[发明专利]一种单脉冲霍普金森扭杆试验装置

说明书

一种单脉冲霍普金森扭杆试验装置，属于材料动态力学性能实验设备领域，本发明为解决现有单脉冲加载的霍普金森扭杆的传动器结构复杂、四个滑键在工作时容易甩出的问题。本发明方案：夹紧释放机构用于将输入杆夹紧或释放，在夹紧状态下，设置于输入杆首端的扭矩加载机构给输入杆施加设定扭矩，施加扭矩后夹紧释放机构瞬间释放输入杆，输入杆在扭矩的作用下高速旋转，扭矩波从输入杆向试件传播，一部分扭矩波从试件反射重新进入输入杆和输入端卸波杆；另一部分扭矩波透射进入输出杆和输出端卸波杆；当输入杆、输出杆速度渐慢至小于与其啮合的卸波杆的速度时，卸波杆在扭矩波传动器的作用下从输入杆/输出杆脱离，以防止扭矩波二次加载。

技术领域

本发明涉及单脉冲加载实验时将扭矩应力波导出和隔离技术，属于材料动态力学性能实验设备领域。

背景技术

霍普金森扭杆装置是研究高应变率下材料动态纯剪切力学性能特别是热塑剪切局部化现象的有效工具。在压缩、拉伸和扭转实验的基础上，可以确定材料的应力三轴度，实现有效预报材料在动态载荷作用下的断裂破碎行为。这一技术最初由Baker等人根据Kolsky的原理建立，此后Campbell等人又进行了改进和完善。但现有的霍普金森扭杆实验中扭矩应力波在杆中是来回反射造成对试件的反复加载，破坏了材料在首次加载过程中变形微结构，严重妨碍了材料宏微观损伤的研究。上个世纪九十年代，中国科学院力学所的薛青和沈乐天等人，通过引入卸波杆和传动器将从试件反射和透射的扭矩波从输入杆和输出杆完全导出，实现了单脉冲的加载过程。确定了材料微结构变形损伤与应力应变响应的对应关系，给出了结构材料损伤的演化过程。薛青和沈乐天等人发明的单脉冲加载的霍普金森扭杆，其应力波传动器是分别在卸波杆和输入/出杆上加工四个直导槽和斜导槽并在其中插入四个滑键将卸波杆和输入(出)杆紧密连接在一起，实现扭矩应力波的导出和隔离。其设计的传动器结构复杂，加工精度要求高，四个滑键在工作时容易甩出。

发明内容

本发明目的是为了解决现有单脉冲加载的霍普金森扭杆的传动器结构复杂、四个滑键在工作时容易甩出的问题，提供了一种单脉冲霍普金森扭杆试验装置。

本发明所述一种单脉冲霍普金森扭杆试验装置，包括输入杆1、输出杆2、输入端卸波杆3、输出端卸波杆4、试件5、输入端扭矩波传动器6、输出端扭矩波传动器7、滚动球支承支座8、滚动轴承9、扭矩加载机构10、夹紧释放机构11和应变片12；输入杆1、输出杆2、输入端卸波杆3和输出端卸波杆4同轴；

输入杆1和输出杆2均由若干个滚动轴承9支撑，试件5安装在输入杆1和输出杆2之间；输入杆1和输出杆2上各贴设一个应变片12；

输入杆1首端通过输入端扭矩波传动器6与输入端卸波杆3啮合；输出杆2末端通过输出端扭矩波传动器7与输出端卸波杆4啮合，输入端卸波杆3和输出端卸波杆4均由滚动球支承支座8支撑；

输入杆1上设置有扭矩加载机构10和夹紧释放机构11；

夹紧释放机构11用于将输入杆1夹紧或释放，在夹紧状态下，设置于输入杆1首端的扭矩加载机构10给输入杆1施加设定扭矩，施加扭矩后夹紧释放机构11瞬间释放输入杆1，输入杆1在扭矩的作用下高速旋转，扭矩波从输入杆1向试件5传播，其中一部分扭矩波从试件5反射重新进入输入杆1和输入端卸波杆3；另一部分扭矩波透射进入输出杆2和输出端卸波杆4；当输入杆1、输出杆2速度渐慢至小于与其啮合的输入端卸波杆3、输出端卸波杆4的速度时，输入端卸波杆3在输入端扭矩波传动器6的作用下从输入杆1首端脱离并沿轴向滑动远离输入杆1，以防止输入端卸波杆3通过输入杆1对试件5进行扭矩波二次加载；同步的，输出端卸波杆4在输出端扭矩波传动器7的作用下从输出杆2末端脱离并沿轴向滑动远离输出杆2，以防止输出端卸波杆4通过输出杆2对试件5进行扭矩波二次加载。

优选地，输入端扭矩波传动器6由一对卡爪副组成，该对卡爪副紧密啮合，其中一个卡爪副设置在输入杆1首端，另一个卡爪副设置在输入端卸波杆3末端，每个卡爪副包括两个卡块，一个卡块沿杆中心线旋转180度就是另一个卡块，每个卡块的配合工作面分别为通过杆中心线的平面和与中心线成一定角度的斜面；