一种适用于软材料的霍普金森杆实验系统技术方案

本申请公开一种适用于软材料的霍普金森杆实验系统，其包括：同轴布置的撞击子弹、入射杆和透射管；其中，所述入射杆和所述透射管之间夹持有动态弹性模量在10MPa量级以下的粘弹性材料试样，所述撞击子弹和所述入射杆之间设置有用于延缓入射脉冲的上升沿的波形整形器；所述撞击子弹的长度为1.5m且所述撞击子弹采用亚克力材料制作，所述入射杆的长度为5m且所述入射杆采用钛合金材料制作，所述透射管内部中空且所述透射管采用亚克力材料制作。通过本申请能够使粘弹性材料试样在动态加载过程中达到应力平衡状态。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于软材料的霍普金森杆实验系统
本专利技术涉及材料的动态力学性能测试技术，尤其涉及一种适用于软材料的霍普金森杆实验系统。
技术介绍
分离式霍普金森杆实验技术主要基于两个基本假定。一个是一维应力波假定，此假定在杆径不大的情况基本是成立的。另一个是所测试样中应力、应变沿试样长度均匀分布假定，简称均匀性假定。在均匀性假定下，试样中的应变可以直接用试样两端的位移差求得。在应力波从入射杆进入试样的初期，试样中有明显的应力应变台阶和梯度，为实现均匀性假定，要求加载波在试样中多次反射之后，试样两端的应力差逐渐降低到可以忽略的程度。在简单近似下，正弦波的波速与波长无关，都是其中c为波速，E为弹性模量，ρ为密度，材料的波阻抗β被定义为β＝ρc，带入波速表达式得研究表明，试样与霍普金森杆材料的波阻抗差对应力平衡快慢有显著的影响，即波阻抗差距越小，试样需要达到应力平衡所需的应力波反射次数越少。传统的分离式霍普金森杆实验系统所测试样多为金属试样，霍普金森杆均匀性基本假定很容易满足。然而，在实际应用中，由于所研究试样的材料特异性，如生物软材料，聚合物软材料等，其密度与弹性模量都很小，从而此类材料的波阻抗特别低，与杆材料的波阻抗差距很大，在实验中一次入射波加载过程中达到应力平衡假定的时间长，传统的霍普金森杆实验装置无法在加载时间内实现应力平衡，从而不能准确地获得材料在高应变率下的动态力学性能，也无法满足分离式霍普金森杆的均匀性假定。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种适用于软材料的霍普金森杆实验系统，以解决传统的霍普金森杆实验装置对软材料试样进行加载时无法实现应力平衡，不能准确地获得材料在高应变率下的动态力学性能的问题。根据本专利技术实施例的一个方面，提出一种适用于软材料的霍普金森杆实验系统，其包括：同轴布置的撞击子弹、入射杆和透射管；其中，所述入射杆和所述透射管之间夹持有动态弹性模量在10MPa量级以下的粘弹性材料试样，所述撞击子弹和所述入射杆之间设置有用于延缓入射脉冲的上升沿的波形整形器；所述撞击子弹的长度大于1.5m且所述撞击子弹采用亚克力材料制作，所述入射杆的长度至少是所述撞击子弹的长度的2倍且所述入射杆采用钛合金材料制作，所述透射管内部中空且所述透射管采用亚克力材料制作。其中，所述粘弹性材料试样的外围设置有防护罩；其中，所述入射杆被所述撞击子弹撞击并对所述粘弹性材料试样进行冲击加载，所述防护罩收集所述粘弹性材料试样被破坏后产生的试样碎片。其中，所述防护罩的两侧分别设有与所述入射杆和所述透射管直径相对应的通孔，所述入射杆和所述透射管分别从所述通孔中伸入所述防护罩内对所述粘弹性材料试样进行夹持。其中，还包括高速摄像机，所述防护罩还设置有用于所述高速摄像机拍摄所述粘弹性材料试样的变形过程的观察窗。其中，所述波形整形器的尺寸为长2mm、宽2mm、厚1mm，所述波形整形器采用橡胶材料制作。其中，所述系统还包括用于采集所述透射管的透射信号的半导体应变片、以及用于采集所述入射杆的入射信号的金属应变片，其中所述半导体应变片的灵敏度系数是所述金属应变片的灵敏度系数的50-60倍。根据本专利技术实施例的另一个方面，还提出一种霍普金森杆实验系统，其包括：分离式霍普金森杆装置，其包括同轴布置的撞击子弹、入射杆和透射管；其中，所述入射杆和所述透射管之间夹持有粘弹性材料试样，所述粘弹性材料试样的动态弹性模量在10MPa量级以下；所述撞击子弹和所述入射杆之间设置有用于延缓入射脉冲的上升沿的波形整形器；所述撞击子弹的长度大于1.5m且所述撞击子弹采用亚克力材料制作，所述入射杆的长度至少是所述撞击子弹的长度的2倍且所述入射杆采用钛合金材料制作，所述透射管内部中空且所述透射管采用亚克力材料制作；防护罩，其设置在所述粘弹性材料试样的外围，所述防护罩收集所述粘弹性材料试样被破坏后产生的试样碎片；高速摄像机，其通过设置在所述防护罩上的观察窗拍摄所述粘弹性材料试样的变形过程。其中，在所述防护罩的两侧分别设置通孔，所述通孔分别与所述入射杆和所述透射管直径相对应，所述入射杆所述透射管分别从所述通孔中伸入所述防护罩内对所述粘弹性材料试样进行夹持。其中，所述波形整形器的尺寸为长2mm、宽2mm、厚1mm，所述波形整形器采用橡胶材料制作。本专利技术通过使用低波速的长子弹，增加了入射脉冲的脉宽，并且通过使用适合粘弹性材料试样动态加载的波形整形器，延缓入射脉冲的上升沿，进一步延长了入射波的加载时间，为应力波在试样内部来回反射提供足够的时间，使粘弹性材料试样在动态加载过程中达到应力平衡状态；并且，通过使用低弹性模量的空心透射管，可以精确地测量到粘弹性材料在动态加载过程中微弱的透射信号，解决透射信号难以采集的问题。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1是根据本专利技术实施例的霍普金森杆实验系统的示意图；图2是根据本专利技术实施例的多种材料的波形整形器的整形效果示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术具体实施例及相应的附图对本专利技术技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。以下结合附图，详细说明本专利技术各实施例提供的技术方案。分离式霍普金森杆实验技术是目前测量材料在高应变率下的动态力学性能时最常用的方法之一，该装置主要由气室、子弹、入射杆、透射管、吸能装置和数据采集系统组成。霍普金森杆方法的基本原理是：将试样置于入射杆和透射管之间，子弹由高压气体推动，以一定速度撞击入射杆，在入射杆中产生压缩应力波(由贴在入射杆上的应变片测得脉冲信号)，对试样进行加载。同时，由于入射杆与试样之间的波阻抗不匹配，部分入射波会反射回入射杆，并由贴在入射杆上的应变片测得，另外一部分应力波会穿过试样到达透射管，并被透射管上的应变片测得。由测得的入射波、反射波和透射波进行数据处理可以得到材料的应力应变关系，获得材料在高应变率下的动态力学性能。由一维应力波理论可知，入射杆中右行应力脉冲持续时间等于波在子弹内来回一次的时间，所以子弹的长度和波速决定了应力波的脉宽。另外，对于特别软的试样材料，无法保证试样材料满足分离式霍普金森杆的均匀性假设。根据本专利技术实施例提供了一种适用于软材料的霍普金森杆实验系统，如图1所示，该系统包括：包括分离式霍普金森杆(SHPB)实验装置、高速摄像机和防护罩。其中，分离式霍普金森杆实验装置主要包括：气瓶(图中未示出)、气室1、子弹发射腔2、子弹3、入射杆9、透射管14、能量吸收器15和数据采集系统，上述装置除数据采集系统外均设置于实验平台16上，实验平台16上设有支撑入射杆和透射管的支撑座7，能量吸收器15设置于透射管14的末端，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于软材料的霍普金森杆实验系统，其特征在于，包括：同轴布置的撞击子弹、入射杆和透射管；其中，所述入射杆和所述透射管之间夹持有动态弹性模量在10MPa量级以下的粘弹性材料试样，所述撞击子弹和所述入射杆之间设置有用于延缓入射脉冲的上升沿的波形整形器；所述撞击子弹的长度大于1.5m且所述撞击子弹采用亚克力材料制作，所述入射杆的长度至少是所述撞击子弹的长度的2倍且所述入射杆采用钛合金材料制作，所述透射管内部中空且所述透射管采用亚克力材料制作。/n

【技术特征摘要】
1.一种适用于软材料的霍普金森杆实验系统，其特征在于，包括：同轴布置的撞击子弹、入射杆和透射管；其中，所述入射杆和所述透射管之间夹持有动态弹性模量在10MPa量级以下的粘弹性材料试样，所述撞击子弹和所述入射杆之间设置有用于延缓入射脉冲的上升沿的波形整形器；所述撞击子弹的长度大于1.5m且所述撞击子弹采用亚克力材料制作，所述入射杆的长度至少是所述撞击子弹的长度的2倍且所述入射杆采用钛合金材料制作，所述透射管内部中空且所述透射管采用亚克力材料制作。


2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述粘弹性材料试样的外围设置有防护罩；其中，所述入射杆被所述撞击子弹撞击并对所述粘弹性材料试样进行冲击加载，所述防护罩收集所述粘弹性材料试样被破坏后产生的试样碎片。


3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述防护罩的两侧分别设有与所述入射杆和所述透射管直径相对应的通孔，所述入射杆和所述透射管分别从所述通孔中伸入所述防护罩内对所述粘弹性材料试样进行夹持。


4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括高速摄像机，所述防护罩还设置有用于所述高速摄像机拍摄所述粘弹性材料试样的变形过程的观察窗。


5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述波形整形器的尺寸为长2mm、宽2mm、厚1mm，所述波形整形器采用橡胶材料制作。


6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括用于采集所述透射管的透射信号的半导体应变片、以及用于采集所述入射杆的入射信号的金属应变片，其中所述半导体应变片的...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾赛克，邓琼，刘悦，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61