[发明专利]基于电磁力的盘式霍普金森扭杆加载装置及实验方法

权利要求书

1.一种基于电磁力的盘式霍普金森扭杆加载装置，包括电源、电能储存与释放器和扭转枪，其特征在于，所述电源的正极和负极分别与电能储存与释放器的正极输入端和负极输入端通过导线连接；所述电能储存与释放器的正极输出端和负极输出端分别通过导线与扭转枪的正极输入端和负极输入端连接；

所述扭转枪包括转子、n个定子和壳体；所述转子中的转盘安装在壳体内；转子轴安装在所述转盘的中心孔内；转子套装在所述转子轴上；n个定子分别卡装在所述壳体圆周的环表面上，并使所述各定子的两个侧边分别与该壳体上各开口的侧边贴合，同时使转子的边缘嵌入各定子的线圈芯上的梯形缺口中；转子的边缘与各定子的线圈芯上的梯形缺口内壁之间有间隙；在所述各定子的线圈芯上缠绕的线圈组的正极接头和负极接头分别与电能储存与释放器的正极输出线和负极输出线相接；所述转子中的n块扇形的永磁铁分别嵌装在转盘圆周上的永磁铁安装槽内；将n个定子按定子线圈缠绕方向均分为两组，在卡装所述n个定子时，须使顺时针缠绕的定子与逆时针缠绕的定子间隔卡装；所述n为偶数；

所述扭转枪中的壳体的圆周上均布有n对轴向矩形的开口；所述的每对开口均是从该壳体的两端向壳体的中部延伸，从而在该壳体圆周表面的中部形成了环带；所述开口的周向宽度与定子上的线圈芯的宽度相同；在所述壳体一端的端面均布有用于固定壳体盖的螺孔；

所述转子轴中间一段为施力段，并且该施力段的直径最大，与转盘上的中心孔之间自由配合，在所述施力段上开有连接转盘上的键槽；所述转子轴两端均为轴承安装段；在所述施力段与轴承安装段之间是过渡段；在转子轴两端端面均加工有用于连接扭转入射杆内螺纹的盲孔；转子轴与转盘通过键连接在一起。

2.如权利要求1所述基于电磁力的盘式霍普金森扭杆加载装置，其特征在于，所述各定子的上部有矩形槽，该矩形槽贯通该定子的两侧表面；在所述矩形槽下表面有向该定子下表面方向开的梯形槽；所述梯形槽的上开口的宽度与所述壳体中部的环带的轴向长度相等，所述梯形槽的两个斜面与转盘两端端面平行。

3.如权利要求1所述基于电磁力的盘式霍普金森扭杆加载装置，其特征在于，定子线圈缠绕在由各定子上的梯形槽的两侧壁形成的线圈芯上；将n个定子均分为2组，其中一组线圈的正极接头到负极接头顺时针缠绕，另一组线圈的正极接头到负极接头逆时针缠绕。

4.如权利要求1所述基于电磁力的盘式霍普金森扭杆加载装置，其特征在于，所述壳体盖的直径与壳体的外径相同，在圆盘中心开有安装轴承的轴承孔，在所述壳体盖外边缘处加工有螺纹通孔，所述螺纹通孔与壳体上的螺纹孔位置和尺寸相互对应，用于壳体与壳体盖的定位安装。

5.如权利要求1所述基于电磁力的盘式霍普金森扭杆加载装置，其特征在于，所述转子包括转盘、永磁铁和转子轴：在该转盘的圆周表面均布有n个梯形槽，并且所述的n为偶数；所述各梯形槽的外形与尺寸均与永磁铁的外形与尺寸相同；在所述转盘的中心开有转子轴的安装孔。

6.一种利用权利要求1所述基于电磁力的盘式霍普金森扭杆加载装置进行实验的方法，其特征在于，具体过程是：

步骤1.排布器材：将扭转枪、入射杆和透射杆按常规方法同轴顺序安装在实验台上，并使所述入射杆和透射杆能够自由旋转；扭转枪的前转子轴的内螺纹段与入射杆的入射端通过螺纹连接；将一个试样按常规方法安装在入射杆和透射杆之间，并且使试样与入射杆及透射杆同轴；将转子转动，使转子上永磁铁与相邻的同磁极的定子之间的夹角α＝180°/n；

步骤2.粘贴应变片：在入射杆和透射杆中段圆周表面分别粘贴1个剪切应变片，并将应变片引线接入数据采集系统；

步骤3.对电能储存与释放器的储能电容器进行充电：在电能储存与释放器1的人机交互界面上点击充电电压设置，将充电电压设置到所需的值；点击充电按钮，PLC输出控制信号至储能可控硅，使所述储能可控硅导通；之后，变压器将380V工业交流电升压到所设定的交流电压，整流桥对所述交流电进行整流，使其变换为相应电压值的直流电后对电能储存与释放器中的储能电容器进行充电；充电完成后，PLC通过储能触发器输出控制信号使储能可控硅断开；

步骤4.加载实验及数据采集：充电完成后，在电能储存与释放器的人机交互界面上点击放电按钮，PLC输出控制信号至放电可控硅，使所述放电可控硅导通，储能电容器中储存的能量经过放电可控硅、定子线圈形成的回路释放出来，从而产生时间周期短、幅值较高的放电电流；

所述放电电流在定子线圈中产生瞬间电磁场，使转子上的永磁铁和定子线圈之间产生电磁斥力，所述电磁斥力使转子产生瞬间扭矩，所述扭矩以扭转波的形式传入霍普金森扭杆的入射杆，当该入射波传至入射杆与试样接触面时，由于波阻抗不匹配，该入射波的一部分被反射，在入射杆中形成反射波，另一部分则通过试样透射入透射杆中，形成透射波；数据采集系统通过粘贴在入射杆上的应变片记录入射波和反射波信号，通过粘贴在透射杆上的应变片将透射波的信号记录下来；通过一波法得到试样的动态扭转应力应变曲线。