[發明專利]電磁力霍普金森壓桿和拉桿實驗加載裝置的入射波控制方法

有效

• 申請號: 201510049642.5
• 申請日: 2015-01-30
• 公開（公告）號: CN104678852B
• 公開（公告）日: 2017-06-23
• 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: G05B19/042
• 分類號: G05B19/042;G01N3/317
• 代理公司: 西北工業大學專利中心61204
• 代理人: 王鮮凱

技術領域

本發明涉及一種加載裝置的入射波控制方法，特別是涉及一種電磁力霍普金森壓桿和拉桿實驗加載裝置的入射波控制方法。

背景技術

材料的力學性對于工程設計人員來說能至關重要，它是決定結構設計和數值模擬可靠性的關鍵因素。在高應變率下霍普金森壓桿和拉桿技術(SHPB)被廣泛應用于材料的力學性能測試，該技術的原理是：將短試樣置于兩根壓桿之間，利用加速質量塊、短桿等的撞擊產生加速脈沖對試樣進行加載，同時通過粘貼在入射桿、透射桿上的應變片記錄脈沖信號，利用脈沖信號推算出材料的力學性能。該技術于1914年由霍普金森首次提出，1948年克勞斯蓋(Kolsky)提出了改進的霍普金森壓桿技術，因此霍普金森桿也被稱作克勞斯蓋桿。20世紀以來，越來越多的材料被應用于高溫、高應變率的工作環境中，霍普金森壓桿和拉桿技術的應用范圍被不斷拓展。

霍普金森壓桿和拉桿技術中，廣泛采用空氣炮將撞擊短桿高速射出以產生入射波的方法，這種方法的不足在于：空氣具有可壓縮性，撞擊短桿發射速度和氣壓關系不能準確確定，導致試樣應變率無法精確控制，在相同氣壓設置條件下，獲得的入射波波幅將不完全一致，實驗重復性較差。同時，不同的應變率需要使用不同長度的撞擊桿獲得，應變率越低，所需的撞擊桿越短，由于撞擊桿存在發射速度下限，因此許多工程實踐中的低應變率環境不能通過傳統的霍普金森壓桿和拉桿實驗得到，例如10s^-1。對于高應變率環境，要求撞擊桿尺寸大且發射速度高，對于同一臺霍普金森壓桿和拉桿實驗裝置無法同時滿足應變率跨度過大的實驗。

針對以上問題，文獻“申請公布號是CN103994922A的中國發明專利”公開了一種基于電磁力的霍普金森壓桿和拉桿實驗方法，該方法以電磁鉚接技術為基礎，將霍普金森壓桿和拉桿實驗設備集成，使用電磁鉚槍裝置加載方法代替空氣炮加載，電磁力應力波直截作用到入射桿中完成試樣加載。該發明方法通過改變放電電壓控制入射波幅值，改變電容量控制入射波脈沖寬度，操作簡便，大幅提高了霍普金森壓桿和拉桿實驗的可靠性和可控性，拓展了霍普金森壓桿和拉桿實驗的應變率變化范圍。但是該發明方法沒有給出具體的入射波幅值、脈沖寬度控制關系，實驗中只能憑借經驗通過調節放電電壓、放電電容對入射波進行控制，費時費力，實驗所需入射波與實際加載入射波很難保持一致。此外，該發明方法僅通過放電電壓、放電電容對入射波實施控制，難以實現加載入射波上升沿斜率、脈沖寬度、脈沖幅值、最大脈沖幅值的綜合控制。在實際中，霍普金森拉桿和壓桿實驗加載裝置需要一種更好的加載入射波控制方法，以滿足材料對不同測試加載環境的需要。

發明內容

為了克服現有基于電磁力的霍普金森壓桿和拉桿實驗方法實用性差的不足，本發明提供一種電磁力霍普金森壓桿和拉桿實驗加載裝置的入射波控制方法。該方法在電磁鉚接技術的基礎上，采用帶餅狀放電線圈的電磁力應力波發生器作為霍普金森壓桿和拉桿實驗的入射波加載裝置，其中次級線圈厚度為10mm。通過減小放電電阻，保證設備的欠阻尼工作狀態，提高了入射波最大幅值和上升沿斜率。建立入射波脈沖幅值、脈沖寬度與放電電壓、放電電容的控制關系，通過設置不同放電電壓實現入射波幅值精確控制，通過選用不同電容量的放電電容實現入射波脈沖寬度精確控制。針對材料測試實驗中入射波的具體要求，利用控制關系，計算出所需放電電壓和放電電容，保證了實驗要求入射波與實際加載入射波的一致性。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種電磁力霍普金森壓桿和拉桿實驗加載裝置的入射波控制方法，其特點是采用以下步驟：

步驟一、電磁力應力波加載放電回路RLC震蕩回路有三種工作狀態：欠阻尼狀態、臨界阻尼狀態和過阻尼狀態。相同放電條件下，欠阻尼狀態放電電流脈沖幅值最大、上升沿最陡、脈沖寬度最窄，有利于提高電磁力入射波幅值、上升沿斜率，降低入射波控制難度。欠阻尼狀態下，RLC震蕩回路需滿足條件：

式中，R-放電電阻，L-放電電感，C-放電電容。