CN103018094A - 快速加热式准静态高温霍普金森压杆实验装置 - Google Patents

Abstract

一种快速加热式准静态高温霍普金森压杆实验装置，它采用将试样装置在屏蔽罩内高频感应加热器中心的陶瓷套管中央，再于试样两端分别与两陶瓷短杆的内端相连，两陶瓷短杆的外端分别与入射杆和透射杆的一端相连，应变片分别从入射杆和透射杆上测得其应力波信号并经电桥、放大器传送给计算机进行数据处理，再由计算机经温控器控制高频感应加热器和试样升温，另一红外监测仪则将试样温度反馈至温控器的技术方案；它克服了现有分离式霍普金森压杆实验装置存在结构复杂、操作烦杂，工作效率低，数据处理难，严重影响了实验的质量等缺陷；适合各种试验室的霍普金森压杆实验用；特别适合霍普金森压杆实验装置中试样的加热与应变片信息的即时处理。

Description

快速加热式准静态高温霍普金森压杆实验装置

技术领域

本发明涉及一种快速加热式准静态高温霍普金森压杆实验装置。

背景技术

现有分离式霍普金森(Hopkinson)压杆实验，被认为是研究材料动态力学性能的一种有效方法。SHPB的高温实验法案大体分为二种类型：一种是将试样和部分导波杆放入温度箱中同时进行加热，名称为“SHPB装置应用于测量高温动态力学性能的研究”的文章(夏开文等，实验力学，1998，Vol.13，第3期，PP.307-313)采用恒温加热炉，应用一维应力波传播理论和传热原理，修正温度梯度场对波形测量的影响，其缺陷在于实验数据处理***比较复杂；另一种是先单独对试样加热，实验前快速将试样安装在***中，名称为“SHPB***高温实验自动组装技术”的文章(张方举等，实验力学，2005，Vol.20，第2期，PP.281-284)和名称为“用于高温霍普金森压杆实验的双向双气路自动组装装置”的发明专利(专利号：ZL200610021096.5)，描述了该装置能够保证组装的稳定性等，其缺陷在于实现***的准静态对接与同步，对实验装置有很高的精度要求；另外，发明专利(专利号：ZL201010230523.7)和实用新型专利(专利号：ZL201020263456.4)公开了一种带有气氛保护装置的高温霍普金森压杆实验***，能进行常规空气中的高温动态实验，并且能提供保护气氛，其缺陷在于实验***比较复杂，而且试样为单独加热或试样与部分导波杆一起加热，都不可避免会有局部杆的升温，从而在冲击作用下发生塑性变形，对应力波的传递产生较大的影响。

发明内容

针对上述情况，本发明的目的在于提供一种快速加热式准静态高温霍普金森压杆实验装置，它既能完成试样快速安装、快速加热，又能完成试样加热和冲击在同一位置进行，而无需使用机械装置移动压杆或加热炉；还能完成***的准静态对接与同步，而且***控制和数据处理快捷、精准，其结构简单、紧凑，操作容易，工作效率高，资本投入少，经济实惠，便于普及推广。

为了实现上述目的，一种快速加热式准静态高温霍普金森压杆实验装置，它包括在屏蔽罩外设支承座，屏蔽罩内设高频感应加热器，该高频感应加热器中心设陶瓷套管，陶瓷套管的中央装置试样，试样两端分别与两陶瓷短杆的内端相连，两陶瓷短杆的外端分别与入射杆和透射杆的一端相连，入射杆的另一端连接空气炮筒及子弹，透射杆的另一端连接吸收杆及阻尼器，应变片分别贴于入射杆和透射杆上，应变片测得的应力波信号经电桥平衡后送至信号放大器后传送给计算机进行数据处理，计算机经温控器控制高频感应加热器和试样升温，红外监测仪则经测温孔测得试样温度后反馈至温控器，计算机还与气泵电连接。

为了提高本发明的综合性能，实现结构、效果优化，其进一步的措施是：

陶瓷短杆为柱状，其外径与入射杆和透射杆的外径相同。

陶瓷短杆为管状，其外径与入射杆和透射杆的外径相同。

屏蔽罩为圆筒形且经上下开合的罩耳处启闭，并用螺母固定。

螺母为蝶形手动拧紧螺母。

高频感应加热器与屏蔽罩之间设数个隔离支柱。

隔离支柱为三排三列至少9个。

隔离支柱为陶瓷材料制作。

本发明采用将试样装置在屏蔽罩内高频感应加热器中心的陶瓷套管中央，再于试样两端分别与两陶瓷短杆的内端相连，两陶瓷短杆的外端分别与入射杆和透射杆的一端相连，应变片分别从入射杆和透射杆上测得其应力波信号并经平衡电桥送至信号放大器后传送给计算机进行数据处理，再由计算机经温控器控制高频感应加热器和试样升温，另一红外监测仪则经测温孔测得试样温度后反馈至温控器，计算机还与气泵电连接的技术方案，它克服了现有分离式霍普金森压杆实验装置存在的结构复杂、操作烦杂，工作效率低，且需使用机械装置移动压杆或加热炉，***的准静态对接与同步精度难达要求，数据处理复杂，严重影响了霍普金森压杆实验的质量等缺陷。

本发明相比现有技术所产生的有益效果：

(I)本发明采用于压杆和试样之间添加陶瓷短杆并采用高频感应加热器加热的技术方案，极大地提升了加热速度，消除了加热过程中因试样氧化对材料性能的影响；

(II)本发明采用于压杆和试样之间添加陶瓷短杆和高频感应加热器加热并结合同步处理信息的技术方案，省去了在加热试样前后要靠机械装置移动压杆或加热炉的烦杂过程，实现了试样加热和冲击在同一位置进行；

(III)本发明采用感应加热与红外测温控制相结合的技术方案，红外监测仪经高频感应加热器的测温孔测量试样的温度，且同步反馈给温控器并自动控制试样加热温度；

(IV)本发明采用感应加热与红外测温控制相结合的技术方案，高频感应加热器与试样之间采用陶瓷套管支撑和保护，既可获得较好的绝缘、保温效果，又不会有环境污染；

(V)本发明采用感应加热、红外测温控制以及计算机处理信息相结合的技术方案，为满足试样应力、应变均匀性与加载脉冲形态、材料性质及试样几何参数的相互关系的深入研究、分析，提供了保障机理和基础分析条件；

(VI)本发明采用于压杆和试样之间添加陶瓷短杆并结合同步处理信息的技术方案，保证了感应电流只对金属试样进行加热，在数据处理时，忽略温度梯度场对波形测量的影响，从而避免了实验后超量的复杂数据处理工作；

(VII)本发明采用感应加热与红外测温控制相结合的技术方案，计算机与温控器、气泵二者相连接，当达到预定温度时，可自动启动气泵进行冲击压缩试验；

(VIII)本发明采用于压杆和试样之间添加陶瓷短杆并采用高频感应加热器加热的技术方案，克服了应用“恒温加热炉与应用一维应力波传播理论和传热原理…对波形测量”方法存在数据处理***比较复杂的缺陷；本发明较好地解决了数据处理***并简化了数据处理程序；

(IX)本发明采用于压杆和试样之间添加陶瓷短杆并采用高频感应加热器加热的技术方案，克服了应用“预先单独对试样加热，实验前快速将试样安装在***中”方法存在难以实现***的准静态对接与同步，且对实验装置有很高的精度要求的缺陷；本发明较好地解决了***的准静态对接与同步，使实验结果的精准度大大提高了；

(X)本发明采用组合式一体机结构，使结构极其简单、紧凑、体积小，自动操作控制，灵活轻快，加热速度快，工作效率高，无资源浪费，无环境污染，资本投入少，经济实惠，适合各种试验室和霍普金森压杆实验装置的应用，极易普及推广和广阔的市场前景。

本发明适合各种试验室的霍普金森压杆实验用；特别适合霍普金森压杆实验装置中试样的加热与应变片信息的即时处理。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明快速加热式准静态高温霍普金森压杆实验装置主视图。

图2为图1中显示试样、陶瓷套管、高频感应加热器以及活动屏蔽罩之间相互连接关系的横向截面放大视图。

图3为图1中的数据处理流程框图。

图中：1、支承座，2、屏蔽罩，3、高频感应加热器，4、陶瓷套管，5、试样，6、陶瓷短杆，7、入射杆，8、透射杆，9、空气炮筒，10、子弹，11、吸收杆，12、阻尼器，13、应变片，14、信号放大器，15、计算机，16、温控器，17、红外监测仪，18、测温孔，19、气泵，20、隔离支柱，21、罩耳，22、螺母，23、电桥。

具体实施方式

结合附图，一种快速加热式准静态高温霍普金森压杆实验装置，它包括在屏蔽罩2外设支承座1，屏蔽罩2内设高频感应加热器3，为了方便使用与操作，屏蔽罩2为圆筒形且经上下开合的罩耳21处启闭，并用蝶形手动拧紧螺母22固定；为了保证高频感应加热器3的安全和加热效果，高频感应加热器3与屏蔽罩2之间设三排三列至少9个陶瓷材料制作的隔离支柱20；该高频感应加热器3中心设陶瓷套管4，陶瓷套管4的中央装置试样5，试样5两端分别与两陶瓷短杆6的内端相连，陶瓷短杆6为柱状或管状，其外径与入射杆7和透射杆8的外径相同；两陶瓷短杆6的外端分别与入射杆7和透射杆8的一端相连，入射杆7的另一端连接空气炮筒9及子弹10，透射杆8的另一端连接吸收杆11及阻尼器12，应变片13分别贴于入射杆7和透射杆8上，应变片13测得的应力波信号经电桥23平衡后送至信号放大器14后传送给计算机15进行数据处理，计算机15经温控器16控制高频感应加热器3和试样5升温，红外监测仪17则经测温孔18测得试样5温度后反馈至温控器16，计算机15还与气泵19电连接。

由附图所示，本发明的一种快速加热式准静态高温霍普金森压杆实验装置的工作原理，本发明采用高频感应加热方法对金属试样或样品进行加热，将金属试样5置于高频感应加热器3产生的交变磁场中，试样5内部产生感应电流，从而产生焦耳热来加热试样5；温控器16通过接收红外监测仪17的信号，判断试样5温度与预定温度的大小，当试样5温度小于预定温度时，继续对高频感应加热器3通电，对试样5继续加热；当试样5温度达到预定温度时，温控器16对高频感应加热器3断电，从而停止对试样5加热，计算机15获得信号，控制空气炮筒9内子弹10的即时冲击发射，进入冲击试验，实现停止加热和冲击试验两个过程连续且无间隙顺序进行，保证了试验所需温度的准确性，从而保证了试验结果的精确度。

参见附图，本发明的具体实施过程是：打开支承座1上的屏蔽罩2的上开合罩耳21，将试样5装置于屏蔽罩2内高频感应加热器3的陶瓷套管4中，先在试样5一端装上陶瓷短杆6、入射杆7、空气炮筒9及子弹10，再在试样5另一端装上陶瓷短杆6、透射杆8、吸收杆11及阻尼器12，然后将应变片13分别贴于入射杆7和透射杆8上，同时，将应变片13依次与信号放大器14、计算机15、温控器16、红外监测仪17、高频感应加热器3及测温孔18电连接，还将计算机15与气泵19电连接，最后，合上屏蔽罩2的上开合罩耳21至下开合罩耳21处，用蝶形手动拧紧螺母22拧紧、固定；此时，开启红外监测仪17和温控器16，同时启动高频感应加热器3，对试样5加热；当试样5温度达到预定温度时，温控器16对高频感应加热器3断电即停止对试样加热，同时发出信号给计算机15，然后计算机15发出指令启动气泵19，即对试样5进行冲击压缩试验。

Claims (8)

1.一种快速加热式准静态高温霍普金森压杆实验装置，其特征在于它包括在屏蔽罩(2)外设支承座(1)，屏蔽罩(2)内设高频感应加热器(3)，该高频感应加热器(3)中心设陶瓷套管(4)，陶瓷套管(4)的中央装置试样(5)，试样(5)两端分别与两陶瓷短杆(6)的内端相连，两陶瓷短杆(6)的外端分别与入射杆(7)和透射杆(8)的一端相连，入射杆(7)的另一端连接空气炮筒(9)及子弹(10)，透射杆(8)的另一端连接吸收杆(11)及阻尼器(12)，应变片(13)分别贴于入射杆(7)和透射杆(8)上，应变片(13)测得的应力波信号经电桥(23)平衡后送至信号放大器(14)后传送给计算机(15)进行数据处理，计算机(15)经温控器(16)控制高频感应加热器(3)和试样(5)升温，红外监测仪(17)则经测温孔(18)测得试样(5)温度后反馈至温控器(16)，计算机(15)还与气泵(19)电连接。

2.根据权利要求1所述的快速加热式准静态高温霍普金森压杆实验装置，其特征在于陶瓷短杆(6)为柱状，其外径与入射杆(7)和透射杆(8)的外径相同。

3.根据权利要求1所述的快速加热式准静态高温霍普金森压杆实验装置，其特征在于陶瓷短杆(6)为管状，其外径与入射杆(7)和透射杆(8)的外径相同。

4.根据权利要求1所述的快速加热式准静态高温霍普金森压杆实验装置，其特征在于屏蔽罩(2)为圆筒形且经上下开合的罩耳(21)处启闭，并用螺母(22)固定。

5.根据权利要求1所述的快速加热式准静态高温霍普金森压杆实验装置，其特征在于螺母(22)为蝶形手动拧紧螺母。

6.根据权利要求1所述的快速加热式准静态高温霍普金森压杆实验装置，其特征在于高频感应加热器(3)与屏蔽罩(2)之间设数个隔离支柱(20)。

7.根据权利要求6所述的快速加热式准静态高温霍普金森压杆实验装置，其特征在于隔离支柱(20)为三排三列至少9个。

8.根据权利要求6所述的快速加热式准静态高温霍普金森压杆实验装置，其特征在于隔离支柱(20)为陶瓷材料制作。

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