基于電磁力的霍普金森拉壓桿應力波發生器及實驗方法
【專利摘要】一種基于電磁力的霍普金森拉壓桿應力波發生裝置及方法。應力波發生裝置由加載槍和供電系統組成。供電系統用來給加載槍的主線圈提供瞬時的強電流，從而使主線圈和次線圈之間產生強電磁斥力由于電容器放電時間比較短，放電電流強，可以使主線圈和次線圈之間產生瞬間的強斥力，從而產生強的應力脈沖，經過錐形放大器放大后輸出給霍普金森桿。本發明通過改進電磁鉚槍的結構而使其應用于分離式霍普金森壓桿和拉桿的加載，使霍普金森壓桿和拉桿的加載系統在同一個裝置上可以同時實現，具有操作簡單、可控性強的特點。
【專利說明】基于電磁力的霍普金森拉壓桿應力波發生器及實驗方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及材料的動態力學性能測試的應力波發生裝置及方法，具體說是一種基于電磁力的應力波發生裝置及方法，所述裝置可以作為分離式霍普金森拉桿和壓桿的應力波輸入裝置。
【背景技術】
[0002]目前，在材料科學領域中測量材料在高應變率下的力學性能時使用最廣泛的就是分離式霍普金森壓桿技術和拉桿技術。這一方法的基本原理是:將短試樣置于兩根拉桿或壓桿之間，通過某種方式對入射桿輸入拉伸應力波或者壓縮應力波，對試樣進行加載。同時利用粘在拉桿或壓桿上并距桿端部一定距離的應變片來記錄脈沖信號。如果拉桿或壓桿保持彈性狀態，那么桿中的脈沖將以彈性波速無失真地傳播。這樣粘貼在拉桿或壓桿上的應變片就能夠測量到作用于桿端的載荷隨時間的變化歷程。
[0003]對于霍普金森壓桿，產生入射波的普遍方式是通過氣槍將撞擊桿高速發射，與入射桿同軸撞擊產生入射脈沖。這種方法的缺點在于:由于每次發射時撞擊桿在氣槍中的安裝位置不盡相同，且撞擊速度與氣壓的對應關系很難確定，因此無法準確地控制入射波的幅值，所以需要嘗試多次實驗才能得到所需的應變率。其次，對于應變率跨度過大的實驗，由于氣槍氣壓的限制，需要更換撞擊桿的長度來得到不同的應變率，應變率越高，所用撞擊桿越短，實驗中產生的應力波寬度越短，這就限制了實驗所得到的應變范圍，而且操作繁瑣。更重要的是，由于撞擊桿的發射速度有一個下限，一些更低的應變率在實際試驗中無法用傳統霍普金森壓桿得到，比如IOiT1的應變率。由于不同的實驗系統參數也不同，使得分離式霍普金森壓桿實驗技術的規范化一直是一個國際性的難題。
[0004]對于霍普金森拉桿，目前所采用的普遍加載技術是:將拉桿的撞擊桿做成空心圓管，通過氣槍將撞擊管高速發射，當它運動到達入射桿端時，撞擊管與入射桿端的凸臺碰撞產生一列壓縮波向入射桿凸臺端傳播，并在自由端反射成拉伸波，該拉伸波通過入射桿對試樣進行加載。但是這種設計方法有很多的缺點:1，由于撞擊桿是從入射桿一端發射到另一端，所以在入射桿上的凸臺到氣槍的那一段，入射桿處于無支撐的自由狀態這使得入射桿容易彎曲；2，這種設計限制了撞擊筒的長度在500mm左右，所以產生的入射波長度為
0.2ms左右，但是對于延展性材料和低應變率實驗，需要更長的入射波；3，撞擊筒的更換很不方便；4，由于撞擊筒的筒壁厚度限制，需要很高的氣壓來加速撞擊筒。也有很多學者提出了不同的設計思路:1，在撞擊筒的一端加一個凸臺來提高撞擊筒的發射速度，但是這種方式產生的波形受凸臺影響而不再正規；2，使用空的入射桿，撞擊桿從入射桿里面穿過，這種方式使得波形整形變得困難。
[0005]由于撞擊桿的形狀不同，氣槍的位置不同，傳統的霍普金森壓桿和拉桿的加載系統無法在同一裝置上實現。
[0006]20世紀60年代美國波音公司為解決普通鉚接存在的問題，由Huber A Schmitt等人率先開始研究電磁鉚接技術，并于1968年申請了強沖擊電磁鉚接裝置的專利。1986年Zieve Peter研制成功低壓電磁鉚接,解決了高壓鉚接在鉚接質量及推廣應用方面存在的問題，從而使電磁鉚接技術得到較快發展。電磁鉚接技術已在波音、空客系列飛機制造中得到應用。如今，低壓電磁鉚接技術已經發展成熟，鉚接力的大小和持續時間可以得到比較精確的控制。電磁鉚槍的技術原理是:在放電線圈和工件之間增加了一個線圈和應力波放大器。放電開關閉合的瞬間，主線圈中通過快速變化的沖擊電流，在線圈周圍產生強磁場。與主線圈耦合的次級線圈在強磁場作用下產生感應電流，進而產生渦流磁場，兩磁場相互作用產生渦流斥力，并通過放大器傳至鉚釘，使鉚釘成形。渦流力的頻率極高，在放大器和鉚釘中以應力波的形式傳播，故電磁鉚接也稱應力波鉚接。如果將電磁鉚槍的原理應用到分離式霍普金森壓桿中代替傳統分離式霍普金森壓桿中的氣槍和撞擊桿，通過電磁斥力產生直接產生應力波，將會使分離式霍普金森壓桿實驗技術的規范化成為可能。并且可以以足夠長的應力脈沖對試樣進行低應變率加載，實現一些傳統霍普金森桿無法實現的低應變率。西北工業大學在申請號為201410161610.X的發明創造中提出了一種基于電磁力加載的分離式霍普金森壓桿裝置，該實驗裝置通過將電磁鉚槍裝置直接應用于霍普金森壓桿實驗裝置從而實現對試樣的動態壓縮加載。但是實際中更希望能夠使用同一個加載裝置，既可以實現壓縮加載，又可以實現拉伸加載。
【發明內容】
[0007]為克服現有技術中存在的入射波幅值難以控制，操作繁瑣以及應變范圍限制以及無法實現一些低應變率實驗的不足，以及拉伸和壓縮加載裝置無法統一的缺點，本發明提出了一種基于電磁力的霍普金森拉壓桿應力波發生裝置及方法。
[0008]所述基于電磁力的霍普金森拉壓桿應力波發生器包括電源、電容充電器和加載槍。所述電容充電器米用現有電磁鉚接設備的供電部分，并將所述電容充電器的輸出的正極輸出線與加載槍的正極線相接，負極輸出線與加載槍的負極線相接。加載槍包括拉伸頭、絕緣層、加載槍殼體、主線圈、次級線圈和壓縮頭。拉伸頭位于所述加載槍殼體內并安裝在該加載槍殼體一端；該拉伸頭上的定位軸亦位于加載槍殼體內并與加載槍殼體同軸。主線圈、壓縮頭、兩個絕緣層和兩個次級線圈均套裝在所述拉伸頭上的定位軸上，并且壓縮頭位于加載槍殼體內另一端。兩個絕緣層分別與所述拉伸頭或壓縮頭的內表面貼合；兩個次級線圈分別位于所述各絕緣層內側；在加載槍殼體同一側的圓周表面有主線圈的兩個外接接頭的過孔。拉伸頭的外圓周表面和壓縮頭的外圓周表面均與加載槍殼體的內表面間隙配
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[0009]拉伸頭一端的圓周表面由等徑段和錐段組成；所述等徑段的軸向長度:錐段的軸向長度=1:1。所述拉伸頭的等徑段為應力波接收段，所述拉伸頭的錐段為應力波放大反射端。應力波接收段的直徑最大，并且在應力波接收段的端面中心有軸向凸出的定位軸；應力波放大反射端的中心為平面，在該處形成了拉伸頭的最小直徑。所述拉伸頭應力波接收端的直徑:應力波放大反射端的最小直徑處的比值=12:1。所述應力波放大反射端的錐段的錐度為30 ° ;
[0010]壓縮頭一端的圓周表面由等徑段和錐段組成；所述等徑段的軸向長度:錐段的軸向長度=1:1。本實施例中，壓縮頭的等徑段和錐段的軸向長度均為25mm。等徑段的端面為平面，為應力波接收端；錐段的圓周表面為應力波放大端；在該錐面的中心有軸向凸出的連接軸。在所述連接軸端頭有用于連接入射桿的內螺紋。所述應力波放大端為錐面的錐度為30 °。所述壓縮頭的最大直徑:錐面處的最小直徑的比值=12:1。壓縮頭的內孔與拉伸頭的定位軸配合，并且兩者之間間隙配合。
[0011]本發明還提出一種基于電磁力的霍普金森拉壓桿應力波發生器的實驗方法，包括霍普金森壓縮實驗和霍普金森拉伸實驗。所述基于電磁力的霍普金森拉壓桿應力波發生器的實驗過程是:
[0012]步驟1.排布器材。
[0013]將加載槍、入射桿和透射桿按常規方法同軸順序安裝在實驗臺上，并使所述入射桿和透射桿僅在軸線方向能夠自由移動。加載槍的壓縮頭所在的一端靠近入射桿。將一個試樣安裝在入射桿和透射桿之間，并且使試樣與入射桿及透射桿同軸。
[0014]步驟2.粘貼應變片。
[0015]采用常規方法在入射桿或透射桿分別粘貼2個應變片，并將應變片引線接入數據采集系統；排布所述應變片引線時，須將所述各應變片引線與入射桿或透射桿的軸線平行分布，再垂直于軸線方向成直角彎折引出，使應變片引線呈直線狀態接入數據采集器
[0016]步驟3.加載實驗及數據采集。
[0017]當進行霍普金森壓縮實驗時，將拉伸頭拉出沿加載槍軸線拉出，使拉伸頭與主線圈之間的距離L1為30mm。將壓縮頭的應力波放大端與霍普金森壓桿的入射桿固連；對電容充電器充電后，使電容充電器對加載槍的主線圈放電，在壓縮頭與主線圈之間產生電磁斥力，所述電磁斥力在壓縮頭內部表現為壓縮應力波并被壓縮頭放大后形成入射波，該入射波傳入霍普金森壓桿的入射桿，當該入射波傳至入射桿與試樣接觸面時，由于波阻抗不匹配，該入射波的一部分被反射，在入射桿中形成反射波，另一部分則通過試樣透射入透射桿中，形成透射波。所述反射波和透射波的形狀和幅值是由試樣材料性質決定的。數據采集器通過粘貼在入射桿上的應變片將入射波和反射波信號記錄下來，通過粘貼在透射桿上的應變片將透射波的信號記錄下來。利用數據采集器記錄的反射波和透射波信號，通過一波法得到試件的動態壓縮應力應變曲線。
[0018]當進行霍普金森拉伸實驗時，調整拉伸頭，使該拉伸頭與主線圈貼緊，使拉伸頭的定位軸穿過壓縮頭的通孔，將拉伸頭的定位軸通過螺紋與霍普金森拉桿的入射桿連接，調整壓縮頭與主線圈的距離L2為30mm。電容充電器充電后，該電容充電器對加載槍的主線圈放電，拉伸頭與主線圈之間產生電磁斥力，所述電磁斥力在拉伸頭內部表現為壓縮應力波，所述壓縮應力波在拉伸頭內被放大，并在拉伸頭的小端反射成拉伸波并形成霍普金森拉桿的入射波，該入射波傳入霍普金森拉桿的入射桿，當該入射波傳至入射桿與試樣接觸面時，由于波阻抗不匹配，該入射波的一部分被反射，在入射桿中形成反射波，另一部分則通過試樣透射入透射桿中，形成透射波。所述反射波和透射波的形狀和幅值是由試樣材料性質決定的。數據采集器通過粘貼在入射桿上的應變片將入射波和反射波信號記錄下來，通過粘貼在透射桿上的應變片將透射波的信號記錄下來。利用數據采集器記錄的反射波和透射波信號，通過一波法得到材料的動態拉伸應力應變曲線。
[0019]在本發明中，應力波發生裝置由加載槍和供電系統組成。供電系統用來給加載槍的主線圈提供瞬時的強電流，從而使主線圈和次線圈之間產生強電磁斥力。加載槍由主線圈、壓縮頭和拉伸頭組成，用來產生電磁斥力，并將電磁斥力轉換成應力波，經過錐形放大器放大后輸出給霍普金森桿。
[0020]本發明通過電磁斥力直接產生應力波，在加載槍內有一個主線圈和兩個次線圈，主線圈與槍體固定，位于槍體的中間段，主線圈中心有通孔，用來與壓縮頭或者拉伸頭定位；兩個次級線圈為銅質圓盤，各固連一個錐形放大器，分別用來產生壓縮波和拉伸波，分別稱為壓縮頭和拉伸頭，并與主線圈靠近。主線圈和壓縮頭以及拉伸頭同軸，其同軸度通過拉伸頭和壓縮頭的定位軸與主線圈的通孔配合來確定。壓縮頭安裝時，錐形頭的小端靠近霍普金森壓桿的入射桿；拉伸頭安裝時，錐形頭的小端遠離霍普金森拉桿的入射桿，而其定位軸穿過主線圈的通孔，并在另一端與霍普金森拉桿的入射桿通過螺紋連接。實驗時，將強變化電流通過主線圈，主線圈會產生變化的強磁場，變化的強磁場會在次級線圈內產生感應電流，感應電流產生的感應磁場方向與主線圈的磁場方向相反，于是主線圈和次線級圈之間產生電磁斥力，這種電磁斥力在次級線圈中表現為壓縮應力波，該壓縮應力波通過錐形塊進行放大，若將壓縮頭與霍普金森壓桿的入射桿通過螺紋同軸連接，則壓縮頭內的壓縮應力波直接傳入霍普金森壓桿的入射桿，就可以對材料進行壓縮試驗；若將拉伸頭與霍普金森拉桿的入射桿通過螺紋同軸連接，則拉伸頭內部的壓縮波在錐形頭小端反射后變為等幅的拉伸波，并改變傳播方向，通過拉伸頭的定位軸傳入霍普金森拉桿的入射桿，就可以對材料進行動態拉伸加載。因此本裝置既可以對材料進行壓縮實驗，又可以進行拉伸實驗。
[0021]通過電容器的放電為主線圈提供電源，由于電容器放電時間比較短，放電電流強，可以使主線圈和次線圈之間產生瞬間的強斥力，從而產生強的應力脈沖。至于電容器的充電和放電控制系統，目前在電磁鉚接設備中該技術已經非常成熟，可以直接應用。
[0022]拉伸頭或壓縮頭與霍普金森桿的入射桿通過螺紋連接，使輸出的應力波能夠穩定地傳入實驗系統。本發明的實驗裝置中，通過加載槍中的主線圈和次線圈之間的電磁斥力直接產生應力脈沖，輸入到入射桿，使得所產生的脈沖信號可以根據實驗者的需要而比較準確地進行控制。
[0023]本發明中實際產生的應力波幅值可以通過電磁鉚接裝置的充電電壓進行控制，實際產生的應力波寬度可以通過調整電磁鉚接裝置的電容值進行控制。
[0024]本發明通過改進電磁鉚槍的結構而使其應用于分離式霍普金森壓桿和拉桿的加載，使霍普金森壓桿和拉桿的加載系統在同一個裝置上可以同時實現。本發明在原理上將電磁斥力與電容器放電相結合，以代替傳統分離式霍普金森桿系統中的氣槍和子彈而直接產生應力脈沖。采用傳統的霍普金森桿試樣，即可對材料進行預期脈沖幅值和脈沖寬度下的加載。設備整個系統操作簡單，可控性強。由于是通過電磁方式對應力波進行控制的，當電容充電器中的電容值不變時，同一個電壓對應的輸出應力波幅值也不變，當充電電壓不變時，同一個電容值對應的應力波寬度也不變，所以能夠實現對應力波的精確控制，實驗的重復性好；其次，由于是通過電磁加載產生的應力波，應力脈沖的寬度不像傳統撞擊方式那樣受撞擊桿長度的限制，所以對于低應變率實驗，本發明所能達到的應變比傳統霍普金森桿更大，例如，本發明可以產生脈沖寬度為0.5ms的應力波，如果以此應力波對試樣進行IOOs-1應變率下的壓縮試驗，則試樣可以達到的最大應變為0.05，而對于傳統霍普金森桿，很難達到這么低的應變率，即使可以達到這個應變率，所用子彈為0.Sm，則產生的應力脈沖寬度為0.32ms，則試樣達到的最大應變為0.032，明顯低于電磁加載的霍普金森桿。由于以上優點，本發明裝置和方法可以實現傳統分離式霍普金森桿實驗無法達到的應變率和應變范圍，使霍普金森桿實驗技術的規范化，并且使拉桿和壓桿的實驗裝置實現一體化，節省了設備的復雜性和占地空間。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1是基于電磁力的霍普金森拉壓桿應力波發生器的原理圖；
[0026]圖2是基于電磁力的霍普金森拉壓桿應力波發生器的結構示意圖；
[0027]圖3是加載槍的內部結構示意圖，其中殼體沿對稱平面剖開；
[0028]圖4是壓縮頭的結構示意圖；
[0029]圖5是拉伸頭的結構示意圖；
[0030]圖6是壓縮試驗示意圖；
[0031]圖7是拉伸試驗示意圖；
[0032]圖8是應變片引線的分布方法；
[0033]圖9是一般應變片引線排布方式測到的應力信號，其中橫坐標表示時間，單位是S，縱坐標表示應力，單位是Mpa ；
[0034]圖10是采用本發明中的應變片引線排布方式測到的應力信號，其中橫坐標表示時間，單位是s,縱坐標表示應力，單位是Mpa。其中:
[0035]1.電阻；2.變壓器；3.整流器；4.電容；5.電子開關；6.加載槍；7.拉伸頭；8.絕緣層；9.殼體；10.主線圈；11.次級線圈；12.壓縮頭；13.入射桿；14.試樣；15.透射桿；16.應變片；17.數據采集器；18.緩沖器；19.電源；20.電容充電器；21.通孔；22.螺紋；23.定位軸；24.引線。
【具體實施方式】
[0036]實施例一
[0037]本實施例是一種基于電磁力的霍普金森拉壓桿應力波發生器，包括電源19、電容充電器20和加載槍6。電容充電器20采用現有電磁鉚接設備的供電部分，并將所述電容充電器20的輸出的正極輸出線與加載槍6的正極線相接,負極輸出線與加載槍6的負極線相接。電源19采用220V的三相交流電。
[0038]本實施例中，電容充電器20采用公布在專利號為200520079179的專利中的電磁鉚接設備的供電部分，在本實施例中，將10個額定電壓為1000伏額定電容為2000微法的電解電容并聯組成電容器組，將所述電容器組與電子開關安裝在電容器箱中，通過電子開關控制電容器組的放電。控制箱主要包含PLC及其控制系統。控制系統主要由模擬控制部分、數字控制部分以及數字顯示部分組成。其中模擬控制部分采用SIEMENS公司的TCA785芯片。數字控制部分由西門子的S7-200系列CPU224及西門子模擬輸入輸出擴展模塊EM235組成。充電電壓控制主要是通過電壓環和電流環的PID控制方式實現。數字顯示部分主要是通過S7-200系列文本顯示器TD200組成。
[0039]如圖3所示。加載槍由拉伸頭7、絕緣層8、加載槍殼體9、主線圈10、次級線圈11和壓縮頭12組成。所述加載槍殼體9為載體，拉伸頭7位于所述加載槍殼體內并安裝在該加載槍殼體一端；該拉伸頭上的定位軸亦位于加載槍殼體內并與加載槍殼體同軸，既用于拉伸應力波的傳輸，又用于主線圈10與次級線圈11的定位。[0040]主線圈10套裝在所述拉伸頭上的定位軸上并位于加載槍殼體內中段。壓縮頭12套裝在所述拉伸頭上的定位軸上并位于加載槍殼體內另一端。兩個尼龍制成的絕緣層8套裝在所述拉伸頭上的定位軸上，并分別與所述拉伸頭7或壓縮頭12的內表面貼合，通過所述絕緣層8阻止次級線圈11中產生的感應渦流傳入壓縮頭12或拉伸頭7。兩個次級線圈11套裝在所述拉伸頭上的定位軸上，并分別位于所述各絕緣層內側。在加載槍殼體9同一側的圓周表面有兩個通孔，主線圈10的兩個外接接頭分別穿過其中一個通孔并固定在加載槍殼體9的外表面。所述主線圈10的兩個外接接頭中的正極接頭與電容充電器20的正極輸出線連接，兩個外接接頭中的負極接頭與電容充電器20的負極輸出線連接。
[0041]本實施例中，加載槍殼體9采用絕緣性能良好的尼龍制造。該加載槍的主線圈10采用寬25mm、厚Imm的銅帶繞制在橫截面為工字形的芯體上。主線圈10的外徑與加載槍殼體9的內徑相同，當該主線圈10裝入加載槍殼體9內后，兩者之間干涉配合。
[0042]次級線圈11有2個，均為銅質圓盤，并在該次級線圈的中心開有軸孔。
[0043]拉伸頭7為回轉體。拉伸頭7的一端為圓形塊，并且該圓形塊圓周表面由等徑段和錐段組成；所述等徑段的軸向長度:錐段為的軸向長度=1:1。本實施例中，所述拉伸頭7的等徑段的軸向長度和錐段的軸向長度均為25mm。所述拉伸頭7的等徑段為應力波接收段，所述拉伸頭的錐段為應力波放大反射端。應力波接收段的直徑最大，并且在應力波接收段的端面中心有軸向凸出的定位軸；應力波放大反射端的中心為平面，在該處形成了拉伸頭7的最小直徑。所述拉伸頭應力波接收端的直徑:應力波放大反射端的最小直徑處的比值=12:1。所述應力波放大反射端的錐段的錐度為30 所述拉伸頭的定位軸23與主線圈10的通孔為間隙配合。在該定位軸端頭處的圓周表面加工有內螺紋盲孔，用于與霍普金森拉桿的入射桿13配合。
[0044]壓縮頭12為中空回轉體。壓縮頭一端的圓周表面由等徑段和錐段組成；所述等徑段的軸向長度:錐段的軸向長度=1:1。本實施例中，壓縮頭的等徑段和錐段的軸向長度均為25mm。等徑段的端面為平面，為應力波接收端；錐段的圓周表面為應力波放大端；在該錐面的中心有軸向凸出的連接軸。在所述連接軸端頭有用于連接入射桿的內螺紋。所述應力波放大端為錐面的錐度為30 °。所述壓縮頭的最大直徑:錐面處的最小直徑的比值=12:
I。壓縮頭12的內孔與拉伸頭7的定位軸配合，并且兩者之間間隙配合。
[0045]本實施例中的電源19、入射桿13、透射桿15、應變片16、數據采集器17和緩沖器18均采用現有技術。并且在入射桿13的一端加工有與壓縮頭的小直徑端配合的外螺紋。
[0046]本實施例還提出了一種所述基于電磁力的霍普金森拉壓桿應力波發生器的實驗方法。所述基于電磁力的霍普金森拉壓桿應力波發生器的實驗方法中包括霍普金森壓縮實驗和霍普金森拉伸實驗。
[0047]I采用基于電磁力的霍普金森拉壓桿應力波發生器進行霍普金森壓縮實驗的具體過程是:
[0048]步驟1.排布器材。
[0049]將加載槍6、入射桿13和透射桿15按常規方法同軸順序安裝在實驗臺上，并使所述入射桿13和透射桿15僅在軸線方向能夠自由移動。加載槍6的壓縮頭12所在的一端靠近入射桿13。將一個試樣14安裝在入射桿13和透射桿15之間，并且使試樣14與入射桿13及透射桿15同軸。[0050]步驟2.粘貼應變片。
[0051]應變片的粘貼方法采用現有技術，即在入射桿13或透射桿15的一半長度處的圓周上以所述入射桿或透射桿軸線為對稱軸，將兩片參數完全相同的應變片對稱粘貼在入射桿或透射桿表面，在應變片的弓I腳上焊接應變片引線24，并將所述應變片弓I線接入數據采集系統中的惠斯通電橋中。
[0052]所述應變片引線24的排布有特殊要求，否則會使數據采集器17受到電磁干擾而無法正常采集實驗數據。若應變片引線24在垂直于入射桿或透射桿軸線的平面上的投影形成閉合回路，則加載槍6放電產生強磁場時，變化的磁場線會穿過應變片引線24所形成的回路，使回路中產生變化的磁通量，從而形成感應電流，對數據采集器17產生干擾，使所采集的數據無法使用。解決這一問題的方法是:如圖8所示，先使所述各應變片引線24與入射桿或透射桿的軸線平行分布，再垂直于軸線方向成直角彎折引出，使引線24呈直線狀態接入數據采集器17，這樣引線中就不會因為磁通量變化而產生感應電流。從圖9和圖10可以看出，一般的應變片引線排布方式所測量的應力波信號干擾非常大，而采用本發明所提出的應變片引線排布方式所測量的應力波信號干擾完全消除。
[0053]步驟3.進行加載并處理數據。
[0054]如圖6所示，將拉伸頭7拉出，使拉伸頭與主線圈之間的距離L1為30mm。將壓縮頭12的小端與霍普金森壓桿的入射桿進行螺紋連接，將電容充電器20充電電壓設置為200V并充電，待充電完成后，通過電子開關使電容充電器對加載槍的主線圈10放電，壓縮頭12與主線圈10之間就會產生電磁斥力，所述電磁斥力在壓縮頭12內部表現為壓縮應力波并被壓縮頭12放大后形成入射波，該入射波傳入霍普金森壓桿的入射桿13，當該入射波傳至入射桿13與試樣14接觸面時，由于波阻抗不匹配,該入射波的一部分被反射，在入射桿13中形成反射波，另一部分則通過試樣14透射入透射桿15中，形成透射波。所述反射波和透射波的形狀和幅值是由試樣材料性質決定的。
[0055]數據采集器17通過粘貼在入射桿13上的應變片16將入射波和反射波信號記錄下來，通過粘貼在透射桿15上的應變片16將透射波的信號記錄下來。利用數據采集器17記錄的反射波和透射波信號，通過一波法得到試件的動態壓縮應力應變曲線。
[0056]II采用基于電磁力的霍普金森拉壓桿應力波發生器進行霍普金森拉伸實驗的具體過程是:
[0057]步驟1.排布器材。
[0058]將加載槍6、入射桿13和透射桿15按常規方法同軸順序安裝在實驗臺上，使所述入射桿13、透射桿15僅在軸線方向能夠自由移動。加載槍6的壓縮頭12所在的一端靠近入射桿13。將一個試樣14安裝在入射桿13和透射桿15之間，并且使試樣14與入射桿13及透射桿15同軸。
[0059]步驟2.粘貼應變片。
[0060]應變片的粘貼方法采用現有技術，即在入射桿13或透射桿15的一半長度處的圓周上以所述入射桿或透射桿軸線為對稱軸，將兩片參數完全相同的應變片對稱粘貼在入射桿或透射桿表面，在應變片的弓I腳上焊接應變片引線24，并將所述應變片弓I線接入數據采集系統中的惠斯通電橋中。
[0061]所述應變片引線24的排布有特殊要求，否則會使數據采集器17受到電磁干擾而無法正常采集實驗數據。若應變片引線24在垂直于入射桿或透射桿軸線的平面上的投影形成閉合回路，則加載槍6放電產生強磁場時，變化的磁場線會穿過應變片引線24所形成的回路，使回路中產生變化的磁通量，從而形成感應電流，對數據采集器17產生干擾，使所采集的數據無法使用。解決這一問題的方法是:如圖8所示，先使所述各應變片引線24與入射桿或透射桿的軸線平行分布，再垂直于軸線方向成直角彎折引出，使引線24呈直線狀態接入數據采集器17，這樣引線中就不會因為磁通量變化而產生感應電流。從圖9和圖10可以看出，一般的應變片引線排布方式所測量的應力波信號干擾非常大，而采用本發明所提出的應變片引線排布方式所測量的應力波信號干擾完全消除。
[0062]步驟3.進行加載并采集數據。
[0063]如圖7所示，將拉伸頭7推入，使調整拉伸頭與主線圈之間的距離，使拉伸頭貼緊主線圈，并使該拉伸頭的定位軸穿過壓縮頭12的通孔21，將拉伸頭7的定位軸23通過螺紋與霍普金森拉桿的入射桿13連接，調整壓縮頭12與主線圈10的距離，使L2為30mm。將電容充電器20充電電壓設置為200V并充電，待充電完成后，通過電子開關使電容充電器對加載槍的主線圈10放電，拉伸頭7與主線圈10之間就會產生電磁斥力，所述電磁斥力在拉伸頭7內部表現為壓縮應力波，所述壓縮應力波在拉伸頭7內被放大，并在拉伸頭7的小〗而反射成拉伸波并形成霍普金森拉桿的入射波，該入射波傳入霍普金森拉桿的入射桿13，當該入射波傳至入射 桿13與試樣14接觸面時，由于波阻抗不匹配，該入射波的一部分被反射，在入射桿13中形成反射波，另一部分則通過試樣14透射入透射桿15中，形成透射波。所述反射波和透射波的形狀和幅值是由試樣材料性質決定的。
[0064]數據采集器17通過粘貼在入射桿13上的應變片16將入射波和反射波信號記錄下來，通過粘貼在透射桿15上的應變片將透射波的信號記錄下來。利用數據采集器17記錄的反射波和透射波信號，通過一波法得到材料的動態拉伸應力應變曲線。
【權利要求】
1.一種基于電磁力的霍普金森拉壓桿應力波發生器，其特征在于，包括電源、電容充電器和加載槍；所述電容充電器采用現有電磁鉚接設備的供電部分，并將所述電容充電器的輸出的正極輸出線與加載槍的正極線相接，負極輸出線與加載槍的負極線相接；加載槍包括拉伸頭、尼龍層、加載槍殼體、主線圈、次級線圈和壓縮頭；拉伸頭位于所述加載槍殼體內并安裝在該加載槍殼體一端；該拉伸頭上的定位軸亦位于加載槍殼體內并與加載槍殼體同軸；主線圈、壓縮頭、兩個絕緣層和兩個次級線圈均套裝在所述拉伸頭上的定位軸上，并且壓縮頭位于加載槍殼體內另一端；兩個絕緣層分別與所述拉伸頭或壓縮頭的內表面貼合；兩個次級線圈分別位于所述各絕緣層內側。
2.如權利要求1所述基于電磁力的霍普金森拉壓桿應力波發生器，其特征在于，在加載槍殼體同一側的圓周表面有主線圈的兩個外接接頭的過孔。
3.如權利要求1所述基于電磁力的霍普金森拉壓桿應力波發生器，其特征在于，拉伸頭的外圓周表面和壓縮頭的外圓周表面均與加載槍殼體的內表面間隙配合。
4.如權利要求1所述基于電磁力的霍普金森拉壓桿應力波發生器，其特征在于，拉伸頭一端的圓周表面由等徑段和錐段組成；所述等徑段的軸向長度:錐段為的軸向長度=I:I;所述拉伸頭的等徑段為應力波接收段，所述拉伸頭的錐段為應力波放大反射端；應力波接收段的直徑最大，并且在應力波接收段的端面中心有軸向凸出的定位軸；應力波放大反射端的中心為平面 ，在該處形成了拉伸頭的最小直徑；所述拉伸頭應力波接收端的直徑:應力波放大反射端的最小直徑處的比值=12:1 ;所述應力波放大反射端的錐段的錐度為30 °。
5.如權利要求1所述基于電磁力的霍普金森拉壓桿應力波發生器，其特征在于，壓縮頭一端的圓周表面由等徑段和錐段組成；所述等徑段的軸向長度:錐段的軸向長度=I:1;等徑段的端面為平面，為應力波接收端；錐段的圓周表面為應力波放大端；在該錐面的中心有軸向凸出的連接軸；在所述連接軸端頭有用于連接入射桿的內螺紋；所述應力波放大端為錐面的錐度為30。;所述壓縮頭的最大直徑:錐面處的最小直徑的比值=12:1 ;壓縮頭的內孔與拉伸頭的定位軸配合，并且兩者之間間隙配合。
6.—種使用權利要求1所述基于電磁力的霍普金森拉壓桿應力波發生器的實驗方法，所述基于電磁力的霍普金森拉壓桿應力波發生器的實驗方法中包括霍普金森壓縮實驗和霍普金森拉伸實驗；其特征在于，所述基于電磁力的霍普金森拉壓桿應力波發生器的實驗過程是: 步驟1.排布器材: 將加載槍、入射桿和透射桿按常規方法同軸順序安裝在實驗臺上，并使所述入射桿和透射桿僅在軸線方向能夠自由移動；加載槍的壓縮頭所在的一端靠近入射桿；將一個試樣安裝在入射桿和透射桿之間，并且使試樣與入射桿及透射桿同軸； 步驟2.粘貼應變片: 采用常規方法在入射桿或透射桿分別粘貼2個應變片，并將應變片引線接入數據采集系統；排布所述應變片引線時，須將所述各應變片引線與入射桿或透射桿的軸線平行分布，再垂直于軸線方向成直角彎折引出，使應變片弓丨線呈直線狀態接入數據采集器 步驟3.加載實驗及數據采集:加載實驗包括霍普金森壓縮實驗和霍普金森拉伸實驗，其中:I當進行霍普金森壓縮實驗時，將拉伸頭與主線圈之間的距離L1調整為30mm ;將壓縮頭的應力波放大端與霍普金森壓桿的入射桿固連；對電容充電器充電后，使電容充電器對加載槍的主線圈放電，在壓縮頭與主線圈之間產生電磁斥力，所述電磁斥力在壓縮頭內部表現為壓縮應力波并被壓縮頭放大后形成入射波，該入射波傳入霍普金森壓桿的入射桿，當該入射波傳至入射桿與試樣接觸面時，由于波阻抗不匹配，該入射波的一部分被反射，在入射桿中形成反射波，另一部分則通過試樣透射入透射桿中，形成透射波；所述反射波和透射波的形狀和幅值是由試樣材料性質決定的； 數據采集器通過粘貼在入射桿上的應變片將入射波和反射波信號記錄下來，通過粘貼在透射桿上的應變片將透射波的信號記錄下來；利用數據采集器記錄的反射波和透射波信號，通過一波法得到試件的動態壓縮應力應變曲線； II當進行霍普金森拉伸實驗時，調整拉伸頭與主線圈之間的距離，使拉伸頭貼緊主線圈；使拉伸頭的定位軸穿過壓縮頭的通孔，將拉伸頭的定位軸通過螺紋與霍普金森拉桿的入射桿連接，調整壓縮頭與主線圈的距離L2為30mm ；電容充電器充電后，該電容充電器對加載槍的主線圈放電，拉伸頭與主線圈之間產生電磁斥力，所述電磁斥力在拉伸頭內部表現為壓縮應力波，所述壓縮應力波在拉伸頭內被放大，并在拉伸頭的小端反射成拉伸波并形成霍普金森拉桿的入射波，該入射波傳入霍普金森拉桿的入射桿，當該入射波傳至入射桿與試樣接觸面時，由于波阻抗不匹配，該入射波的一部分被反射，在入射桿中形成反射波，另一部分則通過試樣透射入透射桿中，形成透射波；所述反射波和透射波的形狀和幅值是由試樣材料性質決 定的；數據采集器通過粘貼在入射桿上的應變片將入射波和反射波信號記錄下來，通過粘貼在透射桿上的應變片將透射波的信號記錄下來；利用數據采集器記錄的反射波和透射波信號，通過一波法得到材料的動態拉伸應力應變曲線。
【文檔編號】G01N3/02GK103926138SQ201410173843
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月25日 優先權日:2014年4月25日
【發明者】李玉龍, 聶海亮, 湯忠斌, 索濤 申請人:西北工業大學
專業數控銑床產品供應商
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