一种动态扭转-拉伸/压缩同步联合加载装置及加载方法制造方法及图纸

一种动态扭转

【技术实现步骤摘要】
一种动态扭转
‑
拉伸/压缩同步联合加载装置及加载方法


[0001]本专利技术涉及材料冲击动力学实验
，具体说是一种用于材料在动态扭转和动态拉伸/压缩两种载荷同时作用下测试力学性能的加载装置和加载方法。

技术介绍

[0002]霍普金森杆(又称Kolsky杆)是测试材料在动态加载条件下力学性能的重要装置。霍普金森杆装置基于一维弹性应力波理论，其测试应变率通常在100s
‑1到10000s
‑1之间。经过多年的发展，霍普金森杆装置已日趋成熟并广泛用于测试材料在动态压缩、动态拉伸、动态扭转等状态下的力学性能。
[0003]目前应用较为广泛的霍普金森扭杆加载方式为储能式，最早由W.E.Baker和C.H.Yew在1966年发表的Strain
‑
rate effects in the propagation of torsion plastic waves一文中提出，其设计思想是先对入射杆部分长度进行预扭转，储存弹性扭转势能，再通过夹紧装置的突然释放将能量以应力波的形式在杆中传播，最终实现对杆端试样的加载。与其他加载方式(爆炸式、气动式)相比，储能式较为安全简单，并能将应力波上升沿控制在20～40微秒内。但其缺点是该夹紧装置的释放时间不受控，即不能精确控制扭转应力波的产生时间。
[0004]近几年来，申请人开展了一系列基于电磁加载的霍普金森杆实验装置和方法的研究，其中在申请号为201810120975.6的专利技术创造中公开了一种单轴双向电磁霍普金森压杆及拉杆的加载方法，该加载方式利用电磁能量转换技术产生应力波脉冲，脉冲的产生依靠放电开关实现，在开关触发和应力脉冲的产生之间没有时间延迟，因此脉冲的时间精确性很容易通过电路控制。但是该装置没有办法实现拉伸/压缩与扭转复合加载。
[0005]现有技术中存在的不足主要包括以下两个方面：
[0006]一方面，扭转波产生时间较长导致扭转波的上升沿太缓太长
[0007]在申请号为201510106511.6的专利技术创造中提出了一种动态拉/压与扭同步联合加载实验装置，该装置中扭转波的产生依靠控制器触发液压机构的释放；这一释放过程所需的时间在数百微秒甚至毫秒量级。由此会带来两个问题：第一，由于该动态拉/压与扭同步联合加载实验装置中，拉伸波和扭转波从同一侧传至试验件，要实现两列波对试件的同步加载，拉伸发射管与扭转夹紧装置之间需要很长的距离以抵消两列波之间的不同步。而入射杆过长既不利于加工，也会影响应力波的传播。第二，由于机械运动时间的不确定性，导致两列波到达试件的时间不同步，无法保持试件内应力状态的一致，使试验失败。
[0008]另一方面，现有技术中国际申请号为PCT/CN2020/113154的专利技术创造中的装置虽然能够实现复杂应力状态如拉伸/压缩和扭转复合的动态冲击加载，准确控制扭转应力波的产生时间，但是其扭转应力波的产生涉及电磁释放装置，装置成本高昂且结构复杂，产生的扭转波的上升沿较缓较长。

技术实现思路

[0009]为了提高扭转应力波的上升沿，简化扭转
‑
拉伸/压缩复合加载实验装置同时保证扭转应力波和拉伸/压缩应力波到达试样的同步性，本专利技术提出了一种动态扭转
‑
拉伸/压缩同步联合加载装置及加载方法。
[0010]本专利技术提出的动态扭转
‑
拉伸/压缩同步联合加载装置包括霍普金森扭杆加载单元、电磁霍普金森拉/压杆单元、同步控制单元以及力学测试单元。其中：所述霍普金森扭杆加载单元包括扭转入射杆、夹持机构和扭矩加载机构；所述扭转入射杆的一端固定在扭矩加载机构上且两者紧密相连，通过该扭矩加载机构带动扭转入射杆转动以施加扭矩。所述夹持机构套装在该扭转入射杆上，通过夹头夹紧该扭转入射杆。
[0011]所述断裂螺栓与夹头通过螺纹配合，通过旋紧夹紧螺栓和断裂螺栓夹头夹紧扭转入射杆，使扭转入射杆与夹头无相对滑动。
[0012]所述电磁霍普金森拉/压杆单元中的拉伸入射杆的一端与加载枪连接。另一端为悬臂端，其端面与所述扭转入射杆的端面相对应；试样位于该拉伸入射杆与扭转入射杆之间。在所述入射杆的外圆周表面分布有三组应变花，其中第一组应变花和第三组应变花分别通过数据线与数据采集器联通；第二组应变花通过数据线与同步控制单元的延时脉冲发生器的信号输入端联通。
[0013]所述夹持机构包括夹持机构底座和夹头；所述夹头由两个夹板和断裂螺栓组成，两个夹板平行地位于夹持机构底座内，并使分别位于两个夹板内侧表面的夹持槽相对应；断裂螺栓安装在所述两个夹板的上端，并使该断裂螺栓中部的缺口位于夹持机构的两个夹板中间；所述夹紧螺栓位于该夹持机构底座的两个支板上。
[0014]所述夹持机构与试样端的长度为1.5m，拉伸入射杆升温长度为1.5m。
[0015]所述延时脉冲发生器的时间精度为10ns。
[0016]在所述拉伸入射杆长度的1/2处的圆周对称的粘贴有两片拉伸应变片；该拉伸应变片接入数据采集系统中的惠斯通电桥中。
[0017]所述三组应变花中，每个应变花由两个互相垂直的应变片组成，粘贴时两个应变片的角平分线与入射杆的中轴线平行，分别粘贴在扭矩加载机构与夹持机构之间的中间、夹持机构向试样方向距离夹持机构10cm处，以及夹持机构与试样的中间。
[0018]本专利技术还提出了一种利用所述动态扭转
‑
拉伸/压缩同步联合加载装置进行加载的方法，具体过程是：
[0019]步骤1，排布器材：
[0020]将电磁霍普金森拉伸加载装置、拉伸入射杆、夹持机构、扭矩加载机构和扭转入射杆按顺序安装于实验台上。装配扭矩加载机构与扭转入射杆，使二者紧密配合，并使扭转杆在夹持机构和定位筒上自由旋转；将加载枪与拉伸入射杆进行装配。
[0021]将加载枪与拉伸入射杆进行装配的具体方法为：将拉伸入射杆有外螺纹的一端依次穿过实验台上的定位筒、加载枪的中心孔和放大器的通孔，拉伸入射杆与加载枪的中心孔、放大器的通孔和定位筒的通孔自由配合，使两个入射杆在与其它装置连接前能够自由滑动且轴心在同一水平线上。拉伸入射杆有外螺纹的一端穿出放大器，与凸台通过螺纹连接，加载枪、放大器和凸台贴紧，调整定位筒高度，使拉伸入射杆、扭转入射杆和加载装置位于同一水平线。
[0022]步骤2，粘贴应变片：
[0023]在拉伸入射杆是粘贴所述拉伸应变片；粘贴时，将两片相同的拉伸应变片对称地粘贴在拉伸入射杆长度的1/2处的圆周表面；在所述拉伸应变片的引脚上焊接应变片引线，并将所述应变片引线接入数据采集系统中的惠斯通电桥中。
[0024]在扭转入射杆粘贴应变花；所述应变花有三组，每个应变花由两个互相垂直的应变片组成，粘贴时两个应变片的角平分线与入射杆的中轴线平行，分别粘贴在扭矩加载机构与夹持机构之间的中间、夹持机构与试样之间并距离该夹持机构10cm处，以及夹持机构与试样的中间。粘贴所述应变花时，将三组应变花分别接入延时脉冲发生器和数据采集系统中的惠本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种动态扭转
‑
拉伸/压缩同步联合加载装置，其特征在于，包括霍普金森扭杆加载单元、电磁霍普金森拉/压杆单元、同步控制单元以及力学测试单元；其中：所述霍普金森扭杆加载单元包括扭转入射杆、夹持机构和扭矩加载机构；所述扭转入射杆的一端固定在扭矩加载机构上且两者紧密相连，通过该扭矩加载机构带动扭转入射杆转动以施加扭矩；所述夹持机构套装在该扭转入射杆上，通过夹头夹紧该扭转入射杆；所述断裂螺栓安装夹头的两块夹板上，通过旋紧夹紧螺栓和断裂螺栓夹头夹紧扭转入射杆，使扭转入射杆与夹头之间无相对滑动；所述电磁霍普金森拉/压杆单元中的拉伸入射杆的一端与加载枪连接；另一端为悬臂端，其端面与所述扭转入射杆的端面相对应；试样位于该拉伸入射杆与扭转入射杆之间；在所述入射杆的外圆周表面分布有三组应变花，其中第一组应变花和第三组应变花分别通过数据线与数据采集器联通；第二组应变花通过数据线与同步控制单元的延时脉冲发生器的信号输入端联通。2.如权利要求1所述动态扭转
‑
拉伸/压缩同步联合加载装置，其特征在于，所述夹持机构包括夹持机构底座和夹头；所述夹头由两个夹板和断裂螺栓组成，两个夹板平行地位于夹持机构底座内，并使分别位于两个夹板内侧表面的夹持槽相对应；断裂螺栓安装在所述两个夹板的上端，并使该断裂螺栓中部的缺口位于夹持机构的两个夹板中间；所述夹紧螺栓位于该夹持机构底座的两个支板上。3.如权利要求1所述动态扭转
‑
拉伸/压缩同步联合加载装置，其特征在于，所述夹持机构与试样端的距离为1.5m；所述拉伸入射杆的长度为1.5m。4.如权利要求1所述动态扭转
‑
拉伸/压缩同步联合加载装置，其特征在于，所述延时脉冲发生器的时间精度为10ns。5.一种利用权利要求1所述动态扭转
‑
拉伸/压缩同步联合加载装置进行加载的方法，其特征在于，具体过程是：步骤1，排布器材：将电磁霍普金森拉伸加载装置、拉伸入射杆、夹持机构、扭矩加载机构和扭转入射杆按顺序安装于实验台上；装配扭矩加载机构与扭转入射杆，使二者紧密配合，并使扭转杆在夹持机构和定位筒上自由旋转；将加载枪与拉伸入射杆进行装配；步骤2，粘贴应变片：所述粘贴应变片包括：在拉伸入射杆粘贴拉伸应变片；粘贴时，将两片所述拉伸应变片对称地粘贴在拉伸入射杆长度的1/2处的圆周表面；该拉伸应变片接入数据采集系统中的惠斯通电桥中；在扭转入射杆粘贴应变花；粘贴时，将三组所述应变花分别接入延时脉冲发生器和数据采集系统中的惠斯通电桥中；步骤3，加载并采集数据：将试样固定在所述扭转杆入射杆和拉伸入射杆之间，并使该试样的两端分别与该扭转杆入射杆和拉伸入射杆通过螺纹固定；将加载枪安装在实验台上；安装断裂螺栓；旋转夹持机构底部的夹紧螺栓...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭亚洲，胡博，杨凯祥，李玉龙，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：