一种产生大位移的电磁加载装置及其试验方法，主动线圈与滑套套装在中心杆上，并使滑套的内圆周表面与该中心杆的外圆周表面之间滑动配合。次级线圈套装在滑套上，并使该次级线圈与滑套之间干涉配合。在主动线圈和次级线圈外部设计有软磁材料制成的磁轭，约束主动线圈和次级线圈在受脉冲激励下产生脉冲磁场的磁力线向外发散，使磁力线集中在线圈周围，从而实现在不增加主动线圈充放电电路的电容大小和电容初始电压的情况下增大电磁力。经数值模拟，在限定了最大电压和电容的情况下，加载装置的主要受力部件在加载过程中始终处在所述次级线圈、加载杆和垫块的弹性阶段，因此整个加载装置都能够重复使用，试验的重复性好。
【技术实现步骤摘要】
一种产生大位移的电磁加载装置及其试验方法
本专利技术涉及动态加载领域，具体是一种基于电磁力产生大位移的动态加载试验装置及试验方法。
技术介绍
常用产生大位移加载的加载方式主要有电机和液压加载、空气炮加载、爆炸驱动加载等。但是这些方法都有其局限性，电机和液压驱动方式是通过电动机或液压装置带动加载装置对试件进行加载，但这种方式在加载速度上存在局限性，不能在微秒毫秒量级的时间内实现一个几十毫米的大位移加载。空气炮加载是通过高压气体的瞬间释放，推动发射管内子弹运动，利用子弹撞击进行加载；爆炸驱动加载是通过炸药爆炸产生冲击载荷对试件进行加载。这两种加载方式虽然能实现微秒毫秒时间内的大位移加载，但随着位移的增大，加载时间也会随之减小。并且空气炮加载、爆炸驱动加载这类加载方式，其装置、试验程序复杂；受加载方式的影响，试验结果的重复性很差。常用的电磁加载方式能够完成在极短时间内的加载，并且整体装置简单，试验结果的重复性很好。在201410171963.8的中国专利中公开了一种“基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器及试验方法”，该装置基于霍普金森杆原理可以实现微秒量级的加载，但其所产生的位移量很小，仅有1～2mm。2015年哈尔滨工业大学的汝楠在其学位论文《强脉冲电磁力驱动的冲击载荷研究》中提出了一种强脉冲电磁力驱动装置，其驱动原理与上述西北工业大学专利技术的专利类似，利用主动线圈和次级线圈之间的强电磁力推动冲头对试件加载，理论上能够实现1ms内30mm的位移加载；但其机械结构复杂，内部螺栓、弹簧等连接件在加载过程中容易损坏，使装置的使用寿命受到限制；另外，受限于其装置的限位结构，实际最大位移仅有16mm。
技术实现思路
为解决现有大位移加载装置在极短时间内的位移小、加载过程难以控制、试验重复性差、试验系统复杂等问题，本专利技术提出了一种产生大位移的电磁加载装置及其试验方法。本专利技术提出的产生大位移的电磁加载装置包括磁轭、主动线圈、次级线圈、加载杆和滑套。所述磁轭的内端面有环形凹槽；在该凹槽的中心有轴向的安装杆。主动线圈位于该凹槽内并套装在磁轭内的中心杆上，并使该主动线圈的内端面与该凹槽的槽底内表面贴合。在该中心杆上套装有滑套，并使该滑套的端面与所述主动线圈的外端面贴合；该滑套的内圆周表面与该中心杆的外圆周表面之间滑动配合。所述次级线圈套装在该滑套的外圆周表面，并使该次级线圈与滑套之间干涉配合。所述垫块套装在所述中心杆上并粘接在所述次级线圈的端面；该垫块的内圆周表面与该中心杆外圆周表面之间有间隙。所述加载杆的一端装入该凹槽内，并使该加载杆的端面与垫块的端面贴合；该加载杆的另一端与试件贴合。所述磁轭、主动线圈、次级线圈、垫块、加载杆和滑套均同轴。所述主动线圈的内圆周表面与该中心杆的外圆周表面之间有5mm的间隙。所述主动线圈的外圆周表面和次级线圈的外圆周表面均与该磁轭的内表面之间有5mm的间隙。所述磁轭由缸体和中心杆组成；该中心杆位于该磁轭内中心。所述缸体的外径为230～300mm，内径为180～250mm。所述中心杆的直径为50mm。在该磁轭内端面有凹槽，该凹槽的外径为180～250mm，内径50mm。所述主动线圈是由厚2～5mm、宽10～50mm的铜带绕制8～24匝而形成的平板圆环线圈。该主动线圈的外径为170～240mm。所述次级线圈外径与所述主动线圈的外径相同，内径与滑套的外径相同；所述次级线圈的轴向长度为主动线圈的1.5倍。所述垫块圆环宽度应至少为所述次级线圈圆环宽度的3/4。该垫块的轴向长度为次级线圈的1/2。所述加载杆的壁厚为10mm，内径为次级线圈外径的1/2。该加载杆的轴向长度为7m。本专利技术提出的利用所述产生大位移的电磁加载装置进行大位移加载试验的具体过程是：步骤1：加载装置与试件的配合：将加载装置中加载杆一端的端面与试件的加载面贴合。步骤2：粘贴应变片以及安装激光位移传感器；粘贴应变片以及安装激光位移传感器时，以加载杆的轴线为对称轴，将两片参数完全相同的应变片对称的贴在加载杆长度1/2处的外圆周表面上，并使该应变片的测量方向应与加载杆轴线方向相同。所述应变片电阻值为1000欧姆，灵敏度系数为2.0。将所述应变片的引线接入惠斯通电桥。所述惠更斯电桥输出信号接入到超动态应变仪。安装激光位移传感器，所述激光位移传感器射出的光斑应位于加载杆末端的外表面圆周上。所述超动态应变仪和激光位移传感器的信号输出线均接入波形存贮器和计算机中。步骤3：进行加载试验：进行加载试验时，通过外接的电容充电器对加载装置的主动线圈瞬时一次放电，完成加载。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。进行加载试验时，所述外接电路的电容值为10～30毫法，电压值为3000～5500伏；放电时间为2ms。步骤4：数据处理。通过应变片将加载杆上的应变变化转换为电阻变化，进而通过惠斯通电桥转化为电压变化，所述电压变化通过常规的屏蔽信号线输入并储存到波形存贮器中，得到加载杆中的应力波信号。所述应力波信号σ通过公式(1)得到：磁轭其中，σ为应力波信号，E为加载杆材料的杨氏模量；U0为惠斯通电桥的供电电压；k为应变片灵敏度系数；ΔU是惠斯通电桥桥臂电压随时间的变化值。通过激光位移传感器直接输出位移随时间的变化曲线，并在计算机上读取数据。至此，完成所述利用电磁加载装置进行大位移加载试验。本专利技术提出的产生大位移的电磁加载装置中的主动线圈连接一个外部电容放电电路。考虑到能量损耗以及电容大小和电容电压的许用值，加载杆采用空心状。所述主动线圈和次级线圈均套在中心部分磁轭上，被磁轭的外层部分包裹。所述垫块与次级线圈之间、次级线圈与加载杆之间分别紧密贴合。所述大位移是指加载杆末端位移在30mm以上。所述极短时间是指在几个毫秒内。所述电容放电电路与现有技术相同。本专利技术中，当放电电路导通后，放电电流流经主动线圈，由于电容放电产生的电流是随时间变化的，因此会在次级线圈当中产生电流涡流，经有限元模拟可知，所述涡流的电流强度随时间呈正弦变化，周期与主动线圈电流周期一致，涡流大小在次级线圈厚度方向随着与主动线圈的距离增加而减小。圈中的涡流方向与主动线圈中的电流方向相反，二者产生的脉冲磁场也相反，从而使次级线圈和主动线圈之间产生极强的电磁斥力。所述脉冲磁场的磁感线受到磁轭的约束作用，不会向外发散，而是集中在两个线圈周围，从而起到放大电磁力的作用。并且由于磁轭的作用，次级线圈运动过程中切割的磁感线也会变多，切割磁感线会产生更强的感应电动势，进而产生更强的感应磁场和更强的电磁斥力。所述电磁斥力在次级线圈中表现为一个压缩应力波，压缩应力波由次级线圈经垫块传入到加载杆中，由一维应力波理论，压缩应力波驱动加载杆运动，产生位移。由于是通过电磁方式对应力波进行控制的，通过调整外部电路的电容和电压可以控制应力波的幅值和脉宽，例如，当电压一定时，调整外部电容放电电路的电容可以控制应力波的宽度；当电容本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种产生大位移的电磁加载装置，其特征在于，包括磁轭、主动线圈、次级线圈、加载杆和滑套。所述磁轭的内端面有环形凹槽；在该凹槽的中心有轴向的安装杆。主动线圈位于该凹槽内并套装在磁轭内的中心杆上，并使该主动线圈的内端面与该凹槽的槽底内表面贴合。在该中心杆上套装有滑套，并使该滑套的端面与所述主动线圈的外端面贴合；该滑套的内圆周表面与该中心杆的外圆周表面之间滑动配合。所述次级线圈套装在该滑套的外圆周表面，并使该次级线圈与滑套之间干涉配合。所述垫块套装在所述中心杆上并粘接在所述次级线圈的端面；该垫块的内圆周表面与该中心杆外圆周表面之间有间隙。所述加载杆的一端装入该凹槽内，并使该加载杆的端面与垫块的端面贴合；该加载杆的另一端与试件贴合。所述磁轭、主动线圈、次级线圈、垫块、加载杆和滑套均同轴。/n
【技术特征摘要】
1.一种产生大位移的电磁加载装置，其特征在于，包括磁轭、主动线圈、次级线圈、加载杆和滑套。所述磁轭的内端面有环形凹槽；在该凹槽的中心有轴向的安装杆。主动线圈位于该凹槽内并套装在磁轭内的中心杆上，并使该主动线圈的内端面与该凹槽的槽底内表面贴合。在该中心杆上套装有滑套，并使该滑套的端面与所述主动线圈的外端面贴合；该滑套的内圆周表面与该中心杆的外圆周表面之间滑动配合。所述次级线圈套装在该滑套的外圆周表面，并使该次级线圈与滑套之间干涉配合。所述垫块套装在所述中心杆上并粘接在所述次级线圈的端面；该垫块的内圆周表面与该中心杆外圆周表面之间有间隙。所述加载杆的一端装入该凹槽内，并使该加载杆的端面与垫块的端面贴合；该加载杆的另一端与试件贴合。所述磁轭、主动线圈、次级线圈、垫块、加载杆和滑套均同轴。
2.如权利要求1所述产生大位移的电磁加载装置，其特征在于，所述主动线圈的内圆周表面与该中心杆的外圆周表面之间有5mm的间隙。所述主动线圈的外圆周表面和次级线圈的外圆周表面均与该磁轭的内表面之间有5mm的间隙。
3.如权利要求1所述产生大位移的电磁加载装置，其特征在于，所述磁轭磁轭由缸体和中心杆组成；该中心杆位于该磁轭内中心。所述缸体的外径为230～300mm，内径为180～250mm。所述中心杆的直径为50mm。在该磁轭内端面有凹槽，该凹槽的外径为180～250mm，内径50mm。
4.如权利要求1所述产生大位移的电磁加载装置，其特征在于，所述主动线圈是由厚2～5mm、宽10～50mm的铜带绕制8～24匝而形成的平板圆环线圈。该主动线圈的外径为170～240mm。
5.如权利要求1所述产生大位移的电磁加载装置，其特征在于，所述次级线圈外径与所述主动线圈的外径相同，内径与滑套的外径相同；所述次级线圈的轴向长度为主动线圈的1.5倍。
6.如权利要求1所述产生大位移的电磁加载装置，其特征在于，所述垫块圆环宽度应至少为所述次级线圈圆环宽度的3/4。该垫块的轴向长度为次级线圈的1/2。
7.如权利要求1所述产生大位移的电磁加载装置，其特征在于...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭亚洲，陈旭，胡伟明，李玉龙，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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