WO2021088239A1 - 一种通过液体体积测量试件动态侧向应变的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种通过液体体积测量试件动态侧向应变的装置及方法，该测量装置包括用于将待测试件的动态侧向应变信息转化为液体高程动态变化信息的转换装置，用于实时获取液体高程动态变化信息的采集装置，以及用于将转换装置固定在SHPB实验台上且调节转换装置竖直高度的固定装置。本发明将试件的侧向应变转化为测量液体体积的变化，进一步转化成液体高程的变化，由高速动态信号采集仪采集高程信号传感器收到的高程信号，并将液体的高程信号转变为数字信号传送到计算机，在计算机形成体积随时间变化的曲线，再根据试件的具体尺寸信息等可以得到在动载下试件侧向应变随时间变化的曲线。本发明对试件动态侧向应变的测量结果准确，测量方法合理可靠。

Description

一种通过液体体积测量试件动态侧向应变的装置及方法 技术领域

本发明涉及采用SHPB实验系统进行煤岩等脆性材料动态力学特性测试的技术领域，具体涉及一种通过液体体积测量试件动态侧向应变的装置及方法。

背景技术

在实际工程应用中，煤岩等材料常常受高强度动态冲击，材料在受短时间内高强度动载冲击时，表现出与静态加载截然不同的力学特性。由于分离式霍普金森压杆装置结构简单，设计思想新颖，一直是研究高应变率（10 ²～10 ⁴）下材料力学特性最主要的实验方法。在测量动载条件下煤岩等脆性材料的力学特性时，试件的轴向应变和轴向应力可以对波导杆上的应变信号进行换算获得。试件的动态侧向应变也是研究材料动态特性的一个重要参数。

技术问题

采用SHPB实验平台对煤岩等脆性材料进行加载试验时，现多采用在试件侧面粘贴应变片的方法来获得材料的侧向应变。该方法具有一定的局限性，其一，试件在受动载冲击下，试件的侧向应变往往是不均匀的，采用粘贴应变片的方法只能测试出试件侧面某一点的应变，以此来表示试件整体的侧向应变是不准确的。其二，对于动载冲击，短时间内试件的侧向应变急剧增加，很容易造成应变片的断路，导致侧向应变测量的不准确。其三，对于煤岩等脆性材料，由于其表面是相对粗糙的弧面，造成了应变片不易粘贴，且不能很好的贴合试件表面，动载作用下很容易造成应变片脱落，影响实验数据的完整性。其四，应变片粘贴在试件的表面，难以重复使用。

技术解决方案

为了弥补现有采用粘贴应变片的方式获得试件动载侧向应变所存在的缺陷，本发明提出一种通过液体体积测量试件动态侧向应变的装置及方法。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种通过液体体积测量试件动态侧向应变的装置，包括用于将待测试件的动态侧向应变信息转化为液体高程动态变化信息的转换装置，用于实时获取液体高程动态变化信息的采集装置，以及用于将转换装置固定在SHPB实验台上且调节转换装置竖直高度的固定装置；

所述转换装置包括缸体、盖板和橡胶皮套，缸体呈空心圆筒状，水平布置，缸体的两端分别与盖板螺纹连接，在盖板的中心设置有供入射杆或透射杆穿过的圆孔，在缸体与盖板之间还设置有用于缸体内部空间密封的橡胶垫圈；待测试件呈圆柱状，所述橡胶皮套套在待测试件的外侧，并将待测试件紧紧包裹，待测试件置于缸体内部中心处，待测试件的两端分别与入射杆和透射杆的端部相抵触；在缸体的底部两侧开设有进液孔和第一出液孔，在缸体的顶部开设有第二出液孔，进液孔和第一出液孔与输液管路连接，在缸体的上方设置有量管，量管为两端敞口的透明玻璃管，竖直放置，量管的底部与第二出液孔相连通；

所述采集装置包括高程信号传感器和高速动态信号采集仪，高程信号传感器包括传感器外壳，传感器外壳套设在量管的外部，在传感器外壳的一侧布置有垂直分布光源，在传感器外壳的另一侧布置有垂直分布感光元件；高程信号传感器通过导线与高速动态信号采集仪连接，高速动态信号采集仪与计算机连接；

所述固定装置包括底座、活柱和弧形托板，底座固定在SHPB试验台上，活柱的底端与底座连接，活柱的顶端与弧形托板连接，弧形托板与缸体的底部连接，在活柱上配置有用于调节活柱升降的调节螺栓。

优选的，在第二出液孔处设置有连通件，连通件呈倒T形结构，在连通件的内部竖向设置有贯通的连通孔，连通件的底部与缸体的顶部连接，连通件的上部插入量管中，且连通件将量管的底端敞口密封。

优选的，所述盖板的外表面设置成磨砂面。

优选的，所述进液孔和第一出液孔与输液管路之间采用锥形螺纹连接。

优选的，所述传感器外壳为不透光的黑色外壳。

一种通过液体体积测量试件动态侧向应变的方法，采用如上所述的装置，包括以下步骤：

第一步，将待测试件加工成圆柱形，测量并记录待测试件的径向半径和轴向长度；

第二步，将转换装置放置在SHPB试验台的夹持试件位置处，通过固定装置的活柱调节转换装置的缸体至合适高度；将试件安置于橡胶皮套内，并将试件与橡胶皮套置于缸体内部，且试件通过SHPB实验装置中的入射杆与透射杆夹紧；

第三步，安装好采集装置，打开高程信号传感器和高速动态信号采集仪，打开进液孔和第二出液孔，关闭第一出液孔，由进液孔向缸体内部注入液体，直到高程信号传感器开始收到信号；

第四步，关闭进液孔，启动SHPB实验装置的冲击加载系统，发射子弹开始动载实验，高程信号传感器将量管内液体的高程信号转化为电信号，然后传输到高速动态信号采集仪中；

第五步，由计算机保存高速动态信号采集仪采集到的数据，形成高程随时间变化的曲线，再结合量管内半径，试件原始径向半径和轴向长度，换算出在一次动载冲击中试件侧向应变随时间变化的曲线；

第六步，打开第一出液孔，回收缸体内液体，然后拧开两侧盖板，将缸体取下，将试件从橡胶皮套中取出，清理试验台。

上述第五步中所述的高程随时间变化的曲线与侧向应变随时间变化的曲线采用以下步骤换算：

假设由高速动态信号采集仪采集到的由高程信号传感器获得的动态高程变化为△h( t)，由于试件受到动载冲击产生的侧向扩容体积为 V _侧，量管内获得的液体体积增量为 V _量，计圆柱形试件的原长为 l，试件原始半径为 r，量管内半径为 R _管，应力波加载到 t时刻，轴向应变为 ε _轴( t)，侧向应变为 ε _侧( t)，则：

V _侧= π{[ r(1+ ε _侧( t))] ²- r ²}× l (1- ε _侧( t))

V _量= π R _管 ² ×△h( t)

由于缸体内部与量管相通，且量管与大气相通，故试件由于受动载冲击造成侧向应变增加的体积等于量管内部增加的液体体积，即

V _量= V _侧

通过换算得到：

即为应力波加载到 t时刻时试件的侧向应变。

有益效果

（1）煤岩等脆性材料试件在受到动载冲击时的侧向应变是不均匀的，本发明将测量试件的侧向应变信息巧妙的转变为测量液体的体积变化信息，再根据液体体积变化信息结合试件基本信息换算出试件的侧向应变，测量方法合理，测量结果准确。

（2）煤岩类试件受动载时侧向应变率较高，以往采用粘贴应变片的方法很容易造成应变片断路，导致数据缺失，本发明采用液体体积转换的方法间接测量试件的侧向应变，避免了采用应变片测量的不足，测量方法更加可靠。

（3）煤岩类试件测量时，其表面为粗糙的曲面，手工粘贴应变片的方法常因粘贴角度不合适，或粘贴不牢固而不能捕获到试件真实的侧向应变，本发明避免了煤岩试件不光滑的曲面的影响以及人工误差，测量精度明显提高。

（4）本发明装置测量原理简单，操作方便，且可以重复使用。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明一种通过液体体积测量试件动态侧向应变的装置结构原理示意图；

图2为本发明装置在SHPB试验系统中的装配总图；

图3为本发明装置中固定装置的结构示意图；

图4为本发明装置中转换装置的结构示意图；

图5为本发明装置中采集装置的结构示意图；

图6为本发明中试件的参数标注示意图；

图7为本发明测量方法的实验流程图。

图中：1-底座，2-活柱，3-弧形托板，4-进液孔，5-缸体，6-入射杆侧盖板，7-橡胶垫圈，8-入射杆，9-待测试件，10-高程信号传感器，11-透射杆，12-透射杆侧盖板，13-橡胶皮套，14-第一出液孔，15-量管，16-导线，17-高速动态信号采集仪，18-计算机，19-垂直分布光源，20-传感器外壳，21-垂直分布感光元件，22-转换装置，23-固定装置，24-动载冲击装置，25-SHPB实验装置基座，26-采集装置，27-第二出液孔，28-连通件。

本发明的实施方式

分离式霍普金森压杆实验系统是研究中高应变率（10 ²～10 ⁴）下材料力学性能的最主要的实验方法，是爆炸与冲击动力学实验技术中重要组成成分。针对现有常用往试件侧面贴应变片的方法获得试件侧向应变的局限性，本发明提出了一种通过液体体积测量试件动态侧向应变的装置及方法。本发明利用试件在受动态冲击时试件侧面体积的膨胀，巧妙地将试件受动载时侧面体积的变化转换为液体体积的变化，进而获得试件受动载过程中动态的侧向应变参数。与传统手工贴应变片的方式相比，本发明实现原理简单，大大提高了测量精度，并且本发明装置可以重复使用，总体来说具有经济型。

下面结合附图对本发明装置及方法进行更为具体地说明。

结合附图，一种通过液体体积测量试件动态侧向应变的装置，包括转换装置22、采集装置26和固定装置23，转换装置用于将待测试件的动态侧向应变信息转化为液体高程动态变化信息，具体地是通过密闭缸体等部件，将试件在受动态冲击时侧面体积的膨胀，转换为量管内液体高程的变化。采集装置26用于实时获取液体高程动态变化信息，具体地是通过高程信号传感器获得量管内液体高程动态变化信息，再通过计算机处理最终获得试件的实时动态侧向应变。固定装置23用于将转换装置固定在SHPB实验台上，保证在进行动载实验时转换装置不会发生移动造成实验误差，而且固定装置可调节转换装置的竖直高度，使缸体处于合适高度。

所述转换装置22包括缸体5、入射杆侧盖板6、透射杆侧盖板12和橡胶皮套13，缸体5呈空心圆筒状，水平布置，缸体的两端分别与入射杆侧盖板6和透射杆侧盖板12螺纹连接，以上两侧盖板均为圆形，中部有一略大于入射杆8或透射杆11直径的圆孔，以方便入射杆或透射杆穿过并移动。在缸体5与盖板之间还设置有用于缸体内部空间密封的橡胶垫圈7，橡胶垫圈7具体为圆环形橡胶垫片，其固定在缸体5的端面与盖板内侧面之间，橡胶垫圈的内环与穿过的入射杆或透射杆紧密接触，起到密封作用，保证两侧盖板与缸体5形成密闭的储液空间。

待测试件9加工成圆柱状，直径与入射杆8或透射杆11的直径相等。橡胶皮套13套在待测试件的外侧，并将待测试件紧紧包裹。待测试件置于缸体内部中心处，待测试件的两端分别与入射杆和透射杆的端部相抵触。待测试件侧面包裹橡胶皮套的目的是将试件与缸体内充注的液体隔绝，消除液体对试件侧向应变的影响。这样通过橡胶皮套将试件的侧面包裹，通过入射杆和透射杆将试件的两端掩盖，可使得试件与缸体内的液体完全隔绝，在实验过程中不用考虑试件材料会否与缸体内的液体发生吸附等问题，保证了实验结果的准确性。

在缸体的底部两侧开设有进液孔4和第一出液孔14，在缸体的顶部开设有第二出液孔27，进液孔4和第一出液孔14与输液管路连接。在缸体的上方设置有量管15，量管15为两端敞口的透明玻璃管，竖直放置，量管15的底部与第二出液孔27相连通。

所述采集装置26包括高程信号传感器10和高速动态信号采集仪17，高程信号传感器10包括传感器外壳20，传感器外壳20套设在量管15的外部，在传感器外壳的一侧布置有垂直分布光源19，在传感器外壳的另一侧布置有垂直分布感光元件21。高程信号传感器10通过导线16与高速动态信号采集仪17连接，高速动态信号采集仪17通过导线与计算机18连接。

所述传感器外壳20为不透光的黑色外壳，可以阻隔外部光线对感光元件的干扰。所述缸体内的液体可选择不透光的黑色液体等。这样垂直分布光源19射出的光线通过透明量管15后由垂直分布感光元件21接收到，可以将量管内液体的高程信号转化为电信号，再由数据线传输到高速动态信号采集仪中，最终传输到计算机中形成高程随时间变化的曲线，经过处理得到试件的侧向应变随时间变化的曲线。

所述固定装置23包括底座1、活柱2和弧形托板3，底座1为长板型，两侧开有两孔，可以通过螺栓固定在SHPB实验装置基座25上。活柱2的底端与底座连接，活柱2的顶端与弧形托板3连接，弧形托板3与缸体的底部连接。在活柱上配置有调节螺栓，用于调节活柱的升降，以保证被测试件与SHPB波导杆（入射杆和透射杆）满足同一高度。

作为对本发明的进一步设计，在第二出液孔处设置有连通件28，连通件28呈倒T形结构，在连通件的内部竖向设置有贯通的连通孔，连通件的底部与缸体的顶部连接，连通件的上部插入量管15中，且连通件将量管的底端敞口密封。缸体5内的液体经连通件28进入量管15中。连通件28的设置既方便了缸体与量管的连通，又方便了量管的安装固定。

更进一步的，所述入射杆侧盖板6与透射杆侧盖板12的外表面均设置成磨砂面，便于装卸。

进一步的，上述橡胶皮套的两端设置有向外突出的圆环，橡胶皮套的伸展方向与圆环所处于的平面相垂直。这样在盖板与缸体之间进行螺纹连接时，橡胶皮套的圆环和橡胶垫圈一并置于盖板内侧和缸体端面之间，由盖板和缸体压紧，可进一步起到缸体内部的密封效果。

更进一步的，所述进液孔4和第一出液孔14分别与输液管路的进液管和出液管之间采用锥形螺纹连接，锥形螺纹可以实现过盈配合，保证密封性。

本发明还提供一种通过液体体积测量试件动态侧向应变的方法。试件在受到动载冲击时，产生动态的侧向应变，但试件在受动载时的侧向应变是不均匀的，本发明方法巧妙的将测量试件的侧向应变转移到测量液体体积的变化，再根据液体体积的动态变化换算获得试件的动态侧向应变。

一种通过液体体积测量试件动态侧向应变的方法，采用如上所述的装置，包括以下步骤：

第一步，将待测试件9加工成圆柱形，测量并记录待测试件的径向半径和轴向长度。

第二步，将转换装置22放置在SHPB实验装置的基座上，并置于夹持试件位置处，通过固定装置的活柱2调节转换装置的缸体5至合适高度。将待测试件9安置于橡胶皮套13内，并将试件与橡胶皮套置于缸体5内部，且试件通过SHPB实验装置中的入射杆8与透射杆11夹紧。

第三步，安装好采集装置26，打开高程信号传感器10和高速动态信号采集仪17，打开进液孔4和第二出液孔27，关闭第一出液孔14，由进液孔向缸体内部注入黑色液体，直到高程信号传感器10开始收到信号。

第四步，关闭进液孔4，启动SHPB实验装置的冲击加载系统（包括动载冲击装置24），发射子弹开始动载实验，高程信号传感器10将量管内液体的高程信号转化为电信号，然后传输到高速动态信号采集仪17中。

第五步，由计算机保存高速动态信号采集仪采集到的数据，形成高程随时间变化的曲线，再结合量管内半径，试件原始径向半径和轴向长度，换算出在一次动载冲击中试件侧向应变随时间变化的曲线。

第六步，打开第一出液孔14，回收缸体内液体，然后拧开两侧盖板即入射杆侧盖板6和透射杆侧盖板12，将缸体5取下，将试件从橡胶皮套中取出，清理试验台。

上述第五步中所述的高程随时间变化的曲线与侧向应变随时间变化的曲线采用以下步骤换算：

假设由高速动态信号采集仪采集到的由高程信号传感器获得的动态高程变化为△h( t)，由于试件受到动载冲击产生的侧向扩容体积为 V _侧，量管内获得的液体体积增量为 V _量，计圆柱形试件的原长为 l，试件原始半径为 r，量管内半径为 R _管，应力波加载到 t时刻，轴向应变为 ε _轴( t)，侧向应变为 ε _侧( t)，则：

V _侧= π{[ r(1+ ε _侧( t))] ²- r ²}× l (1- ε _侧( t))

V _量= π R _管 ² ×△h( t)

由于缸体内部与量管相通，且量管与大气相通，故试件由于受动载冲击造成侧向应变增加的体积等于量管内部增加的液体体积，即

V _量= V _侧

通过换算得到：

即为应力波加载到 t时刻时试件的侧向应变。

上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下，本领域技术人员所作出的任何等同替代方式，或明显变型方式，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1. 一种通过液体体积测量试件动态侧向应变的装置，其特征在于：包括用于将待测试件的动态侧向应变信息转化为液体高程动态变化信息的转换装置，用于实时获取液体高程动态变化信息的采集装置，以及用于将转换装置固定在SHPB实验台上且调节转换装置竖直高度的固定装置；

   所述转换装置包括缸体、盖板和橡胶皮套，缸体呈空心圆筒状，水平布置，缸体的两端分别与盖板螺纹连接，在盖板的中心设置有供入射杆或透射杆穿过的圆孔，在缸体与盖板之间还设置有用于缸体内部空间密封的橡胶垫圈；待测试件呈圆柱状，所述橡胶皮套套在待测试件的外侧，并将待测试件紧紧包裹，待测试件置于缸体内部中心处，待测试件的两端分别与入射杆和透射杆的端部相抵触；在缸体的底部两侧开设有进液孔和第一出液孔，在缸体的顶部开设有第二出液孔，进液孔和第一出液孔与输液管路连接，在缸体的上方设置有量管，量管为两端敞口的透明玻璃管，竖直放置，量管的底部与第二出液孔相连通；

   所述采集装置包括高程信号传感器和高速动态信号采集仪，高程信号传感器包括传感器外壳，传感器外壳套设在量管的外部，在传感器外壳的一侧布置有垂直分布光源，在传感器外壳的另一侧布置有垂直分布感光元件；高程信号传感器通过导线与高速动态信号采集仪连接，高速动态信号采集仪与计算机连接；

   所述固定装置包括底座、活柱和弧形托板，底座固定在SHPB试验台上，活柱的底端与底座连接，活柱的顶端与弧形托板连接，弧形托板与缸体的底部连接，在活柱上配置有用于调节活柱升降的调节螺栓。
2. 根据权利要求1所述的一种通过液体体积测量试件动态侧向应变的装置，其特征在于：在第二出液孔处设置有连通件，连通件呈倒T形结构，在连通件的内部竖向设置有贯通的连通孔，连通件的底部与缸体的顶部连接，连通件的上部插入量管中，且连通件将量管的底端敞口密封。
3. 根据权利要求1所述的一种通过液体体积测量试件动态侧向应变的装置，其特征在于：所述盖板的外表面设置成磨砂面。
4. 根据权利要求1所述的一种通过液体体积测量试件动态侧向应变的装置，其特征在于：所述进液孔和第一出液孔与输液管路之间采用锥形螺纹连接。
5. 根据权利要求1所述的一种通过液体体积测量试件动态侧向应变的装置，其特征在于：所述传感器外壳为不透光的黑色外壳。
6. 一种通过液体体积测量试件动态侧向应变的方法，采用如权利要求1-5中任一权利要求所述的装置，其特征在于包括以下步骤：

   第一步，将待测试件加工成圆柱形，测量并记录待测试件的径向半径和轴向长度；

   第二步，将转换装置放置在SHPB试验台的夹持试件位置处，通过固定装置的活柱调节转换装置的缸体至合适高度；将试件安置于橡胶皮套内，并将试件与橡胶皮套置于缸体内部，且试件通过SHPB实验装置中的入射杆与透射杆夹紧；

   第三步，安装好采集装置，打开高程信号传感器和高速动态信号采集仪，打开进液孔和第二出液孔，关闭第一出液孔，由进液孔向缸体内部注入液体，直到高程信号传感器开始收到信号；

   第四步，关闭进液孔，启动SHPB实验装置的冲击加载系统，发射子弹开始动载实验，高程信号传感器将量管内液体的高程信号转化为电信号，然后传输到高速动态信号采集仪中；

   第五步，由计算机保存高速动态信号采集仪采集到的数据，形成高程随时间变化的曲线，再结合量管内半径，试件原始径向半径和轴向长度，换算出在一次动载冲击中试件侧向应变随时间变化的曲线；

   第六步，打开第一出液孔，回收缸体内液体，然后拧开两侧盖板，将缸体取下，将试件从橡胶皮套中取出，清理试验台。
7. 根据权利要求6所述的一种通过液体体积测量试件动态侧向应变的方法，其特征在于，第五步中所述的高程随时间变化的曲线与侧向应变随时间变化的曲线采用以下步骤换算：

   假设由高速动态信号采集仪采集到的由高程信号传感器获得的动态高程变化为△h( t)，由于试件受到动载冲击产生的侧向扩容体积为 V _侧，量管内获得的液体体积增量为 V _量，计圆柱形试件的原长为 l，试件原始半径为 r，量管内半径为 R _管，应力波加载到 t时刻，轴向应变为 ε _轴( t)，侧向应变为 ε _侧( t)，则：

   V _侧= π{[ r(1+ ε _侧( t))] ²- r ²}× l (1- ε _侧( t))

   V _量= πR _管 ² ×△h( t)

   由于缸体内部与量管相通，且量管与大气相通，故试件由于受动载冲击造成侧向应变增加的体积等于量管内部增加的液体体积，即

   V _量= V _侧

   通过换算得到：

   

   即为应力波加载到 t时刻时试件的侧向应变。