[發明專利]雙軸霍普金森壓桿和拉桿實驗入射波等效加載的實現方法

有效

• 申請號: 201510047455.3
• 申請日: 2015-01-30
• 公開（公告）號: CN104677760B
• 公開（公告）日: 2017-02-22
• 發明（設計）人: 曹增強;左楊杰;楊柳;臧傳奇;韓超眾;王杰
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01N3/38
• 分類號: G01N3/38
• 代理公司: 西北工業大學專利中心61204
• 代理人: 王鮮凱

1.一種雙軸霍普金森壓桿和拉桿實驗入射波等效加載的實現方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟一、縱向、橫向入射波發生器的布置；

縱向壓縮波次級線圈(15)通過螺栓連接到縱向壓縮波放大器(17)上，構成縱向壓縮波驅動頭；橫向壓縮波次級線圈(16)通過螺栓連接到橫向壓縮波放大器(18)上，構成橫向壓縮波驅動頭；縱向拉伸波次級線圈(7)通過螺栓連接到縱向拉伸波放大器(5)上，構成縱向拉伸波驅動頭；橫向拉伸波次級線圈(8)通過螺栓連接到橫向拉伸波放大器(6)上，構成橫向拉伸波驅動頭；縱向壓縮波放電線圈(13)和縱向拉伸波放電線圈(9)同軸并反向固定到縱向基座(11)上，橫向壓縮波放電線圈(14)和橫向拉伸波放電線圈(10)同軸并反向固定到橫向基座(12)上；縱向壓縮波驅動頭、縱向拉伸波驅動頭、縱向拉伸波放電線圈(9)、縱向基座(11)和縱向壓縮波放電線圈(13)構成縱向入射波發生器，橫向壓縮驅動頭、橫向拉伸波驅動頭、橫向拉伸波放電線圈(10)、橫向基座(12)和橫向壓縮波放電線圈(14)構成橫向入射波發生器，縱向、橫向入射波發生器垂直布置在同一平面內；

雙軸霍普金森壓桿實驗時，縱向、橫向壓縮波驅動頭分別放入縱向基座(11)、橫向基座(12)內，縱向壓縮波驅動頭與縱向壓縮波放電線圈(13)、縱向基座(11)和縱向拉伸波放電線圈(9)同軸間隙配合，橫向壓縮波驅動頭與橫向壓縮波放電線圈(14)、橫向基座(12)和橫向拉伸波放電線圈(10)同軸間隙配合；雙軸霍普金森拉桿實驗時，將縱向、橫向壓縮波驅動頭取出，縱向、橫向拉伸波驅動頭放入縱向基座(11)、橫向基座(12)內，縱向拉伸波驅動頭與縱向拉伸波放電線圈(9)、縱向基座(11)和縱向壓縮波放電線圈(13)同軸間隙配合，橫向壓縮波驅動頭與橫向拉伸波放電線圈(10)、橫向基座(12)和橫向壓縮波放電線圈(14)同軸間隙配合；

步驟二、電路連接；

電容器組(1)、放電電阻(2)、放電可控硅(3)和轉換開關(4)串聯組成放電電路，電容器組(1)為放電電路提供電能，放電電阻(2)為電路導線的等效電阻，放電可控硅(3)控制電路放電，轉換開關(4)對雙軸霍普金森壓桿和拉桿實驗進行選擇；縱向、橫向壓縮波放電線圈(13、14)串聯，縱向、橫向拉伸波放電線圈(9、10)串聯；

在瞬間強電流的作用下，放電線圈和次級線圈產生電磁斥力，電磁斥力通過應力波放大器放大轉化為入射波；其中入射波滿足公式：

σ=Krμ0ωMn2AαR22+(ωL2)2i2(t)---(1)]]>

式中，σ-入射波，K-應力波放大器放大倍數，r-放電線圈半徑，μ₀-真空磁導率，ω-電流振蕩圓頻率，M-放電線圈與次級線圈的互感，n-放電線圈匝數，i(t)-放電電流，A-次級線圈面積，α-放電線圈與次級線圈的距離，R₂、L₂-次級線圈的電阻和電感；

當轉換開關(4)和電路觸點b接通時，縱向、橫向應力波發生器進行霍普金森壓桿實驗入射波加載，縱向、橫向壓縮波放電線圈(13、14)串聯接入由同一放電可控硅(3)控制的同一電容器組(1)上，縱向、橫向壓縮波放電線圈(13、14)流過相同放電電流，縱向、橫向入射波脈沖寬度相同、同時觸發；當轉換開關(4)和電路觸點a接通時，縱向、橫向應力波發生器進行霍普金森拉桿實驗入射波加載，縱向、橫向拉伸波放電線圈(9、10)串聯接入由同一放電可控硅(3)控制的同一電容器組(1)上，縱向、橫向拉伸波放電線圈(9、10)流過相同放電電流，縱向、橫向入射波脈沖寬度相同、同時觸發；

步驟三、次級線圈厚度補償；

為了實現雙軸霍普金森壓桿和拉桿實驗的等應變率加載，在實驗之前需要通過采用不同厚度次級線圈對入射波幅值進行補償，保證壓桿實驗、拉桿實驗各自的縱向、橫向入射波幅值相同；在雙軸霍普金森壓桿和拉桿實驗中通過增加橫向、縱向入射波中幅值較低的入射波的次級線圈厚度，保證縱向、橫向入射波等幅加載；其方法是：假設兩套電磁力入射波發生器性能相同，縱向、橫向壓縮波放電線圈串聯，縱向、橫向拉伸波放電線圈串聯；轉換開關(4)與電路觸點b連接，縱向、橫向壓縮波驅動頭分別放入縱向、橫向基座(11、12)內，縱向、橫向應力波發生器產生霍普金森壓桿實驗的縱、橫向入射波，對縱向、橫向入射波幅值進行測量，根據測量結果和厚度補償公式增加較小峰值入射波的壓縮波次級線圈厚度，保持較大峰值入射波的壓縮波次級線圈厚度不變；轉換開關(4)與電路觸點a連接，縱向、橫向拉伸波驅動頭分別放入縱向、橫向基座(11、12)內，縱向、橫向應力波發生器產生霍普金森拉桿實驗的縱、橫向入射波，對縱向、橫向入射波幅值進行測量，根據測量結果和厚度補償公式增加較小峰值入射波的拉伸波次級線圈厚度，保持較大峰值入射波的拉伸波次級線圈厚度不變；其中次級線圈厚度補償公式為：

Hh=2PH-PLPH---(2)]]>

式中，H為峰值較小的入射波次級線圈厚度增加之后的厚度，h為峰值較大的入射波次級線圈的厚度，P_H為縱向、橫向入射波峰值中較大值，P_L為縱向、橫向入射波峰值中較小值；

步驟四、雙軸霍普金森壓桿和拉桿實驗等效加載過程；

(1)雙軸霍普金森壓桿實驗等效加載：

步驟1、布置縱向實驗設備；

將縱向壓縮波驅動頭放入縱向基座(11)中，與縱向壓縮波放電線圈(13)貼合；將應變片(24)粘貼到縱向入射桿(21)和縱向透射桿(25)表面，縱向入射桿(21)與縱向壓縮波放大器(17)的錐面端通過縱向連接螺桿(19)連接，端面相互接觸；縱向透射桿(25)同軸安裝在縱向入射桿(21)的自由端方向，縱向透射桿(25)和縱向入射桿(21)之間留有放置試樣(23)的空間；在縱向透射桿(25)的末端安裝縱向緩沖器(27)；

步驟2、布置橫向實驗設備；

將橫向壓縮波驅動頭放入橫向基座(12)中，與橫向壓縮波放電線圈(14)貼合；將應變片(24)粘貼到橫向入射桿(22)和橫向透射桿(26)表面，橫向入射桿(22)與橫向壓縮波放大器(18)的錐面端通過橫向連接螺桿(20)連接，端面相互接觸；橫向透射桿(26)同軸安裝在橫向入射桿(22)的自由端方向，橫向透射桿(26)和橫向入射桿(22)之間留有放置試樣(23)的空間；在橫向透射桿(26)的末端安裝縱向緩沖器(28)；

步驟3、信號采集系統和試樣安裝；

將應變片(24)接入動態應變儀29中，試樣(23)放入到縱向入射桿(21)和縱向透射桿(25)、橫向入射桿(22)和橫向透射桿(26)中間，使試樣(23)的四個端面分別與縱、橫向入射桿(21、22)和縱、橫向透射桿(25、26)端面接觸；

步驟4、入射波加載；

轉換開關(4)與電路觸點b接通，在電磁鉚槍控制系統的基礎上，利用380V交流電對電容器組(1)充電；放電可控硅(3)對電路放電，在瞬間強電流的作用下：縱向壓縮波放電線圈(13)和縱向壓縮波次級線圈(15)之間產生電磁斥力，電磁斥力在縱向壓縮波放大器(17)的放大作用下放大轉化為縱向壓縮入射波；橫向壓縮波放電線圈(14)和橫向壓縮波次級線圈(16)之間產生電磁斥力，電磁斥力在橫向壓縮波放大器(18)的放大作用下放大轉化為橫向壓縮入射波；縱向、橫向壓縮入射波分別通過縱向、橫向入射桿(21、22)直截加載到試樣(23)的縱向和橫向截面上，縱向壓縮入射波在縱向入射桿(21)與試樣(23)的接觸面一部分反射回縱向入射桿(21)中，另一部分透射到縱向透射桿(25)中，最終被縱向緩沖器(27)吸收；橫向壓縮入射波在橫向入射桿(22)與試樣(23)的接觸面一部分反射回橫向入射桿(22)中，另一部分透射到縱向透射桿(25)中，最終被橫向緩沖器(28)吸收；由于利用了縱向、橫向壓縮波放電線圈(13、14)串聯和壓縮波次級線圈厚度補償等方法，此時試樣(23)的縱向、橫向加載的壓縮入射波幅值相等、脈沖寬度相同、觸發時間高度一致；

步驟5、信號采集和處理；

在縱向、橫向壓縮入射波加載的過程中，利用粘貼在縱向入射桿(21)、縱向透射桿(25)，橫向入射桿(22)、橫向投射桿(26)上的應變片(24)采集橫向、縱向反射波、透射波信號，信號傳入應變片(24)中轉化為電壓信號，記錄電壓信號；利用雙軸霍普金森壓桿的實驗原理對數據進行處理，推導出試樣在等效雙軸壓縮應力波加載下的力學性能；

(2)雙軸霍普金森拉桿實驗等效加載：

步驟1、布置縱向實驗設備；

將縱向拉伸波驅動頭放入縱向基座(11)中，與縱向拉伸波放電線圈(9)貼合；將應變片(24)粘貼到縱向入射桿(21)和縱向透射桿(25)表面，縱向入射桿(21)與縱向拉伸波放大器(5)的長軸端通過縱向連接螺桿(19)連接，端面相互接觸；縱向透射桿(25)同軸安裝在縱向入射桿(21)的自由端方向，縱向透射桿(25)和縱向入射桿(21)之間留有放置試樣(23)的空間；在縱向透射桿(25)的末端安裝縱向緩沖器(27)；

步驟2、布置橫向實驗設備；

將橫向拉伸波驅動頭放入橫向基座(12)中，與橫向拉伸波放電線圈(10)貼合；將應變片(24)粘貼到橫向入射桿(22)和橫向透射桿(26)表面，橫向入射桿(22)與橫向拉伸波放大器(6)的長軸端通過橫向連接螺桿(20)連接，端面相互接觸；橫向透射桿(26)同軸安裝在橫向入射桿(22)的自由端方向，橫向透射桿(26)和橫向入射桿(22)之間留有放置試樣(23)的空間；在橫向透射桿(26)的末端安裝縱向緩沖器(28)；

步驟3、信號采集系統和試樣安裝；

將應變片(24)接入動態應變儀29中，試樣(23)放入到縱向入射桿(21)和縱向透射桿(25)、橫向入射桿(22)和橫向透射桿(26)中間，使試樣(23)的四個端面分別與縱、橫向入射桿(21、22)和縱、橫向透射桿(25、26)端面進行螺紋連接；

步驟4、入射波加載；

轉換開關(4)與電路觸點a接通，在電磁鉚槍控制系統的基礎上，利用380V交流電對電容器組(1)充電；放電可控硅(3)對電路放電，在瞬間強電流的作用下：縱向拉伸波放電線圈(9)和縱向拉伸波次級線圈(7)之間產生電磁斥力，電磁斥力在縱向壓縮波放大器(17)的放大作用下放大轉化為壓縮波，壓縮波在縱向拉伸波放大器的最小錐面處反射為縱向拉伸入射波；橫向拉伸波放電線圈(10)和橫向拉伸波次級線圈(8)之間產生電磁斥力，電磁斥力在橫向拉伸波放大器(6)的放大作用下放大轉化為壓縮波，壓縮波在橫向拉伸波放大器的最小錐面處反射為橫向拉伸入射波；縱向、橫向拉伸入射波分別通過縱向、橫向入射桿(21、22)直截加載到試樣(23)的縱向和橫向截面上，縱向拉伸入射波在縱向入射桿(21)與試樣(23)的接觸面一部分反射回縱向入射桿(21)中，另一部分透射到縱向透射桿(25)中；橫向拉伸入射波在橫向入射桿(22)與試樣(23)的接觸面一部分反射回橫向入射桿(22)中，另一部分透射到縱向透射桿(25)中；由于利用了縱向、橫向拉伸波放電線圈(9、10)串聯和拉伸波次級線圈厚度補償等方法，此時試樣(23)的縱向、橫向加載的拉伸入射波幅值相等、脈沖寬度相同、觸發時間高度一致；

步驟5、信號采集和處理；

在縱向、橫向拉伸入射波加載的過程中，利用粘貼在縱向入射桿(21)、縱向透射桿(25)，橫向入射桿(22)、橫向投射桿(26)上的應變片(24)采集橫向、縱向反射波、透射波信號，信號傳入應變片(24)中轉化為電壓信號，記錄電壓信號；利用雙軸霍普金森拉桿的實驗原理對數據進行處理，推導出試樣在等效雙軸拉伸應力波加載下的力學性能。