对底座100的更大的转动角度，夹持释放机构400还包括第一门架111和第二门架115；第一门架111和第二门架115的底端分别与底座100铰接；第一门架111的顶端与第一钳体401转动连接，以使得第一钳体401可相对于第一门架111沿与长度方向X平行的轴线旋转；第二门架115的顶端与第二钳体402转动连接，以使得第二钳体402可相对于第二门架115沿与长度方向X平行的轴线旋转；第一钳体401和第二钳体402均悬空设置于底座100上。
进一步地，为了使结构更稳固，可优选对第一钳体401的两侧进行支撑。具体而言，参见图11，第一门架111包括第一连杆112、第二连杆113和第三连杆114，其中，第二连杆113沿长度方向X设置，第一钳体401套设在第二连杆113的外侧，且第一钳体401与第二连杆113转动连接；第一连杆112和第三连杆114沿高度方向Z设置，且第一连杆112的底端和第三连杆114的底端分别与底座100铰接，第一连杆112的顶端和第三连杆114的顶端分别与第二连杆113的两端固定连接。当向扭杆300施加扭矩时，第一钳体401相对第二连杆113的转动，同时第一钳体401向第二连杆113的施加向上的拉力，位于扭杆300两侧的第一连杆112和第三连杆114可以有效平衡来自第二连杆113向上的拉力，确保第一门架111可以稳定地设置于底座100上。
进一步地，为了降低生产难度，可优选第一门架111与第二门架115的结构和尺寸均相同。例如，可优选第二门架115对第二钳体402的两侧进行支撑。
进一步地，为了更好的满足不同的实验需求，可优选第一钳体401可相对于第二连杆113沿长度方向X移动，从而实现调整对扭杆300的夹持位置，具体而言，可优选第一钳体401可相对于第二连杆113沿长度方向X移动。
本实施例公开的一种基于霍普金森杆的实验装置通过将入射杆200的第二端与扭杆300的第一端设置成可拆卸连接方式，且入射杆200的第二端嵌入至扭杆300的第一端中，或者扭杆300的第一端嵌入至入射杆200的第二端中，不仅可减少波在传递过程中的损失，降低实验误差，而且零件数量少，安装过程简单。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于霍普金森杆的实验装置，其特征在于，所述实验装置包括：底座、入射杆、扭杆、夹持释放机构和加载机构，其中，
所述入射杆沿长度方向可移动地设置于所述底座上，所述入射杆的第二端与所述扭杆的第一端可拆卸连接，且所述入射杆的第二端嵌入至所述扭杆的第一端中，或者所述扭杆的第一端嵌入至所述入射杆的第二端中；
所述加载机构与所述扭杆的第二端连接，用于向所述扭杆施加轴向压力和扭矩；
所述夹持释放机构与所述扭杆连接，且沿长度方向设置在所述入射杆和所述加载机构之间，所述夹持释放机构用于限制所述扭杆的转动；
当所述加载机构向所述扭杆施加的扭矩达到实验预设值时，所述夹持释放机构解除对所述扭杆的转动限制。
2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述入射杆为空心杆状结构，所述扭杆的第一端嵌入至所述入射杆的第二端中。
3.根据权利要求2所述的实验装置，其特征在于，所述入射杆的第二端的壁厚大于所述入射杆的第一端的壁厚。
4.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述入射杆的第二端与所述扭杆的第一端的连接方式为螺纹连接、内六角连接和锥形连接中的一种。
5.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述加载机构包括第一驱动组件和第二驱动组件，其中，所述第一驱动组件与所述扭杆的第二端连接，用于向所述扭杆施加扭矩；所述第二驱动组件用于向所述扭杆施加轴向压力。
6.根据权利要求5所述的实验装置，其特征在于，所述第一驱动组件和所述第二驱动组件一体化连接；沿所述长度方向，所述扭杆设置在所述入射杆和所述加载机构之间。
7.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括限位结构，所述限位结构的第一端固定在所述底座上，所述限位结构的第二端朝向所述入射杆的第一端；所述限位结构用于与所述入射杆共同夹持试样。
8.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述夹持释放机构包括第一钳体、第二钳体、连接件和顶推机构；所述第一钳体和所述第二钳体的两端沿高度方向设置，所述第一钳体的第一端固定于所述底座，所述第二钳体的第二端可移动地设置于所述底座；所述第一钳体和所述第二钳体的远离所述底座的第二端均与所述连接件固定连接；所述第一钳体和所述第二钳体用于共同夹持所述扭杆的周向侧面；
当所述加载机构向所述扭杆施加的扭矩未达到所述实验预设值时，所述顶推机构沿宽度方向对所述第二钳体施加第一顶推力，以使所述第一钳体和所述第二钳体共同限制所述扭杆的转动；其中，所述宽度方向与所述高度方向和所述长度方向均垂直；
当所述加载机构向所述扭杆施加的扭矩达到所述实验预设值时，所述顶推机构沿所述宽度方向对所述第二钳体施加第二顶推力，以使所述连接件断开并解除对扭杆的转动限制；其中，所述第二顶推力的值大于所述第一顶推力的值。
9.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述夹持释放机构包括第一制动杆，所述第一制动杆的第一端与所述扭杆侧面的第一位置固定连接，所述第一制动杆的第二端沿所述长度方向可移动地设置于所述底座上，所述第一制动杆的轴线垂直于所述扭杆的轴线；
当所述加载机构向所述扭杆施加的扭矩达到实验预设值时，所述第一制动杆被拉断，以使所述扭杆产生扭转波，并通过所述入射杆将所述扭转波传导至所述试样。
10.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述夹持释放机构包括第一钳体、第二钳体、连接件、第一加载液压缸和第二加载液压缸；沿与所述长度方向垂直的高度方向，所述第一钳体的顶端和所述第二钳体的顶端均与所述连接件固定连接；沿与所述长度方向和所述高度方向均垂直的宽度方向，所述第一加载液压缸、所述第一钳体、所述第二钳体和所述第二加载液压缸依次设置，且所述扭杆穿设于所述第一钳体和所述第二钳体之间；所述第一加载液压缸和所述第二加载液压缸分别用于向所述第一钳体和所述第二钳体施加沿所述宽度方向相对的挤压力，以使所述连接件断开。
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