一种材料旋转冲击响应特性测试系统技术方案

本发明专利技术涉及一种材料旋转冲击响应特性测试系统，该系统包括（i）旋转与冲击单元、（ii）数据采集单元及（iii）数据分析单元，本发明专利技术可以用于测试旋转-冲击以及单冲击脉冲荷载作用下的材料特性，例如冲击钻进、旋转-冲击钻进以及旋转钻进中的冲击效应以及其他旋转-冲击荷载，通过测试输入杆中的应力波特征，可以揭示材料的结构及强度特性。反过来，也可用于研究冲击弹头的结构形状与材料特性，以获得好的入射波形和破坏效果。

【技术实现步骤摘要】
一种材料旋转冲击响应特性测试系统
本专利技术涉及一种材料旋转冲击响应特性测试系统，一种用于测试材料在旋转-冲击荷载下的响应特性的测试技术，可用于在不同冲击荷载及不同旋转速率下材料的动态强度以及入、反、透射应力波峰值特征与能量特征的测试与分析，可用以研究受荷材料的结构与动力学特性；也可用于不同冲击速率下冲击荷载特性的测试，属材料及岩土工程领域。
技术介绍
目前，在地质、岩土工程等勘察以及矿业工程等生产中，通常需要采用钻孔/探方法，其主要的钻进方法为冲击式、旋转式或旋转-冲击式。地质材料在旋转冲击荷载下的破碎效果与荷载特性之间的关系、地层结构及强度特性与荷载特性的关系，以及材料抵抗高速旋转脉冲荷载如飞弹等的破坏特性，都需要测试材料在旋转冲击荷载下的结构及动力学特性。在材料动力学响应特性测试中，分离式霍普金森压杆（separateHopkinsonpressurebar:SHPB）是研究材料高应变率力学响应的基本方法，它通过测定材料在一定应变率范围的动态应力-应变行为来分析试样材料的应力-应变关系，其基础是线弹性波动理论。自1914年B.Hopkinson建立该方法以来，经过Davies、Kolsky等人的发展，SHPB技术在加载波形的整形、弥散的处理、可控双脉冲加载等方面取得了长足进展，不仅能测量试件在冲击荷载下的动态抗压强度，而且可以测量试件的动态拉伸强度。由于SHPB技术可以获得试件中的压力脉冲，计算试件在冲击荷载下的变形及试件应力，已成为材料动力学响应测试方面简单、有效的方法，因而在国内外得到了广泛的应用，并逐渐成为材料动力学响应的标准测试方法。但是，SHPB存在以下不足：（1）不能进行旋转冲击，即不能施加旋转脉冲荷载；（2）输入杆的冲击端为自由端，输入杆不能施加静压；（3）SHPB的基础是线弹性波动理论，在求解应力-应变关系时要求系统中杆和试样均应满足一维线弹性体的基本条件。然而，在很多情况下，受荷体相对于脉冲荷载加载体而言，为非线性体的非对称结构。如勘探或生产钻孔时，孔底岩体为无限大非线性体；弹体飞行撞击物体也属于非线性、非对称的情况。均属于非线性体+线性杆的情况，不能简单运用线弹性波动理论计算和分析材料的强度特性。本专利技术基于冲击及旋转-冲击破碎岩石的原理，在SHPB的基础上，研发一套材料旋转-冲击相应特性测试系统，通过测量冲头瞬发脉冲速率、冲击能以及冲击杆入/反射应力波，分析受荷材料的结构及强度特性。同时，通过设定特征材料，测试和分析不同触发压力下冲头几何结构特征、穿透性能与脉冲荷载特性的关系。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的是提供一种克服现有材料动力学测试系统中不能实施旋转脉冲加载以及给输入杆施加轴向静荷载等局限性的材料旋转-冲击响应测试系统。本专利技术的技术方案是：一种材料旋转-冲击响应特性测试系统，该系统包括（i）旋转与冲击单元、（ii）数据采集单元及（iii）数据分析单元，所述旋转与冲击单元由系统平台、脉冲发生单元、载样仓及旋转单元组成；所述脉冲发生单元由压力源、压力调节器、脉冲发射器、脉冲整形器、转换阀、动量陷波器及实验杆组成；所述载样仓用以承载试样；所述旋转单元由旋转电机、转速调节器及输出轴组成；所述数据采集单元由压力传感器、应变传感器、激光测速传感器、转速传感器、数据转换盒、动态应变仪及数据集成箱组成；所述数据分析单元，将所述转换和数字集成的数据经数据接口及电缆传输到所述数据分析单元进行分析、存储和输出，并对材料的结构及物理力学特性进行分析；其中，所述系统平台为水平刚性支架，直接安装在水平地面上，所述脉冲发射器、动量陷波器及实验杆固定安装在所述水平刚性支架上；压力源为空压机，空压机通过压力管网与调压器联通，通过调节器的标准压力表进行标定，压力传感器设置在调压器管路中位于输入I-输出O回路中压力表的前方，通过联接头与管路联通，所述调压器通过管道与所述脉冲发射器联通，脉冲发射器、脉冲整形器、转换阀、动量限波器、实验杆、钻头、载样仓和调速器位于同一水平轴线上，所述脉冲整形器、转换阀、动量限波器、实验杆从左到右依次连接，应变传感器设置在所述实验杆上，所述载样仓的一端与输出轴固联，输出轴通过转速调节器与旋转电机固联，由激光发射头和激光传感器的接收器组成的激光测速传感器设置在脉冲发射器和转换阀之间，探针安装在所述载样仓上，转速传感器设置在与载样仓上的探针对应的位置上，应变传感器与压力传感器通过线缆、接口与数据转换盒数据连接，数据转换盒与数字动态应变仪数据连接，数字动态应变仪与数据集成箱数据连接；测速传感器和转速传感器经线缆接入数据集成箱，数据集成箱将数据集成后输送到数据分析单元，所述数据分析单元包括远程终端、其它终端、计算机和打印机。进一步，所述载样仓为刚性柱形圆筒，其底座与调速器11输出轴联接，载样仓内根据试样规格设置有载样套仓，载样套仓内安装试样，试样直径与套仓内径之间的配合误差以及同轴度应满足有关材料测试的要求，载样仓的轴向长度大于试样套仓和试样长度，超出的长度应满足试样冲击碎裂时飞溅的安全防护要求。进一步，所述旋转电机的工作电压为380V。进一步，所述数字式动态应变仪的工作电压为220V。进一步，所述激光测速仪的工作电压为220V。进一步，所述数据集成盒的工作电压为DC12V。本专利技术的有益效果是，由于采用上述技术方案，一方面，可以将旋转与冲击荷载有效结合，在旋转-冲击耦合荷载下测试材料的抗压强度、入/反射应力波峰值、应变能等动态力学响应特征参数；同时，测试材料动态响应特征与撞击杆或弹头冲击能的关系。另一方面，当旋转速率设置为0时，可实现单冲击脉冲荷载下的材料动态特性测试，获取材料在冲击荷载下的物理力学特性。本专利技术可以用于测试旋转-冲击以及单冲击脉冲荷载作用下的材料特性，例如冲击钻进、旋转-冲击钻进以及旋转钻进中的冲击效应以及其他旋转-冲击荷载，通过测试输入杆中的应力波特征，可以揭示材料的结构及强度特性。反过来，也可用于研究冲击弹头的结构形状与材料特性，以获得好的入射波形和破坏效果。附图说明图1为本专利技术材料旋转冲击响应特性测试系统的构造框图。图2为压力传感器的连接结构示意图。图3为测速传感器的连接结构示意图。图4为应变测量的连接结构示意图。图5为旋转传感器的连接结构示意图。图6为材料旋转冲击响应特性测试系统布置图。图中：1.压缩空气压力源，2.调压器，3.脉冲发射器，4.激光源，5.转换阀，6.动量限波器，7.应变传感器，8.实验杆（输入杆），9.探针，10.载样仓，11.转速调速器，12.旋转电机，13.压力传感器，14.激光测速传感器，15.转换盒，16.接口，17.数字式动态应变仪，18.转速传感器，19.数据集成箱，20.计算机，21.压力阀，22.压力表，23.连接头，24.信号线缆，25.激光束，26.信号线缆，27.整形器，28.钻头，29.转速传感器输出线缆，30.载样套仓，31.试样，12DC.12伏直流电源，DIB.数据集成箱，I.输入，O.输出。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。本系统安装在实验室水平刚性试验平台上，用于测试材料的旋转-冲击响应特性参数。如图1-6所示为本专利技术材料旋转冲击响应特性测试系统的结构示意图，该系统包括（i本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种材料旋转‑冲击响应特性测试系统，该系统包括（i）旋转与冲击单元、（ii）数据采集单元及（iii）数据分析单元，其特征在于；    所述旋转与冲击单元由系统平台、脉冲发生单元、载样仓及旋转单元组成；所述脉冲发生单元由压力源、压力调节器、脉冲发射器、脉冲整形器、转换阀、动量陷波器及实验杆组成；所述载样仓用以承载试样；所述旋转单元由旋转电机、转速调节器及输出轴组成；所述数据采集单元由压力传感器、应变传感器、激光测速传感器、转速传感器、数据转换盒、动态应变仪及数据集成箱组成；所述数据分析单元，将所述转换和数字集成的数据经数据接口及电缆传输到所述数据分析单元进行分析、存储和输出，并对材料的结构及物理力学特性进行分析；其中，所述系统平台为水平刚性支架，直接安装在水平地面上，所述脉冲发射器、动量陷波器及实验杆固定安装在所述水平刚性支架上；压力源为空压机，空压机通过压力管网与调压器联通，通过调节器的标准压力表进行标定，压力传感器设置在调压器管路中位于输入I‑输出O回路中压力表的前方，通过联接头与管路联通，所述调压器通过管道与所述脉冲发射器联通，脉冲发射器、脉冲整形器、转换阀、动量限波器、实验杆、钻头、载样仓和调速器位于同一水平轴线上，所述脉冲整形器、转换阀、动量限波器、实验杆从左到右依次连接，应变传感器设置在所述实验杆上，所述载样仓的一端与输出轴固联，输出轴通过转速调节器与旋转电机固联，由激光发射头和激光传感器的接收器组成的激光测速传感器设置在脉冲发射器和转换阀之间，探针安装在所述载样仓上，转速传感器设置在与载样仓上的探针对应的位置上，应变传感器与压力传感器通过线缆、接口与数据转换盒数据连接，数据转换盒与数字动态应变仪数据连接，数字动态应变仪与数据集成箱数据连接；测速传感器和转速传感器经线缆接入数据集成箱，数据集成箱将数据集成后输送到数据分析单元，所述数据分析单元包括远程终端、其它终端、计算机和打印机。...

【技术特征摘要】
1.一种材料旋转-冲击响应特性测试系统，该系统包括（i）旋转与冲击单元、（ii）数据采集单元及（iii）数据分析单元，其特征在于；所述旋转与冲击单元由系统平台、脉冲发生单元、载样仓及旋转单元组成；所述脉冲发生单元由压力源、压力调节器、脉冲发射器、脉冲整形器、转换阀、动量陷波器及实验杆组成；所述载样仓用以承载试样；所述旋转单元由旋转电机、转速调节器及输出轴组成；所述数据采集单元由压力传感器、应变传感器、激光测速传感器、转速传感器、数据转换盒、数字式动态应变仪及数据集成箱组成；所述数据分析单元，将转换和数字集成的数据经数据接口及电缆传输到所述数据分析单元进行分析、存储和输出，并对材料的结构及物理力学特性进行分析；其中，所述系统平台为水平刚性支架，直接安装在水平地面上，所述脉冲发射器、动量陷波器及实验杆固定安装在所述水平刚性支架上；压力源为空压机，空压机通过压力管网与压力调节器连通，通过压力调节器的标准压力表进行标定，压力传感器设置在压力调节器管路中位于输入I-输出O回路中压力表的前方，通过连接头与管路连通，所述压力调节器通过管道与所述脉冲发射器连通，脉冲发射器、脉冲整形器、转换阀、动量限波器、实验杆、钻头、载样仓和转速调节器位于同一水平轴线上，所述脉冲整形器、转换阀、动量限波器、实验杆从左到右依次连接，应变传感器设置在所述实验杆上，所述载样仓的一端与输出轴固连，输出轴通过转速调节器与旋转电机固连，由激光发射头和激光传感器的接收器组成的激光测速传感器设置在脉冲发射器和转换阀之间，探针安装在所述载样仓上，转速传感器设置在与载样仓上的探针对应的位置上，应变传感器与压力传感器通过线缆、接口与数据转换盒数据连接，数据转换盒与数字式动态应变仪数据连接，数字式动态应变仪与数据集成箱数据连接；激光测速传感器和转速传感器经线缆接入数据集成箱，数据集成箱将数据集成后输送到数据分析单元，所述数据分析单元包括计算机和打印机；采用旋...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭卓英，刘文静，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11