本发明专利技术涉及一种环形激光冲击动态拉伸试验方法与装置，涉及材料动态拉伸力学性能试验技术领域，本发明专利技术采用高功率环形脉冲激光将试件包容在激光束中空部分，环形脉冲激光空心穿过试件，冲击靶材，使安装在支架和靶材间的试件获得瞬间拉力，以完成试件的冲击动态拉伸试验。本发明专利技术方法与装置用于测量材料在超高应变状态下的动态应力应变关系，装置结构简单、试验过程简便，可以进行直接的动态拉伸试验；可进行不同高应变率和超高应变率条件下材料动态拉伸试验，成本低廉，有良好的运用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及材料动态拉伸力学性能试验
，特别是一种可实现激光冲击波 加载动态条件下高应变率拉伸试验的方法与装置。
技术介绍
在各类工程技术、军事技术和科学研究等广泛领域的一系列实际问题中，甚至就 在日常生活中，人们都会遇到各种各样的爆炸、冲击载荷问题，并且可以观察到，物体在爆 炸、冲击载荷下的力学响应往往与静载荷下的有显著不同，了解材料在冲击加载条件下的 力学响应必将大大有助于这些材料的工程应用和工程设计。此外，数值模拟已在工程设计 中发挥着重要作用，而进行数值模拟的前提是必须首先建立一个基于材料在各种应变率下 (尤其是在动态应变率下)的精确应力一应变曲线基础上的本构模型。所以，获得一套材料 在高应变率下的应力一应变曲线则成为首要任务。尽管人们已经研制了多种动态实验技 术，但是研制一种方便、高效的、精确的高应变率实验装置是非常重要的。关于材料的动态性能测试方法有Hopkinson杆、分段式Hopkinson杆等，这些方法 都是采用传统的物块撞击、子弹或炸药爆炸产生冲击波加载，应用Hopkinson杆原理，使材 料产生间接的高应变速率动态拉伸作用。其方法使材料产生应变速率相对较低，是间接拉 伸，且加载方法过程复杂，影响因素多，计算复杂，试验费用很高。基于此，本专利首次提出采用激光高压、高能、超快、超高应变率的方式对靶材进 行冲击加载，以此测量高应变率下的材料动态力学性能参数。
技术实现思路
本专利技术的目的是能克服上述缺点，提供一种经济、简便、直接的动态拉伸试验方法 与装置，以获得不同应变速率及高应变速率下材料的应力应变关系。本专利技术的技术方案之一一种环形激光冲击拉伸试验装置包括高功率脉冲激光器，45°全反镜E，光斑调节装 置，轮辐式支架，定距支撑，夹具A，夹具B，靶材，光学玻璃片，导轨A，导轨B，吸收层，触发 器，步进电机，计算机，激光电源，应力传感器，光学引伸仪，辅助位移传感器；所述的高功率 脉冲激光器包括全反镜，KD*P晶体，偏振器，孔径光阑，YAG晶体A，YAG晶体B，YAG晶体C， YAG晶体D，YAG晶体E，YAG晶体F，输出镜，隔离器，扩束镜A，扩束镜B，扩束镜C，45°全反 镜A，45°全反镜B，45°全反镜C，45°全反镜D，45°半透半反镜，中继望远系统A，中继望 远系统B，光束合并器；所述光斑调节装置包括扩束镜D，会聚透镜，圆锥透镜A，圆锥透镜 B;高功率脉冲激光器出光前方设有45°全反镜E，45°全反镜E下方设有光斑调节装置，光 斑调节装置位于轮辐式支架上方，靶材设于导轨A上、沿导轨A上下移动，靶材激光照射面 依次贴有吸收层和光学玻璃片，轮辐式支架和靶材通过定距支撑，定距支撑调节轮辐式支 架和靶材之间的距离，轮辐式支架和靶材中间设有中心孔，轮辐式支架中心孔处设有夹具 A，靶材中心孔处设有夹具B，试件通过夹具A和夹具B固定，在轮辐式支架上设有应力传感器，在试件旁设有光学引伸仪。本专利技术采用高功率环形脉冲激光将试件包容在激光束中空部分，环形脉冲激光空 心穿过试件，环形脉冲激光到达靶材冲击区域被吸收层吸收产生等离子体，等离子体爆炸 产生的冲击波冲击靶材，使安装在靶材和轮辐式支架间的试件获得直接的瞬间拉力，完成 试件的冲击动态拉伸试验。环形激光冲击动态拉伸试验方法的具体步骤为(1)根据试验要求制作试件；(2)靶材的激光照射面依次贴上吸收层和光学玻璃片；(3)将试件两端分别固定在轮辐式支架和靶材上，定距支撑安装于轮辐式支架与靶材 之间，应力传感器安装于轮辐式支架上，光学引伸仪安装在试件侧旁，辅助位移传感器安装 于靶材下方；(4)调节高功率脉冲激光器参数(激光能量，激光脉宽)，使参数满足试验要求；(5)通过光斑调节装置调节所输出的环形脉冲激光的环形光斑内径和环形光斑外径， 使环形脉冲激光穿过轮辐式支架，将夹具A和试件包容在环形脉冲激光环形部分，环形脉 冲激光到达靶材冲击区域被吸收层吸收产生等离子体，等离子体爆炸产生的冲击波冲击靶 材，使安装在靶材和轮辐式支架间的试件获得瞬间拉力，试件在高应变速率下产生拉伸变 形并拉断；(6)计算机记录和处理应力传感器、光学引伸仪和辅助位移传感器测得的试件在冲击 载荷作用下各传感器处的应力和位移信号；(7)根据计算结果绘制激光冲击高应变率条件下试件的动态应力应变关系曲线。本专利技术的技术方案之二 本专利技术通过调节高功率脉冲激光器中谐振腔抽运功率来改变脉冲激光的脉宽，激光脉 宽为Ins IOOns可调；所述谐振腔包括全反镜，KD*P晶体，偏振器，孔径光阑，YAG晶体 A，输出镜；脉冲激光脉冲能量在OJ 100J可调。本专利技术的技术方案之三通过步进电机驱动，调节圆锥透镜A与圆锥透镜B的间距Cl1来调节环形脉冲激光的内 径；调节圆锥透镜B和靶材激光照射面的间距d2来调节环形脉冲激光外径。本专利技术中环形 光斑调节装置调节的环形光斑内径为Imm 40mm，保证环形脉冲激光环形部分包容夹具A 和试件；环形光斑外径为Imm 60mm。本专利技术有益效果(1)试验过程简单，试件装夹方便，可以进行直接动态拉伸试验。(2)通过改变激光脉宽、能量、环形光斑直径等激光参数来调整冲击压力(冲击波 峰压达GPa量级)的大小，得到材料在不同应变率和高应变率条件下动态拉伸性能，可进行 超高应变率的动态拉伸试验。(3)加载过程简单，影响因素少，计算简单，试验费用较低。(4)可以进行不同类型，不同材料的拉伸试验。附图说明图1为激光冲击拉伸试验装置示意图。5图2为激光冲击拉伸试验冲击靶示意图。图中，1.全反镜，2.KD*P晶体，3.偏振器，4.孔径光阑，5. YAG晶体A，6.输出镜， 7.隔离器，8.扩束镜A，9. YAG晶体B，10. 45°全反镜A，11.45°全反镜B，12. 45°全反镜 C, 13. 45°半透半反镜，14.扩束镜B，15. YAG晶体C，16.中继望远系统A，17. YAG晶体D， 18.45°全反镜D，19.扩束镜C，20. YAG晶体E，21中继望远系统B，22. YAG晶体F，23.光 束合并器，24. 45°全反镜E，25.扩束镜D，26.会聚透镜，27.圆锥透镜A，28.圆锥透镜B， 29.夹具A，30.轮辐式支架，31.定距支撑，32.试件，33.环形脉冲激光，34.光学玻璃片， 35.吸收层，36.导轨A，37.靶材，38.夹具B，39.光源，40.光纤，41.光电转换器，42.光斑 外径调节间距d2，43.光斑内径调节间距屯，44.导轨B，45.步进电机，46.触发器，47.计算 机，48.激光电源，49.高功率脉冲激光器，50.光斑调节装置，51.光学引伸仪，370.冲击区 域，371.安装孔。具体实施例方式下面结合图1详细说明本专利技术提出的具体装置的细节和工作情况。如图1所示，所述的一种激光冲击动态拉伸试验装置包括高功率脉冲激光器49， 45°全反镜E24，光斑调节装置50，轮辐式支架30，定距支撑31，夹具A29，夹具B38，靶材 37，光学玻璃片34，导轨A36，导轨B44，吸收层35，触发器46，步进电机45，计算机47，激光 电源48，应力传感器，光学引伸仪51，辅助位移传感器；所述的高功率脉冲激光器49包括 全反镜1，KD*P晶体2，偏振器3，孔本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种环形激光冲击拉伸试验方法，其特征在于，采用高功率环形脉冲激光环绕试件，试件位于环形脉冲激光中空位置，环形脉冲激光冲击靶材，使安装在支架和靶材间的试件获得瞬间拉力。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：姜银方，钱晓明，方雷，姜文帆，管海兵，张永康，汪建敏，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：32[]
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