CN105181486B - 飞轮式霍普金森扭杆装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种飞轮式霍普金森扭杆装置，涉及材料动态力学性能实验设备领域，主要包括旋转驱动装置、主动飞轮、电磁吸合装置、铁磁性飞轮、法兰盘、扭转入射杆、扭转透射杆，主动飞轮和法兰盘分别设置在铁磁性飞轮的两侧；主动飞轮与铁磁性飞轮相对的两侧面分别设置有摩擦片，法兰盘与铁磁性飞轮相对的两侧面分别设置有摩擦片；主动飞轮通过主动轮轴与旋转驱动装置连接，法兰盘与扭转入射杆连接，扭转透射杆与扭转入射杆之间安装试件。本发明彻底弥补了现有预贮能型分离式霍普金森扭杆在加载过程中存在的缺陷，以及T形霍普金森扭杆装置在转换装置中产生复杂的弯曲波的缺陷，大大减小了实验难度，极大地提高了实验效率。

Description

飞轮式霍普金森扭杆装置

技术领域

本发明涉及材料动态力学性能实验设备领域，尤其涉及一种飞轮式霍普金森扭杆装置。

背景技术

分离式霍普金森杆是一种研究一维应力状态下材料动态力学性能的有效实验装置。自从1949年Kolsky发明分离式霍普金森压杆装置并用其研究一维应力状态下材料动态力学性能以来，动态压缩实验技术不断提高。对某些材料而言，其动态拉伸性能比其动态压缩性能更加重要，分离式霍普金森拉杆也有了长足的发展。但是，有时研究者更为关心材料的动态抗剪能力，因而在70年代T.Nicholas等人发明了预贮能型分离式霍普金森扭杆。所谓预贮能型分离式霍普金森扭杆是将扭转入射杆一分为二，其中一端有便于加外力矩(载荷)的旋转头(此段称为预扭段)，另一端则与试件相连。在分界处用一抱紧式夹具(其中主要件是一中部开有环状V形槽的螺栓)将杆夹住，阻止其扭转。用千斤顶或其它装置将旋转头旋转从而对预段扭转加载，在这一段上预贮扭转能量。当预贮能量值达到实验者期望值时，实验者迅速释放夹持机构，预加载段的能量(应力、应变)以波的形式传向入射杆的未加载段形成扭转加载波。采用这种方式的主要不足之处有：

1.夹紧装置很难将杆完全夹住而不发生旋转，往往在加载过程中要不断去加强夹紧力(进一步拧紧螺栓)，以阻止旋转滑动。在此过程中常常会发生螺栓突然断裂，致使该次实验失败。

2.这种预贮能式扭杆在实验是通过拧断中部开有环状V形槽的螺栓释放夹具，而拧断螺栓的过程具有很大的随机性，严重影响波形的实验条件的重复性。

2013年姜锡权等发明了T形分离式霍普金森扭杆，这种发明几乎克服了预贮能式扭杆的所有缺点，但是因其结构原因，在转换装置中不可避免地产生复杂的弯曲波，这种弯曲波又难以消除，会传入到扭转入射杆中。另外，对于大直径(如1000mm)的扭杆，因波在杆横截面上传播并且达到均匀需要较长时间，与此同时，波已沿轴向传开，导致扭转入射波的上升沿不可能陡峭，影响了实验应变率的提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种飞轮式霍普金森扭杆装置，以解决上述技术问题。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种飞轮式霍普金森扭杆装置，其特征在于：主要包括旋转驱动装置、主动飞轮、电磁吸合装置、铁磁性飞轮、法兰盘、扭转入射杆、扭转透射杆，所述主动飞轮、铁磁性飞轮和法兰盘三者同轴设置，所述主动飞轮和法兰盘分别设置在铁磁性飞轮的两侧，并留有间隙；所述主动飞轮与铁磁性飞轮相对的两侧面分别设置有摩擦片，所述法兰盘与铁磁性飞轮相对的两侧面分别设置有摩擦片；所述主动飞轮通过主动轮轴与旋转驱动装置连接，所述法兰盘与扭转入射杆连接，所述扭转透射杆与扭转入射杆同轴相对设置，所述扭转透射杆与扭转入射杆之间安装试件；所述电磁吸合装置包括分别设置铁磁性飞轮两侧的第一电磁吸合装置和第二电磁吸合装置，其中第一电磁吸合装置与主动飞轮同侧设置，第二电磁吸合装置与法兰盘同侧设置。

所述法兰盘与扭转入射杆连接的一侧还设置有轴向承载限位装置。

所述铁磁性飞轮由中轴支承并可绕中轴旋转，中轴由支承装置支承，并使其周向自由旋转、轴向自由滑动。

所述铁磁性飞轮主要由铁磁性材料制成。

所述扭转入射杆、扭转透射杆由滚动支承装置支撑。

旋转驱动装置首先驱动主动飞轮旋转，第一电磁吸合装置吸合铁磁性飞轮使之与主动飞轮密合，借助摩擦片使铁磁性飞轮与主动飞轮一起以一定角速度旋转。第一电磁吸合装置停止工作，与此同时第二电磁吸合装置开始吸合铁磁性飞轮使之向法兰盘运动并与其密合，在摩擦片作用下铁磁性飞轮将转动动能和动量矩传递给法兰盘，继而以波的形式传入扭转入射杆，在扭转入射杆中形成扭转波并向试件传播；在试件界面上，扭转波一部分反射回扭转入射杆，一部分透射到扭转透射杆中。分别记录扭转入射杆和扭转透射杆中的波形，按照霍普金森杆的理论便可分析计算得到试件材料在一定应变率下扭转应力应变曲线。

在铁磁性飞轮与法兰盘密合一定时间后，第二电磁吸合装置停止工作，第一电磁吸合装置再次工作将铁磁性飞轮吸合到主动飞轮上。

所述电磁吸合装置分列在铁磁性飞轮左右两侧，分别称其为第一电磁吸合装置和第二电磁吸合装置，在试验程序控制下两装置交替吸合，使铁磁性飞轮左右运动达到对扭转入射杆加卸载的目的。

本发明的有益效果是：

本发明提供的一种飞轮式霍普金森扭杆装置，用于对材料进行动态扭转实验，彻底弥补了现有预贮能型分离式霍普金森扭杆在加载过程中存在的缺陷，以及T形霍普金森扭杆装置在转换装置中产生复杂的弯曲波的缺陷，大大减小了实验难度，极大地提高了实验效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种飞轮式霍普金森扭杆装置，主要包括旋转驱动装置1、主动飞轮3、第一电磁吸合装置4、第二电磁吸合装置6、铁磁性飞轮5、法兰盘12、扭转入射杆8、扭转透射杆10，主动飞轮3、铁磁性飞轮5和法兰盘12三者同轴设置，主动飞轮3和法兰盘12分别设置在铁磁性飞轮5的两侧，并留有间隙；主动飞轮3与铁磁性飞轮5相对的两侧面分别设置有摩擦片13，法兰盘12与铁磁性飞轮5相对的两侧面也分别设置有摩擦片13；主动飞轮3通过主动轮轴2与旋转驱动装置1连接，法兰盘12与扭转入射杆8连接，扭转透射杆10与扭转入射杆8同轴相对设置，扭转透射杆10与扭转入射杆8之间安装试件9；第一电磁吸合装置4和第二电磁吸合装置6分别设置在铁磁性飞轮5两侧，其中第一电磁吸合装置4与主动飞轮3同侧设置，第二电磁吸合装置6与法兰盘12同侧设置；法兰盘12与扭转入射杆8连接的一侧还设置有轴向承载限位装置7，扭转入射杆8、扭转透射杆10由滚动支承装置11支撑。

轴向承载限位装置7吸收在第二电磁吸合装置6吸合铁磁性飞轮5过程中产生的轴向运动的动能和动量，使之尽可能少的传入扭转入射杆8，但不限制法兰盘12的旋转。

旋转驱动装置1首先驱动主动飞轮3，达到一定转速后，第一电磁吸合装置4吸合铁磁性飞轮5使之与主动飞轮3密合，借助摩擦片13使铁磁性飞轮5与主动飞轮3一起以一定角速度旋转。第一电磁吸合装置4停止工作，与此同时第二电磁吸合装置6开始吸合铁磁性飞轮5使之向法兰盘12运动并与其密合，在摩擦片13作用下铁磁性飞轮5将转动动能和动量矩传递给法兰盘12继而以波的形式传入扭转入射杆8，在扭转入射杆8中形成扭转波并向试件9传播。在试件9界面上，扭转波一部分反射回扭转入射杆8，一部分透射到扭转透射杆10中，分别记录扭转入射杆8和扭转透射杆10中的波形，按照霍普金森杆的理论便可分析计算得到试件材料在一定应变率下扭转应力应变曲线。

本发明彻底地弥补了上文所述的现有预贮能型分离式霍普金森扭杆和T形霍普金森扭杆装置的不足之处，大大减小了实验难度、极大地提高了实验效率。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换(如采用霍普金森拉杆代替其中的霍普金森压杆等)，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种飞轮式霍普金森扭杆装置，其特征在于：主要包括旋转驱动装置、主动飞轮、电磁吸合装置、铁磁性飞轮、法兰盘、扭转入射杆、扭转透射杆，所述主动飞轮、铁磁性飞轮和法兰盘三者同轴设置，所述主动飞轮和法兰盘分别设置在铁磁性飞轮的两侧，并留有间隙；所述主动飞轮与铁磁性飞轮相对的两侧面分别设置有摩擦片，所述法兰盘与铁磁性飞轮相对的两侧面分别设置有摩擦片；所述主动飞轮通过主动轮轴与旋转驱动装置连接，所述法兰盘与扭转入射杆连接，所述扭转透射杆与扭转入射杆同轴相对设置，所述扭转透射杆与扭转入射杆之间安装试件；所述电磁吸合装置包括分别设置铁磁性飞轮两侧的第一电磁吸合装置和第二电磁吸合装置，其中第一电磁吸合装置与主动飞轮同侧设置，第二电磁吸合装置与法兰盘同侧设置。

2.根据权利要求1所述的飞轮式霍普金森扭杆装置，其特征在于：所述法兰盘与扭转入射杆连接的一侧还设置有轴向承载限位装置。

3.根据权利要求1所述的飞轮式霍普金森扭杆装置，其特征在于：所述铁磁性飞轮由中轴支承并可绕中轴旋转，中轴由支承装置支承，并使其周向自由旋转、轴向自由滑动。

4.根据权利要求1所述的飞轮式霍普金森扭杆装置，其特征在于：所述铁磁性飞轮主要由铁磁性材料制成。

5.根据权利要求1所述的飞轮式霍普金森扭杆装置，其特征在于：所述扭转入射杆、扭转透射杆由滚动支承装置支撑。