CN108344648B - 单轴双向加载分离式霍普金森压杆及拉杆装置和实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料动态力学性能测试的实验方法，具体是一种单轴双向加载分离式霍普金森压杆及拉杆装置及实验方法。本发明提供一种单轴双向加载分离式霍普金森压杆及拉杆装置及其实验方法，该装置包括加载装置和两个入射杆，所述加载装置包括电源、电容充电器和加载枪，所述电容充电器采用现有电磁铆接设备的供电部分，并将两个参数相同的加载枪并联连接后，接入所述电容充电器中。在本发明中，两边的入射波同时且对称地对试样进行动态加载，实现对试样的对称加载以减小试样内部应力平衡时间，并且提高试样的应变率，从而克服现有设备的应变率低，弹性段测不准的缺陷。

Description

单轴双向加载分离式霍普金森压杆及拉杆装置和实验方法

技术领域

本发明涉及材料动态力学性能测试的实验方法，具体是一种单轴双向加载分离式霍普金森压杆及拉杆装置及实验方法。

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拉伸力学性能时使用最广泛的就是分离式霍普金森拉杆技术。这一方法的基本原理是：将短试样置于两根拉杆之间，通过加速的质量块，短杆撞击或者***产生的加速脉冲，对试样进行拉伸加载。同时利用粘在拉杆上并距杆端部一定距离的应变片来记录脉冲信号。如果拉杆保持弹性状态，那么杆中的应力脉冲将以弹性波速无失真地传播。这样粘贴在拉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。

分离式霍普金森压杆一般用来测量在高应变率下材料的塑性流动行为，在加载的最初阶段，试样两端力还未达到平衡，试验数据的可信度比较差，导致计算材料特性在弹性段有部分无效数据。当应力波在试样中来回反射3～5个来回时，试样两端力达到平衡，试验数据才有效。

由于在加载初期，试样的应力不均匀，导致所测材料性能的弹性段不准确，因此霍普金森杆一般只用于测量材料的塑性段的力学性能。有一些学者研究过用霍普金森杆测量材料的弹性模量，但最终得到的结论是这种方法是不可行的。

霍普金森杆虽然用于测量材料的高应变率特性，但是由于压杆自身的属性限制，其所能达到的最大应变率是有限的。目前提高应变率的方法是提高撞击杆速度，以及采用微型霍普金森杆，采用微型试样。然而，压杆的强度限制了子弹的装机速度，而对于很多材料来说，微小试样很难加工。因此需要在压杆直径和试样尺寸不受限制的条件下，找到更好的解决方法。

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Huber A Schmitt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Zieve Peter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，主线圈中通过快速变化的冲击电流，在线圈周围产生强磁场。与主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。如果将电磁铆枪的原理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***和撞击杆，通过电磁斥力产生直接产生应力波，将会使分离式霍普金森压杆实验技术的规范化成为可能。另外，由于电磁感应产生的应力波脉冲宽度可以通过电路参数调节，脉冲宽度可达毫秒量级，因此可以实现一些传统霍普金森杆无法实现的低应变率加载(例如10²/s以下)。

近两年来，我们申请了一系列基于电磁加载的霍普金森杆实验设备和方法。在申请号为201420098605.4和201410161610.X的中国专利中，分别提出了将电磁铆接装置直接应用在霍普金森压杆装置中的设备方案和实验方法，但是此方法所获得的波形具有局限性。在申请号分别为201410173843.1和201410171963.8的***专利发明创造中，分别提出两种既可以用于霍普金森拉杆又可用于霍普金森压杆的实验设备及使用方法，但是这两种方案结构较为复杂，且传统的波形整形技术无法应用于拉伸情况。此外，由于入射杆与放大器通过螺纹连接，无论做压缩实验还是拉伸试验，压缩波和拉伸波都能够同时传入入射杆，因此这两种方案所产生的应力波并不是纯粹的拉伸波或者压缩波，仅仅适用于一些对入射波形没有特别大要求的实验。为了改善这种缺陷，随后我们在申请号为201510956545.4的中国专利发明创造中，提出了一种新的加载枪结构，所述结构既可以产生纯粹的拉伸波或压缩波，又可以使用传统的整形方式对波形进行整形。在申请号为201510051071的中国专利发明创造中，提出了一种电磁式实验装置的主线圈结构和使用方法，以提高电磁式实验装置所产生的幅值和脉冲宽度的变化范围。对于传统的子弹撞击产生脉冲的方式，在产生应力波之前子弹需要运动一段距离，使得对称加载或双轴加载的多脉冲技术无法实现。

发明内容

基于电磁力的应力波加载方式利用电磁能量转换技术产生应力波脉冲，脉冲的产生依靠放电开关实现，在开关触发和应力脉冲的产生之间没有时间延迟，因此脉冲的时间精确性很容易通过电路控制。基于这一优点，本发明目的是提供一种单轴双向加载分离式霍普金森压杆及拉杆装置及实验方法，即在传统分离式霍普金森杆的基础上增加另一个对称的入射波，两边的入射波同时且对称地对试样进行动态加载，实现对试样的对称加载以减小试样内部应力平衡时间，并且提高试样的应变率，从而克服现有设备的应变率低，弹性段测不准的缺陷。

本发明提供的一种单轴双向加载分离式霍普金森压杆及拉杆装置，包括加载装置和两个入射杆，所述加载装置包括电源、电容充电器和加载枪，所述电容充电器采用现有电磁铆接设备的供电部分，并将两个参数相同的加载枪并联连接后，接入所述电容充电器中。

在上述的单轴双向加载分离式霍普金森压杆及拉杆装置中，所述两个入射杆采用常规的分离式霍普金森压杆的入射杆形式，材料为钛合金。所述两个入射杆圆周面上采用常规方法分别粘贴有一对应变片。所述两个入射杆同轴安装，所述两个加载枪分别位于所述两个入射杆的两端。所述入射杆一端加工有连接凸台的外螺纹，另一端加工有连接试样的内螺纹。上述的单轴双向加载分离式霍普金森压杆及拉杆装置，还包括与所述应变片相连的数据采集器。

本发明的装置包括两个加载枪、电容充电器和两个入射杆。

所述加载枪和电容充电器采用申请号为201510956545.4的发明专利中所提出的加载装置，其中不同之处在于，本发明所提出的装置包含两个参数相同的加载枪。为了实现对称加载，将两个参数相同的加载枪并联后通过常规方式接入电容充电器中。这样，在放电过程中，LC电路的放电电流会平均分配给两个加载枪的主线圈，使两个加载枪同时产生相同的应力波，以保证在单轴双向加载中两端应力波的同步性和相同性。

所述两个入射杆尺寸和材料完全相同并且同轴安装，两个加载枪分别位于两个入射杆的两端。当进行单轴双向分离式霍普金森压缩实验时，两个入射杆分别为常规的分离式霍普金森压杆的入射杆；当进行单轴双向分离式霍普金森压缩实验时，两个入射杆分别为申请号为201510956545.4的中国发明专利中所采用的霍普金森拉杆的入射杆。

入射杆的长度L设计时遵循式(A)的关系，以避免在加载干中点处所测的反射波和入射波进行叠加：

L≥CT (A)

其中，C为应力波在入射杆中的传播速度，T为所施加的入射波周期。

进一步，本发明提供一种根据上述单轴双向加载分离式霍普金森压杆及拉杆装置的实验方法，包括如下步骤：

步骤1.排布器材：

将两个加载枪、两个入射杆按常规方法同轴顺序安装在实验台上，并使所述入射杆在轴线方向能够自由移动；两个入射杆采用常规的分离式霍普金森压杆的入射杆形式；将一个常规的分离式霍普金森试样安装在两个入射杆之间；

步骤2.粘贴应变片：

采用常规方法在两个入射杆圆周面上分别粘贴一对应变片，在应变片的引脚上焊接应变片引线，为了屏蔽电磁干扰，所述应变片引线采用双芯屏蔽线接入惠斯通电桥中；同时，所述的惠斯通电桥输出信号采用双芯屏蔽信号线接入数据采集器的输入端；

步骤3.进行加载并处理数据：

将电容充电器充电电压设置为X伏并充电，其中X为具体所需的电压值，并且在电容充电器的额定电压以内，待充电完成后，使电容充电器对两个加载枪进行放电，由于两个加载***数相同，并且是并联接入电容充电器，因此放电电流会同步并且均匀地分配到两个加载枪中，从而在两个加载枪中产生相同的压缩波，能够实现对试样的对称加载。

本发明提出单轴双向加载分离式霍普金森压杆及拉杆装置的实验方法，包括单轴双向加载分离式霍普金森杆压缩实验和单轴双向加载分离式霍普金森杆拉伸实验。

Ⅰ所述单轴双向加载分离式霍普金森杆压缩实验的具体过程是：

步骤1.排布器材。将两个加载枪、两个入射杆按常规方法同轴顺序安装在实验台上，并使所述入射杆在轴线方向能够自由移动。两个入射杆采用常规的分离式霍普金森压杆的入射杆形式。将一个常规的分离式霍普金森压缩试样夹装在两个入射杆之间。

将两个加载枪采用压缩方式与入射杆进行装配，具体方法为：将压缩头与放大器连接，定位筒穿过主线圈的通孔，加载枪的压缩头所在的一端靠近入射杆。将压缩头的应力波输出段与入射杆端面同轴充分贴合。

步骤2.粘贴应变片。采用常规方法在两个入射杆圆周面上分别粘贴一对应变片，即以所述入射杆轴线为对称轴，将两片参数完全相同的应变片沿入射杆杆的轴线方向对称粘贴在所述入射杆1/2长度处的圆周表面上，在应变片的引脚上焊接应变片引线，为了屏蔽电磁干扰，所述应变片引线采用双芯屏蔽线接入惠斯通电桥中。同时，所述的惠斯通电桥输出信号采用双芯屏蔽信号线接入数据采集器的输入端。

步骤3.进行加载并处理数据。

将电容充电器充电电压设置为X伏并充电(X为具体所需的电压值，并且在电容充电器的额定电压以内)，待充电完成后，使电容充电器对两个加载枪进行放电，由于两个加载***数相同，并且是并联接入电容充电器，因此放电电流会同步并且均匀地分配到两个加载枪中，从而在两个加载枪中产生相同的压缩波，所述的两个压缩波分别传入两个入射杆中，并且同时到达试样并对压缩试样进行加载，在压缩试样的加载过程中，由于波阻抗不匹配，会在两个入射杆中分别产生一个反射波。由于两个入射波幅值和脉宽相同，且同时对压缩试样进行加载，所以能够实现对压缩试样的对称加载。

粘贴在入射杆上的应变片将杆中的应变信号转换为惠斯通半桥的桥臂电压变化，数据采集器通过双芯屏蔽信号线与惠斯通电桥连接，所述数据采集器将惠斯通电桥的桥臂电压变化采集并存储。入射杆中的应变信号在excel表格中通过下述公式(1)处理得到：

ε＝2ΔU/k/(U₀-ΔU) (1)

其中，ε为入射杆中的应变信号。U₀为惠斯通电桥的供电电压，k为应变片灵敏度系数，ΔU是惠斯通半桥的桥臂电压信号。

入射杆中的应变信号由多个分离的波动组成，其中第一个波动为入射波ε_i，第二个波动为反射波ε_r。通过下述公式(2)可以计算压缩试样内部的应变率，通过公式(3)可以计算压缩试样内部的应变，通过公式(4)可以计算压缩试样内部的应力：

其中，C₀为入射杆中的应力波速，L_s为试样的初始长度。A_B和A_s分别为入射杆和压缩试样的横截面积，E为入射杆的弹性模量。ε_i和ε_r分别为入射波和反射波，下标a和b分别表示两个入射杆(称为入射杆a和入射杆b)。

II所述单轴双向加载分离式霍普金森杆拉伸实验的具体过程是：

步骤1.排布器材。将两个加载枪、两个入射杆按常规方法同轴顺序安装在实验台上，并使所述入射杆在轴线方向能够自由移动。两个入射杆采用申请号为201510956545.4的发明专利中所采用的霍普金森拉杆的入射杆。将一个常规的分离式霍普金森拉伸试样按照常规方式安装在两个入射杆之间。

将两个加载枪采用拉伸方式与入射杆进行装配，具体方法为：将定位筒穿过主线圈的通孔，放大器与入射杆分别位于主线圈的两端。将入射杆有外螺纹的一端依次穿过定位筒的通孔和放大器的螺纹孔，与放大器的螺纹孔和定位筒的通孔自由配合，入射杆有外螺纹的一端穿出放大器，与凸台通过螺纹连接。

步骤2.粘贴应变片。采用常规方法在两个入射杆圆周面上分别粘贴一对应变片，即以所述入射杆轴线为对称轴，将两片参数完全相同的应变片沿入射杆杆的轴线方向对称粘贴在所述入射杆1/2长度处的圆周表面上，在应变片的引脚上焊接应变片引线，为了屏蔽电磁干扰，所述应变片引线采用双芯屏蔽线接入惠斯通电桥中。同时，所述的惠斯通电桥输出信号采用双芯屏蔽信号线接入数据采集器的输入端。

步骤3.进行加载并处理数据。将电容充电器充电电压设置为X伏并充电(X为具体所需的电压值，并且在电容充电器的额定电压以内)，待充电完成后，使电容充电器对两个加载枪进行放电，由于两个加载***数相同，并且是并联接入电容充电器，因此放电电流会同步并且均匀地分配到两个加载枪中，从而在两个加载枪中产生相同的压缩波，所述两个压缩波分别在两个凸台反射成拉伸波并进入入射杆。两个入射杆中的拉伸波同时到达拉伸试样，由于两个拉伸波幅值和脉宽相同，且同时对拉伸试样进行加载，所以能够实现对拉伸试样的对称加载。

粘贴在入射杆上的应变片将杆中的应变信号转换为惠斯通半桥的桥臂电压变化，数据采集器通过双芯屏蔽信号线与惠斯通电桥连接，所述数据采集器将惠斯通电桥的桥臂电压变化采集并存储。入射杆中的应变信号在excel表格中通过公式(1)处理得到：

ε＝2ΔU/k/(U₀-ΔU) (1)

其中，ε为入射杆中的应变信号。U₀为惠斯通电桥的供电电压，k为应变片灵敏度系数，ΔU是惠斯通半桥的桥臂电压信号。

与压缩方式类似，入射杆中的应变信号由多个分离的波动组成，其中第一个波动为入射波ε_i，第二个波动为反射波ε_r。通过下述公式(2)可以计算拉伸试样内部的应变率，通过公式(3)可以计算拉伸试样内部的应变，通过公式(4)可以计算拉伸试样内部的应力：

其中，C₀为入射杆中的应力波速，L_s为试样的初始长度。A_B和A_s分别为入射杆和拉伸试样的横截面积，E为入射杆的弹性模量，ε_i和ε_r分别为入射波和反射波，下标a和b分别表示两个入射杆，称为入射杆a和入射杆b。

在本发明中，供电***用来给加载枪的主线圈提供瞬时的强电流，从而使主线圈和次线圈之间产生强电磁斥力。加载枪用来产生电磁斥力，并将电磁斥力转换成应力波，经过锥形放大器放大后输出给入射杆。

本发明的实验装置中，两个相同的加载枪并连接入电容供电器，放电电流均匀且同时分配给两个加载枪，因此可以保证单轴双向加载中入射波的同步性。

本发明在原理上将电磁感应斥力与电容器放电相结合，直接产生应力脉冲。采用传统的分离式霍普金森压杆和拉杆试样，即可对材料进行动态对称加载，由于两边同时加载，可提高试样的应变率，并且能够使试样达到应力平衡的时间缩短，计算的结果更准确。

附图说明

图1是本发明的单轴双向加载霍普金森压杆的装置示意图。

图2是本发明的单轴双向加载霍普金森拉杆的装置示意图。

具体实施方式

图1是本发明的单轴双向加载霍普金森压杆的装置示意图。图2是本发明的单轴双向加载霍普金森拉杆的装置示意图。在图1和2中：1.电源；2.电容充电器；3.加载枪；4.入射杆a；5.入射杆b；6.压缩试样；7.应变片；8.数据采集器；9.拉伸试样；10.凸台。

如图所示，本发明的一种单轴双向加载分离式霍普金森压杆及拉杆装置，包括加载装置和两个入射杆4、5，所述加载装置包括电源1、电容充电器2和加载枪3，所述电容充电器2采用现有电磁铆接设备的供电部分，并将两个参数相同的加载枪3并联连接后，接入所述电容充电器2中。

在上述的单轴双向加载分离式霍普金森压杆及拉杆装置中，所述两个入射杆4、5采用常规的分离式霍普金森压杆的入射杆形式，材料为钛合金。所述两个入射杆圆周面上采用常规方法分别粘贴有一对应变片7。所述两个入射杆4、5同轴安装，所述两个加载枪3分别位于所述两个入射杆4、5的两端。所述入射杆一端加工有连接凸台的外螺纹，另一端加工有连接试样的内螺纹。上述的单轴双向加载分离式霍普金森压杆及拉杆装置，还包括与所述应变片相连的数据采集器8。

实施例1

本实施例是一种单轴双向加载分离式霍普金森压杆及拉杆装置和实验方法。

本发明的装置包括加载装置和两个入射杆，分别为入射杆a(第一入射杆)4和入射杆b(第二入射杆)5。

所述的加载装置采用专利号为ZL 201510956545.4的中国发明专利中所提出的加载装置，包括电源1、电容充电器2和加载枪3。电容充电器2采用现有电磁铆接设备的供电部分。并将两个参数完全相同的加载枪3并联连接后，接入所述电容充电器2中。电源1采用220V的三相交流电。

本实施例中，电容充电器2采用公布在专利号为200520079179的中国专利中的电磁铆接设备的供电部分，在本实施例中，将6个额定电压为5000伏，额定电容为,2毫法的脉冲电容器并联组成电容器组，将所述电容器组与电子开关安装在电容器箱中，通过电子开关控制电容器组的放电。控制箱主要包含PLC及其控制***。控制***主要由模拟控制部分、数字控制部分以及数字显示部分组成。其中模拟控制部分采用SIEMENS(西门子)公司的TCA785芯片。数字控制部分由西门子的S7-200系列CPU224及西门子模拟输入输出扩展模块EM235组成。充电电压控制主要是通过电压环和电流环的PID控制方式实现。数字显示部分主要是通过S7-200系列文本显示器TD200组成。

本实施例中，两个加载枪3的主线圈采用宽25mm、厚2mm的铜带绕成32匝的盘状线圈。

本实施例还提出一种单轴双向加载分离式霍普金森压杆及拉杆装置的实验方法，包括单轴双向加载分离式霍普金森杆压缩实验和单轴双向加载分离式霍普金森杆拉伸实验。

Ⅰ所述单轴双向加载分离式霍普金森杆压缩实验的具体过程是：

步骤1.排布器材。将两个加载枪3、入射杆a4和入射杆b5按常规方法同轴顺序安装在实验台上，并使所述两根入射杆在轴线方向能够自由移动。所述两根入射杆采用常规的分离式霍普金森压杆的入射杆形式，直径为14毫米，长度为3.5米，材料为钛合金。将一个常规的分离式霍普金森压缩试样6夹装在两个入射杆之间，所述压缩试样为圆柱状，直径和长度均为5毫米，材料为铝合金LY12。

将两个加载枪3采用压缩方式分别与入射杆a4和入射杆b5进行装配，具体方法为：将压缩头与放大器连接，定位筒穿过主线圈的通孔，加载枪的压缩头所在的一端靠近入射杆。将压缩头的应力波输出段与入射杆端面同轴充分贴合。

步骤2.粘贴应变片。采用常规方法在两个入射杆圆周面上分别粘贴一对应变片7，即以所述入射杆轴线为对称轴，将两片参数完全相同的应变片沿入射杆杆的轴线方向对称粘贴在所述入射杆1/2长度处的圆周表面上。本实施例中采用电阻值为1000欧，灵敏系数为2.0的应变片；在应变片的引脚上焊接应变片引线，所述应变片引线采用直径为0.5mm的双芯屏蔽线以屏蔽放电过程中产生的电磁干扰，并将所述应变片分别通过引线接入到惠斯通电桥4的两个相对桥臂中。所述惠斯通电桥中的另外两臂上的固定电阻均为1000欧。惠斯通电桥的供电电压为30伏直流电压。将惠斯通电桥的两个对角电压通过一根双芯屏蔽信号线输入给数据采集器8，所述数据采集器8采用德国HBM公司制造的GEN3i，所述数据采集器具有较好的干扰屏蔽能力，在所述的数据采集器中，采用差分法对惠斯通电桥的两个对角上的电压信号进行处理。

步骤3.进行加载并处理数据。

将电容充电器2的充电电压设置为1000伏并充电，待充电完成后，按下放电开关使电容充电器对两个加载枪3进行放电，由于两个加载***数相同，并且是并联接入电容充电器2，因此放电电流会同步并且均匀地分配到两个加载枪中，从而在两个加载枪中产生相同的压缩波，所述的两个压缩波分别传入两个入射杆中，并且同时到达压缩试样6并对压缩试样进行加载，在压缩试样6的加载过程中，由于波阻抗不匹配，会在两个入射杆中分别产生一个反射波。由于两个入射波幅值和脉宽相同，且同时对试样进行加载，所以能够实现对试样的对称加载。

粘贴在入射杆上的应变片将杆中的应变信号转换为惠斯通半桥的桥臂电压变化，数据采集器通过双芯屏蔽信号线与惠斯通电桥连接，所述数据采集器将惠斯通电桥的桥臂电压变化采集并存储。入射杆中的应变信号在excel表格中通过下述公式处理得到：

ε＝2ΔU/k/(U₀-ΔU) (1)

其中，ε为入射杆中的应变信号。U₀为惠斯通电桥的供电电压，k为应变片灵敏度系数，ΔU是惠斯通半桥的桥臂电压信号。

入射杆中的应变信号由多个分离的波动组成，其中第一个波动为入射波ε_i，第二个波动为反射波ε_r。通过下述公式(2)可以计算压缩试样内部的应变率，通过公式(3)可以计算压缩试样内部的应变，通过公式(4)可以计算压缩试样内部的应力：

其中，C₀为入射杆中的应力波速，L_s为试样的初始长度。A_B和A_s分别为入射杆和压缩试样的横截面积，E为入射杆的弹性模量。ε_i和ε_r分别为入射波和反射波，下标a和b分别表示两个入射杆(称为入射杆a和入射杆b)。

II所述单轴双向加载分离式霍普金森杆拉伸实验的具体过程是：

步骤1.排布器材。将两个加载枪3、入射杆a4和入射杆b5按常规方法同轴顺序安装在实验台上，并使所述两根入射杆在轴线方向能够自由移动。所述两根入射杆采用申请号为201510956545.4的发明专利中所采用的霍普金森拉杆的入射杆。直径为14毫米，长度为3.5米，材料为钛合金，所述入射杆一端加工有连接凸台10的外螺纹，另一端加工有连接试样的M8的内螺纹，所述内螺纹长度为10毫米。将一个常规的分离式霍普金森拉伸试样9通过螺纹安装在两个入射杆之间，所述试样的测量段直径为3毫米，长度为5毫米，材料为铝合金LY12。

步骤2.粘贴应变片。采用常规方法在两个入射杆圆周面上分别粘贴一对应变片7，即以所述入射杆轴线为对称轴，将两片参数完全相同的应变片沿入射杆杆的轴线方向对称粘贴在所述入射杆1/2长度处的圆周表面上。本实施例中采用电阻值为1000欧，灵敏系数为2.0的应变片；在应变片的引脚上焊接应变片引线，所述应变片引线采用直径为0.5mm的双芯屏蔽线以屏蔽放电过程中产生的电磁干扰，并将所述应变片分别通过引线接入到惠斯通电桥4的两个相对桥臂中。所述惠斯通电桥中的另外两臂上的固定电阻均为1000欧。惠斯通电桥的供电电压为30伏直流电压。将惠斯通电桥的两个对角电压通过一根双芯屏蔽信号线输入给数据采集器8，所述数据采集器8采用德国HBM公司制造的GEN3i，所述数据采集器具有较好的干扰屏蔽能力，在所述的数据采集器中，采用差分法对惠斯通电桥的两个对角上的电压信号进行处理。

步骤3.进行加载并处理数据。将电容充电器2充电电压设置为1000伏并充电，待充电完成后，使电容充电器对两个加载枪3进行放电，由于两个加载***数相同，并且是并联接入电容充电器2，因此放电电流会同步并且均匀地分配到两个加载枪中，从而在两个加载枪中产生相同的压缩波，所述两个压缩波分别在两个凸台10内反射成拉伸波并进入入射杆。两个入射杆中的拉伸波同时到达拉伸试样9，由于两个拉伸波幅值和脉宽相同，且同时对试样进行加载，所以能够实现对拉伸试样的对称加载。

粘贴在入射杆上的应变片将杆中的应变信号转换为惠斯通半桥的桥臂电压变化，数据采集器8通过双芯屏蔽信号线与惠斯通电桥连接，所述数据采集器将惠斯通电桥的桥臂电压变化采集并存储。两根入射杆中的应变信号在excel表格中通过公式(1)处理得到。

与压缩方式类似，入射杆中的应变信号由多个分离的波动组成，其中第一个波动为入射波ε_i，第二个波动为反射波ε_r。通过下述公式(2)可以计算拉伸试样内部的应变率，通过公式(3)可以计算拉伸试样内部的应变，通过公式(4)可以计算拉伸试样内部的应力：

在本实施例中，供电***用来给加载枪的主线圈提供瞬时的强电流，从而使主线圈和次线圈之间产生强电磁斥力。加载枪用来产生电磁斥力，并将电磁斥力转换成应力波，经过锥形放大器放大后输出给入射杆。

本实施例的实验装置中，两个相同的加载枪并连接入电容供电器，放电电流均匀且同时分配给两个加载枪，因此可以保证单轴双向加载中入射波的同步性。

本实施例在原理上将电磁感应斥力与电容器放电相结合，直接产生应力脉冲。采用传统的分离式霍普金森压杆和拉杆试样，即可对材料进行动态对称加载，由于两边同时加载，可提高试样的应变率，并且能够使试样达到应力平衡的时间缩短，计算的结果更准确。

以上所述，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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种单轴双向加载分离式霍普金森压杆及拉杆装置，包括加载装置和两个入射杆，两个入射杆的长度相同，所述加载装置包括电源、电容充电器和加载枪，所述电容充电器采用电磁铆接设备的供电部分，并将两个参数相同的加载枪并联连接后，接入所述电容充电器中，所述两个入射杆同轴安装，两个加载枪分别位于所述两个入射杆的两端，试样安装在两个入射杆之间。

2.根据权利要求1所述的单轴双向加载分离式霍普金森压杆及拉杆装置，其特征在于，所述两个入射杆采用分离式霍普金森压杆的入射杆形式，材料为钛合金。

3.根据权利要求1或2所述的单轴双向加载分离式霍普金森压杆及拉杆装置，其特征在于，所述两个入射杆圆周面上分别粘贴有一对应变片。

4.根据权利要求1或2所述的单轴双向加载分离式霍普金森压杆及拉杆装置，其特征在于，入射杆的长度L设计时遵循式(A)的关系，以避免在入射杆中点处所测的反射波和入射波进行叠加：

L≥CT (A)

其中，C为应力波在入射杆中的传播速度，T为所施加的入射波周期。

5.根据权利要求1或2所述的单轴双向加载分离式霍普金森压杆及拉杆装置，其特征在于，所述入射杆一端加工有连接凸台的外螺纹，另一端加工有连接试样的内螺纹。

6.根据权利要求3所述的单轴双向加载分离式霍普金森压杆及拉杆装置，其特征在于，还包括与所述应变片相连的数据采集器。

7.一种根据前述任一权利要求所述的单轴双向加载分离式霍普金森压杆及拉杆装置的实验方法，包括如下步骤：

步骤1.排布器材：

将两个加载枪、两个入射杆同轴顺序安装在实验台上，并使所述入射杆在轴线方向能够自由移动；两个入射杆采用分离式霍普金森压杆的入射杆形式；将一个分离式霍普金森试样安装在两个入射杆之间；

步骤2.粘贴应变片：

在两个入射杆圆周面上分别粘贴一对应变片，在应变片的引脚上焊接应变片引线，为了屏蔽电磁干扰，所述应变片引线采用双芯屏蔽线接入惠斯通电桥中；同时，所述的惠斯通电桥输出信号采用双芯屏蔽信号线接入数据采集器的输入端；

步骤3.进行加载并处理数据：

将电容充电器充电电压设置为X伏并充电，其中X为具体所需的电压值，并且在电容充电器的额定电压以内，待充电完成后，使电容充电器对两个加载枪进行放电，由于两个加载***数相同，并且是并联接入电容充电器，因此放电电流会同步并且均匀地分配到两个加载枪中，从而在两个加载枪中产生相同的压缩波，能够实现对试样的对称加载。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述试样为分离式霍普金森压缩试样，所述压缩试样夹装在两个入射杆之间，将两个加载枪采用压缩方式与入射杆进行装配，具体方法为：将压缩头与放大器连接，定位筒穿过主线圈的通孔，加载枪的压缩头所在的一端靠近入射杆；将压缩头的应力波输出段与入射杆端面同轴充分贴合；两个压缩波分别传入两个入射杆中，并且同时到达压缩试样并对压缩试样进行加载，在压缩试样的加载过程中，由于波阻抗不匹配，会在两个入射杆中分别产生一个反射波；由于两个入射波幅值和脉宽相同，且同时对压缩试样进行加载，所以能够实现对压缩试样的对称加载；粘贴在入射杆上的应变片将杆中的应变信号转换为惠斯通半桥的桥臂电压变化，数据采集器通过双芯屏蔽信号线与惠斯通电桥连接，所述数据采集器将惠斯通电桥的桥臂电压变化采集并存储，入射杆中的应变信号在excel表格中通过下述公式(1)处理得到：

ε＝2ΔU/k/(U₀-ΔU) (1)

其中，ε为入射杆中的应变信号，U₀为惠斯通电桥的供电电压，k为应变片灵敏度系数，ΔU是惠斯通半桥的桥臂电压信号；

入射杆中的应变信号由多个分离的波动组成，其中第一个波动为入射波ε_i，第二个波动为反射波ε_r；通过下述公式(2)可以计算压缩试样内部的应变率，通过公式(3)可以计算压缩试样内部的应变，通过公式(4)可以计算压缩试样内部的应力：

其中，C₀为入射杆中的应力波速，L_s为试样的初始长度，A_B和A_s分别为入射杆和压缩试样的横截面积，E为入射杆的弹性模量，ε_i和ε_r分别为入射波和反射波，下标a和b分别表示两个入射杆，称为入射杆a和入射杆b。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述试样为分离式霍普金森拉伸试样，所述拉伸试样安装在两个入射杆之间，将两个加载枪采用拉伸方式与入射杆进行装配，具体方法为：将定位筒穿过主线圈的通孔，放大器与入射杆分别位于主线圈的两端；将入射杆有外螺纹的一端依次穿过定位筒的通孔和放大器的螺纹孔，与放大器的螺纹孔和定位筒的通孔自由配合，入射杆有外螺纹的一端穿出放大器，与凸台通过螺纹连接；两个压缩波分别在两个凸台反射成拉伸波并进入入射杆；两个入射杆中的拉伸波同时到达拉伸试样，由于两个拉伸波幅值和脉宽相同，且同时对拉伸试样进行加载，所以能够实现对拉伸试样的对称加载；粘贴在入射杆上的应变片将杆中的应变信号转换为惠斯通半桥的桥臂电压变化，数据采集器通过双芯屏蔽信号线与惠斯通电桥连接，所述数据采集器将惠斯通电桥的桥臂电压变化采集并存储；入射杆中的应变信号在excel表格中通过公式(1)处理得到：

ε＝2ΔU/k/(U₀-ΔU) (1)

其中，ε为入射杆中的应变信号，U₀为惠斯通电桥的供电电压，k为应变片灵敏度系数，ΔU是惠斯通半桥的桥臂电压信号；

入射杆中的应变信号由多个分离的波动组成，其中第一个波动为入射波ε_i，第二个波动为反射波ε_r；通过下述公式(2)可以计算拉伸试样内部的应变率，通过公式(3)可以计算拉伸试样内部的应变，通过公式(4)可以计算拉伸试样内部的应力：

其中，C₀为入射杆中的应力波速，L_s为试样的初始长度，A_B和A_s分别为入射杆和拉伸试样的横截面积，E为入射杆的弹性模量，ε_i和ε_r分别为入射波和反射波，下标a和b分别表示两个入射杆，称为入射杆a和入射杆b。

Images