CN117929102B - 动态真三轴电磁霍普金森杆的消除应力空白角装置及方法 - Google Patents

动态真三轴电磁霍普金森杆的消除应力空白角装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种动态真三轴电磁霍普金森杆的消除应力空白角装置及方法。装置包括六片垫片，分别为：第一垫片、第二垫片、第三垫片、第四垫片、第五垫片、第六垫片；还包括导轨封盖，导轨封盖内部设有弹簧。根据动态真三轴电磁霍普金森杆系统设计的一种消除应力空白角互锁式微调节试验装置，实现依据测试试样的尺寸大小调节其与各垫片之间的间距，达到消除试验过中试样内部应力空白角影响及防止霍普金森杆之间相互碰撞产生永久变形的目的。消除应力空白角的可调节试验装置，可消除三轴六向动态冲击试验过程中试样产生的应力空白角影响，便于获取试样真实的动态破坏参数。

Description

动态真三轴电磁霍普金森杆的消除应力空白角装置及方法
技术领域
本发明涉及高端设备制造领域，尤其涉及一种应用于动态真三轴电磁霍普金森杆的消除应力空白角装置及方法。
背景技术
岩石工程在深部应力环境中施工及运行时，通常会受到地震、爆破开挖、机械振动等复杂高应变率工程扰动的影响。传统分离式霍普金森杆系统只能开展单轴方向动荷载冲击加载下岩石、混凝土等工程材料动态破坏行为的研究，专利号US20210318216A1的发明提供了动态真三轴电磁霍普金森杆系统及测试方法，可实现三轴六向同步冲击荷载加载下（即模拟复杂工程扰动）工程材料动态破坏特征的测试。与传统分离式霍普金森杆系统不同的是，传统分离式霍普金森杆系统开展动力学试验时试样只有单轴动荷载作用，侧向无动荷载作用，故无需考虑霍普金森杆之间互相碰撞产生永久变形；动态真三轴电磁霍普金森杆系统开展动力学试验时试样面临着三轴动态荷载作用，通常采用与霍普金森杆同种材质的垫片（截面面积与霍普金森杆相近，小于试样）减小霍普金森杆惯性产生的位移，进而避免霍普金森杆之间相互碰撞产生永久变形。当垫片尺寸小于试样尺寸时，试样在动荷载作用时其内部会产生应力空白角（四周没有直接受力）如图1B所示阴影区域为应力空白角区域，显著影响试样的动态破坏特征参数精度。
发明内容
为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种动态真三轴电磁霍普金森杆的消除应力空白角装置，包括六片垫片，分别为：第一垫片、第二垫片、第三垫片、第四垫片、第五垫片、第六垫片；还包括导轨封盖，导轨封盖内部设有弹簧；
底部的第一垫片右侧设有凸起结构，右侧的第二垫片的底侧设有凹槽，底部第一垫片右侧凸起结构配合右侧第二垫片底侧的凹槽，第一垫片与第二垫片紧密嵌接；
后侧的第三垫片设有凸起结构，底部的第一垫片后侧设有减摩导轨，所述凸起结构在减摩导轨中能够滑动；
前侧第四垫片底侧设有凸起结构，底部第一垫片前侧设有减摩导轨，前侧第四垫片底侧凸起结构嵌于底部第一垫片前侧的减摩导轨中；还包括与第一垫片前侧减摩导轨配合的导轨封盖，导轨封盖的弹簧的中心轴沿着Y方向设置；
顶部第五垫片设有前侧凸起结构及右侧凸起结构，前侧第四垫片设有顶侧的减摩导轨，右侧第二垫片设有顶侧的减摩导轨；前侧第四垫片还设有与第四垫片顶侧减摩导轨配合的导轨封盖，右侧第二垫片还设有与第二垫片顶侧减摩导轨配合的导轨封盖；
第一垫片及第三垫片在X方向长度均小于测试试样X方向长度；
第六垫片左右两侧分别设有能够压缩变形的薄片垫块与长条垫块。
作为本发明的进一步改进，导轨封盖与减摩导轨之间尺寸相差0.05mm。
作为本发明的进一步改进，测试试样尺寸为Lmm+1mm，第一垫片及第三垫片在X方向长度均为Lmm，L为根据实验需要设置的数值。
作为本发明的进一步改进，测试试样尺寸为50mm+1mm，第一垫片及第三垫片在X方向长度均为50mm。
一种动态真三轴电磁霍普金森杆的消除应力空白角的方法，该方法应用上述任意一项所述的装置，进行以下操作：
将底部第一垫片放置平稳，利用第一垫片右侧凸起结构嵌于右侧第二垫片的底侧凹槽中，使第一垫片与第二垫片紧密嵌接；
利用后侧第三垫片的凸起结构将其嵌于底部第一垫片后侧的减摩导轨中，第三垫片相对第一垫片在Z方向能够滑动，使第一垫片与第三垫片相连；
将测试试样放置于第一垫片、第二垫片及第三垫片贴合处并调整垫片与测试试样之间接触直至无缝隙；
放置前侧第四垫片，利用第四垫片底侧凸起结构嵌于底部第一垫片前侧的减摩导轨中，第四垫片相对第一垫片在Y方向能够滑动，调整第四垫片在Y方向的位移，直至其与试样接触面之间在Y方向上无缝隙；
放置第一垫片导轨封盖，放置时，导轨封盖的弹簧的中心轴沿着Y方向，利用导轨封盖内部弹簧的压缩性，第四垫片的凸起结构与第一垫片的导轨封盖接触时使第一垫片的导轨封盖产生压缩变形，将第一垫片的导轨封盖安装至与第一垫片底部，导轨封盖与减摩导轨之间不发生相对位移，达到限制第四垫片相对于第一垫片在Y方向的位移的目的，确保消除应力空白角装置在Y方向不再移动；
放置顶部第五垫片，利用其前侧凸起结构及右侧凸起结构分别嵌于前侧第四垫片顶部的减摩导轨及右侧第二垫片顶侧的减摩导轨中，第五垫片相对于第四垫片及第二垫片在Z方向能够滑动，并与后侧第三垫片顶部紧密接触，调整第五垫片在Z方向的位移，此时第三垫片也随第五垫片在第一垫片后侧的减摩导轨中沿Z方向移动，直至其与试样接触面之间在Z方向无缝隙；
放置第四垫片及第二垫片的导轨封盖，此处两个导轨封盖的弹簧的中心轴沿着Z方向，限制第五垫片在Z方向的位移，固定第五垫片，确保消除应力空白角装置在Z方向不再移动；
压缩第六垫片的薄片垫块；然后压缩第六垫片的长条垫块。
作为本发明的进一步改进，在X方向上，将调整完毕的消除应力空白角装置与测试试样放置于X+向波导杆与X-向波导杆之间，待消除应力空白角装置与波导杆之间紧密贴合直至无缝隙，开展三轴六向同步冲击试验。
作为本发明的进一步改进，六片垫片与波导杆同材质。
作为本发明的进一步改进，第二垫片底侧设有紧固螺栓，旋紧第二垫片底侧的紧固螺栓，使第一垫片与第二垫片紧密嵌接。
作为本发明的进一步改进，第五垫片后侧设有紧固螺栓，旋紧第五垫片后侧的紧固螺栓，确保消除应力空白角装置在Z方向不再移动。
作为本发明的进一步改进，左侧第六垫片包括上侧的紧固螺栓和左侧的紧固螺栓，旋紧第六垫片上侧的紧固螺栓进而压缩薄片垫块；旋紧第六垫片左侧的紧固螺栓压缩长条垫块。
本发明的有益效果是：
根据动态真三轴电磁霍普金森杆系统设计的一种消除应力空白角互锁式微调节试验装置，实现依据测试试样的尺寸大小调节其与各垫片之间的间距，达到消除试验过中试样内部应力空白角影响及防止霍普金森杆之间相互碰撞产生永久变形的目的。 消除应力空白角的可调节试验装置，可消除三轴六向动态冲击试验过程中试样产生的应力空白角影响，便于获取试样真实的动态破坏参数。
本申请利用导轨封盖内部弹簧的可压缩性，垫片的凸起结构与导轨封盖接触时可使封盖产生压缩变形，将导轨封盖安装至与垫片底部，直至导轨封盖无法移动，达到限制垫片在某一方向的位移的目的，确保消除应力空白角装置在该方向不再移动。
附图说明
图1A是现有技术中垫片加载及应力空白角产生示意图；
图1B是现有技术中应力空白角示意图；
图2本申请附加消除应力空白角微调节装置的动态真三轴电磁霍普金森杆系统三维图（以X+方向为例）；
图3 本申请底部第一垫片示意图；
图4 本申请右侧第二垫片示意图；
图5 本申请后侧第三垫片示意图；
图6 本申请前侧第四垫片示意图；
图7 本申请顶部第五垫片示意图；
图8A左侧第六垫片示意图；
图8B薄片垫块与长条垫块示意图；
图9 本申请减摩导轨示意图；
图10A是本申请导轨封盖压缩前的内部结构三维图；
图10B是本申请导轨封盖压缩后的内部结构三维图；
图11A是本申请消除应力空白角装置爆炸图；
图11B是图11A的底部放大图；
图11C是本申请消除应力空白角装置组装三维图；
图11D是本申请消除应力空白角装置另一角度的爆炸图；
图12 本申请消除应力空白角微调节装置组装正视图；
图13 本申请消除应力空白角微调节装置组装侧视图；
图14 本申请消除应力空白角微调节装置组装俯视图。
图中标号对应部件名称如下：1-X轴向辅助滑轨，2- X+向电磁脉冲枪外部保护框，3-X+向电磁脉冲枪支撑底座，4- X+向电磁脉冲枪，5- X轴向支撑平台，6- X+向杆端凸台，7- X+波导杆支撑支座，8-X+向波导杆，9-消除应力空白角装置，10-X-向波导杆，11-X-波导杆支撑支座，12-X-向杆端凸台，13-X-向电磁脉冲枪，14-X-向电磁脉冲枪支撑底座，15-X-向电磁脉冲枪外部保护框，16-X轴向液压顶板，第一垫片的导轨封盖100。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
具体实施方式1：如图2所示，是附加本申请的消除应力空白角微调节装置的动态真三轴电磁霍普金森杆系统三维图（以X向为例），图中部件9是消除应力空白角装置，图中其他部件组成的是动态真三轴电磁霍普金森杆系统现有技术中的系统，图中只是画出了X方向的图形，实际应用中往往是X、Y、Z三轴六向都进行加载。
作为专门应用于动态真三轴电磁霍普金森杆系统的互锁式微调节试验装置（即消除应力空白角装置9），其主要由六片与波导杆同材质的垫片、减摩导轨（见图9）、导轨封盖及多个紧箍螺栓组成。减摩导轨特点：摩擦力小。导轨封盖：见图10A和图10B，导轨封盖底部内置弹簧。
如图11A、图11C及图11D所示，一种动态真三轴电磁霍普金森杆的消除应力空白角装置，包括六片垫片，分别为：第一垫片、第二垫片、第三垫片、第四垫片、第五垫片、第六垫片；还包括导轨封盖，导轨封盖内部设有弹簧。
如图3所示，底部的第一垫片右侧设有凸起结构，如图4所示，右侧的第二垫片的底侧设有凹槽，底部第一垫片右侧凸起结构嵌于右侧第二垫片的底侧凹槽中，第二垫片底侧设有紧固螺栓，紧固螺栓使第一垫片与第二垫片紧密嵌接。
如图5所示，后侧的第三垫片设有凸起结构，底部第一垫片后侧设有减摩导轨，减摩导轨特点：摩擦力小，保证凸起结构在其中能够滑动，利用后侧的第三垫片的凸起结构将第三垫片嵌于底部第一垫片后侧的减摩导轨中，后侧第三垫片相对于底部第一垫片在Z方向（见图11C）能够滑动，使第一垫片与第三垫片相连。
如图6所示，前侧第四垫片底侧设有凸起结构，底部第一垫片前侧设有减摩导轨，前侧第四垫片底侧凸起结构嵌于底部第一垫片前侧的减摩导轨中，此时第四垫片相对于第一垫片在Y方向能够自由滑动；还包括与第一垫片前侧减摩导轨配合的导轨封盖，导轨封盖的弹簧的中心轴沿着Y方向放置。
如图7所示，顶部第五垫片设有前侧凸起结构及右侧凸起结构，前侧第四垫片设有顶侧的减摩导轨，右侧第二垫片设有顶侧的减摩导轨；前侧第四垫片还设有与第四垫片顶侧减摩导轨配合的导轨封盖，右侧第二垫片还设有与第二垫片顶侧减摩导轨配合的导轨封盖；顶部第五垫片在Z方向能够自由滑动，并与后侧第三垫片顶部紧密接触；第五垫片后侧设有紧固螺栓。
第一垫片及第三垫片在X方向长度均小于测试试样X方向长度，保证此时试样X方向左侧会露出部分长度；
如图8A所示，为左侧第六垫片，在第六垫片左右两侧分别放入能够压缩变形的薄片垫块与长条垫块（如图8B所示），旋紧第六垫片上侧的两个紧固螺栓进而压缩薄片垫块，直至第六垫片与试样左侧顶面在Z方向上无缝隙；旋紧第六垫片左侧的两个紧固螺栓压缩长条垫块，直至第六垫片与试样左侧面在X方向上无缝隙。见图12、图13和图14。
具体实施方式2：动态真三轴电磁霍普金森杆的消除应力空白角方法：
如图11A及图11C所示，测试试样尺寸约为50mm（+1mm），将底部第一垫片（见图3）放置固定（放置平稳），利用其右侧凸起结构嵌于右侧第二垫片（见图4）的底侧凹槽中（底侧是指侧面靠近底部的位置，下同），同时旋紧第二垫片底侧的两个（不限于两个，可以为一个或多个）紧固螺栓，使第一垫片与第二垫片紧密嵌接。利用后侧第三垫片（见图5）的凸起结构将其嵌于底部第一垫片后侧的减摩导轨中（Z方向可滑动，方向见图11C），使第一垫片与第三垫片相连。将测试试样放置于第一垫片、第二垫片及第三垫片贴合处并调整之间接触直至无缝隙。放置前侧第四垫片（见图6），利用其底侧凸起结构嵌于底部第一垫片前侧的减摩导轨中（Y方向可滑动），此时第四垫片在Y方向可自由滑动。调整第四垫片在Y方向的位移，直至其与试样接触面之间在Y方向上无缝隙。
放置第一垫片导轨封盖（见图10A、图10B和图11B），利用第一垫片的导轨封盖内部弹簧的可压缩性，第四垫片的凸起结构与第一垫片的导轨封盖接触时使第一垫片的导轨封盖产生压缩变形，将导轨封盖安装至与第一垫片底部，直至导轨封盖无法移动，达到限制第四垫片相对于第一垫片在Y方向的位移的目的，确保消除应力空白角装置在Y方向不再移动。导轨封盖与减摩导轨之间尺寸相差0.05mm，两者之间不发生相对位移。
放置顶部第五垫片（见图7），利用其前侧凸起结构及右侧凸起结构分别嵌于前侧第四垫片顶部的减摩导轨（Z方向可滑动）及右侧第二垫片顶侧的减摩导轨（Z方向可滑动），并与后侧第三垫片顶部紧密接触，此时第五垫片在Z方向可自由滑动。调整第五垫片在Z方向的位移，此时第三垫片也随之在第一垫片后侧的减摩导轨中移动（Z方向），直至其与试样接触面之间在Z方向无缝隙。放置第四垫片及第二垫片的导轨封盖，限制第五垫片在Z方向的位移，同时旋紧第五垫片后侧的两个紧固螺栓（优选两个，不限于两个），确保消除应力空白角装置在Z方向不再移动。第一垫片及第三垫片在X方向长度均为50mm（举例而已，不限于该数值，根据实验要求进行选择），小于测试试样X方向长度，保证此时试样X方向左侧会露出部分长度。放置左侧第六垫片（见图8A），在第六垫片左右两侧分别放入能够压缩变形的薄片垫块与长条垫块（见图8B），旋紧第六垫片上侧的两个（两个为优选）紧固螺栓进而压缩薄片垫块，直至第六垫片与试样左侧顶面在Z方向上无缝隙。旋紧第六垫片左侧的两个（两个为优选）紧固螺栓压缩长条垫块，直至第六垫片与试样左侧面在X方向上无缝隙。至此，测试试样与消除应力空白角装置紧密相连，三轴六向冲击试验过程中试样内无应力空白角产生。
以X+方向的冲击试验为例进行说明，在互锁式微调节模具表面均匀涂抹凡士林，并将调整完毕的消除应力空白角装置与测试试样放置于X+向波导杆8与X-向波导杆10之间。待消除应力空白角装置与波导杆之间紧密贴合直至无缝隙，可开展三轴六向同步冲击试验。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.动态真三轴电磁霍普金森杆的消除应力空白角装置，其特征在于：
包括六片垫片，分别为：第一垫片、第二垫片、第三垫片、第四垫片、第五垫片、第六垫片；还包括导轨封盖，导轨封盖内部设有弹簧；
底部的第一垫片右侧设有凸起结构，右侧的第二垫片的底侧设有凹槽，底部第一垫片右侧凸起结构配合右侧第二垫片底侧的凹槽，第一垫片与第二垫片紧密嵌接；
后侧的第三垫片设有凸起结构，底部的第一垫片后侧设有减摩导轨，所述凸起结构在减摩导轨中能够滑动；
前侧第四垫片底侧设有凸起结构，底部第一垫片前侧设有减摩导轨，前侧第四垫片底侧凸起结构嵌于底部第一垫片前侧的减摩导轨中；还包括与第一垫片前侧减摩导轨配合的导轨封盖，导轨封盖的弹簧的中心轴沿着Y方向设置；
顶部第五垫片设有前侧凸起结构及右侧凸起结构，前侧第四垫片设有顶侧的减摩导轨，右侧第二垫片设有顶侧的减摩导轨；前侧第四垫片还设有与第四垫片顶侧减摩导轨配合的导轨封盖，右侧第二垫片还设有与第二垫片顶侧减摩导轨配合的导轨封盖；
第一垫片及第三垫片在X方向长度均小于测试试样X方向长度；
第六垫片左右两侧分别设有能够压缩变形的薄片垫块与长条垫块；导轨封盖与减摩导轨之间尺寸相差0.05mm；测试试样尺寸为Lmm+1mm，第一垫片及第三垫片在X方向长度均为Lmm，L为根据实验需要设置的数值。
2.根据权利要求1所述的动态真三轴电磁霍普金森杆的消除应力空白角装置，其特征在于：测试试样尺寸为50mm+1mm，第一垫片及第三垫片在X方向长度均为50mm。
3.动态真三轴电磁霍普金森杆的消除应力空白角的方法，其特征在于：该方法应用权利要求1或2任意一项所述的装置，进行以下操作：
将底部第一垫片放置平稳，利用第一垫片右侧凸起结构嵌于右侧第二垫片的底侧凹槽中，使第一垫片与第二垫片紧密嵌接；
利用后侧第三垫片的凸起结构将其嵌于底部第一垫片后侧的减摩导轨中，第三垫片相对第一垫片在Z方向能够滑动，使第一垫片与第三垫片相连；
将测试试样放置于第一垫片、第二垫片及第三垫片贴合处并调整垫片与测试试样之间接触直至无缝隙；
放置前侧第四垫片，利用第四垫片底侧凸起结构嵌于底部第一垫片前侧的减摩导轨中，第四垫片相对第一垫片在Y方向能够滑动，调整第四垫片在Y方向的位移，直至其与试样接触面之间在Y方向上无缝隙；
放置第一垫片导轨封盖，放置时，导轨封盖的弹簧的中心轴沿着Y方向，利用导轨封盖内部弹簧的压缩性，第四垫片的凸起结构与第一垫片的导轨封盖接触时使第一垫片的导轨封盖产生压缩变形，将第一垫片的导轨封盖安装至与第一垫片底部，导轨封盖与减摩导轨之间不发生相对位移，达到限制第四垫片相对于第一垫片在Y方向的位移的目的，确保消除应力空白角装置在Y方向不再移动；
放置顶部第五垫片，利用其前侧凸起结构及右侧凸起结构分别嵌于前侧第四垫片顶部的减摩导轨及右侧第二垫片顶侧的减摩导轨中，第五垫片相对于第四垫片及第二垫片在Z方向能够滑动，并与后侧第三垫片顶部紧密接触，调整第五垫片在Z方向的位移，此时第三垫片也随第五垫片在第一垫片后侧的减摩导轨中沿Z方向移动，直至其与试样接触面之间在Z方向无缝隙；
放置第四垫片及第二垫片的导轨封盖，此处两个导轨封盖的弹簧的中心轴沿着Z方向，限制第五垫片在Z方向的位移，固定第五垫片，确保消除应力空白角装置在Z方向不再移动；
压缩第六垫片的薄片垫块；然后压缩第六垫片的长条垫块。
4.根据权利要求3所述的动态真三轴电磁霍普金森杆的消除应力空白角的方法，其特征在于：在X方向上，将调整完毕的消除应力空白角装置与测试试样放置于X+向波导杆与X-向波导杆之间，待消除应力空白角装置与波导杆之间紧密贴合直至无缝隙，开展三轴六向同步冲击试验。
5.根据权利要求4所述的动态真三轴电磁霍普金森杆的消除应力空白角的方法，其特征在于：六片垫片与波导杆同材质。
6.根据权利要求3所述的动态真三轴电磁霍普金森杆的消除应力空白角的方法，其特征在于：第二垫片底侧设有紧固螺栓，旋紧第二垫片底侧的紧固螺栓，使第一垫片与第二垫片紧密嵌接。
7.根据权利要求3所述的动态真三轴电磁霍普金森杆的消除应力空白角的方法，其特征在于：第五垫片后侧设有紧固螺栓，旋紧第五垫片后侧的紧固螺栓，确保消除应力空白角装置在Z方向不再移动。
8.根据权利要求3所述的动态真三轴电磁霍普金森杆的消除应力空白角的方法，其特征在于：左侧第六垫片包括上侧的紧固螺栓和左侧的紧固螺栓，旋紧第六垫片上侧的紧固螺栓进而压缩薄片垫块；旋紧第六垫片左侧的紧固螺栓压缩长条垫块。
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