[发明专利]一种材料动态力学参数获取装置及方法

说明书

本发明的实施例提供了一种材料动态力学参数获取装置和方法，可解决现有技术应力波控制精准度低的问题。所述装置包括：电磁式霍普金森拉杆加载单元；电磁式霍普金森扭杆加载单元；应力波同步单元；获取单元。所述方法包括步骤：加载拉伸应力波；加载扭转应力波；获得试样的拉伸应力参数；获得试样的扭转应力参数；其中，试样的拉伸应力参数和试样的扭转应力参数作为材料动态力学参数。本发明的实施例通过将电磁驱动的扭转应力波发生装置和拉伸应力波发生装置应用于霍普金森拉伸‑扭转耦合实验中，使得实验装置产生的扭转应力波和拉伸应力波在产生时间、脉宽以及幅值方面都能达到精确控制。

技术领域

本发明涉及材料动态力学参数的获取装置及方法，具体说是一种基于电磁力的拉伸应力波-扭转应力波耦合发生单元的材料动态力学参数获取装置及方法，所述拉伸应力波-扭转应力波耦合发生单元可以作为分离式霍普金森拉伸- 扭转复合加载实验的应力波加载单元。

背景技术

霍普金森杆实验单元一直是测量材料在高应变率下的力学参数时使用最广泛的方法之一。其中包括霍普金森压杆技术、拉杆技术和扭杆技术，分别用于测量材料在高应变率下的单轴压缩、拉伸和扭转参数。其主要原理为：将所测材料的试样置于两根细长杆之间，通过某种加载方式给入射杆加载一个压缩应力波、拉伸应力波或扭转应力波，波通过入射杆传播到试样上，从而对试样进行加载。然后利用贴在两根细长杆上的应变片来获得一对脉冲信号，通过一维弹性应力波理论，就可以将杆子上的脉冲信号转化为试样上的载荷随时间的变化信号，从而测得材料在单轴应力状态下的动态力学参数。

然而，在实际应用中，工程结构和材料遭受冲击时自身的应力状态是很复杂的。因此，研究材料在多轴应力下的力学参数也是一个很重要的课题。由于传统的霍普金森杆只能测量材料在单轴应力状态下的动态力学参数，研究者们通常都是将材料所受到的多轴应力状态解耦为单轴应力状态，从而通过传统的霍普金森杆实验结果来得到材料在多轴应力状态下的力学参数。然而这种方法并没有考虑应力的耦合效应对材料动态力学参数的影响。

因此，许多国内外学者对传统的霍普金森杆实验单元进行了改进，研究出了可测试材料多轴应力的霍普金森杆实验单元。卢芳云等制造了一种霍普金森压剪复合加载系统。该系统将入射杆端加工为两个对称斜面，对应斜面上各正对一个透射杆，两个试样对称放置在入射斜面与透射杆端面之间。此时应力波将以一定的角度传入试样，从而实现试样的压剪复合加载。Huang等则将霍普金森压杆和扭杆结合起来，设计了一种可实现压扭复合加载的霍普金森杆实验单元。其中一根杆向试样施加压缩波载荷，而压缩波是由气枪将撞击杆高速发射，与入射杆同轴撞击产生的；另一根杆向试样施加扭转波载荷，其应力波发生单元采取的是储能式加载方式。然后使扭转加载单元和拉伸加载单元以一定的时间间隔触发，来使扭转应力波和拉伸应力波同时达到试样的两端，从而实现对试样在高应变率下的拉伸-扭转复合加载。

但由于目前霍普金森杆所采用的应力波加载方式都是机械加载，应力波的产生时间不能精确控制。而为了使试样受到扭转波和拉伸波或者扭转波和压缩波耦合的载荷，必须要使扭转波和拉伸波或者扭转波和压缩波分别同时到达试样的两个端面，这就需要能够严格控制扭转波、压缩波和拉伸波的产生时间。而传统的霍普金森杆的机械加载方式是无法严格控制应力波的产生时间的，这也成为了研制复合加载的霍普金森杆单元的难点。