[发明专利]双轴霍普金森压杆和拉杆实验入射波等效加载的实现方法

摘要

本发明公开了一种双轴霍普金森压杆和拉杆实验入射波等效加载的实现方法，用于解决现有方法难以实现双轴霍普金森压杆和拉杆实验的入射波等效加载的技术问题。技术方案是采用两套相同双线圈电磁力入射波发生器，每套入射波发生器放电线圈同轴、反向安装，分别控制霍普金森压杆、拉杆实验加载，实现等效加载设备的统一。在进行霍普金森压杆实验和拉杆实验时，纵向、横向放电线圈串联到由同一组放电可控硅控制的同一组放电电容上，纵向、横向放电线圈同步触发纵向、横向入射波。通过次级线圈厚度补偿，以及纵向、横向放电线圈串联在由同一放电可控硅控制的同一组放电电容上，保证了双轴霍普金森压杆和拉杆实验的入射波等效加载，其加载间隔误差小于0.1μs。

主权项

一种双轴霍普金森压杆和拉杆实验入射波等效加载的实现方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、纵向、横向入射波发生器的布置；纵向压缩波次级线圈(15)通过螺栓连接到纵向压缩波放大器(17)上，构成纵向压缩波驱动头；横向压缩波次级线圈(16)通过螺栓连接到横向压缩波放大器(18)上，构成横向压缩波驱动头；纵向拉伸波次级线圈(7)通过螺栓连接到纵向拉伸波放大器(5)上，构成纵向拉伸波驱动头；横向拉伸波次级线圈(8)通过螺栓连接到横向拉伸波放大器(6)上，构成横向拉伸波驱动头；纵向压缩波放电线圈(13)和纵向拉伸波放电线圈(9)同轴并反向固定到纵向基座(11)上，横向压缩波放电线圈(14)和横向拉伸波放电线圈(10)同轴并反向固定到横向基座(12)上；纵向压缩波驱动头、纵向拉伸波驱动头、纵向拉伸波放电线圈(9)、纵向基座(11)和纵向压缩波放电线圈(13)构成纵向入射波发生器，横向压缩波驱动头、横向拉伸波驱动头、横向拉伸波放电线圈(10)、横向基座(12)和横向压缩波放电线圈(14)构成横向入射波发生器，纵向、横向入射波发生器垂直布置在同一平面内；双轴霍普金森压杆实验时，纵向、横向压缩波驱动头分别放入纵向基座(11)、横向基座(12)内，纵向压缩波驱动头与纵向压缩波放电线圈(13)、纵向基座(11)和纵向拉伸波放电线圈(9)同轴间隙配合，横向压缩波驱动头与横向压缩波放电线圈(14)、横向基座(12)和横向拉伸波放电线圈(10)同轴间隙配合；双轴霍普金森拉杆实验时，将纵向、横向压缩波驱动头取出，纵向、横向拉伸波驱动头放入纵向基座(11)、横向基座(12)内，纵向拉伸波驱动头与纵向拉伸波放电线圈(9)、纵向基座(11)和纵向压缩波放电线圈(13)同轴间隙配合，横向压缩波驱动头与横向拉伸波放电线圈(10)、横向基座(12)和横向压缩波放电线圈(14)同轴间隙配合；步骤二、电路连接；电容器组(1)、放电电阻(2)、放电可控硅(3)和转换开关(4)串联组成放电电路，电容器组(1)为放电电路提供电能，放电电阻(2)为电路导线的等效电阻，放电可控硅(3)控制电路放电，转换开关(4)对双轴霍普金森压杆和拉杆实验进行选择；纵向、横向压缩波放电线圈(13、14)串联，纵向、横向拉伸波放电线圈(9、10)串联；在瞬间强电流的作用下，放电线圈和次级线圈产生电磁斥力，电磁斥力通过应力波放大器放大转化为入射波；其中入射波满足公式：σ=Krμ0ωMn2AαR22+(ωL2)2i2(t)---(1)]]>式中，σ‑入射波，K‑应力波放大器放大倍数，r‑放电线圈半径，μ0‑真空磁导率，ω‑电流振荡圆频率，M‑放电线圈与次级线圈的互感，n‑放电线圈匝数，i(t)‑放电电流，A‑次级线圈面积，α‑放电线圈与次级线圈的距离，R2、L2‑次级线圈的电阻和电感；当转换开关(4)和电路触点b接通时，纵向、横向应力波发生器进行霍普金森压杆实验入射波加载，纵向、横向压缩波放电线圈(13、14)串联接入由同一放电可控硅(3)控制的同一电容器组(1)上，纵向、横向压缩波放电线圈(13、14)流过相同放电电流，纵向、横向入射波脉冲宽度相同、同时触发；当转换开关(4)和电路触点a接通时，纵向、横向应力波发生器进行霍普金森拉杆实验入射波加载，纵向、横向拉伸波放电线圈(9、10)串联接入由同一放电可控硅(3)控制的同一电容器组(1)上，纵向、横向拉伸波放电线圈(9、10)流过相同放电电流，纵向、横向入射波脉冲宽度相同、同时触发；步骤三、次级线圈厚度补偿；为了实现双轴霍普金森压杆和拉杆实验的等应变率加载，在实验之前需要通过采用不同厚度次级线圈对入射波幅值进行补偿，保证压杆实验、拉杆实验各自的纵向、横向入射波幅值相同；在双轴霍普金森压杆和拉杆实验中通过增加横向、纵向入射波中幅值较低的入射波的次级线圈厚度，保证纵向、横向入射波等幅加载；其方法是：假设两套电磁力入射波发生器性能相同，纵向、横向压缩波放电线圈串联，纵向、横向拉伸波放电线圈串联；转换开关(4)与电路触点b连接，纵向、横向压缩波驱动头分别放入纵向、横向基座(11、12)内，纵向、横向应力波发生器产生霍普金森压杆实验的纵、横向入射波，对纵向、横向入射波幅值进行测量，根据测量结果和厚度补偿公式增加较小峰值入射波的压缩波次级线圈厚度，保持较大峰值入射波的压缩波次级线圈厚度不变；转换开关(4)与电路触点a连接，纵向、横向拉伸波驱动头分别放入纵向、横向基座(11、12)内，纵向、横向应力波发生器产生霍普金森拉杆实验的纵、横向入射波，对纵向、横向入射波幅值进行测量，根据测量结果和厚度补偿公式增加较小峰值入射波的拉伸波次级线圈厚度，保持较大峰值入射波的拉伸波次级线圈厚度不变；其中次级线圈厚度补偿公式为：Hh=2PH-PLPH---(2)]]>式中，H为峰值较小的入射波次级线圈厚度增加之后的厚度，h为峰值较大的入射波次级线圈的厚度，PH为纵向、横向入射波峰值中较大值，PL为纵向、横向入射波峰值中较小值；步骤四、双轴霍普金森压杆和拉杆实验等效加载过程；(1)双轴霍普金森压杆实验等效加载：步骤1、布置纵向实验设备；将纵向压缩波驱动头放入纵向基座(11)中，与纵向压缩波放电线圈(13)贴合；将应变片(24)粘贴到纵向入射杆(21)和纵向透射杆(25)表面，纵向入射杆(21)与纵向压缩波放大器(17)的锥面端通过纵向连接螺杆(19)连接，端面相互接触；纵向透射杆(25)同轴安装在纵向入射杆(21)的自由端方向，纵向透射杆(25)和纵向入射杆(21)之间留有放置试样(23)的空间；在纵向透射杆(25)的末端安装纵向缓冲器(27)；步骤2、布置横向实验设备；将横向压缩波驱动头放入横向基座(12)中，与横向压缩波放电线圈(14)贴合；将应变片(24)粘贴到横向入射杆(22)和横向透射杆(26)表面，横向入射杆(22)与横向压缩波放大器(18)的锥面端通过横向连接螺杆(20)连接，端面相互接触；横向透射杆(26)同轴安装在横向入射杆(22)的自由端方向，横向透射杆(26)和横向入射杆(22)之间留有放置试样(23)的空间；在横向透射杆(26)的末端安装横向缓冲器(28)；步骤3、信号采集系统和试样安装；将应变片(24)接入动态应变仪(29)中，试样(23)放入到纵向入射杆(21)和纵向透射杆(25)、横向入射杆(22)和横向透射杆(26)中间，使试样(23)的四个端面分别与纵、横向入射杆(21、22)和纵、横向透射杆(25、26)端面接触；步骤4、入射波加载；转换开关(4)与电路触点b接通，在电磁铆枪控制系统的基础上，利用380V交流电对电容器组(1)充电；放电可控硅(3)对电路放电，在瞬间强电流的作用下：纵向压缩波放电线圈(13)和纵向压缩波次级线圈(15)之间产生电磁斥力，电磁斥力在纵向压缩波放大器(17)的放大作用下放大转化为纵向压缩入射波；横向压缩波放电线圈(14)和横向压缩波次级线圈(16)之间产生电磁斥力，电磁斥力在横向压缩波放大器(18)的放大作用下放大转化为横向压缩入射波；纵向、横向压缩入射波分别通过纵向、横向入射杆(21、22)直截加载到试样(23)的纵向和横向截面上，纵向压缩入射波在纵向入射杆(21)与试样(23)的接触面一部分反射回纵向入射杆(21)中，另一部分透射到纵向透射杆(25)中，最终被纵向缓冲器(27)吸收；横向压缩入射波在横向入射杆(22)与试样(23)的接触面一部分反射回横向入射杆(22)中，另一部分透射到横向透射杆(26)中，最终被横向缓冲器(28)吸收；由于利用了纵向、横向压缩波放电线圈(13、14)串联和压缩波次级线圈厚度补偿方法，此时试样(23)的纵向、横向加载的压缩入射波幅值相等、脉冲宽度相同、触发时间高度一致；步骤5、信号采集和处理；在纵向、横向压缩入射波加载的过程中，利用粘贴在纵向入射杆(21)、纵向透射杆(25)，横向入射杆(22)、横向透射杆(26)上的应变片(24)采集横向、纵向反射波信号，横向、纵向透射波信号，信号传入应变片(24)中转化为电压信号，记录电压信号；利用双轴霍普金森压杆的实验原理对数据进行处理，推导出试样在等效双轴压缩应力波加载下的力学性能；(2)双轴霍普金森拉杆实验等效加载：步骤1、布置纵向实验设备；将纵向拉伸波驱动头放入纵向基座(11)中，与纵向拉伸波放电线圈(9)贴合；将应变片(24)粘贴到纵向入射杆(21)和纵向透射杆(25)表面，纵向入射杆(21)与纵向拉伸波放大器(5)的长轴端通过纵向连接螺杆(19)连接，端面相互接触；纵向透射杆(25)同轴安装在纵向入射杆(21)的自由端方向，纵向透射杆(25)和纵向入射杆(21)之间留有放置试样(23)的空间；在纵向透射杆(25)的末端安装纵向缓冲器(27)；步骤2、布置横向实验设备；将横向拉伸波驱动头放入横向基座(12)中，与横向拉伸波放电线圈(10)贴合；将应变片(24)粘贴到横向入射杆(22)和横向透射杆(26)表面，横向入射杆(22)与横向拉伸波放大器(6)的长轴端通过横向连接螺杆(20)连接，端面相互接触；横向透射杆(26)同轴安装在横向入射杆(22)的自由端方向，横向透射杆(26)和横向入射杆(22)之间留有放置试样(23)的空间；在横向透射杆(26)的末端安装横向缓冲器(28)；步骤3、信号采集系统和试样安装；将应变片(24)接入动态应变仪(29)中，试样(23)放入到纵向入射杆(21)和纵向透射杆(25)、横向入射杆(22)和横向透射杆(26)中间，使试样(23)的四个端面分别与纵、横向入射杆(21、22)和纵、横向透射杆(25、26)端面进行螺纹连接；步骤4、入射波加载；转换开关(4)与电路触点a接通，在电磁铆枪控制系统的基础上，利用380V交流电对电容器组(1)充电；放电可控硅(3)对电路放电，在瞬间强电流的作用下：纵向拉伸波放电线圈(9)和纵向拉伸波次级线圈(7)之间产生电磁斥力，电磁斥力在纵向拉伸波放大器(5)的放大作用下放大转化为压缩波，压缩波在纵向拉伸波放大器的最小锥面处反射为纵向拉伸入射波；横向拉伸波放电线圈(10)和横向拉伸波次级线圈(8)之间产生电磁斥力，电磁斥力在横向拉伸波放大器(6)的放大作用下放大转化为压缩波，压缩波在横向拉伸波放大器的最小锥面处反射为横向拉伸入射波；纵向、横向拉伸入射波分别通过纵向、横向入射杆(21、22)直截加载到试样(23)的纵向和横向截面上，纵向拉伸入射波在纵向入射杆(21)与试样(23)的接触面一部分反射回纵向入射杆(21)中，另一部分透射到纵向透射杆(25)中；横向拉伸入射波在横向入射杆(22)与试样(23)的接触面一部分反射回横向入射杆(22)中，另一部分透射到横向透射杆(26)中；由于利用了纵向、横向拉伸波放电线圈(9、10)串联和拉伸波次级线圈厚度补偿方法，此时试样(23)的纵向、横向加载的拉伸入射波幅值相等、脉冲宽度相同、触发时间高度一致；步骤5、信号采集和处理；在纵向、横向拉伸入射波加载的过程中，利用粘贴在纵向入射杆(21)、纵向透射杆(25)，横向入射杆(22)、横向透射杆(26)上的应变片(24)采集横向、纵向反射波信号，横向、纵向透射波信号，信号传入应变片(24)中转化为电压信号，记录电压信号；利用双轴霍普金森拉杆的实验原理对数据进行处理，推导出试样在等效双轴拉伸应力波加载下的力学性能。