CN111398072B - 动态单轴双向非同步加载装置及其方法 - Google Patents

动态单轴双向非同步加载装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种动态单轴双向非同步加载装置及其方法，其中所述装置包括：同轴顺序设置的第一加载枪、第一波导杆、第二波导杆和第二加载枪；所述第一加载枪用于发射压缩应力波；所述第二加载枪用于发射拉伸应力波；所述第一波导杆与所述第一加载枪连接，所述第二波导杆与所述第二加载枪连接，所述第一波导杆和所述第二波导杆之间设置试样；其中，第一波导杆的长度大于第二波导杆的长度，第一加载枪和第二加载枪同时产生应力波，第一加载枪产生的压缩应力波沿第一波导杆向试样传导并对试样进行压缩加载，第二加载枪产生的拉伸应力波沿第二波导杆向试样传导并对试样进行拉伸加载。通过本发明可得到动态加载下材料的包辛格效应。

Description

动态单轴双向非同步加载装置及其方法
技术领域
本发明涉及材料的动态力学性能测试技术，尤其涉及一种动态单轴双向非同步加载装置及其方法。
背景技术
金属材料经过预先加载产生少量的塑性变形，而后若反向加载，其屈服极限降低；若同向加载，其屈服极限升高，这种现象称为包辛格效应。一直以来，包辛格效应都是金属材料的一个基本特性，但由于实验条件等因素的限制，学者们对于金属材料的包辛格效应研究一直限制于低应变率的情况下，而对于高应变率下的动态包辛格效应，现有的研究仍然较少。
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，通过短杆撞击的方式在入射杆端输入压缩应力波，对试样进行加载。同时，利用粘在杆上并距离杆端部一定距离的应变片来记录脉冲信号。如果压杆在波传播的过程中保持弹性状态，那么可认为杆中的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信号就可以代表作用于杆端的载荷随时间的变化历程。
由于包辛格效应要求试样受到拉伸载荷加载并产生一定塑形，卸载后再反向进行压缩加载(或者先压缩加载后拉伸加载)，现有的准静态试验机可以较好的在低应变率实现这一要求，但是高应变率下采用常规的霍普金森杆***很难连续的完成这一工作。其原因在于常规的霍普金森杆***，通常采用气炮将撞击杆高速发射，与入射波导杆撞击后产生入射脉冲。同时，分离式霍普金森拉杆和分离式霍普金森压杆的撞击杆是不同的，霍普金森拉杆的撞击杆是空心的圆管，通过气炮将撞击管高速发射，当该撞击管运动至入射杆端时，撞击管与入射杆端的凸台碰撞产生一列压缩波向入射杆凸台端传播，并在自由端反射成拉伸波，该拉伸波通过入射杆对试样进行加载；霍普金森压杆的撞击杆是一根实心圆柱，通过气炮将撞击杆高速发射，与入射杆同轴撞击产生入射脉冲。由于撞击杆的形状不同，在气炮中的位置不同，并且气压驱动的撞击杆很难产生两列完全相同的入射波，因此传统的霍普金森压杆和拉杆的加载***无法在同一装置上实现，难以满足材料包辛格效应实验的要求。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种动态单轴双向非同步加载装置及其方法，以解决现有技术存在的无法实现材料在高应变率下动态包辛格效应的问题。
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面提出一种动态单轴双向非同步加载装置，其包括：同轴顺序设置的第一加载枪、第一波导杆、第二波导杆和第二加载枪；所述第一加载枪用于发射压缩应力波；所述第二加载枪用于发射拉伸应力波；所述第一波导杆与所述第一加载枪连接，所述第二波导杆与所述第二加载枪连接，所述第一波导杆和所述第二波导杆之间设置试样；其中，所述第一波导杆的长度大于所述第二波导杆的长度，所述第一加载枪和所述第二加载枪同时产生应力波，所述第一加载枪产生的压缩应力波沿所述第一波导杆向所述试样传导并对试样进行压缩加载，所述第二加载枪产生的拉伸应力波沿所述第二波导杆向所述试样传导并对试样进行拉伸加载。
具体实施方案可包括下列各项中的一者或多者。
所述第一波导杆和所述第二波导杆之间的长度差大于或等于一个完整波形传播所需的距离。所述压缩加载完成后进行所述拉伸加载。所述第一加载枪和所述第二加载枪产生入射波幅值和脉宽一致的波形。所述试样为长方体，其长宽高比为1.5∶1∶1，所述试样的高度不小于波导杆直径的0.5倍。
根据本发明的另一方面，还提出一种动态单轴双向非同步加载方法，其包括：按照同轴方向顺序设置第一加载枪、第一波导杆、第二波导杆和第二加载枪；将所述第一波导杆与所述第一加载枪连接，将所述第二波导杆与所述第二加载枪连接，在所述第一波导杆和所述第二波导杆之间设置试样；其中，所述第一波导杆的长度大于所述第二波导杆的长度；所述第一加载枪和所述第二加载枪同时产生应力波，所述第一加载枪产生的压缩应力波沿所述第一波导杆向所述试样传导并对试样进行压缩加载，所述第二加载枪产生的拉伸应力波沿所述第二波导杆向所述试样传导并对试样进行拉伸加载。
具体实施方案可包括下列各项中的一者或多者。
所述第一波导杆和所述第二波导杆之间的长度差大于或等于一个完整波形传播所需的距离。所述压缩加载完成后再进行所述拉伸加载。所述第一加载枪和所述第二加载枪产生入射波幅值和脉宽一致的波形。所述试样为长方体，其长宽高比为1.5∶1∶1，所述试样的高度不小于波导杆直径的0.5倍。
根据本发明的技术方案，通过合理设计长度不等的波导杆，采用两台应力波发生器，实现了电磁霍普金森杆的单轴双向非同步加载，并可得到动态加载下材料的包辛格效应。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明一个实施例的动态单轴双向非同步加载装置的结构示意图；
图2是根据本发明另一实施例的动态单轴双向非同步加载装置的结构示意图；
图3是根据本发明实施例的动态单轴双向非同步加载方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
图1是根据本发明实施例的动态单轴双向非同步加载装置的结构示意图，所述装置可以用于测定材料的动态包辛格效应。参考图1，所述装置至少包括：第一加载枪1、第一波导杆2、第二波导杆3、第二加载枪4、试样5、应变片6、数据采集器7。
所述加载装置包括两台相同的加载枪，其中一台用于发射压缩波，另一台用于发射拉伸波。所述加载装置还包括两根长度不等的波导杆，保证同轴的两台加载枪产生入射波幅值和脉宽一致的波形，以减小应力传播过程中产生的波形和时间上的误差，但一端产生的入射波为压缩波，另一端为压缩波。两根波导杆的长度差大于等于一个完整波形传播所需要的长度，也即一个波形的时间脉宽与波传播速度的乘积。
加载装置的布置应置于同一水平线上，按加载枪-波导杆-波导杆-加载枪的顺序同轴对称布置，加载枪分别位于波导杆的入射端，两根同轴波导杆之间放置待测试样。对于压缩加载端，入射杆为圆柱形长直杆；对于拉伸加载端，波导杆入射端加工有连接缓冲器或凸台的外螺纹，凸台的设计与传统霍普金森拉杆的凸台相同。两波导杆另一端均加工有内螺纹或凹槽与试样连接。在每根波导杆的1/2长度处和靠近试样端1/4长度处的圆周表面各对称粘贴一组应变片，将各导杆上的应变转化成电信号通过引线传输到数据采集器。
波导杆入射端加工有连接缓冲器或凸台的外螺纹，凸台的设计与传统霍普金森拉杆的凸台相同。两波导杆另一端均加工有内螺纹或凹槽与试样连接。
在进行加载时，第一加载枪生成压缩应力波沿着第一波导杆向试样传导，对试样进行加载；第二加载枪生成拉伸应力波由第二波导杆向试样进行传播。当两列波分别传导至波导杆与试样接触面时，由于波阻抗不匹配，两列波分别会表现出与传统霍普金森杆对试样进行加载时的特性，即一部分入射波被反射，在波导杆上形成反射波，另一部分则通过试样透射入另一同轴波导杆中形成透射波。实际上，可以将整个加载过程分为个独立的部分进行解析：较短的波导杆上传来的一列波对试样进行加载时，会有一部分波被反射，在短杆上形成反射波，而另一部分波则在较长的波导杆上形成透射波，在这列波加载结束后，较长杆端传来的另一列波才开始对试样进行加载，并在在波导杆与试样接触的端面被反射，在长杆上形成反射波，透射波可以在较短的波导杆上采集到。
波导杆上的应变片分别可以将两根杆上的应变变化转换成为电阻变化，进而转换为惠斯通半桥的两个桥臂输出电压变化，所述电压变化通过两根常规的屏蔽信号线输入到数据采集器中。
参考图2，在本申请实施例中，所述装置还包括：控制模块8、主电路充放电模块9、电容器组10。所述控制模块可采用数字信号延时脉冲发生器，用于产生两个独立的脉冲信号触发可控硅整流器进行电容充电。所述主电路充放电模块包括充电电路和放电电路，由变压器、限流电阻、滤波电感、泄流电阻、真空接触器、电流/电压传感器组成，用于冲放脉冲电容器组储存的能量，所述充电电路用于将输入电压升压到所需的充电电压，并对电容器组进行充电；所述放电电路用于触发电容器组对放电线圈瞬间放电，进行电磁加载。所述电容器组模块由电容器组、放电可控硅构成，用于两个加载枪的放电。所述电容器组模块采用梯度电容器组，用于改变放电加载过程中产生的应力波脉冲宽度，每个档位电容量固定，直接通过控制模块选择。
图3是根据本发明实施例的动态单轴双向非同步加载方法的流程图，如图3所示，该方法包括：
S302，按照同轴方向顺序设置第一加载枪、第一波导杆、第二波导杆和第二加载枪；
S304，将所述第一波导杆与所述第一加载枪连接，将所述第二波导杆与所述第二加载枪连接，在所述第一波导杆和所述第二波导杆之间设置试样；其中，所述第一波导杆的长度大于所述第二波导杆的长度；
S306，所述第一加载枪和所述第二加载枪同时产生应力波，所述第一加载枪产生的压缩应力波沿所述第一波导杆向所述试样传导并对试样进行压缩加载，所述第二加载枪产生的拉伸应力波沿所述第二波导杆向所述试样传导并对试样进行拉伸加载。
下面详细描述本申请的加载过程。
步骤1.设置器材。
将拉伸/压缩加载枪与波导杆、压缩/拉伸加载枪与波导杆按照加载枪-波导杆-波导杆-加载枪同轴的顺序安装在实验台上，并使各波导杆在轴线方向能够自由移动。将试样置于波导杆的凹槽中，并使试样轴线与波导杆同轴，采用胶粘固定。应变片的粘贴方法采用现有技术，即在波导杆1/2长度和近试样端1/4长度处，沿着轴线将一对参数完全相同的应变对称粘贴在波导杆表面，本实施例中采用电阻值为1000欧，灵敏度系数2.0的应变片；在应变片的引脚上焊接应变片引线，并将所述应变片分别通过引线接入到惠斯通半桥的两个相对桥臂中。所述惠斯通半桥中的另外两臂上的固定电阻均为1000欧。惠斯通半桥的供电电压为30伏直流电压。将惠斯通半桥的两个对角电压通过两根常规的单芯屏蔽信号线输入给数据采集器。
步骤2.实验参数设定。
启动实验***控制模块，通过触摸屏设定实验参数。根据实验使用加载脉冲宽度，选择加载电路中电容器组的电容量为a mF，所述a为所需的电容幅值档位；根据实验使用加载波的幅值，输入所需的充电电压值x V，所述x为所需的电压值，且在脉冲电容器的额定电压内。所述设置可保证同一轴向得到的两列加载波波形一致，且根据预先的设置，一列波为压缩波，另一列波为拉伸波。同时根据设备调试设好数字延时信号发生器的延迟时间，将先产生应力波的方向时间延迟设定为t微秒(μs)，所述t为实验调试时率先产生的应力波与相对滞后产生的应力波之间的时间差，从而保证两个加载枪的应力波能够同时发射，并沿着波导杆先后对试样进行加载。
步骤3.脉冲电容器组充电。
参数设定完毕后，启动控制模块的充电选项，主电路充放电模块工作，对脉冲电容器组进行充电。达到设定充电电压后自动停止充电，脉冲电容器组的充电电压不再升高。
步骤4.电容器组放电加载。
电容器充电完成后，启动放电开关使电容器组对各加载枪的主线圈放电。放电电流流经加载枪的主线圈时，次级线圈与主线圈之间由于电磁感应而产生极强的电磁斥力。由于电容器组放电时间比较短，放电电流强，该瞬间产生电磁斥力在应力放大器的输入端形成一个历时短、幅值大的入射应力波。两列应力波由波导杆远端同时向试样传播，其中一列是压缩波，另一列是拉伸波，由于两波导杆的长度有差异，经由较短杆传播的入射波将先到达试样端面对试样进行加载，待其加载完成后，另一列入射波才到达试样端面对试样进行加载。当第一列入射波传至波导杆与试样接触面时，由于波阻抗不匹配，该入射波的一部分被反射，在波导杆中形成反射波，另一部分则通过试样透射入另一同轴波导杆中形成透射波，此后较长的波导杆上的另一列入射波才传递过来，并在试样端面产生反射后，其透射波穿过试样后传播到较短的波导杆上，所述反射波和透射波的形状和幅值是由试样材料性质决定的。
步骤5.实验数据采集和处理。
波导杆上的应变片分别可以将两根杆上的应变变化转换成为电阻变化，进而转换为惠斯通半桥的两个桥臂输出电压变化，所述电压变化通过两根常规的屏蔽信号线输入到数据采集器中。根据惠斯通电桥公式，可以推算出波导杆应变信号为：
ε＝2ΔU/(U0-ΔU)/k (1)
其中ε为应变信号，U0为惠斯通半桥的供电电压，k为应变片的灵敏度系数，ΔU为惠斯通半桥的桥臂电压随时间变化的变化值；
在实验加载过程中，两个加载枪同时发射应力波，其中一列是压缩波，另一列是拉伸波。由于两根波导杆有长度上的差异，因此应变片先采集到较短的波导杆产生的一列入射波，该入射波在试样端面产生反射波后，回传到应变片位置被采集到，而其透射波则穿过试样经由较长的波导杆继续传播，且被其上的应变片采集到其透射波信号；此后较长的波导杆上的入射波才传递过来，被其上的应变片采集到入射波，并在试样端面产生反射后，回传到应变片位置被采集到，其透射波穿过试样后被较短波导杆上的应变片采集，利用数据采集器记录的入射波信号、反射波-透射波叠加信号，利用一维应力波理论可以解得试样的内部应力为：
Figure BDA0001950981870000071
其中，σs为试样内部应力，E为波导杆的弹性模量，A为波导杆的横截面积，As为试样与加载方向对应的横截面积，εi为某一波导杆上的入射波信号，εr为该波导杆上得到的反射波信号，εt为该波导杆上的透射波信号。
对于试样内部的应变，在试样表面粘贴应变片直接测量其内部应变；或者利用高速摄像机，采用DIC技术来计算试样内部的应变。
通过常规的数据处理即可得到试样的动态包辛格效应曲线：根据公式(2)计算的试样应力与测量所得的试样应变，将试样的应变作为x轴，应力作为y轴画图，即可得到试样的应力应变曲线，也即动态包辛格效应曲线。
本发明的方法的操作步骤与装置的结构特征对应，可以相互参照，不再一一赘述。
本发明采用电磁加载技术，合理设计长度不等的波导杆，采用两台应力波发生器，实现了电磁霍普金森杆的单轴双向非同步加载。实验操作简单，通过实验参数的选择，即可在不同加载方向上得到预设的脉冲幅值和宽度的应力波，可控性强。
本发明至少具有以下技术效果之一：
1、在加载装置方面，采用了两台电磁加载枪从两个方向分别对试样进行拉伸波和压缩波加载，拉伸波和压缩波的应力波幅值、脉宽相同。
2、在实验结果获取方面，采用合理的试样构型使实验过程中的应力状态处于相对均匀的状态，通过应力波理论推导试样测试段的应力计算公式，结合应变测量，即可得到动态加载下材料的包辛格效应。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种动态单轴双向非同步加载装置，其特征在于，包括：同轴顺序设置的第一加载枪、第一波导杆、第二波导杆和第二加载枪；
所述第一加载枪用于发射压缩应力波；
所述第二加载枪用于发射拉伸应力波；所述第一加载枪产生的压缩应力波和所述第二加载枪产生的拉伸应力波的幅值和脉宽相同；
所述第一波导杆与所述第一加载枪连接，所述第二波导杆与所述第二加载枪连接，所述第一波导杆和所述第二波导杆之间设置试样；
其中，所述第一波导杆的长度大于所述第二波导杆的长度，所述第一加载枪和所述第二加载枪同时产生应力波，所述第一加载枪产生的压缩应力波沿所述第一波导杆向所述试样传导并对试样进行压缩加载，所述第二加载枪产生的拉伸应力波沿所述第二波导杆向所述试样传导并对试样进行拉伸加载。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一波导杆和所述第二波导杆之间的长度差大于或等于一个完整波形传播所需的距离。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述压缩加载完成后进行所述拉伸加载。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述试样为长方体，其长宽高比为1.5:1:1，所述试样的高度不小于波导杆直径的0.5倍。
5.一种动态单轴双向非同步加载方法，其特征在于，包括：
按照同轴方向顺序设置第一加载枪、第一波导杆、第二波导杆和第二加载枪；
将所述第一波导杆与所述第一加载枪连接，将所述第二波导杆与所述第二加载枪连接，在所述第一波导杆和所述第二波导杆之间设置试样；其中，所述第一波导杆的长度大于所述第二波导杆的长度；
所述第一加载枪和所述第二加载枪同时产生应力波，所述第一加载枪产生的压缩应力波和所述第二加载枪产生的拉伸应力波的幅值和脉宽相同；所述第一加载枪产生的压缩应力波沿所述第一波导杆向所述试样传导并对试样进行压缩加载，所述第二加载枪产生的拉伸应力波沿所述第二波导杆向所述试样传导并对试样进行拉伸加载。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一波导杆和所述第二波导杆之间的长度差大于或等于一个完整波形传播所需的距离。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述压缩加载完成后再进行所述拉伸加载。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述试样为长方体，其长宽高比为1.5:1:1，所述试样的高度不小于波导杆直径的0.5倍。
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