[发明专利]用于测试材料在中应变率下的扭转力学性能的测试装置及测试方法

说明书

本发明提供一种用于测试材料在中应变率下的扭转力学性能的测试装置，包括扭转波加载单元、波导杆单元以及数据采集单元，所述波导杆单元包括间隔设置的入射杆和透射杆，所述入射杆接收由所述扭转波加载单元所加载的扭转波，所述数据采集单元包括多对应变片以及数据采集器，多对应变片分别接入所述数据采集器，以通过所述数据采集器采集所述入射杆与所述透射杆的应变信号。本发明所述测试装置以及测试方法实现了使用霍普金森杆实验装置对测试材料样品进行中应变率的加载，从而使得在中应变率下测试各个材料的扭转力学性能成为可能；再者，所述测试装置中的扭转波加载单元所产生的脉宽较长，足以使得测试材料样品在中应变率下获得足够大的应变。

技术领域

本发明涉及材料力学性能测试技术领域，特别地涉及一种基于电磁力的应力波发生装置的能够测试材料在中应变率下的扭转力学性能的测试装置及测试方法。

背景技术

材料在实际的工程应用中受力状态是十分复杂的，其变形的应变率范围从10^-9～10⁷s^-1不等，因此就需要掌握材料在各个应变率下的力学特性。其中应变率为10^-9～10^-5s^-1时，测试材料力学性能的主要方法是使用蠕变试验机；应变率为10^-5～10⁰s^-1时，采用的测试方法是传统的液压试验机；应变率为10³～10⁵s^-1时，使用最广泛的实验技术是霍普金森杆实验技术。除此之外，在应变率为10⁰～10³s^-1的中低应变率下，传统的实验装置为落锤实验机、旋转飞轮试验机和凸轮塑性计等；材料在不同的受力状态下的力学表现是不同的，但传统的中低应变率实验装置对材料施加的载荷状态比较单一，因此目前中低应变率下的测试方法还是相当不完善的。静态液压试验机和霍普金森杆也由于其装置本身的限制，难以对试样进行中低应变率的加载。

传统的霍普金森杆由于其机械驱动的加载方式，所产生的应力波幅值与脉宽的范围十分有限，因此改进传统霍普金森杆的驱动方式是很有必要的。Hubert A Schmitt等人对电磁铆接技术进行了研究，并申请了专利(美国专利：3961739,1974年5月7日)，之后Zieve Peter等人研制了低压电磁铆接技术(欧洲专利：0293257,1988年5月27日)，弥补了高压电磁铆接在铆接质量和推广应用方面存在的缺陷。在申请号为201420098605.4和201410161610.X的专利中，分别提出了将电磁铆接装置直接应用于霍普金森压杆装置中的设备方案和实验方法，但此方法获得的波形具有局限性。在申请号为201410171963.8和201410171963.8的两个发明创造中中提出了一种基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器实验装置以及使用方法，但这两种方案结构比较复杂，且传统的波形整形技术无法应用于拉伸情况。为了改善这种缺陷,随后在申请号为201510956545.4的发明创造中,提出了一种新的加载枪结构,所述结构既可以产生拉伸波和压缩波,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。

目前而言，若使用霍普金森杆实验装置来进行中应变率实验(应变率范围为10⁰～10³s^-1)，为了得到可以使试样获得充足变形的应变，霍普金森杆所产生的应力波形状应该具有低幅值、长脉宽的特点，其中脉宽长度应在1ms～10ms之间。在传统的由气压驱动的霍普金森杆加载装置中，要达到这么长的脉宽，所需的子弹长度在数米左右。而长脉宽应力波在霍普金森杆中传播时，为了清晰的记录入射波和反射波的应变信号，所需的入射杆长度至少为子弹长度的两倍，这就使得整个装置的长度甚至有十几米的长度，这显然是不现实的。因此，中应变率下霍普金森杆实验的数据采集也是一个重要的问题。

发明内容