一种动态双轴双向拉伸加载装置及实验方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及材料在动态双轴双向加载下力学性能测试的装置及方法，是一种动态双轴双向拉伸加载装置及实验方法。本发明专利技术的一种动态双轴双向拉伸加载装置，包括控制模块、主电路充放电模块、电容器组模块和加载平台模块，其中所述加载平台模块包括四台相同加载枪和四根长度相同的波导杆，所述四台相同加载枪从四个方向对试样进行应力波加载，横向加载与纵向加载相互垂直布置，同一轴向产生的应力波幅值、脉宽相同，从而减小应力波传播过程中产生的波形和时间上的误差，同时保证试样处于双轴应力状态，试样内的应力状态也呈对称分布，减小加载过程中剪应力分量的影响。本发明专利技术可以克服现有技术中存在的无法实现双轴双向应力波同步加载的难题。

A dynamic biaxial biaxial tension loading device and its experimental method

The invention relates to a device and a method for testing the mechanical properties of a material under a dynamic biaxial two-way loading. It is a dynamic dual axis biaxial tension loading device and an experimental method. A dynamic biaxial biaxial tension loading device, including a control module, a charge and discharge module of the main circuit, a capacitor bank module and a loading platform module, which includes four same loading guns and four waveguide poles of the same length, and the four phase same loading gun is carried out from four directions to the sample. Stress wave loading, transverse loading and longitudinal loading are arranged vertically each other, the stress wave amplitude and pulse width are the same in the same axial direction, thus reducing the wave and time error in the propagation of stress wave, and ensuring the specimen to be in the state of biaxial stress, and the stress state in the sample is also symmetrical, reducing the loading. The influence of the shear stress component in the process. The invention can overcome the difficult problem of synchronous loading of biaxial bi-directional stress waves in the existing technology.

【技术实现步骤摘要】
一种动态双轴双向拉伸加载装置及实验方法
本专利技术涉及材料在动态双轴双向加载下力学性能测试的装置及方法，是一种动态双轴双向拉伸加载装置及实验方法，具体是一种基于电磁力加载的双轴双向分离式霍普金森拉杆实验装置及实验方法。
技术介绍
分离式霍普金森杆实验技术是研究材料在中高应变率下力学性能的主要实验方法。这一方法的基本原理是：将短试样置于两根拉杆或者压杆之间，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变化的历程。对于分离式霍普金森拉杆或压杆，产生入射波的普遍方式是通过气枪将撞击杆高速发射，通过与入射杆同轴撞击产生入射脉冲。这种直接撞击加载的方式产生的加载波近似为方波，上升前沿较短，且波头上叠加了由直接碰撞引起的高频分量，需通过入射波整形技术进行改进。根据一维应力波理论，即可得到材料在单轴应力状态下中高应变率的力学行为。然而结构和材料在服役过程中受到的载荷较为复杂，常处于多轴应力状态下。目前，霍普金森杆实验技术多用于测量材料的单轴拉压行为。这是由于采用机械碰撞的方式产生入射脉冲，不同加载方向的应力波，无论是波形的幅值与脉冲宽度，还是到达试样端面对其进行加载的时间，都无法保持一致，因而动态双轴双向加载实验技术难以实现。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HuberASchmitt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(美国专利：3961739，1974年5月7日)。1986年PeterB.Zieve成功研发出低压电磁铆接技术(欧洲专利：0293257，1988年5月27日)，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。电磁铆接技术的原理是：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杆中代替传统分离式霍普金森杆中的气枪和撞击杆，通过电磁斥力产生的应力波脉冲，其幅值和脉冲宽度可通过调节电路参数控制。在申请号为201420098605.4和201410161610.X的中国专利申请中，分别提出了将电磁铆接装置直接应用在霍普金森压杆装置中的设备方案和实验方法，但是此方法所获得的波形具有局限性。在申请号分别为201410173843.1和201410171963.8的两个中国专利申请专利技术创造中，分别提出两种既可以用于霍普金森拉杆又可用于霍普金森压杆的实验设备及使用方法，但是这两种方案结构较为复杂，且传统的波形整形技术无法应用于拉伸情况。在申请号为201510956545.4的中国专利申请专利技术创造中,提出了一种新的加载枪结构，所述结构既可以产生拉伸波和压缩波，又可以使用传统的整形方式对波形进行整形。在申请号为201510051071的中国专利申请专利技术创造中，提出了一种电磁式实验装置的主线圈结构和使用方法，以提高电磁式实验装置所产生的幅值和脉冲宽度的变化范围。在公开号为CN104678853A的中国专利技术专利中，提出了一种电容充放电控制系统，用于单轴电磁式霍普金森压杆，系统电容量固定，使用时需要拆卸电容器。实际中，由于实验设备PLC控制系统存在反应时差，放电可控硅触发时会有20ms-30ms的放电延迟。另外，实验各部件，如线圈、波导杆等，在加工装配时必然会存在一定误差，使得霍普金森杆双轴双向同步加载依旧难以实现。在专利公告号为CN104677760B的中国专利中，提出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，但该方法存在一定缺陷，仅用两台入射波发生器产生两列入射波的方式无法实现动态双轴加载，且不同轴向应力波的时间同步尚未得到有效解决。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的是提供一种动态双轴双向拉伸加载装置，具体是一种电磁感应式双轴双向加载的分离式霍普金森拉杆加载装置及实验方法，可以克服现有技术中存在的无法实现双轴双向应力波同步加载的难题，本专利技术的一种动态双轴双向拉伸加载装置，包括控制模块、主电路充放电模块、电容器组模块和加载平台模块，其中所述加载平台模块包括四台相同加载枪。在上述动态双轴双向拉伸加载装置中，所述加载平台模块还包括四根长度相同的波导杆，所述四台相同加载枪从四个方向对试样进行应力波加载，横向加载与纵向加载相互垂直布置，同一轴向产生的应力波幅值、脉宽相同。所述电容器组模块包括横向电容器组和纵向电容器组。所述控制模块包括电路板、可编程控制器、同步变压器、脉冲变压器、电磁继电器和延时信号发生器，为电路系统的弱电部分，所述控制模块的控制系统，由可编程控制器同时控制横向和纵向两套电容充放电系统，且增加了延时控制单元，所述控制模块采用延时信号发生器实现不同方向加载波时间上的同步。在上述动态双轴双向拉伸加载装置中，所述控制模块采用数字信号延时脉冲发生器，用于产生四个独立的脉冲信号触发可控硅整流器进行电容充电。所述主电路充放电模块包括充电电路和放电电路，由变压器、限流电阻、滤波电感、泄流电阻、真空接触器、电流/电压传感器组成，用于充放脉冲电容器组储存的能量，所述充电电路用于将输入电压升压到所需充电电压，并对电容器组进行充电；所述放电电路用于触发电容器组对放电线圈瞬间放电，进行电磁加载。所述电容器组模块由电容器组、放电可控硅构成，分别用于横向加载枪和纵向加载枪的放电，所述电容器组模块采用梯度电容器组，用于改变放电加载过程中产生的应力波的脉冲宽度，每个档位电容量固定，直接通过控制模块选择。所述控制模块包括电路板、可编程控制器、同步变压器、脉冲变压器、电磁继电器、延时信号发生器等，为电路系统的弱电部分。所述电路改进了中国专利公开号为CN104678853A提出的控制系统，由可编程控制器同时控制横向和纵向两套电容充放电系统，且增加了延时控制单元。由于实验设备PLC控制系统存在反应时差，且放电可控硅触发存在20ms-30ms的放电延迟。所述时间上的误差导致各方向加载波先后到达试样对其进行加载，试样将在先加载的方向产生局部变形，应力应变状态不再为双轴应力状态。所述控制模块采用延时信号发生器实现不同方向加载波时间上的同步，数字信号延时脉冲发生器用于产生四个独立的脉冲信号触发可控硅整流器进行电容充电。所述主电路充放电模块包括充电电路和放电电路，由变压器、限流电阻、滤波电感、泄流电阻、真空接触器、电流/电压传感器等组成，用于充放脉冲电容器组储存的能量。所述充电电路用于将输入电压升压到所需充电电压，并对电容器组进行充电；所述放电电路用于触发电容器组对放电线圈瞬间放电，进行电磁加载。所述电容器组模块包括横向电容器组和纵向电容器组，主要由电容器组、放本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种动态双轴双向拉伸加载装置，包括控制模块、主电路充放电模块、电容器组模块和加载平台模块，其中所述加载平台模块包括四台相同加载枪。

【技术特征摘要】
1.一种动态双轴双向拉伸加载装置，包括控制模块、主电路充放电模块、电容器组模块和加载平台模块，其中所述加载平台模块包括四台相同加载枪。2.根据权利要求1所述的动态双轴双向拉伸加载装置，其特征在于，所述加载平台模块还包括四根长度相同的波导杆，所述四台相同加载枪从四个方向对试样进行应力波加载，横向加载与纵向加载相互垂直布置，同一轴向产生的应力波幅值、脉宽相同。3.根据权利要求2所述的动态双轴双向拉伸加载装置，其特征在于，所述电容器组模块包括横向电容器组和纵向电容器组。4.根据权利要求3所述的动态双轴双向拉伸加载装置，其特征在于，所述控制模块包括电路板、可编程控制器、同步变压器、脉冲变压器、电磁继电器和延时信号发生器，为电路系统的弱电部分，所述控制模块的控制系统，由可编程控制器同时控制横向和纵向两套电容充放电系统，且增加了延时控制单元，所述控制模块采用延时信号发生器实现不同方向加载波时间上的同步。5.根据权利要求3所述的动态双轴双向拉伸加载装置，其特征在于，所述控制模块采用数字信号延时脉冲发生器，用于产生四个独立的脉冲信号触发可控硅整流器进行电容充电。6.根据权利要求3所述的动态双轴双向拉伸加载装置，其特征在于，所述主电路充放电模块包括充电电路和放电电路，由变压器、限流电阻、滤波电感、泄流电阻、真空接触器、电流/电压传感器组成，用于充放脉冲电容器组储存的能量，所述充电电路用于将输入电压升压到所需充电电压，并对电容器组进行充电；所述放电电路用于触发电容器组对放电线圈瞬间放电，进行电磁加载。7.根据权利要求3所述的动态双轴双向拉伸加载装置，其特征在，所述电容器组模块由电容器组、放电可控硅构成，分别用于横向加载枪和纵向加载枪的放电，所述电容器组模块采用梯度电容器组，用于改变放电加载过程中产生的应力波的脉冲宽度，每个档位电容量固定，直接通过控制模块选择。8.一种根据前述权利要求所述的动态双轴双向拉伸加载装置的实验方法，包括如下步骤：步骤1.排布器材：将加载枪、波导杆按同轴顺序安装在实验台上，并使各波导杆仅在轴线方向能够自由移动；波导杆与应力波放大器通过螺纹连接，根据拉伸、压缩实验类型设置主线圈、次线圈、应力波放大器的位置顺序；纵向与横向加载装置相互垂直，采用相同的顺序布置；在四根波导杆之间安装拉伸试样，并且使试样轴向与波导杆保持同轴；在各波导杆一半长度处的圆周上，沿杆轴线将两片参数完全相同的应变片对称粘贴在波导杆表面，通过引线接至数据采集系统的惠斯通电桥中；步骤2.实验参数设定：启动实验系统控制模块，通过触摸屏设定实验参数，包括设定脉冲电容器组的电容量、充电电压值和同步信号延迟时间；根据实验所需的加载波脉宽、幅值与电容、电压参数的对应关系，选择横向与纵向电容器组的电容值，输入每次实验对应的电压值，对横向与纵向的电容器组进行充电；调整实...

【专利技术属性】
技术研发人员：李玉龙，金康华，刘琛琳，聂海亮，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61