CN2916616Y

CN2916616Y - 大直径分离式霍普金森压杆

Info

Publication number: CN2916616Y
Application number: CN 200620031882
Authority: CN
Inventors: 任辉启; 张守保
Original assignee: Engineering Troops No 3 Institute Headquarters of General Staff of PLA
Current assignee: Engineering Troops No 3 Institute Headquarters of General Staff of PLA
Priority date: 2006-04-30
Filing date: 2006-04-30
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2016-04-30

Abstract

本实用新型属于爆炸力学实验装置。提出的大直径分离式霍普金森压杆主要涉及对其压杆托架、缓冲装置和脉冲整形结构的改进，设置在输入杆(5)前的预加载杆(7)和位于预加载杆(7)前端面的整形用纸质垫片构成脉冲整形结构，压杆托架为滚动式托架结构，压杆置于压杆托架的托辊(23)上，托辊支承压杆的圆弧面曲率半径大于压杆半径；托辊通过轴承(24)支承在支撑轴(25)上并通过支撑轴支承在机架上，构成托辊随压杆运动而同步滚动的结构；缓冲装置由空气阻尼器和缓冲垫片两种缓冲结构构成。本实用新型可解决在实验中托架结构对压杆中的应力传播产生干扰的问题并通过对缓冲装置的改进减少冲击力对输出杆的冲击，从而保证实验结果的精度。

Description

大直径分离式霍普金森压杆

技术领域

本实用新型属于爆炸力学实验装置，主要提出一种大直径分离式霍普金森压杆。

背景技术

在各种各样的材料动力实验装置中，分离式霍普金森压杆(SHPB)被公认为是最常用最有效的研究脉冲动载作用下材料力学性质的实验设备。其应用领域从最初测量金属的动态力学性能，发展到现在测量岩石、混凝土、陶瓷、高聚物、炸药、固体推进剂、塑料、复合材料、泡沫材料、减震材料、粘结层、纤维等多种材料的动态力学性能。

在上世纪九十年代末，中国科学技术大学中科院材料力学行为和设计重点实验室将原有的Φ37mmSHPB改造为直锥变截面式Φ74mmSHPB，目前国内拥有这套装置的科研单位有多家。其它SHPB直径都在40mm以下，均不适合进行混凝土、岩石等非均质材料实验。Φ74mmSHPB可以进行混凝土、岩石等非均质材料实验，但有局限性。

分离式霍普金森压杆主要由加载装置-气炮与撞击杆、输入杆、输出杆、托架、缓冲装置和应变与撞击速度测量记录仪器等部分组成；其设计原理为：气炮发射撞击杆撞击输入杆，在输入杆中产生弹性的压缩波，其脉冲长度比试件长度长很多，通过输入杆传播到达试件，试件夹在输入杆和输出杆之间，压缩脉冲通过试件，其应力幅值大到能使试件塑性变形。由于试件材料和压杆(包括输入杆和输出杆)材料的阻抗失配，当压缩波到达输入杆与试件的界面时，一部分被反射回到输入杆中，一部分透射进入试件中，试件中的应力波到达与输出杆的界面时，同样发生反射，部分透射进入输出杆中，部分反射回到试件中。贴在输入杆表面上的应变片测得杆中入射波和反射波信号，而贴在输出杆表面上的应变片测得杆中透射波信号。在整个试验过程中，压杆始终保持弹性状态。由实测的压杆中入射、反射和透射脉冲，就可以获得试件的应力-应变关系以及其他动力性质参数。

目前存在问题是：国内其它SHPB的压杆支架都是滑动支承，这对压杆中应力脉冲的传播的干扰是显著的，试验和数值模拟均表明，峰值应力衰减3～6％，加之目前使用中的压杆均为中小直径压杆(最大直径Φ74mm)，用于大直径压杆如Φ100mm其缺陷就更为突出。设置在吸收杆后端的缓冲装置，目前使用的结构是要将加载装置-气炮施加到压杆上最后至吸收杆的撞击力缓冲、吸收；但由于其结构设计不合理，往往造成吸收杆的回弹速度高，存在压杆脱离支撑托架而发生掉杆现象；二是由于碰撞力得不到有效降低，造成压杆产生墩粗、弯曲等塑性变形。另外，大直径压杆因压杆粒子具有径向惯性，致使一维应力波的传播发生弥散，应力脉冲波形起伏振荡，弥散和振荡主要是波长小于10倍压杆半径的傅里叶分量造成的。因此，压杆直径越大，弥散和振荡越严重，由于入射脉冲振荡，相应的透射和反射波形也有振荡，导致试件内部应力不均匀，材料的动态本构响应曲线出现大幅度振荡。而对这种弥散效应的理论修正，不能减低入射波振荡，且对试件大小等参数的变动非常敏感，参数选择的不确定性将导致振荡加重和修正结果严重失真。

发明内容

本实用新型提出一种大直径分离式霍普金森压杆的主要目的是解决在实验中托架结构对压杆中的应力传播产生干扰的问题并通过对缓冲装置的改进减少冲击力对输出杆的冲击，从而保证实验结果的精度。

本实用新型的另一目的是解决大直径压杆存在的波弥散和波形振荡的问题。

本实用新型完成其发明任务所采取的技术方案是：本实用新型主要包括加载装置-气炮、输入杆和输出杆；还包括压杆托架、缓冲装置和应变片与撞击速度测量记录仪器等部分；压杆托架为滚动式托架结构，即按照尽量减少接触面积和接触力的“非过渡约束”原则，压杆置于压杆托架的托辊上即压杆被支承在托辊的圆弧面上，托辊支承压杆的圆弧面其曲率半径大于压杆半径；托辊通过轴承支承在支撑轴上并通过支撑轴支承在机架上，构成托辊随压杆运动而同步滚动的结构；所述缓冲装置由空气阻尼器和缓冲垫片两种缓冲结构构成；空气阻尼器主要包括阻尼缸、缸套、活塞和复位缸及与活塞分离的活塞复位机构；其中，阻尼缸位于缸套内部且其缸体上具有多个进出气孔，复位缸位于阻尼缸后端且与阻尼缸为连通结构，活塞的活塞杆一端位于阻尼缸缸体外且与输出杆对中，活塞复位机构为手动结构其位于复位缸内的一端为与复位缸吻配的活塞结构，另一端为手柄；缓冲垫片由设置在活塞一端的柔性缓冲垫和设置在阻尼缸内后端的橡胶缓冲垫组成。

输入杆前设置有屈服强度低于输入杆的预加载杆，在预加载杆前端面设置有整形用纸质垫片。

本实用新型提出的滚动托架采用滚动支承排除了滑动支座对脉冲传播干扰严重的弊端，当一维应力波传播到滚动托架的位置时，压杆横截面位移导致托辊滚动，托辊则带动两端的轴承转动，结果是压杆与托辊之间的滑动摩擦转变为轴承的滚动摩擦，而滚珠轴承的摩擦系数一般在0.002～0.005范围之内，因此滚动托架对压杆的约束力几乎可以忽略不计。本实用新型提出的缓冲装置有效的吸收了冲击力，减少了压杆的回弹速度，从而保证压杆不会脱离支撑架发生掉杆现象，缓冲装置可延长碰撞时间，减小碰撞力，可保护压杆不产生镦粗、弯曲等塑性变形。

本实用新型针对压杆因直径大而存在的波弥散和波形振荡严重的问题，采取在输入杆前设置屈服强度低于输入杆的预加载杆，并在预加载杆前端面设置整形纸质垫片，构成脉冲整形结构，可有效解决波弥散和波形振荡的问题。

附图说明

图1为φ100mm分离式霍普金森压杆结构示意图。

图2为本实用新型气炮结构示意图。

图3为本实用新型压杆托架结构示意图。

图4为本实用新型缓冲装置结构示意图。

图中，1、缓冲装置，2、输出杆，3、应变片，4、试件，5、输入杆，6、压杆托架，7、预加载杆，8、纸质垫片，9、测量记录仪器，10、撞击杆，11、气炮，12、基座，14、炮管，15、堵头，16、气喉，17、前储气室，18、进/放气孔，19、滑阀体，20、滑阀缸，21、后储气室，22、测压孔，23、托辊，24、轴承，25、支撑轴，26、左右调整螺杆，27、压紧螺母，28、调整楔铁，29、高低调整螺杆，30、侧向固定螺栓，31、底座，32、压杆，33、保护盖，35、柔性缓冲垫，36、缸套，37、阻尼缸，38、活塞，39、橡胶缓冲垫，40、承力架，41、复位缸，42、活塞复位机构。

具体实施方式

结合附给出的实施例对本实用新型加以说明：

如图1所示，φ100mm分离式霍普金森压杆包括加载装置-气炮(11)、输入杆5和输出杆2，还包括压杆托架6、缓冲装置1、应变片3和撞击速度测量记录仪器9等部分，其中气炮11由内装滑阀机构的储气室(17)(21)、尾端联接气喉的炮管14、炮管内的撞击杆10和操纵台等组成，输入杆5长度为4.5m，输出杆2长度为2.5m，分离式霍普金森压杆为现有成熟的实验装置，即加载装置-气炮、输入杆、输出杆和测量记录仪器等均为现有技术。本实用新型仅涉及对脉冲整形结构、压杆托架、缓冲装置的改进：如图1所示，本实用新型在输入杆5前设置屈服强度低于输入杆的预加载杆7，预加载杆和输入杆、输出杆共同构成压杆组件，压杆的直径均为100mm，预加载杆其长度为2.06m，屈服强度可为σ0.2＝300-400MPa(输入杆屈服强度可为σ0.2＝800-1000MPa)，在预加载杆前端面设置整形纸质垫片8，纸质垫片8位于预加载杆7前端面的中心部位。

本实用新型中气炮结构基本与现有结构相同，见图2，在此不作过多说明。如图3所示，本实用新型的压杆托架为滚动式托架结构，压杆置于压杆托架的托辊上即压杆被支承在托辊的圆弧面上，托辊支承压杆的圆弧面曲率半径大于压杆半径；该实施例支承托辊的圆弧面是以半径80mm弦长100mm的圆弧为母线的旋转面，托辊23的两端各嵌入一个207D单列向心球轴承，一根支撑轴25穿过托辊中心孔及其两端的轴承24，轴的端部插入支撑架上与轴端动配合的左、右孔内，轴承固定在支撑轴25上，而托辊中心孔的孔径大于支撑轴直径。当一维应力波传播到滚动托架的位置时，压杆32横截面位移导致托辊滚动，托辊则带动两端的轴承24转动，结果是压杆与托辊之间的滑动摩擦转变为轴承的滚动摩擦，而滚珠轴承的摩擦系数一般在0.002～0.005范围之内，因此压杆托架对压杆的约束力几乎可以忽略不计。实际上沿轴向推动Φ100SHPB每根压杆的力仅为10～30N。为了把托架对压杆的约束减至最低程度，按照托架纵向对称面与气炮炮管轴线(即压杆轴线)相重合的标准，在钢筋混凝土平台上安装托架的底座，设置有4个可以微调支撑架水平方位的侧向固定螺栓30；支撑架下部为左右对称的斜面，并在下方设置由调整螺栓带动的调整楔铁28。托架装好之后通过4个侧向固定螺栓30(每侧两个)的差动进出可以微调支撑架水平方位，严格保证炮管轴线垂直于托辊23(或支撑轴)轴线。然后拧进或拧出连接左右两块调整楔铁的两根螺杆29调整托辊的高低和水平，升降范围可达12mm，利用抵在支撑轴两端的左右调整螺杆26使托辊左右移动，行程可达20mm。通过对托辊的三维调整，最终严格保证输入杆、输出杆、预加载杆三杆同轴和撞击杆与输入杆对心正碰撞。撞击杆和三根压杆这四杆的同轴度可以达到≤0.5mm。并且保证压杆靠自重与每个托架的托辊弧面最低点接触，理论上是点接触，实际上因为有弹性变形和加工偏差，压杆与托辊最低处是带接触，接触带沿托辊母线长度≤6mm，宽约1mm左右。

如图4所示，缓冲装置由空气阻尼器和缓冲垫片两种缓冲机构组成，其作用是：一是限制压杆运动，减低回弹速度，防止压杆脱离支撑托架发生掉杆现象；二是延长碰撞时间减小碰撞力，保护压杆不产生镦粗、弯曲等塑性变形。

空气阻尼器主要包括阻尼缸37、缸套36、活塞38和复位缸41及与活塞分离的活塞复位机构42；阻尼缸位于缸套内部且其缸体上具有多个进出气孔，复位缸41位于阻尼缸37后端且与阻尼缸为连通结构，活塞的活塞杆一端位于阻尼缸缸体外且与输出杆对中；活塞复位机构为手动结构，其位于复位缸内的一端为与复位缸吻配的活塞结构，其另一端为手柄。缓冲垫片由设置在活塞杆一端的柔性缓冲垫35和设置在阻尼缸内后端的橡胶缓冲垫(39)组成。缓冲装置的工作过程为：试验之前，手动复位机构推动活塞，活塞杆向外移动至端部距输出杆大约40mm的位置，然后手动复位机构退回到原来的位置。当进行试验时，输出杆首先撞击到活塞杆前端的羊毛毡缓冲垫上，100mm厚的羊毛毡被压缩而耗能，输出杆继续推压活塞杆向装置内快速运动，致使活塞压缩前方阻尼缸内空气，使其从活塞前方缸壁上的小孔泻出，然后又从活塞后方缸壁上的小孔进入缸内。在此过程中除活塞与缸壁之间摩擦力外活塞与吸收杆受到两种阻力，一种是将静止的气体加速为高速气流引起的惯性阻力，另一种是气体小孔出流、紊流和小孔流进所产生的粘性摩擦阻力。空气阻尼器依靠气体经小孔流动产生的这两部分阻力而起缓冲作用。最后活塞撞到阻尼缸末端的橡胶缓冲垫上，进一步被减速。经过三段缓冲而大大减弱的冲击力传到承力架上，最终通过地脚螺栓传给设备基础。从能量的角度看，空气阻尼机构是将压杆的部分动能转化为不可逆的热能，而缓冲垫是将压杆的部分动能转化为不可逆的变形能和热能。

Claims

1、一种大直径分离式霍普金森压杆，主要包括加载装置—气炮(11)、输入杆(5)和输出杆(2)；还包括压杆托架(6)、缓冲装置(1)和应变片(3)与撞击速度测量记录仪器(9)等部分；其特征是：所述压杆托架为滚动式托架结构，压杆置于压杆托架的托辊(23)上即压杆被支承在托辊的圆弧面上，托辊支承压杆的圆弧面其曲率半径大于压杆半径；托辊(23)通过轴承(24)支承在支撑轴(25)上并通过支撑轴支承在机架上，构成托辊随压杆运动而同步滚动的结构；所述缓冲装置由空气阻尼器和缓冲垫片两种缓冲结构构成；空气阻尼器主要包括阻尼缸(37)、缸套(36)、活塞(38)和复位缸(41)及与活塞分离的活塞复位机构；其中，阻尼缸(37)位于缸套(36)内部且其缸体上具有多个进出气孔，复位缸(41)位于阻尼缸(37)后端且与阻尼缸为连通结构，活塞的活塞杆一端位于阻尼缸缸体外且与输出杆(2)对中，活塞复位机构为手动结构其位于复位缸内的一端为与复位缸吻配的活塞结构，另一端为手柄；缓冲垫片由设置在活塞一端的柔性缓冲垫(35)和设置在阻尼缸内后端的橡胶缓冲垫(39)组成。

2、根据权利要求1所述的大直径分离式霍普金森压杆，其特征是：所述的输入杆(5)前设置有屈服强度低于输入杆的预加载杆(7)，在预加载杆前端面设置有整形用纸质垫片(8)。