CN103913382B - 基于电磁力加载的分离式霍普金森压杆实验装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于电磁力加载的分离式霍普金森压杆实验装置，包括电磁铆接装置和分离式霍普金森压杆实验装置，电磁铆接装置位于分离式霍普金森压杆实验装置的入射杆一端，并使该电磁铆接装置上的电磁铆枪的端面与入射杆该端的端面充分接触，使电磁铆接装置产生应力脉冲，直接输入到入射杆，并能够准确地控制所产生的脉冲信号。本发明无需对分离式霍普金森压杆进行大的改动，只需用电磁铆接装置代替传统分离式霍普金森压杆***中的***，通过电磁方式实现对应力波的精确控制，并且通过电磁加载产生的应力波的宽度不受撞击杆长度的限制，故在高应变率下，本发明产生的应力波宽度也足够长。从而实现了分离式霍普金森压杆实验技术的规范化。
Description
技术领域
本发明涉及材料的动态力学性能测试的装置，具体说是一种基于电磁力加载分离式霍普金森压杆实验装置。
背景技术
目前，在材料科学领域中测量材料在高应变率下的力学性能时使用最广泛的就是分离式霍普金森压杆技术。这一方法的基本原理是：将短试样置于两根压杆之间，通过加速的质量块，短杆撞击或者***产生的加速脉冲，对试样进行加载。同时利用粘在压杆上并距杆端部一定距离的应变片来记录脉冲信号。如果压杆保持弹性状态，那么杆中的应力脉冲将以弹性波速无失真地传播。这样粘贴在压杆上的应变片就能够测量到作用于杆端的载荷随时间的变化历程。
然而，目前在分离式霍普金森压杆实验装置中产生入射波的普遍方式是通过***将撞击杆高速发射，与入射杆同轴撞击产生入射脉冲。这种方法的缺点在于：由于每次发射时撞击杆在***中的安装位置不尽相同，且撞击速度与气压的对应关系很难确定，因此无法准确地控制入射波的幅值，所以需要尝试多次实验才能得到所需的应变率。其次，对于应变率跨度过大的实验，由于***气压的限制，需要更换撞击杆的长度来得到不同的应变率，应变率越高，所用撞击杆越短，实验中产生的应力波宽度越短，这就限制了实验所得到的应变范围，而且操作繁琐。更重要的是，由于撞击杆的发射速度有一个下限，一些更低的应变率在实际试验中无法用传统霍普金森压杆得到，比如10s-1的应变率。由于不同的实验***参数也不同，使得分离式霍普金森压杆实验技术的规范化一直是一个国际性的难题。
20世纪60年代美国波音公司为解决普通铆接存在的问题，由HuberASchmitt等人率先开始研究电磁铆接技术,并于1968年申请了强冲击电磁铆接装置的专利。1986年ZievePeter研制成功低压电磁铆接,解决了高压铆接在铆接质量及推广应用方面存在的问题,从而使电磁铆接技术得到较快发展。电磁铆接技术已在波音、空客系列飞机制造中得到应用。如今，低压电磁铆接技术已经发展成熟，铆接力的大小和持续时间可以得到比较精确的控制。电磁铆枪的技术原理是：在放电线圈和工件之间增加了一个线圈和应力波放大器。放电开关闭合的瞬间,初级线圈中通过快速变化的冲击电流,在线圈周围产生强磁场。与初级线圈耦合的次级线圈在强磁场作用下产生感应电流,进而产生涡流磁场,两磁场相互作用产生涡流斥力,并通过放大器传至铆钉,使铆钉成形。涡流力的频率极高,在放大器和铆钉中以应力波的形式传播，故电磁铆接也称应力波铆接。如果将电磁铆枪中产生的应力脉冲应用到分离式霍普金森压杆中代替传统分离式霍普金森压杆中的***，将会使分离式霍普金森压杆实验技术的规范化成为可能，并且可以以足够长的应力脉冲对试样进行低应变率加载，实现一些传统霍普金森杆无法实现的低应变率。本发明的目的就是将电磁铆接设备和分离式霍普金森压杆结合。
发明内容
为克服现有技术中存在的入射波幅值难以控制，操作繁琐以及应变范围限制以及无法实现一些低应变率实验的不足，本发明提出了一种基于电磁力加载的分离式霍普金森压杆实验装置。
本发明包括应变片、电磁铆接装置和分离式霍普金森压杆实验装置，所述电磁铆接装置位于分离式霍普金森压杆实验装置的入射杆一端，并使该电磁铆接装置上的电磁铆枪的锥形头小直径端与入射杆的入射端面充分接触；所述电磁铆枪与入射杆同轴；在所述入射杆中部的圆周表面对称粘贴有两个应变片，并使所述两个应变片上的应变片引线朝向该入射杆的入射端；在所述透射杆中部的圆周表面对称粘贴有两个应变片，并使所述两个应变片上的应变片引线朝向该透射杆与试样接触端；各应变片引线均平行于入射杆或透射杆的轴线并成直角弯折后与数据采集器的信号输入端连通，并使所述各应变片引线在与数据采集器连通中呈直线状态，使各应变片引线在所述入射杆端面或透射杆端面所在的平面上的投影无闭合回路。
本发明中，在基于电磁力加载的分离式霍普金森压杆实验台上同轴顺序安装有电磁铆枪、入射杆和透射杆，试样位于入射杆和透射杆之间。实验中，将电磁铆枪的锥形头与入射杆的输入端充分接触，当电磁铆接设备的放电电容充电完成后，通过电子开关控制电容对电磁铆枪的初级线圈放电，初级线圈周围产生强的磁场，并使与之靠近的次级线圈中产生感应的涡流，所述涡流在次级线圈周围产生一个与初级线圈的磁场方向相反的磁场，于是初级线圈和次级线圈之间产生瞬间强斥力，所述斥力在次级线圈中以应力波的形式传播并且被锥形头放大，所述放大后的应力波通过锥形头与入射杆的接触面而传入入射杆中，从而实现对实验装置的应力波加载。
本发明中，由于是通过电磁力产生应力波，所以实验中会有很强的电磁场干扰，如果应变片引线分布不正确，会使数据采集***所采集的数据带有很强的干扰信号而无法使用。具体来说，电磁铆枪的初级线圈和次级线圈所产生的磁场为与条形磁铁的磁场方向相同，所以在入射杆和透射杆的周围，会有沿压杆轴线方向的变化磁场，所述磁场强度的变化与通过主线圈的电流及主线圈的匝数有关。如果应变片的引线随意分布，在垂直于压杆轴线的平面上，应变片引线的投影容易形成闭合回路，当电磁铆枪放电时，所产生的磁场会穿过所述的应变片引线形成的闭合回路，在所述闭合回路中形成变化的磁通量，从而在应变片引线中产生感应电流，所述感应电流通过引线进入数据采集器，就会对所采集的数据形成干扰。如附图5所示即为应变片引线随意分布时，数据采集器所采集到的应力波信号，明显可见，在实际应力波信号之前有一列与电容器放电电流趋势相同的干扰信号。
由上述分析可知，电磁干扰产生的直接原因是因为应变片引线在垂直于压杆轴线的平面上的投影形成闭合回路，所以消除干扰的方法是，使应变片引线在垂直于压杆轴线的平面上的投影为零，为了实现此目的在排布应变片引线时，应该使应变片引线在平行于压杆轴线的一个平面中分布，并且使引线成直线状态，中间无柔性弯曲。例如，可以将应变片引线先沿压杆的轴线紧贴压杆表面引出，在约3cm的位置处，将引线折成一个角度，并笔直地引到数据采集器的输入接口，这样，应变片引线在垂直于压杆轴线的平面上的投影就是一个直线，在实验中不会有磁通量穿过，也就不会有感应电流产生。
本发明中，通过调整电磁铆接装置直接产生应力脉冲，输入到入射杆，使得所产生的脉冲信号可以根据实验者的需要而比较准确地进行控制。实验时，实际产生的应力波幅值可以通过电磁铆接装置的充电电压进行控制，实际产生的应力波宽度可以通过调整电磁铆接装置的电容值进行控制。
本发明无需对分离式霍普金森压杆进行大的改动，只需用电磁铆接装置代替传统分离式霍普金森压杆***中的***。采用传统的霍普金森压杆试样即可对试样进行预期脉冲幅值和脉冲宽度下的加载，并且整个***操作简单，可控性强。本发明通过电磁方式对应力波进行控制的，当电磁铆接装置中的电容值不变时，同一个电压对应的输出应力波幅值也不变，当充电电压不变时，同一个电容值对应的应力波宽度也不变，所以能够实现对应力波的精确控制，实验的重复性好。其次，由于是通过电磁加载产生的应力波，应力脉冲的宽度不像传统撞击方式那样受撞击杆长度的限制，所以即使在高应变率下的材料试验，本发明产生的应力波宽度也足够长；而对于一些传统霍普金森压杆无法实现的低应变率实验，比如10s-1的应变率，本发明也可以产生足够长度的脉冲宽度，使材料达到塑性变形。例如，可以调整电磁铆接装置的电容值，使所产生的应力波宽度为1ms，则只需要入射杆和透射杆大于5m，就可以通过数据采集器采集到入射波和透射波，并且可以将透射波与入射波相减分离出反射波，用所述应力脉冲对试样进行10s-1的应变率加载，则试样的应变可以达到0.01。而这种低应变率实验在传统霍普金森压杆中无法实现，因为传统霍普金森压杆的子弹长度最长为0.8m左右，所产生的应力脉冲宽度大约为0.3ms，即使子弹的最低速度可以使试样在10s-1的应变率加载，试样的最大应变也只能达到0.003，而对于一般塑性材料来说，这个应变尚未达到塑性变形，或者塑性变形很小。由于以上优点，本发明可以实现分离式霍普金森压杆实验技术的规范化，并且可以进行低应变率实验。
图1是将电磁铆枪的应力波传到一根1m长的φ12mm铝杆上，然后通过粘贴在铝杆中间的应变片所测出来的应力波，由图可见，所测出来的入射应力波并没有完全通过应变片，就与铝杆另一端反射过来的应力波相遇并叠加，可见电磁铆枪产生的应力波足够长。由图1可以看出，电磁铆枪所产生的应力波形状也接近传统的分离式霍普金森压杆所产生的波形，所以电磁铆枪完全可以应用于分离式霍普金森压杆实验。
图2是利用电磁加载的分离式霍普金森压杆对树脂基复合材料实验所得的应力应变曲线，两次实验条件完全相同，所得的应变率为1000s-1。由图2可见，两次实验结果重复性很好，说明了本发明装置和方法的可行性和重复性。
附图说明
图1是电磁铆枪的产生的应力波,其中，横坐标表示时间，单位为s，纵坐标表示应力，单位为Mpa；
图2是利用电磁加载的分离式霍普金森压杆对树脂基复合材料实验所得的应力应变曲线，其中，横坐标表示应变，纵坐标表示应力，单位为Mpa；
图3是基于电磁力加载的分离式霍普金森压杆实验装置的结构示意图；
图4是应变片引线的排布示意图；
图5是应变片引线随意排布时，数据采集器所采集到的应力波信号；
图6是本发明的应变片引线排布数据采集器所采集到的应力波信号。其中：
1.电源；2.电磁铆接装置主机；3.电磁铆枪；4.入射杆；5.试样；6.透射杆；7.应变片；8.数据采集器；9.缓冲器；10.应变片引线。
具体实施方式
实施例一
如图所示，本实施例包括电磁铆接装置和分离式霍普金森压杆实验装置，所述电磁铆接装置的电磁铆枪3位于分离式霍普金森压杆实验装置的入射杆4一端，并且将次级线圈与初级线圈之间的弹簧去掉，使次级线圈与初级线圈自然贴合，以保证在产生应力波之前入射杆中没有预应力。将所述电磁铆接装置上的电磁铆枪3的锥形头小端与入射杆4的入射端面充分接触，并使所述电磁铆枪3与入射杆4同轴。
所述的电磁铆接装置2采用公开号为CN2865927的实用新型专利中公开的低压电磁铆接设备，该低压电磁铆接装置包括铆接***和电源1。所述低压电磁铆接设备的电源采用并联在一起的多个低压脉冲电容器组成的电容器组，以代替高压铆接设备的脉冲电容器及低压铆接设备中的电解电容器。所述铆接***包括电磁铆枪3。该铆接***包括由12个额定电压为1000伏、额定电容为2000微法的脉冲电容器并联组成的脉冲电容器组、电容器箱、控制柜和铆枪；操作回路由可编程控制器控制，能够数字显示设定铆接的电压和实际的充电电压。
所述的分离式霍普金森压杆实验装置采用现有技术，并按常规的方法安装并连接。所述分离式霍普金森压杆实验装置包括入射杆4、透射杆6、试样5和缓冲器9。
其中，入射杆4与透射杆6同轴安装在实验台上；试样5位于入射杆4的一个端面和透射杆6的一个端面之间。在所述入射杆4中部的圆周表面对称粘贴有两个应变片7，并使所述两个应变片上的应变片引线10朝向该入射杆的入射端；在所述透射杆6中部的圆周表面对称粘贴有两个应变片7，并使所述两个应变片上的应变片引线朝向该透射杆与试样接触端。将所述粘贴在入射杆和透射杆上的各应变片上的应变片引线10与数据采集器8的信号输入端连通。在将各应变片上的应变片引线与数据采集器8的信号输入端连通时，各应变片引线均平行于入射杆或透射杆的轴线并成直角弯折后与数据采集器8的信号输入端连通，并使所述各应变片引线在与数据采集器连通中呈直线状态，使各应变片引线在所述入射杆端面或透射杆端面所在的平面上的投影无闭合回路，故实验中应变片引线不会因磁通量的变化而产生感应电流。本实施例中，将应变片引线先沿入射杆或透射杆的轴线并紧贴该入射杆或透射杆表面引出3cm后，将该变片引线折成直角后与数据采集器的输入接口连接。
缓冲器9安装在透射杆6的另一端，并且与透射杆端面保持10cm的距离。
实施中：通过电子开关控制电磁铆接装置中电容器组的充电及放电。
本实施例中，铆枪采用直径100mm、36匝的初级线圈。
本实施例最大存储能量为12KJ，最高工作电压为1000V，输入电源为二相380V。
由于本发明的电源***并联了多个脉冲电容器，使设备的电容量增大，产生的应力脉冲宽度明显大于传统霍普金森压杆中产生的应力脉冲宽度，克服了传统霍普金森压杆在低应变率下脉冲宽度不足的问题。同时，由于本发明以单铆枪的铆接装置代替双铆枪的铆接装置，降低了控制***的复杂性和设备成本，并使设备对工作的开敞性要求降低。
实验时，按动电磁铆枪4的充电开关，待充电完成后，按动电磁铆枪4的放电开关使电容器对电磁铆枪的初级线圈放电，与初级线圈靠近的次级线圈会产生感应电流，初级线圈和次级线圈的电流产生方向相反的磁场，由于两个磁场的相互排斥作用，次级线圈中会产生压缩应力波，所述压缩应力波通过与次级线圈相互贴合的锥形头放大后传入入射杆4，并通过入射杆4传入试样5，在入射杆4和透射杆6内分别产生传播的反射波和透射波，这样就实现了对试样6的动态压缩加载。数据采集器8通过粘贴在入射杆4上的应变片7将入射波和反射波信号转换成电压信号记录下来，通过粘贴在透射杆6上的应变片7将透射波的信号转换成电压信号记录下来。
实验后，将数据采集器记录的电压信号换算成应变信号，通过一波法就可以计算出材料的应力应变曲线。
Claims (1)
1.一种基于电磁力加载的分离式霍普金森压杆实验装置，其特征在于，包括应变片、电磁铆接装置和分离式霍普金森压杆实验装置，所述电磁铆接装置位于分离式霍普金森压杆实验装置的入射杆一端，并使该电磁铆接装置上的电磁铆枪的锥形头小直径端与入射杆的入射端面充分接触；所述电磁铆枪与入射杆同轴；在所述入射杆中部的圆周表面对称粘贴有两个应变片，并使所述两个应变片上的应变片引线朝向该入射杆的入射端；在透射杆中部的圆周表面对称粘贴有两个应变片，并使所述两个应变片上的应变片引线朝向该透射杆与试样接触端；各应变片引线均平行于入射杆或透射杆的轴线并成直角弯折后与数据采集器的信号输入端连通，并使所述各应变片引线在与数据采集器连通中呈直线状态，使各应变片引线在所述入射杆端面或透射杆端面所在的平面上的投影无闭合回路。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |