CN202145186U - 用于主动围压霍普金森压杆实验的入射波整形机构 - Google Patents

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高志刚
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Abstract

一种用于主动围压霍普金森压杆实验的入射波整形机构，由变截面锥柱形射弹和圆形金属薄垫片制成的波形整形器构成。射弹位于发射炮管内，波形整形器粘贴在入射杆打击端的端面，射弹与波形整形器的位置相对应，射弹与波形整形器同心。入射波整形机构的射弹为由等径段和变径段组成的变截面锥柱形射弹。射弹冲击端的直径分别为25mm和50mm。波形整形器为圆形薄垫片，采用黄铜或者紫铜或者铝片制成。本实用新型解决了脆性材料在主动围压霍普金森压杆实验中存在的波形弥散失真和高频振荡严重的问题，使试样满足应力均匀分布要求，且保持恒应变率加载，进而得到符合围压条件下材料特性的近似双线性硬化特性波形。

Description

用于主动围压霍普金森压杆实验的入射波整形机构
技术领域
本发明涉及一种材料力学特性的实验装置，具体是一种用于主动围压霍普金森压杆实验的入射波整形机构。
背景技术
自Kolsky提出分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验装置以来，由于该加载装置与其他动载试验设备相比具有结构简单、操作方便、测量方法巧妙、应变率范围广、加载波形易于控制、能进行材料多种动态性能试验等优点，已被广泛地应用于材料动力学实验研究，成为研究材料在101～104s-1应变率范围内的动力特性与本构关系必不可少的手段。随着试验研究的需要，SHPB装置在加载方式上已由最初的单轴向三轴压缩、拉伸及扭转方向演化发展。
分离式Hopkinson压杆实验装置通常由入射杆、透射杆、吸收杆、射弹、发射机构、数据采集处理系统组成，试样夹置于入射杆和透射杆之间。试验时射弹以一定的速度撞击入射杆，产生的应力波沿入射杆传播，当应力波到达试样与弹性杆交界面后，一部分被反射回入射杆，另一部分则发生透射，进入透射杆后传入吸收杆，最后由吸能装置吸收剩余的能量。贴在入射杆和透射杆上的应变片采集应力(应变)波信号并传入数据采集处理系统进行处理，进而获得试样的应力-应变关系、应变率历程、能量吸收等实验结果。
霍普金森压杆实验装置最初大量应用于金属的动态测试，直到上世纪80年代末才被应用于陶瓷、岩石、混凝土等脆性材料的测试。为了获取脆性材料在复杂应力状态下的动态力学性能，人们在传统霍普金森压杆技术的基础上，提出了主动围压霍普金森压杆。在用主动围压霍普金森压杆实验装置测试时，由于压杆中质点的横向惯性运动引起的弥散效应导致了应力波波形的高频振荡，经数据处理所得的应力-应变曲线的高频振荡常常掩盖了材料的真实特性。随着大直径霍普金森压杆被越来越多地应用于脆性材料的高应变率力学性能研究，试样在破坏前，满足应力均匀分布要求，且保持恒应变率加载，是保证实验有效性及结果可靠性的关键。但是，由于主动围压霍普金森压杆的弥散效应对实验结果影响很大，引起的波形振荡非常严重，而且岩石类脆性材料的破坏应变非常小，在用传统矩形波加载时，试件往往在达到有意义的加载段之前已经发生破坏。因而，要想从根本上解决应力均匀性问题，尤其是恒应变率加载问题并非易事。
在公告号为CN 2916617Y的实用新型专利中，提出了一种大直径分离式霍普金森压杆的脉冲整形结构，主要由预加载杆和整形用纸质垫片构成，在输入杆前设置预加载杆，在预加载杆前端面设置整形用纸质垫片。经大量实验数据证明，该脉冲整形结构具有如下优点：1.整形后，消除了波的弥散，脉冲波形无振荡，无需做任何弥散修正，试验结果更真实更精确。2.复现性和规律性不低于纺锤形弹，优于其它脉冲整形技术。3.调整脉冲波形的有效途径多，而且灵活方便。4.撞击杆和加载杆可以长期使用，每炮废掉的仅是片纸而已，而且整形纸垫片的加工非常容易。但是，该实用新型也存在以下的不足：
现有技术需在输入杆前设置预加载杆，这在大多数的SHPB系统上不易实现。而且，设置预加载杆后，需要增加基座的长度，进而增加了系统的长度，延长应力波传播的距离，从而使应力波在长距离传播中发生弥散失真现象更为严重，系统变得更加复杂，并且这为实验系统的调试带来一定的困难。同时，设置预加载杆后，新增加了两对接触界面，应力波传播至入射杆与预加载杆以及预加载杆与输入杆接触界面时，将发生反射，消耗部分应力脉冲能量。
现有技术采用纸质垫片作为整形器，由于纸的变形模量低，柔性大，植物纤维织物中有大量空隙，体积压缩大，将大大削低应力脉冲的峰值，进而牺牲试验测试材料的应变率；同时入射波形的上升延时不能够满足脆性材料的破坏特性要求，即应力均匀假设。
发明内容
为克服现有技术中的不足，本发明提出了一种用于主动围压霍普金森压杆实验的入射波整形机构，以解决脆性材料在主动围压霍普金森压杆实验中存在的波形弥散失真和高频振荡严重的问题，使试样满足应力均匀分布要求，且保持恒应变率加载，进而得到符合围压条件下材料特性的近似双线性硬化特性波形。
本发明由变截面锥柱形射弹和圆形金属薄垫片制成的波形整形器构成，并且：射弹位于发射炮管内，波形整形器粘贴在入射杆打击端的端面，射弹与波形整形器的位置相对应，射弹与波形整形器同心。入射波整形机构的射弹为等径段和变径段组成变截面锥柱形射弹，并且等径段长度为300mm，直径为100mm；变径段长度为200mm；射弹冲击端的直径分别为25mm和50mm。波形整形器采用黄铜或者紫铜或者铝片制成。波形整形器的厚度为1～2mm，直径为15～45mm。
采用传统的霍普金森压杆实验得到的入射波形多为梯形波或矩形，其上升沿时间较短，而且有严重的过冲振荡现象。由应力波理论可知，任意形状的应力波都是由不同频率幅值的谐波分量组成，这样，应力波在SHPB长杆中传播时，由于高频波的波速低于低频波将导致波形畸变，也即波形弥散问题，进而引起测试结果误差。由圆形金属薄垫片制成的整形器可以过滤掉加载波中由于直接碰撞所产生的高频波，使入射波变得光滑，避免了入射波头的过冲现象，因此波形整形器可以减小波传播过程中应力波的弥散效应和惯性效应。脆性材料在高应变率下达到破坏所需要的时间很短，在脆性材料的主动围压霍普金森压杆实验中，选取不同直径的波形整形器可以延长入射波的上升沿时，对波形具有较为明显的整形效果。
根据脆性材料在围压状态下的力学性能研究可知，脆性材料在三向应力条件下的应力-应变曲线与单轴状态时有明显的区别，在围压状态下，脆性材料往往呈现一定的塑性特征，即在试件破坏前表现为近似双线性的弹塑性硬化特性，而且围压越高，塑性特征越明显。在脆性材料的主动围压霍普金森压杆实验中，为了得到近似双线性的弹塑性硬化波形，可以通过改变射弹的形状的方法来使试件的入射波形和透射波形一致。由于岩石类脆性材料在围压状态下几乎均呈双线性硬化特性，因而可以将圆柱形射弹改变为变截面锥柱形射弹。根据不同材料的应力-应变曲线，设计对应形状的射弹，通过改变锥柱形射弹的锥度或者改变射弹的速度可以改善试件在加载过程中应变率的恒定程度。
本发明解决了主动围压霍普金森实验中的应力均匀性问题，保证试样以近似恒应变率加载变形，能够消除材料主动围压霍普金森压杆实验中波形弥散失真和高频振荡严重的问题，使试样满足应力均匀分布要求，且保持恒应变率加载，进而得到符合围压条件下材料特性的近似双线性硬化特性波形。本发明通过选择合适的波形整形器尺寸和射弹形状，即能够得到理想的具有较长上升沿时间的近似双线性硬化特性入射波形，从而实现脆性材料主动围压霍普金森压杆实验过程中试样的应力均匀性要求，并保证近似恒应变率加载。
利用本发明提出的技术方案，整形后可以平滑波形，延长入射脉冲的上升沿时，消除应力波的过冲及高频振荡以减少波在长距离传播中的弥散失真，使在试样破坏前应力脉冲有足够的时间来回反射以达到应力均匀。由变截面锥柱形射弹冲击入射杆产生加载波，应力波的延时固定，幅值可由射弹冲击速度直接决定，得到的波形可重复性好；圆形金属薄垫片整形器容易加工制作，且材料稳定性较好。脉冲波形易于控制和调整，可通过调整射弹的形状和射弹速度，以及调整整形器的厚度、直径及材质来有效调整波形。根据需要可选用不同形状的射弹产生不同形状的加载波满足试验要求。
附图说明
图1为冲击端的直径50mm的变截面锥柱形射弹；
图2为冲击端的直径25mm的变截面锥柱形射弹；
图3为主动围压霍普金森压杆实验装置结构示意图。附图中：
1.发射装置    2.发射炮管        3.射弹    4.测速装置    5.波形整形器    6.入射杆
7.应变片      8.主动围压装置    9.试样    10.透射杆     11.吸收杆       12.吸能装置
具体实施方式
实施例一
本实施例是一种用于主动围压霍普金森压杆实验的入射波整形机构，所述的主动围压霍普金森压杆采用现有技术，本实用新型仅涉及主动围压霍普金森压杆实验的入射波整形技术的改进。
如图4所示，主动围压霍普金森压杆包括发射装置1、发射炮管2、测速装置4、波形整形器、入射杆6、应变片7、主动围压装置8、透射杆10、吸收杆11和吸能装置12。压杆的直径均为100mm，入射杆长4500mm，透射杆长2500mm，吸收杆长1800mm。压杆材料均为48CrMoA，其弹性模量为210GPa，泊松比为0.25～0.30，密度为7850kg/m3，理论波速为5172m/s，实测波速为5200m/s。
如图2和图3所示。射弹3由等径段和变径段组成，即由等径段和变截面锥形段组成。其中，射弹3等径段的长度为300mm，直径为100mm；射弹3变径段的长度为200mm。射弹3冲击端直径为25mm。射弹3位于发射炮管2内。波形整形器5粘贴在入射杆6打击端的端面，射弹3与波形整形器5的位置相对应。射弹3与波形整形器5同心。
本实施例的波形整形器5为用黄铜制成的薄片。波形整形器5的厚度为1mm，直径为15mm。
实施例二
本实施例是一种用于主动围压霍普金森压杆实验的入射波整形机构，所述的主动围压霍普金森压杆采用现有技术，本实用新型仅涉及主动围压霍普金森压杆实验的入射波整形技术的改进。如图4所示，主动围压霍普金森压杆包括：发射装置1、发射炮管2、测速装置4、入射杆6、应变片7、主动围压装置8、透射杆10、吸收杆11和吸能装置12。压杆的直径均为100mm，入射杆长4500mm，透射杆长2500mm，吸收杆长1800mm。压杆材料均为48CrMoA，其弹性模量为210GPa，泊松比为0.25～0.30，密度为7850kg/m3，理论波速为5172m/s，实测波速为5200m/s。
如图2和图3所示。射弹3由等径段和变径段组成，即由等径段和变截面锥形段组成。其中，射弹3等径段的长度为300mm，直径为100mm；射弹3变径段的长度为200mm。射弹3冲击端直径为25mm。射弹3位于发射炮管2内。波形整形器5粘贴在入射杆6打击端的端面，射弹3与波形整形器5的位置相对应。射弹3与波形整形器5同心。
本实施例的波形整形器5为用紫铜制成的薄片。波形整形器5的厚度为1.5mm，直径为25mm。
实施例三
本实施例是一种用于主动围压霍普金森压杆实验的入射波整形机构，所述的主动围压霍普金森压杆采用现有技术，本实用新型仅涉及主动围压霍普金森压杆实验的入射波整形技术的改进。如图4所示，主动围压霍普金森压杆包括：发射装置1、发射炮管2、测速装置4、入射杆6、应变片7、主动围压装置8、透射杆10、吸收杆11和吸能装置12。压杆的直径均为100mm，入射杆长4500mm，透射杆长2500mm，吸收杆长1800mm。压杆材料均为48CrMoA，其弹性模量为210GPa，泊松比为0.25～0.30，密度为7850kg/m3，理论波速为5172m/s，实测波速为5200m/s。
如图2和图3所示。射弹3由等径段和变径段组成，即由等径段和变截面锥形段组成。其中，射弹3等径段的长度为300mm，直径为100mm；射弹3变径段的长度为200mm。射弹3冲击端直径为50mm。射弹3位于发射炮管2内。波形整形器5粘贴在入射杆6打击端的端面，射弹3与波形整形器5的位置相对应。射弹3与波形整形器5同心。
本实施例的波形整形器5为用铝制成的薄片。波形整形器5的厚度为2mm，直径为35mm。
实施例四
本实施例是一种用于主动围压霍普金森压杆实验的入射波整形机构，所述的主动围压霍普金森压杆采用现有技术，本实用新型仅涉及主动围压霍普金森压杆实验的入射波整形技术的改进。如图4所示，主动围压霍普金森压杆包括：发射装置1、发射炮管2、测速装置4、入射杆6、应变片7、主动围压装置8、透射杆10、吸收杆11和吸能装置12。压杆的直径均为100mm，入射杆长4500mm，透射杆长2500mm，吸收杆长1800mm。压杆材料均为48CrMoA，其弹性模量为210GPa，泊松比为0.25～0.30，密度为7850kg/m3，理论波速为5172m/s，实测波速为5200m/s。
如图2和图3所示。射弹3由等径段和变径段组成，即由等径段和变截面锥形段组成。其中，射弹3等径段的长度为300mm，直径为100mm；射弹3变径段的长度为200mm。射弹3冲击端直径为50mm。射弹3位于发射炮管2内。波形整形器5粘贴在入射杆6打击端的端面，射弹3与波形整形器5的位置相对应。射弹3与波形整形器5同心。
本实施例的波形整形器5为用黄铜制成的薄片。波形整形器5的厚度为1mm，直径为45mm。

Claims (1)

1.一种用于主动围压霍普金森压杆实验的入射波整形机构，其特征在于：由变截面锥柱形射弹(3)和圆形金属薄垫片制成的波形整形器(5)构成，并且：
a.射弹(3)位于发射炮管(2)内，波形整形器(5)粘贴在入射杆(6)打击端的端面，射弹(3)与波形整形器(5)的位置相对应，射弹(3)与波形整形器(5)同心；
b.入射波整形机构的射弹(3)为等径段和变径段组成变截面锥柱形射弹，并且等径段长度为300mm，直径为100mm；变径段长度为200mm；射弹(3)冲击端的直径分别为25mm和50mm；
c.波形整形器(5)为圆形薄垫片，采用黄铜或者紫铜或者铝片制成；所述的波形整形器(5)的厚度为1～2mm，直径为15～45mm。
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