[發明專利]利用雙向電磁驅動同步組裝的高溫Hopkinson壓桿試驗系統及方法

有效

• 申請號: 201910408528.5
• 申請日: 2019-05-16
• 公開（公告）號: CN110196199B
• 公開（公告）日: 2022-03-04
• 發明（設計）人: 李鵬輝;郭偉國;王建軍;袁康博
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01N3/32
• 分類號: G01N3/32;G01N3/18;G01N3/02;G01N3/06
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

1.一種利用雙向電動驅動同步組裝的高溫Hopkinson壓桿試驗系統，其特征在于包括電磁控制閥(2)、炮管(3)、撞擊桿(4)、聚四氟乙烯托彈器(5)、入射桿(6)、透射桿(7)和黏貼的入射桿(6)、透射桿(7)上的應變片(8)；阻尼器(9)、發射氣室(10)、氣源(11)、步進電機(15)、正向螺桿(16)、反向螺桿(17)、驅動臂(18)、滑動套管(20)、感應加熱線圈(21)、電磁感應加熱機(22)、聚四氟乙烯卡箍(24)、支座(33)和平臺(34)；沿X主軸方向，電磁控制閥(2)、炮管(3)、入射桿(6)、透射桿(7)和阻尼器(9)通過支座(33)固定于平臺(34)上，且各部件的軸心一致；其中，多個支座(33-2)與電磁控制閥(2)、炮管(3)和阻尼器(9)為固定連接，多個支座(33-1)與入射桿(6)和透射桿(7)為滑動連接；電磁控制閥(2)與炮管(3)和發射氣室(10)連接，撞擊桿(4)外部設有兩個聚四氟乙烯托彈器(5)，置于炮管(3)內，與炮管(3)形成滑動連接；入射桿(6)與透射桿(7)之間的端口上各設有一滑動套管(20)，兩個滑動套管(20)之間為試樣(25)，試樣(25)上與高頻電磁感應加熱機(22)連接的環繞感應加熱線圈(21)；雙向同步驅動組裝系統位于入射桿(6)和透射桿(7)的一側，步進電機(15)連接正向螺桿(16)和反向螺桿(17)同步旋轉，兩根高強度驅動臂(18)一端的內螺紋，分別與正向螺桿(16)、反向螺桿(17)螺紋配合，另一端分別套在入射桿(6)和透射桿(7)上，通過推動固定在入射桿(6)和透射桿(7)上的聚四氟乙烯卡箍(24)，從而推動入射桿(6)和透射桿(7)做同步相對運動和相離運動；

在電磁控制閥(2)上設有壓力傳感器(1)，輸出信號連接數顯壓力表(32)。

2.根據權利要求1所述利用雙向電動驅動同步組裝的高溫Hopkinson壓桿試驗系統，其特征在于：在試樣(25)上捆綁熱電偶絲(35)，與溫度傳感器(23)連接，溫度傳感器(23)輸出信號連接溫控儀(28)。

3.根據權利要求1所述利用雙向電動驅動同步組裝的高溫Hopkinson壓桿試驗系統，其特征在于：在發射氣室(10)上設有減壓電磁閥(27)和增壓電磁閥(26)，分別與減壓開關(29)增壓開關(30)連接和控制。

4.根據權利要求1或2所述利用雙向電動驅動同步組裝的高溫Hopkinson壓桿試驗系統，其特征在于：在電磁控制閥(2)連接高精度發射延時器(12)；在步進電機(15)上設有可編程控制器(14)，并受同步延時器(13)控制；由溫控儀(28)連接控制電磁感應加熱機(22)，啟動感應加熱線圈(21)對試樣(25)加熱，同時連接控制發射延時器(12)和同步延時器(13)，選擇合適的延遲時間，實施加熱、同步推送和啟動發射之間的自動配合。

5.一種利用權利要求1～4所述任一項利用雙向電動驅動同步組裝的高溫Hopkinson壓桿試驗系統的方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：將試樣(25)用熱電偶絲(35)捆綁與滑動套管(20)的中心區域，滑動套管(20)兩端分別套在入射桿(6)和透射桿(7)上，保證試樣(25)距離入射桿(6)的加載端面和透射桿(7)的加載端面；調整高頻感應加熱機(22)和感應加熱線圈(21)的位置，使得試樣(25)完全處于感應加熱線圈(21)的中心位置；

步驟2：根據試驗要求的應變率和撞擊速度，調節控制臺(19)的增壓開關和減壓開關，使發射氣室(10)的內部壓力保持在預定發射壓力P；設置控制臺(19)的溫控儀(28)為預定加熱溫度和保溫時間；設定發射延時器(12)的延時時間為T₁，同步延時器(13)的延時時間為T₂；

步驟3：點擊控制臺(19)的啟動開關(31)，啟動高頻感應加熱機(22)，對試樣(25)開始加熱，當試樣(25)到達預定試驗溫度，觸發控制臺(19)的溫控儀(28)工作，開始保溫過程；保溫時間到達后，溫控儀(28)釋放觸發信號，同時觸發發射延時器(12)和同步延時器(13)開始延時過程；

發射延時器(12)經歷延時時間T₁后，觸發電磁控制閥(2)開啟，發射氣室(10)內的氣室瞬間釋放，推動撞擊桿(4)在炮管(3)內高速運動，在炮管(3)出口處撞擊入射桿(6)的撞擊端，產生壓縮應力波以彈性波速C₀沿入射桿(6)向加載端傳遞；

在發射過程進行的同時，同步延時器(13)在到達延時時間T₂之后觸發可編程控制器(14)運行預先設置好的程序，控制步進電機(15)帶動正向螺桿(16)和反向螺桿(17)以預定轉速和預定行程轉動，從而帶動兩根驅動臂(18)做同步等速相向運動，拖動入射桿(6)和透射桿(7)同時同步向試樣(25)運動，夾緊試樣；試樣(25)被夾緊在入射桿(6)和透射桿(7)的加載端面中心位置，整個過程試樣(25)始終位于感應加熱線圈(21)的加熱區域內，而入射桿(6)和透射桿(7)保持在加熱區域之外，通過精確控制T₁和T₂，使得在試樣(25)被夾緊的同時，壓縮應力波剛好傳遞至試樣(25)處，對試樣(25)進行動態加載；

加載完畢后，可編程控制器(14)繼續運行預定程序，控制步進電機(15)反向轉動，驅動兩根驅動臂(18)拖動入射桿(6)和透射桿(7)做同步相離運動，同時觸發控制臺(19)的溫控儀(28)關閉加熱功能，保證入射桿(6)和透射桿(7)不被感應加熱線圈(21)加熱，始終處于室溫；

步驟4：撞擊產生的壓縮應力波由粘貼在入射桿(6)上的應變片(8)采集記錄為入射波，壓縮應力波傳遞至試樣(25)與入射桿(6)的接觸界面，部分應力波反射回來被入射桿(6)上的應變計(8)再次記錄下來作為反射波，部分應力波進入試樣(25)后進入透射桿(7)，由透射桿(7)上應變計(8)記錄為透射波；根據一維應力波理論可以獲得材料在高溫動態壓縮載荷下的應力應變曲線,數據處理的相關公式如下：

其中C為彈性波波速，L為試樣的長度，E為加載桿的彈性模量，A為加載桿的橫截面積，A_s為試樣的橫截面積。