一种材料动态力学参数获取装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术的实施例提供了一种材料动态力学参数获取装置和方法，可解决现有技术应力波控制精准度低的问题。所述装置包括：电磁式霍普金森拉杆加载单元；电磁式霍普金森扭杆加载单元；应力波同步单元；获取单元。所述方法包括步骤：加载拉伸应力波；加载扭转应力波；获得试样的拉伸应力参数；获得试样的扭转应力参数；其中，试样的拉伸应力参数和试样的扭转应力参数作为材料动态力学参数。本发明专利技术的实施例通过将电磁驱动的扭转应力波发生装置和拉伸应力波发生装置应用于霍普金森拉伸‑扭转耦合实验中，使得实验装置产生的扭转应力波和拉伸应力波在产生时间、脉宽以及幅值方面都能达到精确控制。

A device and method for obtaining dynamic mechanical parameters of materials

The embodiment of the invention provides a device and method for obtaining dynamic mechanical parameters of materials, which can solve the problem of low precision of stress wave control in the prior art. The device comprises an electromagnetic Hopkinson rod loading unit, an electromagnetic Hopkinson torsion rod loading unit, a stress wave synchronization unit and an acquisition unit. The method includes the following steps: loading tensile stress wave; loading torsional stress wave; obtaining tensile stress parameters of the specimen; obtaining torsional stress parameters of the specimen; in which the tensile stress parameters of the specimen and torsional stress parameters of the specimen are taken as dynamic mechanical parameters of the material. The embodiment of the invention applies the electromagnetic driven torsional stress wave generating device and the tensile stress wave generating device to the Hopkinson tension-torsion coupling experiment, so that the torsional stress wave and the tensile stress wave generated by the experimental device can be accurately controlled in the aspects of generation time, pulse width and amplitude.

【技术实现步骤摘要】
一种材料动态力学参数获取装置及方法
本专利技术涉及材料动态力学参数的获取装置及方法，具体说是一种基于电磁力的拉伸应力波-扭转应力波耦合发生单元的材料动态力学参数获取装置及方法，所述拉伸应力波-扭转应力波耦合发生单元可以作为分离式霍普金森拉伸-扭转复合加载实验的应力波加载单元。
技术介绍
霍普金森杆实验单元一直是测量材料在高应变率下的力学参数时使用最广泛的方法之一。其中包括霍普金森压杆技术、拉杆技术和扭杆技术，分别用于测量材料在高应变率下的单轴压缩、拉伸和扭转参数。其主要原理为：将所测材料的试样置于两根细长杆之间，通过某种加载方式给入射杆加载一个压缩应力波、拉伸应力波或扭转应力波，波通过入射杆传播到试样上，从而对试样进行加载。然后利用贴在两根细长杆上的应变片来获得一对脉冲信号，通过一维弹性应力波理论，就可以将杆子上的脉冲信号转化为试样上的载荷随时间的变化信号，从而测得材料在单轴应力状态下的动态力学参数。然而，在实际应用中，工程结构和材料遭受冲击时自身的应力状态是很复杂的。因此，研究材料在多轴应力下的力学参数也是一个很重要的课题。由于传统的霍普金森杆只能测量材料在单轴应力状态下的动态力学参数，研究者们通常都是将材料所受到的多轴应力状态解耦为单轴应力状态，从而通过传统的霍普金森杆实验结果来得到材料在多轴应力状态下的力学参数。然而这种方法并没有考虑应力的耦合效应对材料动态力学参数的影响。因此，许多国内外学者对传统的霍普金森杆实验单元进行了改进，研究出了可测试材料多轴应力的霍普金森杆实验单元。卢芳云等制造了一种霍普金森压剪复合加载系统。该系统将入射杆端加工为两个对称斜面，对应斜面上各正对一个透射杆，两个试样对称放置在入射斜面与透射杆端面之间。此时应力波将以一定的角度传入试样，从而实现试样的压剪复合加载。Huang等则将霍普金森压杆和扭杆结合起来，设计了一种可实现压扭复合加载的霍普金森杆实验单元。其中一根杆向试样施加压缩波载荷，而压缩波是由气枪将撞击杆高速发射，与入射杆同轴撞击产生的；另一根杆向试样施加扭转波载荷，其应力波发生单元采取的是储能式加载方式。然后使扭转加载单元和拉伸加载单元以一定的时间间隔触发，来使扭转应力波和拉伸应力波同时达到试样的两端，从而实现对试样在高应变率下的拉伸-扭转复合加载。但由于目前霍普金森杆所采用的应力波加载方式都是机械加载，应力波的产生时间不能精确控制。而为了使试样受到扭转波和拉伸波或者扭转波和压缩波耦合的载荷，必须要使扭转波和拉伸波或者扭转波和压缩波分别同时到达试样的两个端面，这就需要能够严格控制扭转波、压缩波和拉伸波的产生时间。而传统的霍普金森杆的机械加载方式是无法严格控制应力波的产生时间的，这也成为了研制复合加载的霍普金森杆单元的难点。电磁力加载技术由于其控制时间精准，对输出载荷幅值、脉宽的可控性强等特性，吸引了很多研究者的注意。HuberASchmitt等人对电磁铆接技术进行了研究，并申请了电磁铆接技术的专利(美国专利：3961739，1974年5月7日)，之后ZievePeter等人研制了低压电磁铆接技术(欧洲专利：0293257，1988年5月27日)，弥补了高压电磁铆接在铆接质量和推广应用方面存在的缺陷。电磁铆接的工作原理：在放电线圈和工件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，使铆钉成型。中国专利申请号为201420098605.4和201410161610.X的专利中，分别提出了将电磁铆接单元直接应用于霍普金森压杆单元中的设备方案和实验方法，但此方法获得的波形具有局限性。在中国专利申请号为201410173843.1和201410171963.8的两个专利技术创造中提出了一种基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器实验单元以及使用方法，但这两种方案结构比较复杂，且传统的波形整形技术无法应用于拉伸情况。为了改善这种缺陷，随后在中国专利申请号为201510956545.4的专利技术申请中，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。在中国专利申请号为201510051071的专利技术创造中，提出了一种电磁式实验单元的主线圈结构和使用方法，以提高电磁式实验单元所产生的幅值和脉冲宽度的变化范围。中国专利申请号为201510257557.8的专利中提出了一种电磁式霍普金森扭杆加载单元，该单元利用了直流电机的工作原理，先对一个LRC电路进行充电，然后使储存的电能释放到定子线圈上，从而使定子线圈对转子上的永磁铁产生电磁力，使转子获得瞬时扭矩，然后将这个瞬时扭矩通过转子轴输出到霍普金森扭杆上，从而产生一个扭转应力波。在中国专利申请号为201520325217.X的专利中，提出了具体的电磁式霍普金森扭杆加载单元的加载枪结构设计。目前来说，由电磁驱动的单轴霍普金森杆实验单元都有学者进行了研究，但还没有可以同时对试样施加拉伸波-扭转波，压缩波-扭转波的多轴霍普金森杆实验单元出现，以以获得试样的材料动态力学参数。
技术实现思路
本专利技术的实施例提供了一种材料动态力学参数获取装置和方法，可解决现有技术应力波控制精准度低的问题。本专利技术的实施例提供了一种材料动态力学参数获取装置，包括：电磁式霍普金森拉杆加载单元，其包括拉伸波加载枪和拉伸杆，其中，拉伸波加载枪用于向拉伸杆加载拉伸应力波；电磁式霍普金森扭杆加载单元，其包括扭转波加载枪和扭转杆，其中，扭转波加载枪用于向扭转杆加载扭转应力波，扭转杆与拉伸杆为同一轴线；应力波同步单元，其与电磁式霍普金森拉杆加载单元和电磁式霍普金森扭杆加载单元电连接，用于控制电磁式霍普金森拉杆加载单元向拉伸杆加载拉伸应力波，和用于控制电磁式霍普金森扭杆加载单元向扭转杆加载扭转应力波；获取单元，其包括两个压缩应变片、两个扭转应变片和数据采集单元，两个拉伸应变片和两个扭转应变片分别和数据采集单元相连，用于获取试样的材料动态力学参数，其中，两个拉伸应变片分别设置在拉伸杆表面上和扭转杆表面上，两个扭转应变片分别设置在拉伸杆表面上和扭转杆表面上，试样设置在拉伸杆和扭转杆之间并与拉伸杆和扭转杆保持同一轴线。两个拉伸应变片分别粘贴所述压缩杆和所述扭转杆约1/2长度的表面上，并且拉伸应变片粘贴的方向与杆轴线方向相同，所述拉伸应变片用于记录拉伸应力波在拉伸杆和扭转杆中传播时的应变信号。所述扭转应变片分别对称粘贴在拉伸杆和扭转杆约1/2长度的表面上，其中扭转应变片粘贴的方向与杆轴线方向成一锐角夹角，所述扭转应变片用于记录扭转应力波在拉伸杆和扭转杆中传播时的应变信号。所述锐角夹角为45°。所述数据采集单元包括惠斯通电桥和数据采集器，其中，拉伸应变片和扭转应变片接入惠斯通电桥中；惠斯通电桥输出信号至数据采集器。本专利技术实施例还公开了一种材料动态力学参数获取方法，包括步骤：加载拉伸应力波；加载扭转应力波；获得试样的拉伸应力参数；获得试样的扭转应力参数；其中，试样的拉伸应力参数和试样的扭转应力参数作为材料动态力学参数。所述获得试样的拉伸应力参数包括步骤：将数据采集单元记录的电压信号转本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种材料动态力学参数获取装置，其特征在于，包括：电磁式霍普金森拉杆加载单元，其包括拉伸波加载枪和拉伸杆，其中，拉伸波加载枪用于向拉伸杆加载拉伸应力波；电磁式霍普金森扭杆加载单元，其包括扭转波加载枪和扭转杆，其中，扭转波加载枪用于向扭转杆加载扭转应力波，扭转杆与拉伸杆为同一轴线；应力波同步单元，其与电磁式霍普金森拉杆加载单元和电磁式霍普金森扭杆加载单元电连接，用于控制电磁式霍普金森拉杆加载单元向拉伸杆加载拉伸应力波，和用于控制电磁式霍普金森扭杆加载单元向扭转杆加载扭转应力波；获取单元，其包括两个拉伸应变片、两个扭转应变片和数据采集单元，两个拉伸应变片和两个扭转应变片分别和数据采集单元相连，用于获取试样的材料动态力学参数，其中，两个拉伸应变片分别设置在拉伸杆表面上和扭转杆表面上，两个扭转应变片分别设置在拉伸杆表面上和扭转杆表面上，试样设置在拉伸杆和扭转杆之间并与拉伸杆和扭转杆保持同一轴线。

【技术特征摘要】
1.一种材料动态力学参数获取装置，其特征在于，包括：电磁式霍普金森拉杆加载单元，其包括拉伸波加载枪和拉伸杆，其中，拉伸波加载枪用于向拉伸杆加载拉伸应力波；电磁式霍普金森扭杆加载单元，其包括扭转波加载枪和扭转杆，其中，扭转波加载枪用于向扭转杆加载扭转应力波，扭转杆与拉伸杆为同一轴线；应力波同步单元，其与电磁式霍普金森拉杆加载单元和电磁式霍普金森扭杆加载单元电连接，用于控制电磁式霍普金森拉杆加载单元向拉伸杆加载拉伸应力波，和用于控制电磁式霍普金森扭杆加载单元向扭转杆加载扭转应力波；获取单元，其包括两个拉伸应变片、两个扭转应变片和数据采集单元，两个拉伸应变片和两个扭转应变片分别和数据采集单元相连，用于获取试样的材料动态力学参数，其中，两个拉伸应变片分别设置在拉伸杆表面上和扭转杆表面上，两个扭转应变片分别设置在拉伸杆表面上和扭转杆表面上，试样设置在拉伸杆和扭转杆之间并与拉伸杆和扭转杆保持同一轴线。2.根据权利要求1所述的材料动态力学参数获取装置，其特征在于，两个拉伸应变片分别粘贴所述拉伸杆和所述扭转杆约1/2长度的表面上，并且拉伸应变片粘贴的方向与杆轴线方向相同，所述拉伸应变片用于记录拉伸应力波在拉伸杆和扭转杆中传播时的应变信号。3.根据权利要求1所述的材料动态力学参数获取装置，其特征在于，所述扭转应变片分别对称粘贴在拉伸杆和扭转杆约1/2长度的表面上，其中扭转应变片粘贴的方向与杆轴线方向成一锐角夹角，所述扭转应变片用于记录扭转应力波在拉伸杆和扭转杆中传播时的应变信号。4.根据权利要求3所述的材料动态力学参数获取装置，其特征在于，所述锐角夹角为45°。5.根据权利要求3所述的材料动态力学参数获取装置，其特征在于，所述数据采集单元包括惠斯通电桥和数据采集器，其中，拉伸应变片和扭转应变片接入惠斯通电桥中；惠斯通电桥输出信号至数据采集器。6.一种基于权利要求1-5所述装置的材料动态力学参数获取方法，其特征在于，包括步骤：加载拉伸应力波；加载扭转应力波；获得试样的拉伸应力参数；获得试样的扭转应力参数；其中，试样的拉伸应力参数和试样的扭转应力参数作为材料动态力学参数。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述获得试样的拉伸应力参数包括步骤：将数据采集单元记录的电压信号转化为拉伸杆...

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