能产生陡峭上升沿应力波的电磁应力波发生器及实验方法技术

一种能产生陡峭上升沿应力波的电磁应力波发生器，对充/放电电路进行了改进，首次采用对放电线圈并联小电容的方式对放电线圈放电，即在原有充/放电电路的基础上增加了一组切换电路，能够提升梯形应力波的上升沿的陡峭程度，使试样更快达到恒应变率加载，同时还避免应力波在传播过程中的自我叠加。本发明专利技术利用小电容吸收放电电路刚接通时大电容输出比较平缓的能量，使到达放电线圈的能量有了陡峭程度更高的上升沿，并且既可产生上升沿平缓的应力波，同时也可产生上升沿较陡峭的应力波。本发明专利技术通过断开和闭和切换电路开关实现橡胶材料、脆性材料的加载试验和金属材料加载试验的切换，操作简单，降低了设备的复杂性，节省了设备的占地空间。的占地空间。的占地空间。

【技术实现步骤摘要】
能产生陡峭上升沿应力波的电磁应力波发生器及实验方法


[0001]本专利技术涉及材料的动态力学性能测试
，具体说是一种通过设计电路利用电磁式应力波发生器产生有陡峭上升沿应力波的应力波的加载装置及方法，所述装置可以作为霍普金森拉杆和压杆的应力波输入装置。

技术介绍

[0002]在各种类型材料或结构的动态加载实验中，往往要用到霍普金森杆实验技术。这一方法的基本原理是：将短试样置于两根拉杆或压杆之间，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的变化历程。通过对弹性杆中应力波的测量就可以推导获得试样材料的动态应力应变响应。
[0003]传统霍普金森杆实验技术中应力波是由压缩气体驱动子弹撞击入射杆产生，这种方法的缺点在于：由于每次发射时撞击杆在气枪中的安装位置不尽相同，且撞击速度与气压的对应关系很难确定，因此无法准确地控制入射波的幅值，所以需要尝试多次实验才能得到所需的应变率。其次，对于应变率跨度过大的实验，由于气枪气压的限制，需要更换撞击杆的长度来得到不同的应变率，应变率越高，所用撞击杆越短，实验中产生的应力波宽度越短，这就限制了实验所得到的应变范围，而且更换子弹操作繁琐。更重要的是，由于撞击杆的发射速度有一个下限，一些更低的应变率在实际试验中无法用传统霍普金森压杆得到，比如10s
‑1的应变率。由于不同的实验系统参数也不同，使得分离式霍普金森压杆实验技术的规范化一直是一个国际性的难题。
[0004]电磁霍普金森杆实验技术是由传统霍普金森杆实验技术与电磁驱动技术相结合发展起来的一种新的动态加载技术。电磁霍普金森杆实验技术与传统霍普金森杆相比，其应力波产生方式有着本质区别。传统霍普金森杆中应力波是由子弹撞击入射杆产生，而电磁霍普金森杆中应力波是通过电磁加载枪中放电线圈与次级线圈之间通过电磁感应定律产生的。
[0005]电磁霍普金森杆中产生的应力波的幅值和脉宽均可覆盖传统霍普金森杆，但是传统霍普金森杆中产生的应力波为梯形应力波，有着陡峭的上升沿，而电磁霍普金森杆产生的应力波为半正弦形应力波，应力波上升沿平缓。有陡峭上升沿的应力波指应力的值在5us
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30us内从应力幅值的10％增加到90％。
[0006]对于橡胶这类材料，材料中的波速可能低至1000m/s，甚至更低，即使很薄的试样，达到应力平衡所需的时间也大于传统霍普金森杆产生的应力波的上升沿时间。Ravichandran和Subhash2000年发表在MechanicalTestingandEvaluation.8:497
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504的Split
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HopkinsonPressureBarTestingofCeramics一文中表明，加载波在试样中来回反射3～5次以上能够达到试样中应力平衡的要求。电磁霍普金森杆产生的应力波为半正弦形应
力波，应力波上升沿平缓，用于橡胶材料能够很好的满足应力平衡和恒应变率的要求。然而，该研究表明对于金属材料，有平缓上升沿的应力波难以实现试样在动态加载过程中的恒应变率加载。
[0007]在公开号为CN103994922A的专利技术创造中提出了一种电磁霍普金森杆技术。电磁霍普金森杆中应力波是通过电磁加载枪中放电线圈与次级线圈之间通过电磁感应定律产生的，采用电磁驱动技术由次级线圈对入射杆直接进行应力波的加载。实际产生的应力波幅值能够通过电磁铆接装置的充电电压进行控制，实际产生的应力波宽度能够通过调整电磁铆接装置的电容值进行控制。虽然更换电容值更小的电容可以使应力波脉宽变窄，但是在实际操作中更换电容需要更改原电路，拆卸安装过程繁琐，而且电容值变小后，相同的充电电压能量降低，应力波幅值大幅度变小。
[0008]在申请号为202110536839.7的专利技术创造中公开的一种能够产生高幅值长脉宽方波的电磁加载线圈。该专利技术装置的放电电路直接采用现有的电磁霍普金森杆内部电路，相比于现有的专利技术装置，该专利技术的不同之处在于其在内部电路中的主线圈周围加上了磁路，通过软磁材料的聚磁与磁饱和效应，减缓了电磁力衰减程度，使产生的方形应力波有较长的平台段，但其应力波的上升沿亦很平缓。
[0009]在申请号为202110536462.5的专利技术创造中公开的一种电磁加载线圈，该专利技术的放电电路需要接入产生任意脉冲形状的电流脉冲发生器，该专利技术理论上可以产生任意应力波形，但是产生的应力波形依赖于主线圈中通入的电流形状，目前市面上还难以找到能够产生电流脉冲形状符合实验要求的脉冲电流发生器。
[0010]在申请号为201510049642.5的专利技术创造中，通过减小放电电路中的电阻值大小，保证电磁应力波发生器能够处于欠阻尼工作状态，从而提高入射波幅值和上升沿斜率。但为提高应力波幅值，充/放电电路一般不会串联额外的电阻，充/放电电路的电阻即为导线和各元器件的电阻之和，因而很难再通过减小电阻来提高应力波上升沿的陡峭程度。
[0011]在申请号为CN202210525286.X的专利技术创造中，由一组电路放电产生的应力波为半正弦形应力波，通过数字延迟发生器控制各放电电路的放电时间，使半正弦形应力波进行叠加得到了梯形应力波。但是目前得到的梯形应力波的上升沿平缓，对试样加载时到达恒应变率的时间长，应力波在传播过程中容易自我叠加。
[0012]上述各电磁加载装置产生应力波的基本原理为：电容器组对主动线圈瞬间放电，在主动线圈中产生强大的脉冲电流，同时形成高强度的脉冲磁场。次级线圈与主动线圈相互贴紧，发生电磁感应现象而产生极强的涡流，次级线圈中的涡流与主动线圈产生的脉冲磁场相互作用，次级线圈靠近主动线圈的端面上的质点会受到洛伦兹力作用，在次级线圈中形成磁场力脉冲。磁场力脉冲在次级线圈内表现为压缩应力脉冲，应力脉冲传入到与次级线圈紧密贴合的入射杆后，以弹性波形式在入射杆中传播，对试样进行加载。

技术实现思路

[0013]为了解决现有电磁霍普金森杆实验技术中存在的无法产生有陡峭上升沿应力波的难题，本专利技术提出了一种能够产生陡峭上升沿应力波的电磁式应力波发生器及实验方法。
[0014]本专利技术提出的能产生陡峭上升沿应力波的电磁应力波发生器包括充/放电电路、
入射杆、电磁加载枪和次级线圈。其中，入射杆的一端与次级线圈相接触；该次级线圈的内端面与电磁加载枪相接触。充/放电电路通过导线与所述电磁加载枪中的放电线圈接线柱连接。该充/放电电路由电容充电器、第一电容器、第一二极管、第二二极管、电阻、放电线圈、第二电容器、放电回路开关和充电回路开关组成。
[0015]所述切换电路由第二电容器、第二二极管和切换电路开关组成。
[0016]所述切换电路中，第二电容器的正极接线柱与第二二极管的输出端相连，该第二二极管的输入端与切换电路开关的任意一个接线柱相连，切换电路开关本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种能产生陡峭上升沿应力波的电磁应力波发生器，其特征在于，包括充/放电电路(12)、入射杆(11)、电磁加载枪(22)和次级线圈(18)；其中，入射杆(11)的一端与次级线圈相接触；该次级线圈的内端面与电磁加载枪相接触；充/放电电路通过导线与所述电磁加载枪中的放电线圈接线柱(13)连接；该充/放电电路由电容充电器(2)、第一电容器(3)、第一二极管(4)、第二二极管(19)、电阻(6)、放电线圈(7)、第二电容器(8)、放电回路开关(9)和充电回路开关(10)组成；由第二电容器、第二二极管和切换电路开关(5)组成了切换电路。2.如权利要求1所述能产生陡峭上升沿应力波的电磁应力波发生器，其特征在于，所述切换电路中，第二电容器(8)的正极接线柱与第二二极管(19)的输出端相连，该第二二极管的输入端与切换电路开关(5)的任意一个接线柱相连，切换电路开关(5)的另一个接线柱与第一二极管(4)的输出端相连；第二电容器(8)的负极接线柱与放电回路开关(9)的一个接线柱与连接。3.如权利要求1所述能产生陡峭上升沿应力波的电磁应力波发生器，其特征在于，所述充/放电电路中，所述电容充电器(2)的负极与充电回路开关(10)的任意一个接线柱连接，该充电回路开关(10)的另一个接线柱与第一电容器(3)的负极接线柱连接；所述第一电容器的正极接线柱与电容充电器的正极连接；所述放电回路开关(9)的任意一个接线柱与该第一电容器的负极接线柱连接，放电回路开关的另一个接线柱与第二电容器(8)的负极接线柱连接；所述第一二极管(4)的输入端与第一电容器(3)的正极接线柱连接，该第一二极管的输出端与电阻(6)的任意一个接线柱连接，该电阻的另一接线柱与放电线圈(7)的一个接线柱连接，放电线圈的另一个接线柱与第二电容器(8)的负极接线柱连接；所述电容充电器(2)与电源1连通。4.如权利要求1所述能产生陡峭上升沿应力波的电磁应力波发生器，其特征在于，所述第一电容器(3)为1.5mf，第二电容器(8)为0.0012mf；所述电阻(6)为0.01Ω。5.如权利要求1所述能产生陡峭上升沿应力波的电磁应力波发生器，其特征在于，所述电磁加载枪(22)包括绝缘层(15)、电磁加载枪壳体(14)和放电线圈(7)；其中的放电线圈以螺旋方式盘绕在电磁加载枪内；该放电线圈的匝数共为10匝；所述盘绕的各层放电线圈之间均填充有绝缘层；所述放电线圈导线横截面长为6mm，宽为2mm，线圈径向间距为1mm。6.如权利要求5所述能产生陡峭上升沿应力波的电磁应力波发生器，其特征在于，所述电磁加载枪(22)内表面与最外层放电线圈之间绝缘层的厚度为2mm，各圈放电线圈之间绝缘层的厚度为1mm。7.一种所述能产生陡峭上升沿应力波的电磁应力波发生器的实验方法，其特征在于，具体过程如下：步骤1，排布器材：步骤2，粘贴应变片；步骤3，加载：所述加载包括对TC4钛合金材料进行压缩应力波加载或对橡胶材料的压缩应力波加载；具体是：设置电容充电器的充电电压为1200V；
Ⅰ
当对TC4钛合金材料进行压缩应力波加载时，闭合切换电路开关，使切换电路中的第二电容器吸收第一电容器释放的比较平缓的能量，单位时间内由第一电容器到达放电线圈的能量增大的更快，这样产生的应力波在上升阶段的时间更短，应力波就有了陡峭程度更高的上升沿；闭合充电电路开关，对第一电容器充电至1200V；断开充电电路开关，闭合放电电路的开关，使切换电路和放电线圈中流过脉冲电流，切换电路吸收第一电容器放出的幅值低的脉冲电流后，流入放电线圈中的脉冲电流就有了陡峭的上升沿；放电线圈中通入脉冲电流后，在放电线圈周围产生强脉冲磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭亚洲，唐欢，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：