[发明专利]材料动态压缩循环加载装置及其方法

说明书

本发明公开一种材料动态压缩循环加载装置及其方法，该装置包括：同轴顺序布置的撞击杆、波形整形器、入射杆和透射杆；在入射杆和透射杆之间设置有试样，试样采用聚合物材料制作；撞击杆撞击入射杆的近端从而产生入射应力波，波形整形器对入射应力波进行滤波整形；入射应力波沿入射杆传播对试样进行加载，入射应力波的一部分在入射杆中形成反射应力波，入射应力波的另一部分则通过试样透射进入透射杆中形成透射应力波；透射杆的长度至少为入射杆的长度的2倍，透射杆的直径小于入射杆的直径；反射应力波传播到入射杆的近端反射成为第二次加载的入射应力波，并对试样进行第二次加载，从而对试样进行循环加载。

技术领域

本发明涉及材料的动态力学性能测试技术，尤其涉及一种材料动态压缩循环加载装置及其方法。

背景技术

橡胶等弹性体材料在工作服役环境中，多遭受动态循环加载，如橡胶作为缓冲减震器件在动态吸能应用中，以及作为轮胎关键组分在汽车高速行驶过程中经受的多是动态循环工况，加载时间在毫秒甚至亚毫米量级。在橡胶等弹性体的研究中，橡胶材料的力学响应如损伤行为由马林斯效应(Mullinseffect)来描述，橡胶等弹性体材料在加载过程中，后续加载刚度小于初次加载刚度的材料软化现象称为马林斯效应。这是材料承受外力作用变形，在内部产生损伤所致的材料软化。对于材料马林斯效应的测定问题，传统的方法是通过准静态力学试验机程序控制对试样开展加载-卸载-再加载-再卸载循环往复加载，得到材料在循环加载-卸载下的应力应变曲线，结合曲线中的滞回环对材料力学响应、损伤演化特征开展分析研究。而真实服役环境的动态循环载荷环境，橡胶等材料所涉及的应变率在10¹s^-1～10³s^-1量级，对此，基于现有力学试验机开展类似的实验存在以下困难：

(1)试样加载/卸载过程在微秒甚至亚微秒量级，在这一瞬间过程中，载荷是以应力波的形式对试样加载的，而应力波会在试验机的试样夹具以及载荷传感器中多次反射和透射，使得试样变形过程中的载荷历史很难高精度采集和记录。

(2)试样加载夹头过载过大，导致式样变形位移测试精度受限。具体分析如下：在基于通用力学试验机开展10¹s^-1～10³s^-1量级高应变率循环往复加载，试验机夹具或压头的速度变化是在微秒量级，从静止加载到某一预设速度，以ASTM D 412-98a(2002)Die C型号式样为例，试样标距段长为33mm，若开展10¹s^-1～10³s^-1应变率加载，夹具压头速度为：0.33m/s～33m/s。若加速过程1ms计算，夹头过载为：33.67g～3367.35g(g＝9.8m/s²)，这是典型的冲击过载环境。在理想的加载中，夹头加速到指定速度后再开展足够时长的恒速加载/卸载过程，实际过载特征要远高于此。

目前，在材料力学研究领域中，测试材料在高应变率下的力学性能时使用最广泛的就是基于应力波加载的分离式霍普金森压杆技术。这一方法的基本原理是：将试样置于两根压杆之间，通过机械撞击方式在入射杆中产生压缩应力波，进而对试样进行加载。通过粘贴在压杆上的应变片来记录应力波信号，并结合高速数据采集仪器采集记录用于后续的数据分析。现有霍普金森压杆实验设备和加载技术仅能对试样进行单次加载，获得材料在某一高应变率下的一条应力应变曲线，无法实现对材料可控的多次连续高应变率循环加载，即材料在高应变率下的马林斯效应无法通过传统的霍普金森杆实验技术实现。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种材料动态压缩循环加载装置及其方法，以解决现有技术存在的无法对材料进行可控的多次连续高应变率循环加载、或材料在高应变率下的马林斯效应无法通过传统的霍普金森杆实验技术实现的问题。