CN118168962A - 一种基于霍普金森压杆的单脉冲实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于霍普金森压杆的单脉冲实验装置及实验方法，该装置包括实验总成和脉冲控制总成，所述实验总成包括动力发生机构、入射杆和透射杆，所述入射杆和所述透射杆之间用于放置试样，所述试样用于承载并传递所述入射杆传输的动载压缩波；其中，所述脉冲控制总成包括：伸缩组件，内部中空且与所述透射杆连接；弹性组件以及齿轮调节机构，均位于所述伸缩组件内，且分别与所述伸缩组件的对应位置连接；其中，所述齿轮调节机构被配置为带动所述伸缩组件在第一位置状态和第二位置状态之间切换。通过本发明提供的装置，解决了当今的实验装置无法实现霍普金森压杆单脉冲加载的问题。

Description

一种基于霍普金森压杆的单脉冲实验装置及实验方法

技术领域

本申请涉及材料力学测试技术领域，特别是涉及一种基于霍普金森压杆的单脉冲实验装置及实验方法。

背景技术

分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB）实验是一种常用的材料力学实验方法，可以用于测量材料在动态冲击荷载下的动态力学性能。在使用SHPB实验系统进行岩石等试样动态力学特性测试时，试样的物理力学性质变化的监测通常是按照试样受一次动态加载过程后所产生的变化。

在常规的SHPB实验中，由于杆体与试样之间存在边界效应，反射拉伸波在入射杆与试样的接触端会再反射形成二次压缩波，导致对试样造成重复加载，从而无法使试样承受单一动载压缩波作用。而大部分试样在实际工程中并不存在边界，因此在真实的试样实验条件下，并不会产生重复加载。因此在SHPB实验中，试样的动态力学响应的监测结果与试样实际产生的动态响应不一致，导致动载力学测试实验结果不准确。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的之一在于提供一种基于霍普金森压杆的单脉冲实验装置，以解决当今的实验装置无法实现霍普金森压杆单脉冲加载的问题。本发明目的之二在于提供一种霍普金森压杆实验方法，实现在单一脉冲作用下试样的动态力学特性的精确测试。

为实现目的之一，本发明第一方面提供了一种基于霍普金森压杆的单脉冲实验装置，所采用的技术方案是：

一种基于霍普金森压杆的单脉冲实验装置，包括实验总成和脉冲控制总成，所述实验总成包括动力发生机构、入射杆和透射杆，所述入射杆和所述透射杆之间用于放置试样，所述试样用于承载并传递所述入射杆传输的动载压缩波；其中，

所述脉冲控制总成包括：

伸缩组件，内部中空且与所述透射杆连接；

弹性组件以及齿轮调节机构，均位于所述伸缩组件内，且分别与所述伸缩组件的对应位置连接；其中，

所述齿轮调节机构被配置为带动所述伸缩组件在第一位置状态和第二位置状态之间切换；

其中，当所述伸缩组件首次接收到所述透射杆所传播的动载压缩波时，驱动所述齿轮调节机构带动所述伸缩组件从所述第一位置状态切换至所述第二位置状态，以沿所述动载压缩波的传输方向，通过所述弹性组件带动所述伸缩组件收缩，从而使所述透射杆与所述试样脱离接触。

可选地，所述伸缩组件包括沿轴向顺次设置的：

第一中空杆，与所述透射杆连接；

第二中空杆，与所述第一中空杆活动嵌接；

第三中空杆，与所述第二中空杆活动嵌接；

其中，所述第二中空杆上开设有至少一个窗口，所述第三中空杆上设置有至少一个卡扣；每个所述窗口与每个所述卡扣的位置相对；

当所述伸缩组件处于所述第一位置状态时，每个所述卡扣卡合在每个所述窗口内，当所述伸缩组件处于所述第二位置状态时，每个所述卡扣脱离每个所述窗口。

可选地，所述弹性组件包括：

拉伸弹簧组，两端分别与所述第二中空杆和所述第三中空杆连接；

当所述伸缩组件处于所述第一位置状态时，所述拉伸弹簧组处于拉伸状态；当所述伸缩组件处于所述第二位置状态时，所述拉伸弹簧组拉动所述第二中空杆和所述第三中空杆相互靠近，以使所述伸缩组件收缩。

可选地，所述弹性组件还包括：

第一压缩弹簧组，位于所述第一中空杆和所述第二中空杆之间；

当所述伸缩组件处于所述第一位置状态时，所述第一压缩弹簧组处于压缩状态。

可选地，所述弹性组件还包括：

第二压缩弹簧组，位于所述第三中空杆内且靠近所述卡扣；

当所述伸缩组件处于所述第一位置状态时，所述第二压缩弹簧组处于压缩状态，以限制所述卡扣脱离所述窗口。

可选地，所述齿轮调节机构包括：

齿轮中心杆，设置在所述第三中空杆上；

主动齿轮和从动齿轮，均套接在所述齿轮中心杆的外周；

主动齿条，一端设置在所述第一中空杆上，另一端延伸穿过所述第二中空杆与所述主动齿轮啮合；

至少一个从动齿条，与至少一个所述卡扣对应连接，且分别与所述从动齿轮啮合。

可选地，所述主动齿条远离所述主动齿轮的一侧设置有限位块。

可选地，所述入射杆的长度为所述透射杆的长度的两倍。

可选地，所述实验总成还包括：

液压千斤顶，与所述伸缩组件远离所述透射杆的一端连接。

为实现目的之二，本发明第二方面提供了一种霍普金森压杆实验方法，依赖于本发明第一方面所提供的基于霍普金森压杆的单脉冲实验装置进行试样的动态力学特性测试，方法包括：

将脉冲控制总成调整至初始状态，所述初始状态表征为伸缩组件处于第一位置状态；

将试样放置在入射杆和透射杆之间；

通过动力发生机构中的撞击杆撞击所述入射杆产生动载压缩波，所述动载压缩波依次传输至所述入射杆、所述试样、所述透射杆和所述脉冲控制总成上；

采集并测量所述动载压缩波，完成所述试样的动态力学特性的测试；

其中，所述动载压缩波经过所述脉冲控制总成的所述伸缩组件时，驱动齿轮调节机构带动所述伸缩组件从所述第一位置状态切换至第二位置状态，以沿所述动载压缩波的传输方向，弹性组件带动所述伸缩组件收缩，从而使所述透射杆与所述试样脱离接触。

与现有技术相比，本申请包括以下优点：

一种基于霍普金森压杆的单脉冲实验装置，包括实验总成和脉冲控制总成，所述实验总成包括动力发生机构、入射杆和透射杆，所述入射杆和所述透射杆之间用于放置试样，所述试样用于承载并传递所述入射杆传输的动载压缩波；其中，所述脉冲控制总成包括：伸缩组件，内部中空且与所述透射杆连接；弹性组件以及齿轮调节机构，均位于所述伸缩组件内，且分别与所述伸缩组件的对应位置连接；其中，所述齿轮调节机构被配置为带动所述伸缩组件在第一位置状态和第二位置状态之间切换；其中，当所述伸缩组件首次接收到所述透射杆所传播的动载压缩波时，驱动所述齿轮调节机构带动所述伸缩组件从所述第一位置状态切换至所述第二位置状态，以沿所述动载压缩波的传输方向，通过所述弹性组件带动所述伸缩组件收缩，从而使所述透射杆与所述试样脱离接触。

通过采用本申请的方案，当对试样进行动态力学性能测试时，动力发生机构冲击入射杆产生动载压缩波，该动载压缩波通过入射杆经过试样传输到透射杆上。在试样受到第一次冲击波的作用时，脉冲控制总成起到关键作用：初始状态下，脉冲控制总成处于第一位置状态，当动载压缩波经过透射杆传递到脉冲控制总成时，触发齿轮调节机构被激活，驱动伸缩组件从第一位置状态切换至第二位置状态，当伸缩组件处于第二位置状态时，弹性组件的弹性作用力发挥作用，带动伸缩组件收缩，伸缩组件的收缩导致透射杆与试样脱离接触。

如此在受到首次冲击后脉冲控制总成可以主动缩短长度，导致试样后端丧失支撑基础从而使后续动载冲击波无法作用在试样上，从而在结构上实现了霍普金森压杆实验的单脉冲加载。

如此，单脉冲加载更真实模拟出试样的真实动态加载环境，因此实验结果与实际试样在无边界条件下的动态响应一致，从而使得实验结果能够准确反映出材料在实际工程条件下的动态响应。该研究有助于了解材料在高速动态加载条件下的真实行为和性能，对工程设计、材料优化以及对材料性能的评估和预测提供更可靠的技术支撑。

所述方法与上述装置相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对本申请的描述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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1本申请一实施例所述基于霍普金森压杆的单脉冲实验装置的整体结构示意图；

图2本申请一实施例所述脉冲控制总成的整体结构剖视图；

图3是本申请一实施例所述霍普金森压杆实验方法的步骤流程图。

附图标记说明：

1、脉冲控制总成；11、第一中空杆；12、第二中空杆；13、第三中空杆；14、第一压缩弹簧组；15、拉伸弹簧组；16、第二压缩弹簧组；17、齿轮中心杆；18、主动齿轮；19、从动齿轮；110、主动齿条；111、第一从动齿条；112、第二从动齿条；113、限位块；2、动力发生机构；3、撞击杆；4、入射杆；5、试样；6、液压千斤顶；7、透射杆；8、实验台。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本文所提的采用SHPB实验系统进行动态力学特性测试是指监测试样5在受到高速动态加载时所表现出的各种物理特性和性质的变化，如损伤与裂纹扩展、残余强度等。其中试样5可以是指岩石、混凝土、陶瓷等材料，或者塑料、复合材料、泡沫材料、减震材料等材料，又或者高聚物、炸药、固体推动剂材料等。

需要强调的是，本发明的装置特别适用于煤岩等脆性材料的研究测试，在采矿工程与深部岩土工程的环境下，工程结构常常遭受动荷载冲击，研究动载冲击下材料的力学特性对于围岩稳定性控制具有重要意义。根据背景技术中所提到的问题，在真实的岩石动态加载条件下，岩样通常是受到单一动载压缩波的作用，而不会受到边界效应的影响。为了准确的描述与监测岩样受单次动载冲击后形态与力学特征的变化，必须精确控制动载应力波加载的次数，从而后续采集到的数据才能准确分析出材料在高速动态加载条件下的行为和性能。

为了弥补现有实验装置无法实现霍普金森压杆单脉冲加载的缺陷，本发明提供了一种基于霍普金森压杆的单脉冲实验装置，请参阅图1所示，图1为本发明示出的基于霍普金森压杆的单脉冲实验装置的整体结构示意图，该实验装置包括实验总成和脉冲控制总成1，所述实验总成包括动力发生机构2、入射杆4和透射杆7，所述入射杆4和所述透射杆7之间用于放置试样5，所述试样5用于承载并传递所述入射杆4传输的动载压缩波；其中，所述脉冲控制总成1包括：伸缩组件，内部中空且与所述透射杆7连接；弹性组件以及齿轮调节机构，均位于所述伸缩组件内，且分别与所述伸缩组件的对应位置连接；其中，所述齿轮调节机构被配置为带动所述伸缩组件在第一位置状态和第二位置状态之间切换；

其中，当所述伸缩组件首次接收到所述透射杆7所传播的动载压缩波时，驱动所述齿轮调节机构带动所述伸缩组件从所述第一位置状态切换至所述第二位置状态，以沿所述动载压缩波的传输方向，通过所述弹性组件带动所述伸缩组件收缩，从而使所述透射杆7与所述试样5脱离接触。

具体而言，实验总成可以理解为整个实验装置的操作主体部分，包括动力发生机构2、入射杆4和透射杆7。动力发生机构2是指产生冲击载荷的装置或机构，其通常包括动力源、动力加载系统和撞击杆3。动力源和动力加载系统连接，以施加动态加载。动力加载系统与撞击杆3连接，通过高速撞击入射杆4来模拟实际应用中的冲击载荷，从而产生动载压缩波。

在一些实施例中，动力源可以是高压气流，动力加载装置对应为气动装置，以使用压缩氮气或空气推动撞击杆3。在一些实施例中，动力源可以是液压油，动力加载装置对应为液压驱动装置，利用液压力推动撞击杆3。在一些实施例中，动力源可以是电动力，动力加载装置对应为电磁驱动装置，通过电磁力快速加速撞击杆3。

其中，撞击杆3、入射杆4和透射杆7位于同一轴线上，入射杆4位于撞击杆3的一侧，试样5置于入射杆4和透射杆7之间，撞击杆3将动力加载装置产生的冲击波传递给入射杆4，入射杆4将动载压缩波传递到试样5上，透射杆7继续接收试样5传递的应力波，用于分析试样5的力学响应。当动力加载装置驱动撞击杆3撞击入射杆4时，数据采集处理系统通过采集入射杆4和透射杆7的脉冲信号，可以得到作用于试样5的应力、应变等参数。

可以理解，实验装置配套设置的数据采集处理系统可以是指数据采集设备和数据处理设备。数据采集设备可以包括压力传感器和应变片等，根据采集到的脉冲信号，记录试样5的动态响应，包括记录试样5在动态加载过程中的应力和应变响应，用于后续的力学分析。数据处理设备可以是计算机，应变片将采集到的脉冲信号传送给计算机进行数据处理，计算出试样5的应力-应变关系和应变率等参数，从而通过这些参数进行分析以推断出材料的力学特性。

需要说明的是，实验总成可以还设置实验台8，实验台8可以作为实验装置的支撑系统，为动力加载装置、撞击杆3、入射杆4、透射杆7提供支持并限制撞击杆3、入射杆4、透射杆7只能同轴移动。

优选的，入射杆4的长度为3m，透射杆7的长度为入射杆4长度的一半，为1.5m。

在一些实施例中，所述实验总成还包括：液压千斤顶6，与所述伸缩组件远离所述透射杆7的一端连接。其中，脉冲控制总成1通过液压千斤顶6安装在实验台8上。

本发明实施例一大显著的特点在于在透射杆7的后端增加了脉冲控制总成1。脉冲控制总成1主要包括伸缩组件、弹性组件和齿轮调节机构，三大部件在动载压缩波的作用下共同控制透射杆7的运动，实现单脉冲加载。具体地说，伸缩组件与透射杆7连接，内部中空，以容纳齿轮调节机构和弹性组件，伸缩组件的外缘轮廓的一端与透射杆7连接且同轴，沿波的传输方向，可以接收透射杆7传递而来的动载压缩波。弹性组件和齿轮调节机构分别位于伸缩组件内的不同位置且错开设置，以避免两者相互干涉。

在一些实施例中，弹性组件可能是多个处于不同压缩/伸长状态的弹簧，用于提供预设的弹性作用力，分别控制与其连接的部件的运动方向。

具体地说，齿轮调节机构的配置使得伸缩组件能够在第一位置状态和第二位置状态之间切换。在本实施例中，第一位置状态和第二位置状态可以理解为伸缩组件的对应零部件处于第一位置/第二位置时伸缩组件的结构特征。其中，在伸缩组件处于第一位置状态时，弹性组件的弹性作用力得到压制，从而使得伸缩组件的整体结构维持原状，即伸缩组件的整体长度不变；在伸缩组件处于第二位置状态时，弹性组件的弹性作用力得到释放，从而使得与伸缩组件连接的弹性组件带动伸缩组件朝向其原始状态的方向移动，即伸缩组件的整体长度发生变化。

在一些实施例中，弹性组件至少包括处于伸长状态的弹簧，用于提供具有收缩趋势的弹性作用力，即使得伸缩组件的整体长度缩短。当伸缩组件首次接收到透射杆7传播的动载压缩波时，触发齿轮调节机构，带动伸缩组件从第一位置状态切换至第二位置状态。当伸缩组件处于第二位置状态时，带动伸缩组件整体轴向长度缩短。如此在收到首次冲击后伸缩组件可以主动缩短长度，带动透射杆7逐渐远离试样5，从而使岩样后端丧失支撑基础，后续动载冲击波无法作用在岩样上。

因此对于研究材料在单次冲击下的行为，本发明实施例所提供的实验装置能够排除二次加载，实验结果更加准确地反映材料的真实动态响应，提高了实验数据的准确性和可靠性。同时，本实施例是在结构上实现了霍普金森压杆实验单脉冲加载，原理简单、实验可控、可重复使用，具有经济效益以及极高的教学价值。

通过消除或最小化二次加载的影响，实验数据将能更真实地反映材料在单一动载作用下的损伤特征，因此可以更准确描述爆破、撞击等极端场景条件下材料的性能。同时对于工程设计和材料选择极其重要，能够加速新材料，特别是高性能复合材料和先进合金的开发和测试周期；并且可以提高工程结构的安全性，因此在采矿工程、深部岩土工程、航空航天、汽车、建筑等行业，对材料的动态力学性能有更准确的认识，可以帮助工程师更好地预测和防范材料在实际工程中的行为，从而提高工程质量和安全性；在军事和防御领域，对材料在高速冲击下的行为有深入了解，对于设计抗冲击装备和防护系统具有重要意义。

请继续参阅图2，图2为脉冲控制总成1的整体结构剖视图，本实施例用于进一步说明脉冲控制总成1。所述伸缩组件包括沿轴向顺次设置的：第一中空杆11，与所述透射杆7连接；第二中空杆12，与所述第一中空杆11活动嵌接；第三中空杆13，与所述第二中空杆12活动嵌接；其中，所述第二中空杆12上开设有至少一个窗口，所述第三中空杆13上设置有至少一个卡扣；每个所述窗口与每个所述卡扣的位置相对；当所述伸缩组件处于所述第一位置状态时，每个所述卡扣卡合在每个所述窗口内，当所述伸缩组件处于所述第二位置状态时，每个所述卡扣脱离每个所述窗口。

作为本实施例的具体解释，脉冲控制总成1中的伸缩组件包括三段轴向嵌套连接的中空杆。第一中空杆11直接与透射杆7相连，接收透射杆7传递的动载压缩波。第二中空杆12与第一中空杆11活动嵌接，两者之间可以相互移动。第三中空杆13与第二中空杆12活动嵌接，两者同样可以相互移动，且第三中空杆13的尾端可以与实验台8连接。在一些实施例中，第三中空杆13的尾端通过液压千斤顶6安装在实验台8上。

在一些实施例中，沿动载压缩波传输的方向，第一中空杆11可以相对于第二中空杆12移动，第二中空杆12可以相对于第三中空杆13移动。

示例性地，如图1所示，从左到右依次为第一中空杆11、第二中空杆12与第三中空杆13。三个中空杆均为空心圆管状，第一中空杆11的内径略大于第二中空杆12的外径，第二中空杆12内径略大于第三中空杆13的外径。

第二中空杆12上有至少一个窗口，第三中空杆13上有与窗口位置相对应的至少一个卡扣，当伸缩组件处于第一位置状态时，卡扣卡在窗口内，此时卡接力大于弹性组件的弹性作用力，保持了伸缩组件的初始长度。也就是说，伸缩组件的第一位置状态可以视为卡扣卡接在窗口内时伸缩组件的结构特征。当伸缩组件处于第二位置状态时，卡扣从窗口脱离，允许伸缩组件收缩，此时弹性组件的弹性作用力得到释放，使得第二中空杆12相对于第三中空杆13移动，伸缩组件在结构上实现长度缩短。也就是说，伸缩组件的第二位置状态可以视为卡扣脱离窗口时伸缩组件的结构特征。

在一些实施例中，第二中空杆12上可以设置一个或多个窗口，第三中空杆13上对应设置有一个或多个卡扣。

可以理解，可以改变相连接的两个中空杆之间的内径差，实现相对移动。可以理解，窗口应开设在内径较大的中空杆上，卡扣应设置在内径较小的中空杆上。

在一优选地示例中，第二中空杆12的上下表面设有两个窗口，第三中空杆13的上下部分与窗口对应的位置设有卡扣，两个卡扣可以由窗口弹出从而限制第二中空杆12和第三中空杆13的相向运动。两个卡接结构的设置可以确保装置的稳定性和可靠性，以确保伸缩组件在第一位置状态下的稳定连接。

本实施例用于更进一步说明脉冲控制总成1。所述弹性组件包括：拉伸弹簧组15，两端分别与所述第二中空杆12和所述第三中空杆13连接；当所述伸缩组件处于所述第一位置状态时，所述拉伸弹簧组15处于拉伸状态；当所述伸缩组件处于所述第二位置状态时，所述拉伸弹簧组15拉动所述第二中空杆12和所述第三中空杆13相互靠近，以使所述伸缩组件收缩。

作为本实施例的具体解释，脉冲控制总成1中的伸缩组件包括三段轴向嵌套连接的中空杆，以及三个弹簧组。其中拉伸弹簧组15连接第二中空杆12和第三中空杆13。当伸缩组件处于第一位置状态时，此时伸缩组件保持原始长度，且拉伸弹簧组15处于拉伸状态，弹簧被拉长，具有收缩趋势的弹性作用力。当伸缩组件从第一位置状态切换到第二位置状态时，拉伸弹簧组15拉动第二中空杆12和第三中空杆13相互靠近，导致伸缩组件的整体长度减小，从而使透射杆7与试样5分离，使后续动载压缩波无法对作用在试样5上。

具体地，拉伸弹簧组15的两端分别连接第二中空杆12的左端及第三中空杆13的右端，初始为拉伸状态，当第三中空杆13的卡扣向内部移动时，第二中空杆12和第三中空杆13可在拉伸弹簧组15的作用下相向移动从而减少整个组件的轴向长度。

在进一步地技术方案中，三个弹簧组中的第一压缩弹簧组14位于第一中空杆11和第二中空杆12的中间，为压缩状态。结合以上实施例，当伸缩组件处于第一位置状态时，拉伸弹簧组15和第一压缩弹簧组14分别处于拉伸状态和压缩状态。当动载压缩波经过透射杆7传递到脉冲控制总成1时，首先突破第一压缩弹簧组14的限制使第一中空杆11向右移动，第一中空杆11触发齿轮调节机构被激活，使得伸缩组件切换至第二位置状态，此时拉伸弹簧组15拉动第二中空杆12和第三中空杆13相互靠近。

在更进一步地技术方案中，三个弹簧组中的第二压缩弹簧组16位于所述第三中空杆13内且靠近所述卡扣，当所述伸缩组件处于所述第一位置状态时，所述第二压缩弹簧组16处于压缩状态，以限制所述卡扣脱离所述窗口。

结合以上实施例，当伸缩组件处于第一位置状态时，拉伸弹簧组15、第一压缩弹簧组14和第二压缩弹簧组16分别处于拉伸状态、压缩状态和压缩状态。

在本实施例中，第二压缩弹簧组16位于第三中空杆13内部，在齿轮调节机构未激活（即第一位置状态）时，通过压缩状态施加径向作用力控制处于第一位置状态下的上下两卡扣位于窗口处而不向内部移动，以在受到动载压缩波前维持伸缩组件处于初始状态。

在一些优选地实施例中，所述齿轮调节机构包括：齿轮中心杆17，设置在所述第三中空杆13上；主动齿轮18和从动齿轮19，均套接在所述齿轮中心杆17的外周；主动齿条110，一端设置在所述第一中空杆11上，另一端延伸穿过所述第二中空杆12与所述主动齿轮18啮合；至少一个从动齿条，与至少一个所述卡扣对应连接，且分别与所述从动齿轮19啮合。

作为本实施例的具体解释，脉冲控制总成1中的伸缩组件包括三段轴向嵌套连接的中空杆，以及三个弹簧组和齿轮调节机构。具体地说，齿轮中心杆17安装在第三中空杆13上，为齿轮提供支持和轴心，主动齿轮18和从动齿轮19均套接在齿轮中心杆17的外周，其中一个部件的转动会同步影响其他部件的运动。

在一些实施例中，第二中空杆12上可以设置一个或多个窗口，第三中空杆13上对应设置有一个或多个卡扣，与至少一个卡扣对应连接的至少一个从动齿条，每个从动齿条分别与从动齿轮19啮合。优选地，第二中空杆12的上下表面设有两个窗口，第三中空杆13的上下部分与窗口对应的位置设有卡扣，与两个卡扣分别连接的两个从动齿条。

作为本实施例的进一步解释，两个从动齿条分别为第一从动齿条111和第二从动齿条112，第一从动齿条111和第二从动齿条112朝向相反的方向径向延伸、对应设置在第三中空杆13的上、下卡扣上。

作为本实施的示例，齿轮调节机构由齿轮中心杆17、主动齿轮18、从动齿轮19、主动齿条110、第一从动齿条111、第二从动齿条112组成，齿轮中心杆17通过轴承横向布置于第三中空杆13的中心位置，主动齿轮18、从动齿轮19分别套设在齿轮中心杆17上，主动齿条110固定在第一中空杆11左端，穿过第二中空杆12的左端，与主动齿轮18啮合，同时齿条上设置有限位块113限制第一中空杆11的移动，两个从动齿条分别与第三中空杆13的上、下卡扣相连接，与从动齿轮19啮合。

结合以上实施例，当第一中空杆11受到动载冲击突破第一压缩弹簧组14的限制而向右移动时，主动齿条110向右运动带动主动齿轮18逆时针旋转，从动齿轮19通过齿轮中心杆17与主动齿轮18刚性连接从而同步逆时针旋转，与从动齿轮19啮合的第一从动齿条111和第二从动齿条112由于从动齿轮19的逆时针旋转而向内部运动，卡扣脱离第二中空杆12的窗口的控制，第二中空杆12和第三中空杆13在拉伸弹簧组15的作用下相向运动从而脉冲控制总成1整体轴向缩短。

综上，相比于传统的SHPB实验过程中，由于杆体与岩样之间存在边界效应，反射拉伸波在入射杆4与试件的接触端再反射形成压缩波，对试件造成重复加载，从而无法使试件受单一动载压缩波作用。本发明实施例提供的实验装置至少存在以下诸多优势：

通过机械结构的相互配合，脉冲控制总成1可以在受到首个动载应力波作用时即可主动缩短长度，导致岩样后端丧失支撑基础从而实现单脉冲加载，可以更为准确地描述单个动载应力波通过岩样后材料动力学响应的变化；

通过调整第一压缩弹簧组14的刚度及主动齿轮18、从动齿轮19的齿轮数量，可以动态调整整个结构的灵敏度，第一压缩弹簧组14选用刚度较高的弹簧，同样可以实现岩样的动静组合加载；

本发明实施例的实验装置可以根据现有霍普金森压杆实验装置加装形成，具有广泛的适配性；

本发明实施例的实验装置均为机械配合，具有较高可靠性的同时可以重复使用，具有较高的经济性。

本发明还提出一种霍普金森压杆实验方法，图3示出了本发明的霍普金森压杆实验方法的步骤流程图，所述方法依赖于如上所述的基于霍普金森压杆的单脉冲实验装置进行试样5的动态力学特性测试，所述方法包括：

S101、将脉冲控制总成1调整至初始状态，所述初始状态表征为伸缩组件处于第一位置状态；实验初始状态时，伸缩组件处于第一位置状态；当伸缩组件处于第一位置状态时，拉伸弹簧组15、第一压缩弹簧组14和第二压缩弹簧组16分别处于拉伸状态、压缩状态和压缩状态。

S102、将试样5放置在入射杆4和透射杆7之间；通过弹树脂胶将脉冲控制装置与霍普金森压杆实验装置的透射杆7、液压千斤顶6同轴固定在一起，从左到右安装入射杆4、试样5、透射杆7、脉冲控制总成1，并通过调整液压千斤顶6位置使试样5与透射杆7接触；

S103、通过动力发生机构2中的撞击杆3撞击所述入射杆4产生动载压缩波，所述动载压缩波依次传输至所述入射杆4、所述试样5、所述透射杆7和所述脉冲控制总成1上；进行动载实验的过程中，由动力加载装置推动撞击杆3撞击入射杆4产生动载冲击波依次通过入射杆4、试样5、透射杆7、脉冲控制总成1，在首个动载冲击波作用完成后脉冲控制总成1主动缩短长度，并带动透射杆7右移从而使岩样后端丧失基础，实现单脉冲加载。

S104、采集并测量所述动载压缩波，完成所述试样5的动态力学特性的测试；

步骤S4之后还可以包括：

S105、收集破坏岩样，准备下一个试样5的单脉冲加载实验，重复步骤S101-S104。

作为本实施例的具体说明，为实现霍普金森压杆实验单脉冲加载，本发明将透射杆7的长度缩减为入射杆4的长度的一半，同时透射杆7的后端增加脉冲控制总成1，该总成的左端与透射杆7的左端通过树脂胶刚性连接，同时与后端的液压千斤顶6也通过树脂胶刚性连接，可以在受到首次动态冲击波作用后主动缩短长度并带动透射杆7右移，使岩样后端失去约束从而使后续动载应力波无法作用在岩样上，实现岩样单脉冲加载。

实验初始状态时，伸缩组件处于第一位置状态；当伸缩组件处于第一位置状态时，拉伸弹簧组15、第一压缩弹簧组14和第二压缩弹簧组16分别处于拉伸状态、压缩状态和压缩状态。脉冲控制总成1位于透射杆7、液压千斤顶6同轴中间，第一中空杆11与透射杆7通过树脂胶刚性连接，第三中空杆13与液压千斤顶6通过树脂胶刚性连接，第一压缩弹簧组14为压缩状态，第三中空杆13的卡扣在第二压缩弹簧组16的作用下被控制在第二中空杆12的窗口处，第二中空杆12和第三中空杆13相互远离并被限制移动。

当系统受到首次动载冲击波作用时，第一中空杆11向右移动，主动齿条110同步向右移动并带动主动齿轮18逆时针旋转，从动齿轮19通过与齿轮中心杆17刚性连接从而同步逆时针旋转，第一从动齿条111和第二从动齿条112在从动齿轮19逆时针旋转的带动下向内部移动，第三中空杆13的上、下部分的卡扣脱离第二中空杆12的窗口的控制，切换至第二位置状态，第二中空杆12和第三中空杆13在拉伸弹簧组15的作用下向内移动，从而缩短了整个结构的长度。弹性组件带动透射杆7右移，岩样后端丧失基础从而使后续动载冲击波无法继续作用在岩样上，实现霍普金森压杆实验单脉冲加载。

需要说明的是，对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本申请实施例所必须的。

对于方法实施例而言，由于其与系统实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本文中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，诸如“第一”和“第二”之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。

以上对本申请所提供的一种基于霍普金森压杆的单脉冲实验装置及实验方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请，在具体实施方式及应用范围上均会有不同形式的改变之处，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种基于霍普金森压杆的单脉冲实验装置，其特征在于，包括实验总成和脉冲控制总成，所述实验总成包括动力发生机构、入射杆和透射杆，所述入射杆和所述透射杆之间用于放置试样，所述试样用于承载并传递所述入射杆传输的动载压缩波；其中，

所述脉冲控制总成包括：

伸缩组件，内部中空且与所述透射杆连接；

弹性组件以及齿轮调节机构，均位于所述伸缩组件内，且分别与所述伸缩组件的对应位置连接；其中，

所述齿轮调节机构被配置为带动所述伸缩组件在第一位置状态和第二位置状态之间切换；

其中，当所述伸缩组件首次接收到所述透射杆所传播的动载压缩波时，驱动所述齿轮调节机构带动所述伸缩组件从所述第一位置状态切换至所述第二位置状态，以沿所述动载压缩波的传输方向，通过所述弹性组件带动所述伸缩组件收缩，从而使所述透射杆与所述试样脱离接触。

2.根据权利要求1所述的一种基于霍普金森压杆的单脉冲实验装置，其特征在于，所述伸缩组件包括沿轴向顺次设置的：

第一中空杆，与所述透射杆连接；

第二中空杆，与所述第一中空杆活动嵌接；

第三中空杆，与所述第二中空杆活动嵌接；

其中，所述第二中空杆上开设有至少一个窗口，所述第三中空杆上设置有至少一个卡扣；每个所述窗口与每个所述卡扣的位置相对；

当所述伸缩组件处于所述第一位置状态时，每个所述卡扣卡合在每个所述窗口内，当所述伸缩组件处于所述第二位置状态时，每个所述卡扣脱离每个所述窗口。

3.根据权利要求2所述的一种基于霍普金森压杆的单脉冲实验装置，其特征在于，所述弹性组件包括：

拉伸弹簧组，两端分别与所述第二中空杆和所述第三中空杆连接；

当所述伸缩组件处于所述第一位置状态时，所述拉伸弹簧组处于拉伸状态；当所述伸缩组件处于所述第二位置状态时，所述拉伸弹簧组拉动所述第二中空杆和所述第三中空杆相互靠近，以使所述伸缩组件收缩。

4.根据权利要求3所述的一种基于霍普金森压杆的单脉冲实验装置，其特征在于，所述弹性组件还包括：

第一压缩弹簧组，位于所述第一中空杆和所述第二中空杆之间；

当所述伸缩组件处于所述第一位置状态时，所述第一压缩弹簧组处于压缩状态。

5.根据权利要求3所述的一种基于霍普金森压杆的单脉冲实验装置，其特征在于，所述弹性组件还包括：

第二压缩弹簧组，位于所述第三中空杆内且靠近所述卡扣；

当所述伸缩组件处于所述第一位置状态时，所述第二压缩弹簧组处于压缩状态，以限制所述卡扣脱离所述窗口。

6.根据权利要求2所述的一种基于霍普金森压杆的单脉冲实验装置，其特征在于，所述齿轮调节机构包括：

齿轮中心杆，设置在所述第三中空杆上；

主动齿轮和从动齿轮，均套接在所述齿轮中心杆的外周；

主动齿条，一端设置在所述第一中空杆上，另一端延伸穿过所述第二中空杆与所述主动齿轮啮合；

至少一个从动齿条，与至少一个所述卡扣对应连接，且分别与所述从动齿轮啮合。

7.根据权利要求6所述的一种基于霍普金森压杆的单脉冲实验装置，其特征在于，所述主动齿条远离所述主动齿轮的一侧设置有限位块。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种基于霍普金森压杆的单脉冲实验装置，其特征在于，所述入射杆的长度为所述透射杆的长度的两倍。

9.根据权利要求8所述的一种基于霍普金森压杆的单脉冲实验装置，其特征在于，所述实验总成还包括：

液压千斤顶，与所述伸缩组件远离所述透射杆的一端连接。

10.一种霍普金森压杆实验方法，其特征在于，依赖于权利要求1-9任意一项所述的基于霍普金森压杆的单脉冲实验装置进行试样的动态力学特性测试，方法包括：

将脉冲控制总成调整至初始状态，所述初始状态表征为伸缩组件处于第一位置状态；

将试样放置在入射杆和透射杆之间；

通过动力发生机构中的撞击杆撞击所述入射杆产生动载压缩波，所述动载压缩波依次传输至所述入射杆、所述试样、所述透射杆和所述脉冲控制总成上；

采集并测量所述动载压缩波，完成所述试样的动态力学特性的测试；

其中，所述动载压缩波经过所述脉冲控制总成的所述伸缩组件时，驱动齿轮调节机构带动所述伸缩组件从所述第一位置状态切换至第二位置状态，以沿所述动载压缩波的传输方向，弹性组件带动所述伸缩组件收缩，从而使所述透射杆与所述试样脱离接触。