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CN106483028B - 一种霍普金森压杆试验装置 - Google Patents

一种霍普金森压杆试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于测试技术领域。基于一维霍普金森压杆试验装置，引入套装在入射杆和透射杆之间的承载环承受试样达到预期应变后的冲击载荷，实现压缩应变的准确控制。本发明涉及的霍普金森压杆试验装置，包括发射装置(1)、打击杆(2)、入射杆(3)、透射杆(5)、吸收杆(6)和数据采集与处理系统，在入射杆和透射杆之间设置由承载环(8)和固定套筒(7)组成的应变控制结构；承载环与入射杆和透射杆外径相同，固定套筒与承载环、入射杆和透射杆均为间隙配合；承载环套装在固定套筒内部中心位置。该试验装置，结构简单、操作方便、压缩应变量可控，适用于定压缩应变条件下的动态力学性能测试与破坏形貌分析，特别适用于大口径霍普金森压杆试验。

Description

一种霍普金森压杆试验装置
技术领域
本发明属于测试技术领域，涉及材料动态力学实验技术，特别涉及霍普金森压杆试验压缩应变控制技术。
背景技术
在许多情况下，材料及其结构部件在应用过程中所承受的载荷为冲击加载，而大多数材料在冲击载荷下的力学性能与准静态下的有明显不同，材料在冲击加载下的动态力学特性是材料应用的重要力学性能参量，开展材料冲击载荷下力学性能的测试与分析对材料研制和部件的设计具有重要的意义。
一维霍普金森杆试验装置是目前开展材料动态力学性能测试与表征的主要试验手段，典型的一维霍普金森压杆试验装置示意图如图1。在常规的霍普金森压杆试验中，由发射装置1发射打击杆2打击入射杆3，在入射杆3中形成压缩入射应力波脉冲，脉冲传播至入射杆的加载端对试样4进行压缩并在透射杆5中产生压缩透射应力波，同时在入射杆3加载端将会产生一个反向的拉伸应力波脉冲。当反射波到达入射杆3的打击端(自由端)，再次反射成为二次压缩波，会对试样进行二次压缩加载，并以此形式循环。由于加载脉冲时长很短，通常为几十微秒到几百微秒，整个冲击压缩过程即为压缩入射波脉冲对试样的加载历程，压缩瞬间完成。因此，对于传统的一维霍普金森压杆试验装置，在试验中无法对试样的压缩应变量进行准确控制。
在材料动态力学性能研究中，利用霍普金森压杆试验装置进行试样的冲击压缩试验时，得到的试验结果是整个加载脉冲作用下的试验结果，而试验后的试样损伤状态是被多次加载之后的状态，对于破坏应变量较小的材料，试验后的试样通常为破碎状态。根据材料使用工况的要求，有时需要在试验中对试样压缩应变量进行设定和控制，来研究材料在特定应变量下的力学性能和材料破坏形貌分析。因此，需要在传统的霍普金森压杆试验中实现有效地压缩应变控制。
目前，未见关于霍普金森压杆压缩应变量控制试验技术的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种霍普金森压杆压缩应变控制的试验装置，有效地实现霍普金森压杆试验对试样压缩应变量的准确控制。
本发明的目的是这样实现的，基于一维霍普金森压杆试验装置，引入套装在入射杆3和透射杆5加载端之间的试样4外周的应变控制装置，由承载环8承受试样达到预期应变后的加载波脉冲对试样4的冲击载荷，有效地限制后续加载脉冲对试样的持续压缩加载，实现压缩应变的准确控制。
本发明涉及的霍普金森压杆试验装置，包括发射装置1、打击杆2、入射杆3、透射杆5、吸收杆6和数据采集与处理系统，其特征在于：在入射杆3和透射杆5之间设置由承载环8和固定套筒7组成的应变控制结构；承载环8与入射杆3和透射杆5外径相同，固定套筒7与承载环8、入射杆3和透射杆5均为间隙配合；承载环8套装在固定套筒7内部中心位置，固定套筒7的两端分别与入射杆3和透射杆5的加载端套装，组装后的结构如图2所示；承载环8用材料的强度和弹性模量不小于加载杆用材料的强度和弹性模量；承载环8的结构参数：
l1＝l0(1-εL) (1)
d1>d0(1+μ·εL) (2)
其中：
l1为承载环的长度；
l0为试样的初始长度；
εL为试样的预期应变量；
d1为承载环的内径；；
d0为试样的初始直径；
μ为试样材料的泊松比。
本发明涉及的霍普金森压杆试验装置，包括发射装置1、打击杆2、入射杆3、透射杆5、吸收杆6和数据采集与处理系统，其特征在于：固定套筒7的与承载环8的长度差不小于20mm。
本发明涉及的霍普金森压杆试验装置，包括发射装置1、打击杆2、入射杆3、透射杆5、吸收杆6和数据采集与处理系统，其特征在于：固定套筒7与承载环8、入射杆3、透射杆5的配合间隙0.1mm～0.2mm，彼此独立。
本发明涉及的霍普金森压杆试验装置，包括发射装置、打击杆2、入射杆3、透射杆5、吸收杆6和数据采集与处理系统，其特征在于：承载环8的环形截面面积不低于加载杆的截面面积的1/2。
本发明涉及的霍普金森压杆试验装置，包括发射装置、打击杆2、入射杆3、透射杆5、吸收杆6和数据采集与处理系统，其特征在于：承载环8与试样同心。
本发明涉及的霍普金森压杆压缩应变控制的试验装置，结构简单、操作方便、压缩的应变量可控，压缩应变量控制准确可靠。适用于试样在特定压缩应变下的动态力学性能测试与破坏形貌分析，可获得试样在冲击载荷作用下的应力、应变和应变率等动态力学参量。本发明还可有效地避免一维霍普金森压杆试验中反射波对试样的多次加载问题；特别适用于大口径霍普金森压杆的试验中对试样进行单脉冲加载条件下的动态力学性能表征与分析。
附图说明
图1一维霍普金森压杆试验装置示意图
图2本发明涉及的霍普金森压杆试验装置压缩应变控制部分在冲击加载前的组装结构示意图
图3本发明涉及的霍普金森压杆试验装置压缩应变控制部分在试样压缩应变达到预期值时的结构示意图
图4本发明实施例一涉及的Φ37mm压杆加载杆上的应力波信号曲线
图5本发明实施例一涉及的Φ37mm压杆测得的试样压缩应力应变曲线
图6传统方法Φ37mm压杆加载杆上的应力波信号曲线
图7传统方法Φ37mm压杆测得的试样压缩应力应变曲线
图8本发明实施例二涉及的Φ100mm压杆加载杆上的应力波信号曲线
图9本发明实施例二涉及的Φ100mm压杆测得的试样压缩应力应变曲线
图10传统方法Φ100mm压杆加载杆上的应力波信号曲线
图11传统方法Φ100mm压杆测得的试样压缩应力应变曲线
其中：1-发射装置，2-打击杆，3-入射杆，4-试样，5-透射杆，6-吸收杆，7-固定套筒，8-承载环
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。并给出与常规装置的试验对比数据，但不作为对发明内容的限制。
实施例一
以Φ37mm口径霍普金森压杆装置的压缩试验为例，对霍普金森压杆试验装置进行详细描述。并给出与常规装置的试验对比数据。
加载杆直径为Ф37mm，入射杆3长度为2m，透射杆5长度为2m，吸收杆6长度为1m。
试样4材料为纤维增强树脂基复合材料，长度为l0＝12mm，直径d0＝22mm，材料的泊松比为μ＝0.33。预期压缩应变值为5％。
承载环的长度由公式(1)计算得到l1＝11.4mm；外径：Ф37mm，内径由公式(2)计算得到d1大于22.36mm，考虑到复合材料的变形与破坏特点，内径d1取23mm。
固定套筒：内径Ф37.15mm，外径Ф47mm，长度50mm。
将承载环8套装入固定套筒7中心位置后，固定套筒7的一端与入射杆3加载端套装，将试样4两端面涂润滑脂后置于承载环8内并于与入射杆3加载端面对接压紧，试样4吸附在入射杆3加载端中心，承载环8与试样4等间距。固定套筒的另一端与透射杆5加载端对接组装，将入射杆3、试样4和透射杆5压紧，试样端面与入射杆3、透射杆5的加载端面充分贴合，组装后的压缩应变控制装置结构示意图如图2所示。
按常规方法对试样4进行冲击压缩试验，当试样的压缩应变达到预期值时的应变控制装置结构状态示意图如图3所示。试验后的试样外形基本保持完好，试样侧面出现部分裂纹，入射杆和透射杆上应力波信号如图4，试样的压缩应力应变曲线如图5，有效地实现了对试样5％压缩应变量的准确控制。
对比组：将试样4两端面涂润滑脂后直接置于入射杆3和透射杆5之间进行冲击压缩试验，入射杆和透射杆上的应力波信号如图6，试样的压缩应力应变曲线如图7。试验后的试样为压剪破碎状态，试样达到最大破坏应变，无法对试样的压缩应变量进行控制，试样被加载至破坏应变6.3％。
实施例二
本实施例以Φ100mm大口径霍普金森压杆装置的压缩试验为例，对霍普金森压杆试验装置进行详细描述。
加载杆直径为Ф100mm，入射杆3长度为5m，透射杆5长度为5m，吸收杆6长度为2m。
试样4材料为维增强树脂基复合材料，试样4长度为l0＝40mm，直径为d0＝60mm，试样4材料的泊松比为μ＝0.33。预期压缩应变值为1.5％。
承载环的长度由公式(1)计算得到l1＝39.4mm；外径：Ф100mm，内径由公式(2)计算得到d1大于60.3mm，考虑到复合材料的变形与破坏特点，内径d1取62mm。
固定套筒：内径Ф100.15mm，外径Ф110mm，长度100mm。
将承载环8套装入固定套筒7中心位置后，固定套筒7的一端与射杆3加载端套装，将试样4两端面涂润滑脂后置于承载环8内并于与入射杆3加载端面对接压紧，使试样4吸附在入射杆3加载端，使承载环8与试样4等间距。再将固定套筒的另一端与透射杆5加载端对接组装，将入射杆3、试样4和透射杆5用力压紧，使试样端面与入射杆3、透射杆5的加载端面充分贴合，组装后的压缩应变控制装置结构示意图如图2所示，然后进行冲击压缩试验。试验后的试样外形基本保持完好，试样外形无明显变化。试验测得的入射杆和透射杆上的应力波信号如图8，试样的压缩应力应变曲线如图9。在该试验中有效地实现了对试样1.5％压缩应变量的准确控制。
对比组：将试样4两端面涂润滑脂后直接置于入射杆3和透射杆5之间进行冲击压缩试验。试验后的试样均为压剪破碎状态，即试样达到了最大破坏应变，试验测得的入射杆和透射杆上的应力波信号如图10，试样的压缩应力应变曲线如图11。在此试验中无法对试样的压缩应变量(1.5％)进行控制，试样被加载至破坏应变2.5％，试验后试样状态为破碎。

Claims (6)

1.一种霍普金森压杆试验装置，包括发射装置(1)、打击杆(2)、入射杆(3)、透射杆(5)、吸收杆(6)和数据采集与处理系统，其特征在于：在入射杆(3)和透射杆(5)之间设置由承载环(8)和固定套筒(7)组成的应变控制结构；承载环(8)与入射杆(3)和透射杆(5)外径相同，固定套筒(7)与承载环(8)、入射杆(3)和透射杆(5)均为间隙配合；承载环(8)套装在固定套筒(7)内部中心位置，固定套筒(7)的两端分别与入射杆(3)和透射杆(5)的加载端套装；承载环(8)用材料的强度和弹性模量不小于加载杆用材料的强度和弹性模量；承载环(8)的结构参数：
l1＝l0(1-εL) (1)
d1>d0(1+μ·εL) (2)
其中：
l1为承载环的长度；
l0为试样的初始长度；
εL为试样的预期应变量；
d1为承载环的内径；
d0为试样的初始直径；
μ为试样材料的泊松比。
2.根据权利要求1所述的霍普金森压杆试验装置，其特征在于：固定套筒(7)的与承载环(8)的长度差不小于20mm。
3.根据权利要求1所述的霍普金森压杆试验装置，其特征在于：固定套筒(7)与承载环(8)、入射杆(3)、透射杆(5)的配合间隙0.1mm～0.2mm，彼此独立。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的霍普金森压杆试验装置，其特征在于：承载环(8)的环形截面面积不低于加载杆的截面面积的1/2。
5.根据权利要求1～3任意一项所述的霍普金森压杆试验装置，其特征在于：承载环(8)与试样同心。
6.根据权利要求4所述的霍普金森压杆试验装置，其特征在于：承载环(8)与试样同心。
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