[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

本發明涉及一種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，建立一套使用精確電磁驅動雙向同步滑動組裝系統和高頻電磁感應快速加熱方式的高溫Hopkinson壓桿系統和高溫壓縮試驗方法。本裝置在常規Hopkinson壓桿上加裝一套電磁控制裝置、一套電磁驅動雙向同步組裝裝置和兩個高精度延時裝置，可以精確控制高溫動態壓縮試驗中各個過程的，包括撞擊過程、加熱過程、加載桿同步組裝過程的啟動和完成時間，進而可以精確控制整個試驗過程的冷熱接觸時間。控制部件集成化模塊設計，提高測試精度，可以精確地直接測試材料在高溫下的動態壓縮力學性能。

技術領域

本發明屬于基于分離式Hopkinson壓桿(SHPB)技術，涉及一種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，利用雙向電磁驅動實現同步組裝的定量化高溫高應變率壓縮試驗技術。

背景技術

分離式Hopkinson壓桿(SHPB)作為目前測試材料和結構高應變率壓縮力學性能的關鍵試驗技術，在動態測試領域應用非常廣泛。傳統的SHPB設備常用于金屬材料、復合材料、巖石混凝土、陶瓷等材料在常溫下的動態力學性能測試。然而隨著新材料的不斷發展，越來越多的材料(尤其以金屬材料和陶瓷材料為代表)廣泛應用在高溫、高應變率加載的極端環境下，對材料的高溫動態性能提出了更高的要求。因此，急需發展一種Hopkinson桿在高溫環境下的材料動態測試技術，以準確測定材料在高溫環境下的動態力學性能。

當溫度大于大約0.2Tm(熔點溫度)時，金屬材料的彈性模量隨溫度增加幾乎直線下降。利用常規分離式Hopkinson壓桿進行高溫壓縮試驗時，試樣被直接加持在入射桿和透射桿中間。在加熱試樣的同時，入射桿和透射桿的桿端也被加熱，從而引起溫度梯度分布。溫度梯度的分布將引起彈性模量的梯度分布，嚴重影響應力波在入射桿和透射桿中的傳播。同時，加載桿長期工作在高溫環境下將嚴重影響加載桿的強度和使用壽命。因此，國內外眾多學者針對常規Hopkinson壓桿進行了高溫試驗下的改進研究。有學者提出一種組合式隔熱陶瓷短桿高溫SHPB實驗技術，在試件端面和壓桿之間各加一直徑與壓桿相同的長度為100mm的A95陶瓷短桿，通過套管進行裝配，套管的內徑和壓桿相同，可在壓桿上自由滑動。試樣通過套管內的兩個簧片支撐定位，試樣上的溫度通過直接貼在試樣表面的熱電偶進行測定。該技術可以避免了金屬加載桿上的溫度梯度，但是引入陶瓷桿造成波阻抗不匹配，影響應力波的傳播。文獻1：郭偉國,高溫分離式Hopkinson壓桿技術及其應用[J].實驗力學,2006,21(4):447-453.提出了一種帶有氣壓驅動同步組裝機構的高溫Hopkinson壓桿試驗方法，如圖4所示。該裝置包括炮管3、撞擊桿4、聚四氟乙烯托彈器5、入射桿6、透射桿7、應變片8、阻尼器9、發射氣室10、鋁合金滑動支座33-1、鋁合金固定支座33-2、鋁合金平臺34、熱電偶絲35、輻射加熱爐36、套管37、氣動活塞桿38。利用熱電偶絲35將試樣固定于套管37上，置入輻射加熱爐36內對試樣進行局部加熱，試樣達到預定溫度時，開啟氣炮，發射氣室10的壓力一方面推動撞擊桿4運動去撞擊入射桿6，另一方面通過同步組裝系統推動透射桿7向試樣方向運動。通過調整驅動氣動活塞桿38的氣壓，可使加載應力波到達試樣的同時，入射桿6、透射桿7和試樣剛好緊密接觸。該裝置中，當試樣溫度約為900℃時，處在高溫爐內的少許桿端溫度常在300℃以下。文獻2：Zhang C,Suo T,Tan W,et al.Anexperimental method for determination of dynamic mechanical behavior ofmaterials at high temperatures[J].International Journal of ImpactEngineering,2017,102:27-35.提出一種改進的氣動驅動入射桿和透射桿同步運動的高溫壓縮試驗方法，包括撞擊桿4、入射桿6、透射桿7、發射氣室10、氣源11、試樣25、氣動活塞桿38、氣閥39、MoSi₂高溫爐40、閃光燈41、高速攝影機42、發射氣閥43、氣路控制器44。該裝置利用兩個活塞組成同步系統，發射氣閥43同時控制發射氣室和同步氣室，用于同步組裝和發射撞擊桿。采用加熱源為MoSi₂的超高溫爐對試樣加熱，加熱爐設有觀察窗口和保護氣通氣孔，可通過通氣孔將保護氣通入高溫爐中形成惰性氣體環境，可通過觀察窗口記錄試樣的超高溫動態測試過程。