基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器及实验方法
【专利摘要】一种基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生装置及方法。应力波发生装置由加载枪和供电系统组成。供电系统用来给加载枪的主线圈提供瞬时的强电流，从而使主线圈和次线圈之间产生强电磁斥力由于电容器放电时间比较短，放电电流强，可以使主线圈和次线圈之间产生瞬间的强斥力，从而产生强的应力脉冲，经过锥形放大器放大后输出给霍普金森杆。本发明通过改进电磁铆枪的结构而使其应用于分离式霍普金森压杆和拉杆的加载，使霍普金森压杆和拉杆的加载系统在同一个装置上可以同时实现，具有操作简单、可控性强的特点。
【专利说明】基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器及实验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料的动态力学性能测试的应力波发生装置及方法，具体说是一种基于电磁力的应力波发生装置及方法，所述装置可以作为分离式霍普金森拉杆和压杆的应力波输入装置。
【背景技术】
[0002]目前，在材料科学领域中测量材料在高应变率下的力学性能时使用最广泛的就是分离式霍普金森压杆技术和拉杆技术。这一方法的基本原理是:将短试样置于两根拉杆或压杆之间，通过某种方式对入射杆输入拉伸应力波或者压缩应力波，对试样进行加载。同时利用粘在拉杆或压杆上并距杆端部一定距离的应变片来记录脉冲信号。如果拉杆或压杆保持弹性状态，那么杆中的脉冲将以弹性波速无失真地传播。这样粘贴在拉杆或压杆上的应变片就能够测量到作用于杆端的载荷随时间的变化历程。
[0003]对于霍普金森压杆，产生入射波的普遍方式是通过气枪将撞击杆高速发射，与入射杆同轴撞击产生入射脉冲。这种方法的缺点在于:由于每次发射时撞击杆在气枪中的安装位置不尽相同，且撞击速度与气压的对应关系很难确定，因此无法准确地控制入射波的幅值，所以需要尝试多次实验才能得到所需的应变率。其次，对于应变率跨度过大的实验，由于气枪气压的限制，需要更换撞击杆的长度来得到不同的应变率，应变率越高，所用撞击杆越短，实验中产生的应力波宽度越短，这就限制了实验所得到的应变范围，而且操作繁琐。更重要的是，由于撞击杆的发射速度有一个下限，一些更低的应变率在实际试验中无法用传统霍普金森压杆得到，比如IOiT1的应变率。由于不同的实验系统参数也不同，使得分离式霍普金森压杆实验技术的规范化一直是一个国际性的难题。
[0004]对于霍普金森拉杆，目前所采用的普遍加载技术是:将拉杆的撞击杆做成空心圆管，通过气枪将撞击管高速发射，当它运动到达入射杆端时，撞击管与入射杆端的凸台碰撞产生一列压缩波向入射杆凸台端传播，并在自由端反射成拉伸波，该拉伸波通过入射杆对试样进行加载。但是这种设计方法有很多的缺点:1，由于撞击杆是从入射杆一端发射到另一端，所以在入射杆上的凸台到气枪的那一段，入射杆处于无支撑的自由状态这使得入射杆容易弯曲；2，这种设计限制了撞击筒的长度在500mm左右，所以产生的入射波长度为
0.2ms左右，但是对于延展性材料和低应变率实验，需要更长的入射波；3，撞击筒的更换很不方便；4，由于撞击筒的筒壁厚度限制，需要很高的气压来加速撞击筒。也有很多学者提出了不同的设计思路:1，在撞击筒的一端加一个凸台来提高撞击筒的发射速度，但是这种方式产生的波形受凸台影响而不再正规；2，使用空的入射杆，撞击杆从入射杆里面穿过，这种方式使得波形整形变得困难。
[0005]由于撞击杆的形状不同，气枪的位置不同，传统的霍普金森压杆和拉杆的加载系统无法在同一装置上实现。
[0006]20世纪60年代美国波音公司为解决普通铆接存在的问题，由Huber A Schmitt等人率先开始研究电磁铆接技术，并于1968年申请了强冲击电磁铆接装置的专利。1986年Zieve Peter研制成功低压电磁铆接,解决了高压铆接在铆接质量及推广应用方面存在的问题，从而使电磁铆接技术得到较快发展。电磁铆接技术已在波音、空客系列飞机制造中得到应用。如今，低压电磁铆接技术已经发展成熟，铆接力的大小和持续时间可以得到比较精确的控制。电磁铆枪的技术原理是:在放电线圈和工件之间增加了一个线圈和应力波放大器。放电开关闭合的瞬间，主线圈中通过快速变化的冲击电流，在线圈周围产生强磁场。与主线圈耦合的次级线圈在强磁场作用下产生感应电流，进而产生涡流磁场，两磁场相互作用产生涡流斥力，并通过放大器传至铆钉，使铆钉成形。涡流力的频率极高，在放大器和铆钉中以应力波的形式传播，故电磁铆接也称应力波铆接。如果将电磁铆枪的原理应用到分离式霍普金森压杆中代替传统分离式霍普金森压杆中的气枪和撞击杆，通过电磁斥力产生直接产生应力波，将会使分离式霍普金森压杆实验技术的规范化成为可能。并且可以以足够长的应力脉冲对试样进行低应变率加载，实现一些传统霍普金森杆无法实现的低应变率。西北工业大学在申请号为201410161610.X的发明创造中提出了一种基于电磁力加载的分离式霍普金森压杆装置，该实验装置通过将电磁铆枪装置直接应用于霍普金森压杆实验装置从而实现对试样的动态压缩加载。但是实际中更希望能够使用同一个加载装置，既可以实现压缩加载，又可以实现拉伸加载。
【发明内容】
[0007]为克服现有技术中存在的入射波幅值难以控制，操作繁琐以及应变范围限制以及无法实现一些低应变率实验的不足，以及拉伸和压缩加载装置无法统一的缺点，本发明提出了一种基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生装置及方法。
[0008]所述基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器包括电源、电容充电器和加载枪。所述电容充电器米用现有电磁铆接设备的供电部分，并将所述电容充电器的输出的正极输出线与加载枪的正极线相接，负极输出线与加载枪的负极线相接。加载枪包括拉伸头、绝缘层、加载枪壳体、主线圈、次级线圈和压缩头。拉伸头位于所述加载枪壳体内并安装在该加载枪壳体一端；该拉伸头上的定位轴亦位于加载枪壳体内并与加载枪壳体同轴。主线圈、压缩头、两个绝缘层和两个次级线圈均套装在所述拉伸头上的定位轴上，并且压缩头位于加载枪壳体内另一端。两个绝缘层分别与所述拉伸头或压缩头的内表面贴合；两个次级线圈分别位于所述各绝缘层内侧；在加载枪壳体同一侧的圆周表面有主线圈的两个外接接头的过孔。拉伸头的外圆周表面和压缩头的外圆周表面均与加载枪壳体的内表面间隙配
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[0009]拉伸头一端的圆周表面由等径段和锥段组成；所述等径段的轴向长度:锥段的轴向长度=1:1。所述拉伸头的等径段为应力波接收段，所述拉伸头的锥段为应力波放大反射端。应力波接收段的直径最大，并且在应力波接收段的端面中心有轴向凸出的定位轴；应力波放大反射端的中心为平面，在该处形成了拉伸头的最小直径。所述拉伸头应力波接收端的直径:应力波放大反射端的最小直径处的比值=12:1。所述应力波放大反射端的锥段的锥度为30 ° ;
[0010]压缩头一端的圆周表面由等径段和锥段组成；所述等径段的轴向长度:锥段的轴向长度=1:1。本实施例中，压缩头的等径段和锥段的轴向长度均为25mm。等径段的端面为平面，为应力波接收端；锥段的圆周表面为应力波放大端；在该锥面的中心有轴向凸出的连接轴。在所述连接轴端头有用于连接入射杆的内螺纹。所述应力波放大端为锥面的锥度为30 °。所述压缩头的最大直径:锥面处的最小直径的比值=12:1。压缩头的内孔与拉伸头的定位轴配合，并且两者之间间隙配合。
[0011]本发明还提出一种基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器的实验方法，包括霍普金森压缩实验和霍普金森拉伸实验。所述基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器的实验过程是:
[0012]步骤1.排布器材。
[0013]将加载枪、入射杆和透射杆按常规方法同轴顺序安装在实验台上，并使所述入射杆和透射杆仅在轴线方向能够自由移动。加载枪的压缩头所在的一端靠近入射杆。将一个试样安装在入射杆和透射杆之间，并且使试样与入射杆及透射杆同轴。
[0014]步骤2.粘贴应变片。
[0015]采用常规方法在入射杆或透射杆分别粘贴2个应变片，并将应变片引线接入数据采集系统；排布所述应变片引线时，须将所述各应变片引线与入射杆或透射杆的轴线平行分布，再垂直于轴线方向成直角弯折引出，使应变片引线呈直线状态接入数据采集器
[0016]步骤3.加载实验及数据采集。
[0017]当进行霍普金森压缩实验时，将拉伸头拉出沿加载枪轴线拉出，使拉伸头与主线圈之间的距离L1为30mm。将压缩头的应力波放大端与霍普金森压杆的入射杆固连；对电容充电器充电后，使电容充电器对加载枪的主线圈放电，在压缩头与主线圈之间产生电磁斥力，所述电磁斥力在压缩头内部表现为压缩应力波并被压缩头放大后形成入射波，该入射波传入霍普金森压杆的入射杆，当该入射波传至入射杆与试样接触面时，由于波阻抗不匹配，该入射波的一部分被反射，在入射杆中形成反射波，另一部分则通过试样透射入透射杆中，形成透射波。所述反射波和透射波的形状和幅值是由试样材料性质决定的。数据采集器通过粘贴在入射杆上的应变片将入射波和反射波信号记录下来，通过粘贴在透射杆上的应变片将透射波的信号记录下来。利用数据采集器记录的反射波和透射波信号，通过一波法得到试件的动态压缩应力应变曲线。
[0018]当进行霍普金森拉伸实验时，调整拉伸头，使该拉伸头与主线圈贴紧，使拉伸头的定位轴穿过压缩头的通孔，将拉伸头的定位轴通过螺纹与霍普金森拉杆的入射杆连接，调整压缩头与主线圈的距离L2为30mm。电容充电器充电后，该电容充电器对加载枪的主线圈放电，拉伸头与主线圈之间产生电磁斥力，所述电磁斥力在拉伸头内部表现为压缩应力波，所述压缩应力波在拉伸头内被放大，并在拉伸头的小端反射成拉伸波并形成霍普金森拉杆的入射波，该入射波传入霍普金森拉杆的入射杆，当该入射波传至入射杆与试样接触面时，由于波阻抗不匹配，该入射波的一部分被反射，在入射杆中形成反射波，另一部分则通过试样透射入透射杆中，形成透射波。所述反射波和透射波的形状和幅值是由试样材料性质决定的。数据采集器通过粘贴在入射杆上的应变片将入射波和反射波信号记录下来，通过粘贴在透射杆上的应变片将透射波的信号记录下来。利用数据采集器记录的反射波和透射波信号，通过一波法得到材料的动态拉伸应力应变曲线。
[0019]在本发明中，应力波发生装置由加载枪和供电系统组成。供电系统用来给加载枪的主线圈提供瞬时的强电流，从而使主线圈和次线圈之间产生强电磁斥力。加载枪由主线圈、压缩头和拉伸头组成，用来产生电磁斥力，并将电磁斥力转换成应力波，经过锥形放大器放大后输出给霍普金森杆。
[0020]本发明通过电磁斥力直接产生应力波，在加载枪内有一个主线圈和两个次线圈，主线圈与枪体固定，位于枪体的中间段，主线圈中心有通孔，用来与压缩头或者拉伸头定位；两个次级线圈为铜质圆盘，各固连一个锥形放大器，分别用来产生压缩波和拉伸波，分别称为压缩头和拉伸头，并与主线圈靠近。主线圈和压缩头以及拉伸头同轴，其同轴度通过拉伸头和压缩头的定位轴与主线圈的通孔配合来确定。压缩头安装时，锥形头的小端靠近霍普金森压杆的入射杆；拉伸头安装时，锥形头的小端远离霍普金森拉杆的入射杆，而其定位轴穿过主线圈的通孔，并在另一端与霍普金森拉杆的入射杆通过螺纹连接。实验时，将强变化电流通过主线圈，主线圈会产生变化的强磁场，变化的强磁场会在次级线圈内产生感应电流，感应电流产生的感应磁场方向与主线圈的磁场方向相反，于是主线圈和次线级圈之间产生电磁斥力，这种电磁斥力在次级线圈中表现为压缩应力波，该压缩应力波通过锥形块进行放大，若将压缩头与霍普金森压杆的入射杆通过螺纹同轴连接，则压缩头内的压缩应力波直接传入霍普金森压杆的入射杆，就可以对材料进行压缩试验；若将拉伸头与霍普金森拉杆的入射杆通过螺纹同轴连接，则拉伸头内部的压缩波在锥形头小端反射后变为等幅的拉伸波，并改变传播方向，通过拉伸头的定位轴传入霍普金森拉杆的入射杆，就可以对材料进行动态拉伸加载。因此本装置既可以对材料进行压缩实验，又可以进行拉伸实验。
[0021]通过电容器的放电为主线圈提供电源，由于电容器放电时间比较短，放电电流强，可以使主线圈和次线圈之间产生瞬间的强斥力，从而产生强的应力脉冲。至于电容器的充电和放电控制系统，目前在电磁铆接设备中该技术已经非常成熟，可以直接应用。
[0022]拉伸头或压缩头与霍普金森杆的入射杆通过螺纹连接，使输出的应力波能够稳定地传入实验系统。本发明的实验装置中，通过加载枪中的主线圈和次线圈之间的电磁斥力直接产生应力脉冲，输入到入射杆，使得所产生的脉冲信号可以根据实验者的需要而比较准确地进行控制。
[0023]本发明中实际产生的应力波幅值可以通过电磁铆接装置的充电电压进行控制，实际产生的应力波宽度可以通过调整电磁铆接装置的电容值进行控制。
[0024]本发明通过改进电磁铆枪的结构而使其应用于分离式霍普金森压杆和拉杆的加载，使霍普金森压杆和拉杆的加载系统在同一个装置上可以同时实现。本发明在原理上将电磁斥力与电容器放电相结合，以代替传统分离式霍普金森杆系统中的气枪和子弹而直接产生应力脉冲。采用传统的霍普金森杆试样，即可对材料进行预期脉冲幅值和脉冲宽度下的加载。设备整个系统操作简单，可控性强。由于是通过电磁方式对应力波进行控制的，当电容充电器中的电容值不变时，同一个电压对应的输出应力波幅值也不变，当充电电压不变时，同一个电容值对应的应力波宽度也不变，所以能够实现对应力波的精确控制，实验的重复性好；其次，由于是通过电磁加载产生的应力波，应力脉冲的宽度不像传统撞击方式那样受撞击杆长度的限制，所以对于低应变率实验，本发明所能达到的应变比传统霍普金森杆更大，例如，本发明可以产生脉冲宽度为0.5ms的应力波，如果以此应力波对试样进行IOOs-1应变率下的压缩试验，则试样可以达到的最大应变为0.05，而对于传统霍普金森杆，很难达到这么低的应变率，即使可以达到这个应变率，所用子弹为0.Sm，则产生的应力脉冲宽度为0.32ms，则试样达到的最大应变为0.032，明显低于电磁加载的霍普金森杆。由于以上优点，本发明装置和方法可以实现传统分离式霍普金森杆实验无法达到的应变率和应变范围，使霍普金森杆实验技术的规范化，并且使拉杆和压杆的实验装置实现一体化，节省了设备的复杂性和占地空间。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器的原理图；
[0026]图2是基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器的结构示意图；
[0027]图3是加载枪的内部结构示意图，其中壳体沿对称平面剖开；
[0028]图4是压缩头的结构示意图；
[0029]图5是拉伸头的结构示意图；
[0030]图6是压缩试验示意图；
[0031]图7是拉伸试验示意图；
[0032]图8是应变片引线的分布方法；
[0033]图9是一般应变片引线排布方式测到的应力信号，其中横坐标表示时间，单位是S，纵坐标表示应力，单位是Mpa ；
[0034]图10是采用本发明中的应变片引线排布方式测到的应力信号，其中横坐标表示时间，单位是s,纵坐标表示应力，单位是Mpa。其中:
[0035]1.电阻；2.变压器；3.整流器；4.电容；5.电子开关；6.加载枪；7.拉伸头；8.绝缘层；9.壳体；10.主线圈；11.次级线圈；12.压缩头；13.入射杆；14.试样；15.透射杆；16.应变片；17.数据采集器；18.缓冲器；19.电源；20.电容充电器；21.通孔；22.螺纹；23.定位轴；24.引线。
【具体实施方式】
[0036]实施例一
[0037]本实施例是一种基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器，包括电源19、电容充电器20和加载枪6。电容充电器20采用现有电磁铆接设备的供电部分，并将所述电容充电器20的输出的正极输出线与加载枪6的正极线相接,负极输出线与加载枪6的负极线相接。电源19采用220V的三相交流电。
[0038]本实施例中，电容充电器20采用公布在专利号为200520079179的专利中的电磁铆接设备的供电部分，在本实施例中，将10个额定电压为1000伏额定电容为2000微法的电解电容并联组成电容器组，将所述电容器组与电子开关安装在电容器箱中，通过电子开关控制电容器组的放电。控制箱主要包含PLC及其控制系统。控制系统主要由模拟控制部分、数字控制部分以及数字显示部分组成。其中模拟控制部分采用SIEMENS公司的TCA785芯片。数字控制部分由西门子的S7-200系列CPU224及西门子模拟输入输出扩展�？镋M235组成。充电电压控制主要是通过电压环和电流环的PID控制方式实现。数字显示部分主要是通过S7-200系列文本显示器TD200组成。
[0039]如图3所示。加载枪由拉伸头7、绝缘层8、加载枪壳体9、主线圈10、次级线圈11和压缩头12组成。所述加载枪壳体9为载体，拉伸头7位于所述加载枪壳体内并安装在该加载枪壳体一端；该拉伸头上的定位轴亦位于加载枪壳体内并与加载枪壳体同轴，既用于拉伸应力波的传输，又用于主线圈10与次级线圈11的定位。[0040]主线圈10套装在所述拉伸头上的定位轴上并位于加载枪壳体内中段。压缩头12套装在所述拉伸头上的定位轴上并位于加载枪壳体内另一端。两个尼龙制成的绝缘层8套装在所述拉伸头上的定位轴上，并分别与所述拉伸头7或压缩头12的内表面贴合，通过所述绝缘层8阻止次级线圈11中产生的感应涡流传入压缩头12或拉伸头7。两个次级线圈11套装在所述拉伸头上的定位轴上，并分别位于所述各绝缘层内侧。在加载枪壳体9同一侧的圆周表面有两个通孔，主线圈10的两个外接接头分别穿过其中一个通孔并固定在加载枪壳体9的外表面。所述主线圈10的两个外接接头中的正极接头与电容充电器20的正极输出线连接，两个外接接头中的负极接头与电容充电器20的负极输出线连接。
[0041]本实施例中，加载枪壳体9采用绝缘性能良好的尼龙制造。该加载枪的主线圈10采用宽25mm、厚Imm的铜带绕制在横截面为工字形的芯体上。主线圈10的外径与加载枪壳体9的内径相同，当该主线圈10装入加载枪壳体9内后，两者之间干涉配合。
[0042]次级线圈11有2个，均为铜质圆盘，并在该次级线圈的中心开有轴孔。
[0043]拉伸头7为回转体。拉伸头7的一端为圆形块，并且该圆形块圆周表面由等径段和锥段组成；所述等径段的轴向长度:锥段为的轴向长度=1:1。本实施例中，所述拉伸头7的等径段的轴向长度和锥段的轴向长度均为25mm。所述拉伸头7的等径段为应力波接收段，所述拉伸头的锥段为应力波放大反射端。应力波接收段的直径最大，并且在应力波接收段的端面中心有轴向凸出的定位轴；应力波放大反射端的中心为平面，在该处形成了拉伸头7的最小直径。所述拉伸头应力波接收端的直径:应力波放大反射端的最小直径处的比值=12:1。所述应力波放大反射端的锥段的锥度为30 所述拉伸头的定位轴23与主线圈10的通孔为间隙配合。在该定位轴端头处的圆周表面加工有内螺纹盲孔，用于与霍普金森拉杆的入射杆13配合。
[0044]压缩头12为中空回转体。压缩头一端的圆周表面由等径段和锥段组成；所述等径段的轴向长度:锥段的轴向长度=1:1。本实施例中，压缩头的等径段和锥段的轴向长度均为25mm。等径段的端面为平面，为应力波接收端；锥段的圆周表面为应力波放大端；在该锥面的中心有轴向凸出的连接轴。在所述连接轴端头有用于连接入射杆的内螺纹。所述应力波放大端为锥面的锥度为30 °。所述压缩头的最大直径:锥面处的最小直径的比值=12:
I。压缩头12的内孔与拉伸头7的定位轴配合，并且两者之间间隙配合。
[0045]本实施例中的电源19、入射杆13、透射杆15、应变片16、数据采集器17和缓冲器18均采用现有技术。并且在入射杆13的一端加工有与压缩头的小直径端配合的外螺纹。
[0046]本实施例还提出了一种所述基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器的实验方法。所述基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器的实验方法中包括霍普金森压缩实验和霍普金森拉伸实验。
[0047]I采用基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器进行霍普金森压缩实验的具体过程是:
[0048]步骤1.排布器材。
[0049]将加载枪6、入射杆13和透射杆15按常规方法同轴顺序安装在实验台上，并使所述入射杆13和透射杆15仅在轴线方向能够自由移动。加载枪6的压缩头12所在的一端靠近入射杆13。将一个试样14安装在入射杆13和透射杆15之间，并且使试样14与入射杆13及透射杆15同轴。[0050]步骤2.粘贴应变片。
[0051]应变片的粘贴方法采用现有技术，即在入射杆13或透射杆15的一半长度处的圆周上以所述入射杆或透射杆轴线为对称轴，将两片参数完全相同的应变片对称粘贴在入射杆或透射杆表面，在应变片的弓I脚上焊接应变片引线24，并将所述应变片弓I线接入数据采集系统中的惠斯通电桥中。
[0052]所述应变片引线24的排布有特殊要求，否则会使数据采集器17受到电磁干扰而无法正常采集实验数据。若应变片引线24在垂直于入射杆或透射杆轴线的平面上的投影形成闭合回路，则加载枪6放电产生强磁场时，变化的磁场线会穿过应变片引线24所形成的回路，使回路中产生变化的磁通量，从而形成感应电流，对数据采集器17产生干扰，使所采集的数据无法使用。解决这一问题的方法是:如图8所示，先使所述各应变片引线24与入射杆或透射杆的轴线平行分布，再垂直于轴线方向成直角弯折引出，使引线24呈直线状态接入数据采集器17，这样引线中就不会因为磁通量变化而产生感应电流。从图9和图10可以看出，一般的应变片引线排布方式所测量的应力波信号干扰非常大，而采用本发明所提出的应变片引线排布方式所测量的应力波信号干扰完全消除。
[0053]步骤3.进行加载并处理数据。
[0054]如图6所示，将拉伸头7拉出，使拉伸头与主线圈之间的距离L1为30mm。将压缩头12的小端与霍普金森压杆的入射杆进行螺纹连接，将电容充电器20充电电压设置为200V并充电，待充电完成后，通过电子开关使电容充电器对加载枪的主线圈10放电，压缩头12与主线圈10之间就会产生电磁斥力，所述电磁斥力在压缩头12内部表现为压缩应力波并被压缩头12放大后形成入射波，该入射波传入霍普金森压杆的入射杆13，当该入射波传至入射杆13与试样14接触面时，由于波阻抗不匹配,该入射波的一部分被反射，在入射杆13中形成反射波，另一部分则通过试样14透射入透射杆15中，形成透射波。所述反射波和透射波的形状和幅值是由试样材料性质决定的。
[0055]数据采集器17通过粘贴在入射杆13上的应变片16将入射波和反射波信号记录下来，通过粘贴在透射杆15上的应变片16将透射波的信号记录下来。利用数据采集器17记录的反射波和透射波信号，通过一波法得到试件的动态压缩应力应变曲线。
[0056]II采用基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器进行霍普金森拉伸实验的具体过程是:
[0057]步骤1.排布器材。
[0058]将加载枪6、入射杆13和透射杆15按常规方法同轴顺序安装在实验台上，使所述入射杆13、透射杆15仅在轴线方向能够自由移动。加载枪6的压缩头12所在的一端靠近入射杆13。将一个试样14安装在入射杆13和透射杆15之间，并且使试样14与入射杆13及透射杆15同轴。
[0059]步骤2.粘贴应变片。
[0060]应变片的粘贴方法采用现有技术，即在入射杆13或透射杆15的一半长度处的圆周上以所述入射杆或透射杆轴线为对称轴，将两片参数完全相同的应变片对称粘贴在入射杆或透射杆表面，在应变片的弓I脚上焊接应变片引线24，并将所述应变片弓I线接入数据采集系统中的惠斯通电桥中。
[0061]所述应变片引线24的排布有特殊要求，否则会使数据采集器17受到电磁干扰而无法正常采集实验数据。若应变片引线24在垂直于入射杆或透射杆轴线的平面上的投影形成闭合回路，则加载枪6放电产生强磁场时，变化的磁场线会穿过应变片引线24所形成的回路，使回路中产生变化的磁通量，从而形成感应电流，对数据采集器17产生干扰，使所采集的数据无法使用。解决这一问题的方法是:如图8所示，先使所述各应变片引线24与入射杆或透射杆的轴线平行分布，再垂直于轴线方向成直角弯折引出，使引线24呈直线状态接入数据采集器17，这样引线中就不会因为磁通量变化而产生感应电流。从图9和图10可以看出，一般的应变片引线排布方式所测量的应力波信号干扰非常大，而采用本发明所提出的应变片引线排布方式所测量的应力波信号干扰完全消除。
[0062]步骤3.进行加载并采集数据。
[0063]如图7所示，将拉伸头7推入，使调整拉伸头与主线圈之间的距离，使拉伸头贴紧主线圈，并使该拉伸头的定位轴穿过压缩头12的通孔21，将拉伸头7的定位轴23通过螺纹与霍普金森拉杆的入射杆13连接，调整压缩头12与主线圈10的距离，使L2为30mm。将电容充电器20充电电压设置为200V并充电，待充电完成后，通过电子开关使电容充电器对加载枪的主线圈10放电，拉伸头7与主线圈10之间就会产生电磁斥力，所述电磁斥力在拉伸头7内部表现为压缩应力波，所述压缩应力波在拉伸头7内被放大，并在拉伸头7的小〗而反射成拉伸波并形成霍普金森拉杆的入射波，该入射波传入霍普金森拉杆的入射杆13，当该入射波传至入射 杆13与试样14接触面时，由于波阻抗不匹配，该入射波的一部分被反射，在入射杆13中形成反射波，另一部分则通过试样14透射入透射杆15中，形成透射波。所述反射波和透射波的形状和幅值是由试样材料性质决定的。
[0064]数据采集器17通过粘贴在入射杆13上的应变片16将入射波和反射波信号记录下来，通过粘贴在透射杆15上的应变片将透射波的信号记录下来。利用数据采集器17记录的反射波和透射波信号，通过一波法得到材料的动态拉伸应力应变曲线。
【权利要求】
1.一种基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器，其特征在于，包括电源、电容充电器和加载枪；所述电容充电器采用现有电磁铆接设备的供电部分，并将所述电容充电器的输出的正极输出线与加载枪的正极线相接，负极输出线与加载枪的负极线相接；加载枪包括拉伸头、尼龙层、加载枪壳体、主线圈、次级线圈和压缩头；拉伸头位于所述加载枪壳体内并安装在该加载枪壳体一端；该拉伸头上的定位轴亦位于加载枪壳体内并与加载枪壳体同轴；主线圈、压缩头、两个绝缘层和两个次级线圈均套装在所述拉伸头上的定位轴上，并且压缩头位于加载枪壳体内另一端；两个绝缘层分别与所述拉伸头或压缩头的内表面贴合；两个次级线圈分别位于所述各绝缘层内侧。
2.如权利要求1所述基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器，其特征在于，在加载枪壳体同一侧的圆周表面有主线圈的两个外接接头的过孔。
3.如权利要求1所述基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器，其特征在于，拉伸头的外圆周表面和压缩头的外圆周表面均与加载枪壳体的内表面间隙配合。
4.如权利要求1所述基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器，其特征在于，拉伸头一端的圆周表面由等径段和锥段组成；所述等径段的轴向长度:锥段为的轴向长度=I:I;所述拉伸头的等径段为应力波接收段，所述拉伸头的锥段为应力波放大反射端；应力波接收段的直径最大，并且在应力波接收段的端面中心有轴向凸出的定位轴；应力波放大反射端的中心为平面 ，在该处形成了拉伸头的最小直径；所述拉伸头应力波接收端的直径:应力波放大反射端的最小直径处的比值=12:1 ;所述应力波放大反射端的锥段的锥度为30 °。
5.如权利要求1所述基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器，其特征在于，压缩头一端的圆周表面由等径段和锥段组成；所述等径段的轴向长度:锥段的轴向长度=I:1;等径段的端面为平面，为应力波接收端；锥段的圆周表面为应力波放大端；在该锥面的中心有轴向凸出的连接轴；在所述连接轴端头有用于连接入射杆的内螺纹；所述应力波放大端为锥面的锥度为30。;所述压缩头的最大直径:锥面处的最小直径的比值=12:1 ;压缩头的内孔与拉伸头的定位轴配合，并且两者之间间隙配合。
6.—种使用权利要求1所述基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器的实验方法，所述基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器的实验方法中包括霍普金森压缩实验和霍普金森拉伸实验；其特征在于，所述基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器的实验过程是: 步骤1.排布器材: 将加载枪、入射杆和透射杆按常规方法同轴顺序安装在实验台上，并使所述入射杆和透射杆仅在轴线方向能够自由移动；加载枪的压缩头所在的一端靠近入射杆；将一个试样安装在入射杆和透射杆之间，并且使试样与入射杆及透射杆同轴； 步骤2.粘贴应变片: 采用常规方法在入射杆或透射杆分别粘贴2个应变片，并将应变片引线接入数据采集系统；排布所述应变片引线时，须将所述各应变片引线与入射杆或透射杆的轴线平行分布，再垂直于轴线方向成直角弯折引出，使应变片弓丨线呈直线状态接入数据采集器 步骤3.加载实验及数据采集:加载实验包括霍普金森压缩实验和霍普金森拉伸实验，其中:I当进行霍普金森压缩实验时，将拉伸头与主线圈之间的距离L1调整为30mm ;将压缩头的应力波放大端与霍普金森压杆的入射杆固连；对电容充电器充电后，使电容充电器对加载枪的主线圈放电，在压缩头与主线圈之间产生电磁斥力，所述电磁斥力在压缩头内部表现为压缩应力波并被压缩头放大后形成入射波，该入射波传入霍普金森压杆的入射杆，当该入射波传至入射杆与试样接触面时，由于波阻抗不匹配，该入射波的一部分被反射，在入射杆中形成反射波，另一部分则通过试样透射入透射杆中，形成透射波；所述反射波和透射波的形状和幅值是由试样材料性质决定的； 数据采集器通过粘贴在入射杆上的应变片将入射波和反射波信号记录下来，通过粘贴在透射杆上的应变片将透射波的信号记录下来；利用数据采集器记录的反射波和透射波信号，通过一波法得到试件的动态压缩应力应变曲线； II当进行霍普金森拉伸实验时，调整拉伸头与主线圈之间的距离，使拉伸头贴紧主线圈；使拉伸头的定位轴穿过压缩头的通孔，将拉伸头的定位轴通过螺纹与霍普金森拉杆的入射杆连接，调整压缩头与主线圈的距离L2为30mm ；电容充电器充电后，该电容充电器对加载枪的主线圈放电，拉伸头与主线圈之间产生电磁斥力，所述电磁斥力在拉伸头内部表现为压缩应力波，所述压缩应力波在拉伸头内被放大，并在拉伸头的小端反射成拉伸波并形成霍普金森拉杆的入射波，该入射波传入霍普金森拉杆的入射杆，当该入射波传至入射杆与试样接触面时，由于波阻抗不匹配，该入射波的一部分被反射，在入射杆中形成反射波，另一部分则通过试样透射入透射杆中，形成透射波；所述反射波和透射波的形状和幅值是由试样材料性质决 定的；数据采集器通过粘贴在入射杆上的应变片将入射波和反射波信号记录下来，通过粘贴在透射杆上的应变片将透射波的信号记录下来；利用数据采集器记录的反射波和透射波信号，通过一波法得到材料的动态拉伸应力应变曲线。
【文档编号】G01N3/02GK103926138SQ201410173843
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月25日 优先权日:2014年4月25日
【发明者】李玉龙, 聂海亮, 汤忠斌, 索涛 申请人:西北工业大学
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