CN219161805U - 一种用于分离式霍普金森杆的动态压剪复合加载装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于分离式霍普金森杆的动态压剪复合加载装置，包括入射杆、透射杆和试块，所述试块设于所述入射杆与所述透射杆之间，还包括压剪加载组件，所述压剪加载组件包括共同作用于试块的入射杆套筒和透射杆套筒，所述入射杆套筒和所述透射杆套筒分别套设于所述入射杆和所述透射杆的一端，所述入射杆套筒和所述透射杆套筒的作用面均与所述入射杆的中心轴线呈锐角布置、且相互平行。本实用新型具有保证压剪复合加载安全可靠进行、且结构简单、占用空间小等优点。

Description

一种用于分离式霍普金森杆的动态压剪复合加载装置

技术领域

本实用新型涉及霍普金森压杆实验领域，尤其涉及一种用于分离式霍普金森杆的动态压剪复合加载装置。

背景技术

霍普金森实验被广泛运用于测试材料(包括混凝土、煤、岩石等)的动态力学性能，研究材料在冲击荷载下的应力-应变关系和破坏机理。霍普金森技术的理论基础是一维应力波理论，通过测定压杆上的应变来推导试样材料的应力－应变关系。当驱动撞击杆撞击入射杆时，在入射杆和透射杆之间放置试块，通过采集入射杆和透射杆的应变脉冲-时间波形，就可得到作用于试块的冲击荷载。而改变撞击速度就可以改变作用于试块的冲击荷载和试块的应变率。通过多次测试，就能得到试块在不同应变率下表现出的不一样的应力-应变关系。通过研究应力-应变关系就可以得到材料的动态力学性能。

在复杂应力状态下，材料的压缩-剪切破坏往往起到主导作用，而传统的霍普金森实验难以实现材料动态压剪复合的加载。为解决上述的问题，现有的方式是将入射杆的后端面由原来的平面改成楔形面，将透射杆设置为两根沿入射杆中心轴向对称布置的透射杆,从而利用斜面的几何效应和端面摩擦效应实现对试样的压剪复合加载。但现有的Y字型布置形成在实验过程中操作不便、安全性低，且占用空间大、成本高。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种保证压剪复合加载安全可靠进行、且结构简单、占用空间小的用于分离式霍普金森杆的动态压剪复合加载装置。

为解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案为：

一种用于分离式霍普金森杆的动态压剪复合加载装置，包括入射杆、透射杆和试块，所述试块设于所述入射杆与所述透射杆之间，还包括压剪加载组件，所述压剪加载组件包括共同作用于试块的入射杆套筒和透射杆套筒，所述入射杆套筒和所述透射杆套筒分别套设于所述入射杆和所述透射杆的一端，所述入射杆套筒和所述透射杆套筒的作用面均与所述入射杆的中心轴线呈锐角布置、且相互平行。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述入射杆套筒和所述透射杆套筒的作用面为单斜面或双斜面；当所述入射杆套筒和所述透射杆套筒的作用面为双斜面时，所述双斜面垂直于所述入射杆的中心轴线对称布置，且所述试块为两个，两个所述试块分设于所述双斜面的其中一斜边。

当所述入射杆套筒和所述透射杆套筒的作用面为双斜面时，两个所述试块的形状和尺寸相同，且两个所述试块垂直于所述入射杆的中心轴线对称布置。

所述入射杆和所述透射杆设有提供试块压紧作用力的弹性夹紧件；所述弹性夹紧件的一端连接一固定部件，所述弹性夹紧件的另一端连接于所述入射杆或所述透射杆，所述弹性夹紧件的与杆体的连接端设于所述固定部件的远离试块的一侧。

所述入射杆套筒和所述透射杆套筒的中心轴线均与所述入射杆的中心轴线重合。

所述入射杆套筒和所述透射杆套筒的材质与所述入射杆和所述透射杆的材质相同。

所述入射杆套筒与所述入射杆之间、所述透射杆套筒与所述透射杆之间、以及所述试块与所述入射杆套筒和所述入射杆之间均设有减少两者摩擦的减磨介质。

动态压剪复合加载装置还包括多组沿所述入射杆和所述透射杆轴向布置的杆件对中组件，所述杆件对中组件包括调节外圈和多个沿杆体周向布置的调节螺纹，所述调节外圈套设于所述入射杆或所述透射杆外，所述调节外圈的中心轴线与所述入射杆或所述透射杆的中心轴线重合；所述调节螺纹可沿杆件径向移动地安装于所述调节外圈，且所述调节螺纹在杆体对中时抵设于所述入射杆或所述透射杆的表面。

动态压剪复合加载装置还包括发射组件，所述发射组件包括气压源、储气腔、撞击杆安装套和撞击杆，所述气压源、所述储气腔和所述撞击杆安装套依次连接，所述撞击杆设于所述撞击杆安装套内，所述撞击杆安装套与所述入射杆和所述透射杆同轴布置。

动态压剪复合加载装置还包括应变检测组件，所述应变检测组件包括依次连接的应变片、应变放大器、示波器和数据存储处理单元，所述应变片分设于所述入射杆和所述透射杆。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

(1)本实用新型的压剪加载组件包括入射杆套筒和透射杆套筒，入射杆套筒和透射杆套筒分别套设于入射杆和透射杆的一端，其无需对原有的霍普金森杆装置进行改进，整体结构简单、装卸方便、占用空间小。且入射杆套筒和透射杆套筒的直径可根据试块尺寸进行灵活调节，从而调整套筒对试块的作用面面积，以在不占用空间、保证试验安全的情况下，实现更大尺寸试块的可靠测试。

(2)入射杆套筒和透射杆套筒共同作用于试块，入射杆套筒和透射杆套筒的作用面均与入射杆的中心轴线呈锐角布置、且相互平行。其使得入射杆套筒和透射杆套筒的作用面均可与试块有效贴合，从而形成可靠有效的动态压剪复合加载部件，为测试材料在动态压剪复合条件下的动态力学性能和变形破坏规律等研究提供了安全可靠的结构基础。

(3)入射杆套筒和透射杆套筒的设置在实验时对入射杆和透射杆具有保护作用，降低了霍普金森杆的损坏概率，保证了霍普金森实验的安全性。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本实用新型进行更详细的描述。其中：

图1是本实用新型实施例1的动态压剪复合加载装置的结构示意图。

图2是图1的A处的放大示意图。

图3是本实用新型动态压剪复合加载装置的原理图。

图4是本实用新型实施例2的动态压剪复合加载装置的结构示意图。

图5是图4的B处的放大示意图。

图中各标号表示：

1、入射杆；11、波形整形器；2、透射杆；3、试块；4、压剪加载组件；41、入射杆套筒；42、透射杆套筒；43、作用面；5、弹性夹紧件；6、杆件对中组件；61、调节外圈；62、调节螺纹；7、发射组件；71、气压源；72、储气腔；73、撞击杆安装套；74、撞击杆；75、测速仪；76、压力表；8、应变检测组件；81、应变片；82、应变放大器；83、示波器；84、数据存储处理单元；9、固定底座；91、连接座；10、缓冲器。

具体实施方式

下面将结合说明书附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明，但并不因此而限制本实用新型的保护范围。

实施例1

如图1至图3所示，本实施例的用于分离式霍普金森杆的动态压剪复合加载装置，包括入射杆1、透射杆2、试块3和压剪加载组件4。其中，试块3设于入射杆1与透射杆2之间；压剪加载组件4包括入射杆套筒41和透射杆套筒42，入射杆套筒41套设于入射杆1的一端，透射杆套筒42套设于透射杆2的一端，其无需对原有的霍普金森杆装置进行改进，整体结构简单、占用空间小，且装卸方便。且入射杆套筒41和透射杆套筒42的直径可根据试块3的尺寸进行灵活调节，从而调整套筒对试块3的作用面43的面积，以在不占用空间、保证试验安全的情况下，实现更大尺寸试块3的可靠测试。

同时，入射杆套筒41和透射杆套筒42共同作用于试块3，入射杆套筒41的作用面43和透射杆套筒42的作用面43均与入射杆1的中心轴线呈锐角布置、且入射杆套筒41和透射杆套筒42的作用面43相互平行。其使得入射杆套筒41和透射杆套筒42的作用面43均可与试块3有效贴合，从而形成可靠有效的动态压剪复合加载部件，为测试材料在动态压剪复合条件下的动态力学性能和变形破坏规律等研究提供了安全可靠的结构基础。

其次，入射杆套筒41和透射杆套筒42的设置在实验时对入射杆1和透射杆2具有保护作用，降低了霍普金森杆的损坏概率，保证了霍普金森实验的安全性。

本实施例中，入射杆套筒41和透射杆套筒42的作用面43为双斜面。双斜面垂直于入射杆1的中心轴线对称布置；同时，试块3设置为两个，两个试块3分设于双斜面的其中一斜边。其布局结构简单；同时，在实验时，由于双斜面的几何效应，当撞击杆74撞击入射杆1产生的压缩应力波到达入射杆1与试块3接触的作用面43时，原来沿杆轴向传播的压缩应力波将分解为垂直于杆端斜面的压缩波和平行于杆端斜面的剪切波，其中，压缩波将对夹在入射杆1和透射杆2之间的试块3施加压缩载荷；同时，在作用面43摩擦效应的作用下，剪切波也被施加在试块3上，从而同时实现对试块3施加压缩和剪切冲击载荷，形成双斜面压剪复合加载，可对两个试块3同时进行压剪复合加载，其操作方便、实验效率高。

进一步地，两个试块3的形状和尺寸相同，且两个试块3垂直于入射杆1的中心轴线对称布置,使得作用力均匀传递至各试块3，保证测试结果的准确性。本实施例中，试块3为立方体试块；在其他实施例中，试块3也可为圆柱体试块。

本实施例中，入射杆套筒41的作用面43、以及透射杆套筒42的作用面43与入射杆1的中心轴线的角度为45°。在其他实施例中，可通过调整入射杆套筒41和透射杆套筒42的作用面43的倾斜角度来调整施加荷载的压缩和剪切分量，如作用面43的倾斜角度也可设置为30°或60°等。

进一步地，图1所示，入射杆1和透射杆2设有弹性夹紧件5。弹性夹紧件5的一端连接一固定部件，弹性夹紧件5的另一端连接入射杆1或透射杆2，弹性夹紧件5的与杆体的连接端设于固定部件的远离试块3的一侧，以提供试块3一定的弹性压紧作用力，使得入射杆套筒41和透射杆套筒42与试块3紧密贴合，保证试块3在安装和实验过程中处于固定压紧状态，保证实验可靠进行，避免了试块3移动对实验结果的影响。

本实施例中，入射杆套筒41的中心轴线、以及透射杆套筒42的中心轴线均与入射杆1的中心轴线重合，以减小试验误差。本实施例中，入射杆套筒41和透射杆套筒42的材质与入射杆1和透射杆2的材质相同，以保证应力波的有效传播。

进一步地，入射杆套筒41与入射杆1之间、透射杆套筒42与透射杆2之间、以及试块3与入射杆套筒41和入射杆1之间均设有减磨介质，其在有效传递作用力的同时，减少了两部件之间的摩擦，以方便应力波的传递，方便各部件安装。本实施例中，减磨介质可为凡士林或黄油等耦合介质。

进一步地，如图1所示，动态压剪复合加载装置还包括多组杆件对中组件6，多组杆件对中组件6沿入射杆1和透射杆2的轴向间隔布置。杆件对中组件6包括调节外圈61和多个调节螺纹62，其中，调节外圈61套设于入射杆1或透射杆2外，调节外圈61的中心轴线与入射杆1或透射杆2的中心轴线重合；多个调节螺纹62沿入射杆1或透射杆2的周向间隔布置，调节螺纹62可沿杆件径向移动地安装于调节外圈61，且调节螺纹62在杆体对中时抵设于入射杆1或透射杆2的表面。杆件对中组件6的设置使得在实验前可将入射杆1和透射杆2调整至与固定设置的撞击杆74同心同轴布置，从而保证实验的可靠运行、以及实验结果的准确性，且其调节结构简单、调节方便。

更进一步地，调节外圈61通过连接座91固定安装于固定底座9，其保证了调节外圈61的可靠安装，且结构简单。同时，发射组件7和缓冲器10均安装于固定底座9上，其使得装置为整体结构，方便移动和安装拆卸。

本实施例中，动态压剪复合加载装置还包括发射组件7。发射组件7包括气压源71、储气腔72、撞击杆安装套7373和撞击杆74，其中，气压源71、储气腔72和撞击杆安装套73依次连接，气压源71用于储存高压、以对储气腔72加压；储气腔72用于储存由气压源71传来的气压、并向撞击杆74提供撞击力；撞击杆74设于撞击杆安装套7373内，撞击杆安装套7373与入射杆1和透射杆2同轴布置，撞击杆74在储气腔72的压强释放时撞击入射杆1，产生动态冲击力。同时，储气腔72处设有压力表76，以测量储气腔72的发射压力，以方便储气腔72提供不同的压强来冲击产生不同的应变率和冲击力。其发射结构简单，且发射安全可靠。

进一步地，如图3所示，动态压剪复合加载装置还包括应变检测组件8，应变检测组件8包括依次连接的应变片81、应变放大器82、示波器83和数据存储处理单元84。其中，应变片81分设于入射杆1和透射杆2，应变片81记录入射杆1和透射杆2的电压信号；应变放大器82放大电压信号、并转换为示波器83上可显示的波形；电压信号通过数据存储处理单元84的处理计算转化为应变值。其可准确采集入射杆1和透射杆2的应变脉冲-时间波形，得到作用于试块3的准确冲击荷载。

进一步地，动态压剪复合加载装置还包括测速仪75、波形整形器11和缓冲器10。其中，测速仪75设于发射组件7与入射杆1之间，用于检测撞击杆74的发射速度。波形整形器11设于入射杆1的靠近发射组件7的一端端面，其不仅可以延长入射波的上升段,让试块3有足够的时间达到应力均匀；同时，可平滑波形，消除应力波的高频振荡，解决波形弥散效应和试块3应力的不均匀性对实验精度的影响，且使得入射波的可调性大，方便获得大的恒应变率加载。缓冲器10设于透射杆2的远离入射杆1的一端，用来吸收透射杆2的冲击力。本实施例中，波形整形器11为橡胶垫块或金属片；测速仪75为激光测速仪。

本实施例中，用于分离式霍普金森杆的动态压剪复合加载装置的具体实施方式为：

在实验前，检查数据存储处理单元84是否正常运行、电桥桥路是否平衡、示波器83显示的波形是否正常。在电桥平衡时，电压信号在示波器83上显示为平滑无振荡的直线；当电桥不平衡时，应检查桥盒线路的连法是否正确，使用万用表检查应变片81是否损坏，导线与应变片81引线的焊接是否牢固等等；当电压信号噪声大，振荡严重时，则需要将仪器进行接地处理，并检查附近是否有强电磁干扰源。

在检查完成后，采用杆件对中组件6将入射杆1和透射杆2调整至与撞击杆74同心同轴，将撞击杆74导入撞击杆安装套73内；将试块3的端面、入射杆套筒41和透射杆套筒42与杆体接触的位置分别涂抹减磨介质，将入射杆套筒41和透射杆套筒42分别套设于入射杆1和透射杆2外，并使得入射杆套筒41的双斜面与透射杆套筒42的双斜面相对布置；在入射杆套筒41和透射杆套筒42之间安装试块3；之后，依次打开气压源71和储气腔72的阀门，当压力表76的数值达到预设气压值后关闭阀门；打开测速仪75，将示波器83调至待触发状态，确保人员安全后，发射撞击杆74；撞击后，从测速仪75读取撞击杆74的速度，储存示波器83中的实验波形，实验结束。

实施例2

图4和图5示出了本实用新型的另一种用于分离式霍普金森杆的动态压剪复合加载装置的实施例，本实施例与上一实施例基本相同，区别在于本实施例的入射杆套筒41和透射杆套筒42的作用面43为单斜面。

在实验时，由于单斜面的几何效应，当撞击杆74撞击入射杆1产生的压缩应力波到达入射杆1与试样接触的作用面43时，原来沿杆轴向传播的压缩应力波将分解为垂直于杆端斜面的压缩波和平行于斜面的剪切波，其中，压缩波将对夹在入射杆1和透射杆2之间的试块3施加压缩载荷；同时，在作用面43摩擦效应的作用下，剪切波也被施加在试块3上，从而同时实现对试块3施加压缩和剪切冲击载荷，形成单斜面压剪复合加载。

本实施例中，单斜面与入射杆1的中心轴线的角度为45°。在其他实施例中，可通过调整入射杆套筒41和透射杆套筒42的作用面43的倾斜角度来调整施加荷载的压缩和剪切分量，如作用面43的倾斜角度也可设置为30°或60°等。

虽然已经参考优选实施例对本实用新型进行了描述，但在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本实用新型并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种用于分离式霍普金森杆的动态压剪复合加载装置，包括入射杆、透射杆和试块，所述试块设于所述入射杆与所述透射杆之间，其特征在于，还包括压剪加载组件，所述压剪加载组件包括共同作用于试块的入射杆套筒和透射杆套筒，所述入射杆套筒和所述透射杆套筒分别套设于所述入射杆和所述透射杆的一端，所述入射杆套筒和所述透射杆套筒的作用面均与所述入射杆的中心轴线呈锐角布置、且相互平行。

2.根据权利要求1所述的一种用于分离式霍普金森杆的动态压剪复合加载装置，其特征在于，所述入射杆套筒和所述透射杆套筒的作用面为单斜面或双斜面；当所述入射杆套筒和所述透射杆套筒的作用面为双斜面时，所述双斜面垂直于所述入射杆的中心轴线对称布置，且所述试块为两个，两个所述试块分设于所述双斜面的其中一斜边。

3.根据权利要求2所述的一种用于分离式霍普金森杆的动态压剪复合加载装置，其特征在于，当所述入射杆套筒和所述透射杆套筒的作用面为双斜面时，两个所述试块的形状和尺寸相同，且两个所述试块垂直于所述入射杆的中心轴线对称布置。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种用于分离式霍普金森杆的动态压剪复合加载装置，其特征在于，所述入射杆和所述透射杆设有提供试块压紧作用力的弹性夹紧件；所述弹性夹紧件的一端连接一固定部件，所述弹性夹紧件的另一端连接于所述入射杆或所述透射杆，所述弹性夹紧件的与杆体的连接端设于所述固定部件的远离试块的一侧。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种用于分离式霍普金森杆的动态压剪复合加载装置，其特征在于，所述入射杆套筒和所述透射杆套筒的中心轴线均与所述入射杆的中心轴线重合。

6.根据权利要求5所述的一种用于分离式霍普金森杆的动态压剪复合加载装置，其特征在于，所述入射杆套筒和所述透射杆套筒的材质与所述入射杆和所述透射杆的材质相同。

7.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种用于分离式霍普金森杆的动态压剪复合加载装置，其特征在于，所述入射杆套筒与所述入射杆之间、所述透射杆套筒与所述透射杆之间、以及所述试块与所述入射杆套筒和所述入射杆之间均设有减少两者摩擦的减磨介质。

8.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种用于分离式霍普金森杆的动态压剪复合加载装置，其特征在于，还包括多组沿所述入射杆和所述透射杆轴向布置的杆件对中组件，所述杆件对中组件包括调节外圈和多个沿杆体周向布置的调节螺纹，所述调节外圈套设于所述入射杆或所述透射杆外，所述调节外圈的中心轴线与所述入射杆或所述透射杆的中心轴线重合；所述调节螺纹可沿杆件径向移动地安装于所述调节外圈，且所述调节螺纹在杆体对中时抵设于所述入射杆或所述透射杆的表面。

9.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种用于分离式霍普金森杆的动态压剪复合加载装置，其特征在于，还包括发射组件，所述发射组件包括气压源、储气腔、撞击杆安装套和撞击杆，所述气压源、所述储气腔和所述撞击杆安装套依次连接，所述撞击杆设于所述撞击杆安装套内，所述撞击杆安装套与所述入射杆和所述透射杆同轴布置。

10.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种用于分离式霍普金森杆的动态压剪复合加载装置，其特征在于，还包括应变检测组件，所述应变检测组件包括依次连接的应变片、应变放大器、示波器和数据存储处理单元，所述应变片分设于所述入射杆和所述透射杆。

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