CN117606911A - 微米尺度材料动态力学性能测试的霍普金森微米杆装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了微米尺度材料动态力学性能测试的霍普金森微米杆装置，属于材料力学试验技术领域，包括隔振平台和装置本体，所述装置本体由支撑单元、杆组单元、辅助加载单元、气动发射单元和应力应变测试单元。本发明通过将杆的直径极大程度的微型化以实现微尺度材料试样的超高应变率动态力学性能测试，可以获得比传统霍普金森压杆更高的应变率，并可以更好的适应微米级的试样，实现对微米级试样动态力学性能的测试，更好的填补高应变率范围内微观材料试验数据的缺乏，以便构建覆盖整个全应变率及全尺寸范围内的新型材料模型，通过辅助对中装置将微型试样进行水平对中加持，解决了微型试样加持对中的困难，让试验加载更加便捷。

Description

微米尺度材料动态力学性能测试的霍普金森微米杆装置
技术领域
本发明涉及材料力学试验技术领域，尤其涉及微米尺度材料动态力学性能测试的霍普金森微米杆装置。
背景技术
在航空航天、兵器、船舶、新能源汽车等领域材料经常受到冲击、爆炸等动态载荷的作用，例如飞机在飞行过程中受到鸟撞、导弹发射时对于发射基座的反冲作用、船舶行驶中遇到海浪的冲击等等。这些作用都可能会使材料失效，而导致系统受到严重损坏甚至丧失功能。因此，结构抗冲击、抗爆炸优化设计是预防结构失效的有效方法，而其中材料动态力学性能的测量对于结构抗冲击、抗爆炸优化设计至关重要。目前，测量材料在高应变率下的动态力学性能时，使用最广泛的就是分离式霍普金森压杆（简称SHPB）技术，这一方法的基本原理是：将短试样放置于两根压杆之间，通过加速的质量块、短杆撞击或炸药爆炸产生加速脉冲，对试样进行冲击加载。如果压杆保持弹性状态，则杆中的脉冲将以弹性波速无失真地传播。通过在输入杆和输出杆上分别粘贴应变片测量杆上的应变信号（脉冲信号），基于一维波理论，计算材料的应力和应变历史以及材料的应变率-时间曲线，获得材料的动态力学性能。
随着各工程领域对新材料需求的不断提高，薄膜、纤维等低维材料、MEMS微结构等微器件以及可用于无人机和航天器零部件的非线性椭圆齿轮力学超材料、用于可重复使用的冲击防护系统的三维机械像素超材料等微米级材料的动态力学性能已成为关注的热点。然而，受到应变片尺寸限制，传统的SHPB技术使用3mm以上直径的钢/铝杆，无法对与其阻抗差异较大的微米级材料进行动态力学加载和性能测试。
例如，在公布号为CN108387464A的中国专利申请中，提出了一种磁阻式拉压双层霍普金森杆系统，该装置的杆的直径是在12mm到25mm之间，不能实现微米尺度的超高应变率测试。通过缩小输入杆和输出杆的直径至微米尺度，以匹配杆件和被测材料阻抗是实现微米尺度材料动态力学性能测试的有效方法。
例如，在公布号为CN102135480A的中国专利申请中，提出了一种杆直径为500微米的微型试件冲击加载与动态力学性能测量系统及方法，该方法引入电磁驱动子弹撞击加载的方法，同时由于电磁驱动装置的体积要远小于压缩气体炮驱动装置，从而使整个装置的尺寸缩小到了桌面级，但是其输入杆和输出杆直径在毫米级，仍然难以实现对更小微米尺度（如直径为100μm）材料的动态力学性能测量。
其主要难点包括以下三点：1.微米尺度输入杆和输出杆的加工制造难度较大；2.微米尺度试样安装困难；3.杆件的微小尺度导致传统霍普金森杆装置中的应变片无法安装，需要全新的杆件动态应变高精度和高采样率量测方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，而提出的微米尺度材料动态力学性能测试的霍普金森微米杆装置。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
微米尺度材料动态力学性能测试的霍普金森微米杆装置，包括隔振平台和装置本体，所述装置本体由支撑单元、杆组单元、辅助加载单元、气动发射单元和应力应变测试单元；
所述支撑单元包括固定式光学平板、支撑杆、合金底座和支撑铜套，所述合金底座设置在固定式光学平板上表面，所述合金底座上开设有供支撑铜套进行安装的凹槽；
所述杆组单元包括撞击杆、入射杆和透射杆，所述入射杆、撞击杆和透射杆均设置在支撑铜套的凹槽内，且所述撞击杆、入射杆和透射杆呈同轴线设置；
所述辅助加载单元包括双侧摄像头、摄像头夹具、x-z双轴位移台、活动式光学平板、转接座和专用于纤维束的夹持装置；
所述气动发射单元包括发射炮筒、炮筒夹持、电磁气阀、气罐和充气设备；
所述应力应变测试单元包括粘附于入射杆和透射杆中点的光纤光栅、可调谐激光器、光电探测器、环形器、放大器和示波器。
优选地，所述撞击杆设置在发射炮筒内，所述活动式光学平板从固定式光学平板下穿过，且所述夹具口部中点、入射杆、透射杆、试样轴线高度、支撑铜套轴线和合金底座上表面在同一平面上。
优选地，所述双侧摄像头通过摄像头夹具安装在隔振平台上，所述转接座固定设置在隔振平台上，所述x-z双轴位移台通过螺栓固定于转接座上，所述活动式光学平板通过螺栓固定在x-z双轴位移台上表面，所述专用于纤维束的夹持装置直接通过螺栓固定在活动式光学平板两侧。
优选地，所述气动发射单元用于间接给试样施加高速冲击载荷，使试样获得高应变率的冲击。
优选地，所述应力应变测试单元由可调谐激光器产生光信号利用光纤传输，传输到粘附于入射杆和透射杆中部光纤光栅处。
优选地，所述光纤光栅作为敏感元件可以感受到杆的微小应变，使得光纤中光信号相位发生改变，通过环形器将光信号传递给光电探测器转化成微小电信号，再通过放大器放大，传入示波器显示入射杆与透射杆的应变状态。
相比现有技术，本发明的有益效果为：
本发明将杆的直径极大程度的微型化以实现微尺度材料试样的超高应变率动态力学性能测试，可以获得比传统霍普金森压杆更高的应变率；
本发明可以更好的适应微米级的试样，实现对微米级试样动态力学性能的测试，更好的填补高应变率范围内微观材料试验数据的缺乏，以便构建覆盖整个全应变率及全尺寸范围内的新型材料模型；
本发明通过辅助对中装置将微型试样进行水平对中加持，解决了微型试样加持对中的困难，让试验加载更加便捷；
本发明利用光纤传感技术得到待测试件的动态力学测试结果解决了较小直径的杆无法粘贴应变片测量的问题。
附图说明
图1为本发明提出的微米尺度材料动态力学性能测试的霍普金森微米杆装置的结构示意图；
图2为本发明提出的微米尺度材料动态力学性能测试的霍普金森微米杆装置的控制系统示意图；
图3为本发明中图1中A处的放大结构示意图。
图中：1、可调谐激光器；2、光电探测器；3、环形器；4、放大器；5、示波器；6、支撑杆；7、固定式光学平板；8、合金底座；9、支撑铜套；10、撞击杆；11、入射杆；12、透射杆；13、双侧摄像头；14、摄像头夹具；15、x-z双轴位移台；16、活动式光学平板；17、转接座；18、专用于纤维束的夹持装置；19、发射炮筒；20、炮筒夹持；21、电磁气阀；22、气罐；23、充气设备；24、光纤光栅。
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。
实施例，参照图1-3，微米尺度材料动态力学性能测试的霍普金森微米杆装置，包括隔振平台和装置本体，装置本体由支撑单元、杆组单元、辅助加载单元、气动发射单元和应力应变测试单元；
支撑单元与杆组单元和辅助加载单元相连接，用于对整个微米杆系统提供一个稳定的加载支撑；
支撑单元包括固定式光学平板7、支撑杆6、合金底座8和支撑铜套9，合金底座8设置在固定式光学平板7上表面，合金底座8上开设有供支撑铜套9进行安装的凹槽；
其中支撑杆6固定于固定式光学平板7下，使固定式光学平板7与工作台固定，减少实验中的振动；合金底座8固定于固定式光学平板7上，将支撑铜套9放置于合金底座8中设置好的凹槽中，每个支撑铜套9中心开了固定大小的孔，以连接杆组单元。杆组单元包括撞击杆10、入射杆11和透射杆12，入射杆11、撞击杆10和透射杆12均设置在支撑铜套9的凹槽内，且撞击杆10、入射杆11和透射杆12呈同轴线设置；
其中需要说明的是：支撑铜套9置于合金底座8之间的距离设置，由冲击时透射杆12压杆稳定临界值确定，其中透射杆12所用材料弹性模量约为450MPa，通过压杆稳定的直线经验公式： 是材料被压坏的临界应力，/>是杆的柔度（柔度由公式/>，，/>确定，其中A是杆的截面积，l是杆长，/>是长度因数）
和应力计算公式：满足条件：/>可以得出支撑铜套9之间的最大距离。
入射杆11和透射杆12，由超高应变率冲击情况下应力波的传播规律确定长度尺寸，适用于超高应变率冲击状态下的应变信号测量。
应力应变测量单元，通过粘附于入射杆11与透射杆12的中点测量两杆不同的应变变化，从而演算出试样的应变。
撞击杆10设置在发射炮筒19内，活动式光学平板16从固定式光学平板7下穿过，且夹具口部中点、入射杆11、透射杆12、试样轴线高度、支撑铜套9轴线和合金底座8上表面在同一平面上。
如图1所示，辅助加载单元可以更加准确快捷地将被测试样放入入射杆和透射杆中进行加载，辅助加载单元包括双侧摄像头13、摄像头夹具14、x-z双轴位移台15、活动式光学平板16、转接座17和专用于纤维束的夹持装置18；
进一步地，双侧摄像头13通过摄像头夹具14安装在隔振平台上，转接座17固定设置在隔振平台上，x-z双轴位移台15通过螺栓固定于转接座17上，活动式光学平板16通过螺栓固定在x-z双轴位移台15上表面，专用于纤维束的夹持装置18直接通过螺栓固定在活动式光学平板16两侧；
双侧摄像头13和右侧摄像头通过摄像头夹具14加持，同时可以通过摄像头夹具14调节高度和旋转角度以便于观察；活动式光学平板16固定在x-z双轴位移台15上，专用于纤维束的夹持装置18对称安装在活动式光学平板16上；
纤维试样通过专用于纤维束的夹持装置18夹持，调节固定在x-z双轴位移台15可以将试样向x方向和z方向进行微调，以实现良好的对中，从而进行横向压缩。
气动发射单元用于间接给试样施加高速冲击载荷，使试样获得高应变率的冲击，气动发射单元包括发射炮筒19、炮筒夹持20、电磁气阀21、气罐22和充气设备23；
利用气动发射技术为该系统提供动力，使安装在发射单元上的发射炮筒19内的撞击杆10获得瞬间加速，并高速发射出去。
值得注意的是：充气设备23为手动压缩式打气筒，可向气罐22中打入空气，达到一定的气压。电磁气阀21与气罐22连接，按动电磁气阀21开关，气罐22释放气压，从而推动发射炮筒19内的撞击杆10高速运动，从而控制整个气动单元的发射；发射炮筒19安装在炮筒夹持20上，撞击杆10作为子弹可以在炮筒里面发射，炮筒夹持20可以使撞击杆10沿着轴线稳定发射，减少发射时的振动影响。
应力应变测试单元包括粘附于入射杆11和透射杆12中点的光纤光栅24、可调谐激光器1、光电探测器2、环形器3、放大器4和示波器5，光纤光栅24粘附于入射杆11中点和透射杆12中点，当入射杆11和透射杆12的应变发生变化时，光纤光栅24的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量应力、应变变化前后反射光波长的变化就可以测得入射杆11和透射杆12应力应变变化；可调谐激光器1可以发射一定波长的激光，通过光电探测器2与环形器3相连，环形器3可以实现单根光纤上的双向光信号传输，将携带应力、应变信息的激光传输到放大器4中，将放大器4与示波器5连接，从而将光信号转变为可视的电信号，进行数据分析完成应力应变的测试。
应力应变测试单元是用于记录微米杆装置上入射杆11和入射杆11的应变数据，从而进行数据分析，得到相应的应力应变曲线；应力应变测试单元由可调谐激光器1产生光信号利用光纤传输，传输到粘附于入射杆11和透射杆12中部光纤光栅24处，光纤光栅24作为敏感元件可以感受到杆的微小应变，使得光纤中光信号相位发生改变，通过环形器3将光信号传递给光电探测器2转化成微小电信号，再通过放大器4放大，传入示波器5显示入射杆11与透射杆12的应变状态。
本发明通过辅助加载单元将微型试样进行水平对中夹持，并利用气动发射装置提供动力进行冲击试验，以及光纤传感技术得到待测试件的动态力学测试结果；从而将霍普金森杆的尺寸进一步微型化进而实现对微米级试样的高应变率测试，更好的填补高应变率范围内微观材料试验数据的缺乏，以便构建覆盖整个尺度范围内的材料冲击失效模型。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.微米尺度材料动态力学性能测试的霍普金森微米杆装置，包括隔振平台和装置本体，其特征在于，所述装置本体由支撑单元、杆组单元、辅助加载单元、气动发射单元和应力应变测试单元；
所述支撑单元包括固定式光学平板（7）、支撑杆（6）、合金底座（8）和支撑铜套（9），所述合金底座（8）设置在固定式光学平板（7）上表面，所述合金底座（8）上开设有供支撑铜套（9）进行安装的凹槽；
所述杆组单元包括撞击杆（10）、入射杆（11）和透射杆（12），所述入射杆（11）、撞击杆（10）和透射杆（12）均设置在支撑铜套（9）的凹槽内，且所述撞击杆（10）、入射杆（11）和透射杆（12）呈同轴线设置；
所述辅助加载单元包括双侧摄像头（13）、摄像头夹具（14）、x-z双轴位移台（15）、活动式光学平板（16）、转接座（17）和专用于纤维束的夹持装置（18）；
所述气动发射单元包括发射炮筒（19）、炮筒夹持（20）、电磁气阀（21）、气罐（22）和充气设备（23）；
所述应力应变测试单元包括粘附于入射杆（11）和透射杆（12）中点的光纤光栅（24）、可调谐激光器（1）、光电探测器（2）、环形器（3）、放大器（4）和示波器（5）。
2.根据权利要求1所述的微米尺度材料动态力学性能测试的霍普金森微米杆装置，其特征在于，所述撞击杆（10）设置在发射炮筒（19）内，所述活动式光学平板（16）从固定式光学平板（7）下穿过，且所述夹具口部中点、入射杆（11）、透射杆（12）、试样轴线高度、支撑铜套（9）轴线和合金底座（8）上表面在同一平面上。
3.根据权利要求1所述的微米尺度材料动态力学性能测试的霍普金森微米杆装置，其特征在于，所述双侧摄像头（13）通过摄像头夹具（14）安装在隔振平台上，所述转接座（17）固定设置在隔振平台上，所述x-z双轴位移台（15）通过螺栓固定于转接座（17）上，所述活动式光学平板（16）通过螺栓固定在x-z双轴位移台（15）上表面，所述专用于纤维束的夹持装置（18）直接通过螺栓固定在活动式光学平板（16）两侧。
4.根据权利要求1所述的微米尺度材料动态力学性能测试的霍普金森微米杆装置，其特征在于，所述气动发射单元用于间接给试样施加高速冲击载荷，使试样获得高应变率的冲击。
5.根据权利要求1所述的微米尺度材料动态力学性能测试的霍普金森微米杆装置，其特征在于，所述应力应变测试单元由可调谐激光器（1）产生光信号利用光纤传输，传输到粘附于入射杆（11）和透射杆（12）中部光纤光栅（24）处。
6.根据权利要求1所述的微米尺度材料动态力学性能测试的霍普金森微米杆装置，其特征在于，所述光纤光栅（24）作为敏感元件可以感受到杆的微小应变，使得光纤中光信号相位发生改变，通过环形器（3）将光信号传递给光电探测器（2）转化成微小电信号，再通过放大器（4）放大，传入示波器（5）显示入射杆（11）与透射杆（12）的应变状态。
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