[发明专利]一种材料旋转冲击响应特性测试系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料旋转冲击响应特性测试系统，一种用于测试材料在旋转-冲击荷载下的响应特性的测试技术，可用于在不同冲击荷载及不同旋转速率下材料的动态强度以及入、反、透射应力波峰值特征与能量特征的测试与分析，可用以研究受荷材料的结构与动力学特性；也可用于不同冲击速率下冲击荷载特性的测试，属材料及岩土工程领域。

背景技术

目前，在地质、岩土工程等勘察以及矿业工程等生产中，通常需要采用钻孔/探方法，其主要的钻进方法为冲击式、旋转式或旋转-冲击式。地质材料在旋转冲击荷载下的破碎效果与荷载特性之间的关系、地层结构及强度特性与荷载特性的关系，以及材料抵抗高速旋转脉冲荷载如飞弹等的破坏特性，都需要测试材料在旋转冲击荷载下的结构及动力学特性。

在材料动力学响应特性测试中，分离式霍普金森压杆（separate Hopkinson pressure bar: SHPB）是研究材料高应变率力学响应的基本方法，它通过测定材料在一定应变率范围的动态应力-应变行为来分析试样材料的应力-应变关系，其基础是线弹性波动理论。自1914年B. Hopkinson建立该方法以来，经过Davies、Kolsky等人的发展，SHPB技术在加载波形的整形、弥散的处理、可控双脉冲加载等方面取得了长足进展，不仅能测量试件在冲击荷载下的动态抗压强度，而且可以测量试件的动态拉伸强度。由于SHPB技术可以获得试件中的压力脉冲，计算试件在冲击荷载下的变形及试件应力，已成为材料动力学响应测试方面简单、有效的方法，因而在国内外得到了广泛的应用，并逐渐成为材料动力学响应的标准测试方法。

但是，SHPB存在以下不足：（1）不能进行旋转冲击，即不能施加旋转脉冲荷载；（2）输入杆的冲击端为自由端，输入杆不能施加静压；（3）SHPB的基础是线弹性波动理论，在求解应力-应变关系时要求系统中杆和试样均应满足一维线弹性体的基本条件。然而，在很多情况下，受荷体相对于脉冲荷载加载体而言，为非线性体的非对称结构。如勘探或生产钻孔时，孔底岩体为无限大非线性体；弹体飞行撞击物体也属于非线性、非对称的情况。均属于非线性体+线性杆的情况，不能简单运用线弹性波动理论计算和分析材料的强度特性。

本发明基于冲击及旋转-冲击破碎岩石的原理，在SHPB的基础上，研发一套材料旋转-冲击相应特性测试系统，通过测量冲头瞬发脉冲速率、冲击能以及冲击杆入/反射应力波，分析受荷材料的结构及强度特性。同时，通过设定特征材料，测试和分析不同触发压力下冲头几何结构特征、穿透性能与脉冲荷载特性的关系。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种克服现有材料动力学测试系统中不能实施旋转脉冲加载以及给输入杆施加轴向静荷载等局限性的材料旋转-冲击响应测试系统。

本发明的技术方案是：一种材料旋转-冲击响应特性测试系统，该系统包括（i）旋转与冲击单元、（ii）数据采集单元及（iii）数据分析单元，

所述旋转与冲击单元由系统平台、脉冲发生单元、载样仓及旋转单元组成；

所述脉冲发生单元由压力源、压力调节器、脉冲发射器、脉冲整形器、转换阀、动量陷波器及实验杆组成；

所述载样仓用以承载试样；

所述旋转单元由旋转电机、转速调节器及输出轴组成；

所述数据采集单元由压力传感器、应变传感器、激光测速传感器、转速传感器、数据转换盒、动态应变仪及数据集成箱组成；

所述数据分析单元，将所述转换和数字集成的数据经数据接口及电缆传输到所述数据分析单元进行分析、存储和输出，并对材料的结构及物理力学特性进行分析；