[发明专利]复杂应力状态下材料动态性能测试系统及方法

说明书

本发明公开了复杂应力状态下材料动态性能测试系统及方法，属于动态力学性能测试技术领域，包括控制电路系统、加载系统和信号采集系统。基于电磁加载技术，控制电路系统实现加载系统充放电控制，加载系统对材料实施加载，信号采集系统采集加载过程中材料应变和时间特征。控制电路系统利用同一放电可控硅同时对4个放电线圈放电，实现了双轴双向同步加载。加载系统根据支路放电线圈的电磁力峰值与支路等效电阻的依存关系，利用支路等效电阻对电磁力峰值进行补偿，保证了4个放电线圈道德电磁加载力峰值相同，实现了双轴双向等效加载。此外，本发明通过合理的结构设计和电路设计，统一了双轴双向霍普金森压杆和拉杆实验加载测试，扩展了测试范围，减小了设备体积。

技术领域

本发明属于动态力学性能测试技术领域，具体涉及复杂应力状态下材料动态性能测试系统及方法。

背景技术

在航空航天、兵器等领域材料经常受到冲击、爆炸等动态载荷的作用，材料动态力学性能的测量对于结构抗冲击、抗爆炸优化设计至关重要。霍普金森杆是测量材料动态力学性能的有效手段，通常包括霍普金森拉杆和霍普金森压杆，拉杆用于测量材料单轴动态拉伸性能，压杆用于测量材料单轴动态压缩性能。

实际服役中材料通常处于多轴复杂应力状态，材料多轴应力状态下的动态力学性能测试对于结构优化设计十分关键。然而，传统的霍普金森拉/压杆测试技术通常采用空气炮加速短杆，利用短杆撞击入射杆产生加载应力波，加载速度重复度误差较大，且短杆加速过程难以精确控制，无法满足材料多轴动态力学性能测量对多轴加载同步性和等效性的苛刻要求。

与传统的基于空气炮加载的霍普金森杆相比，基于电磁加载的霍普金森杆具有体积小、加载可控性好、加载精度高等诸多优势。专利号为201810121019.X和201811137384.6的专利分别公开了复杂应力状态下材料动态性能测试系统及方法动态双轴双向拉伸加载装置及试验方法和双轴双向压缩加载装置及其方法，以上专利采用电磁力作为加载力，提高了加载应力波的可控性和加载精度，同时利用延时信号发生器实现不同方向加载波时间上的同步。然而，由于环境的影响，放电可控硅放电延迟具有不确定性，延时信号发生器难以完全保证多轴加载同步放电，且延时信号发生器价格昂贵。此外，以上专利仅能实现多轴拉伸或多轴压缩，无法同时实现多轴拉/压测试，且横向和纵向电容组和四个放电线圈存在制造误差，导致每个加载线圈激发的电磁力加载波峰值将存在差异，各轴的加载等效性无法保证。专利号为201810120975.6的专利公开了复杂应力状态下材料动态性能测试系统及方法单轴双向加载分离式霍普金森压杆及拉杆装置和实验方法，该专利通过将两个电磁力加载枪并联在电容组和放电可控硅上，实现同步加载。但该专利采用两个放电可控硅分别控制两个放电线圈放电，放电可控硅放电延迟误差仍然存在，且放电线圈制造误差引起的电磁力加载波峰值不同难以避免，多向同步等效加载无法完全保证。

发明内容

本发明的目的在于提供复杂应力状态下材料动态性能测试系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，根据本发明的第一方面，本发明提出复杂应力状态下材料动态性能测试系统，包括用于对材料实施加载的加载系统，用于实现对加载系统充放电控制的控制电路系统，以及用于采集加载过程中材料应变和时间特征的信号采集系统。

进一步地，所述加载系统主要包括1号横向加载枪、2号横向加载枪、1号纵向加载枪、2号纵向加载枪、4根加载杆和试件。

进一步地，所述1号横向加载枪包括横向拉伸1号支路等效电阻RT-X1、横向拉伸1号放电线圈、横向拉伸1号次级线圈、横向拉伸1号应力波放大器、横向压缩1号支路等效电阻RB-X1、横向压缩1号放电线圈、横向压缩1号次级线圈、横向压缩1号应力波放大器和横向1号加载枪基座。

进一步地，4根所述加载杆完全相同，包括横向1号加载杆、横向2号加载杆、纵向1号加载杆和纵向2号加载杆；

横向1号加载杆一端与1号横向加载枪相连，另一端与试件连接，对试件左侧实施拉/压加载；