專利名稱：具有預加載的微型動態拉壓實驗系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及動態沖擊實驗力學領域，特別涉及一種具有預加載的微型動態拉壓實驗系統。
背景技術：
在許多情況下，如汽車的顛簸撞擊、航天器的發射等，材料或結構常受到動態載荷，尤其是沖擊載荷下的力學響應是材料的重要力學性能參數。分離式的霍普金森桿(Hopkinson)動態力學測試系統可成功的測試材料的動態壓縮及拉伸性能，材料在兩種相反的高應變率載荷作用下的力學性能對于材料的應用有著重要的意義，同時微型試件的動態性能測試也正成為新的需求。但是，通常分離式的動態壓縮實驗和拉伸實驗均需在不同的實驗設備上進行，當需要某一種材料的動態力學性能實驗數據時，往往需要分別進行動態壓縮和動態拉伸兩種實驗，較為不便。目前拉壓一體的霍普金森動態力學性能測試都在壓縮桿的基礎上單方向增加拉伸的裝置實現拉壓一體，中國專利(公開號:CN101666724A)公開了一種通過雙向發射氣體炮驅動子彈向右或向左加速實現了兩種加載方式的轉換的實驗裝置，但該裝置無法實現拉伸和壓縮實驗同時進行，該裝置子彈的驅動方式主要是通過氣動驅動的形式，且需分別設計向左發射的軌道和向右發射的軌道，裝置的體積龐大，成本比較昂貴，且發射部分獨立與桿件系統，需占用較大的空間放置，亦沒有實現裝置的集約化。專利申請號:201220500760.5發明公開了一種拉壓一體化的霍普金森桿裝置，該裝置采用磁阻式電磁線圈發射器，實現了拉伸實驗與壓縮實驗裝置的一體化，但該裝置對于拉伸實驗和壓縮實驗分別采用了兩套磁阻式電磁線圈發射器，未能體現電磁驅動可以雙向發射的優勢，同時該系統采用了兩套拉伸桿及子彈，裝置較復雜，亦沒有體現出裝置的便利性。目前對于材料的動態拉伸實驗，尤其是薄膜和纖維材料試件(Jaeyoung Lim, JamesQj Zheng, Karl Masters, Weinong W.Chen.Effects of gage length, loading rates, anddamage on the strength of PPTA fibers,International Journal of ImpactEngineering, 38(2011)219-227)，由于材料的剛度低，試件夾持時常呈松弛狀態，當應力波在傳播到呈松弛狀態的試件時，其遵循的一維應力波的傳播規律會受到嚴重影響，對基于一維應力波傳播的霍普金森桿實驗會造成很大的實驗誤差。但目前對已公開的裝置中尚未對此問題進行很好解決。因此，如何解決目前材料動態拉伸實驗(尤其是薄膜和纖維材料)中對于應力波傳播的影響便成為亟待解決的問題。同時如何有效的將動態拉伸和壓縮實驗進行有效的整合，提高裝置的實驗便利化以及降低裝置的空間占有率成為提高實驗效率的一個重要的問題。

發明內容
本發明的目的是提供一種具有預加載的微型動態拉壓實驗系統，以解決目前材料動態拉伸實驗(尤其是薄膜和纖維材料)中對于應力波傳播的影響問題，以及無法有效的將動態拉伸和壓縮實驗進行有效的整合等問題。為解決上述技術問題，本發明公開了一種具有預加載的微型動態拉壓實驗系統，其特征在于:包括:工作臺、精密升降架、磁阻式線圈發射器、預加載組件、空氣軸承、壓縮透射桿、拉壓共用的變截面撞擊桿、微力傳感器和帶有缺口的圓筒狀子彈；所述磁阻式線圈發射器和預加載組件由精密升降架與所述工作臺固定連接，所述壓縮透射桿和所述拉壓共用的變截面撞擊桿由所述空氣軸承無摩擦的支撐于所述工作臺上，所述空氣軸承通過所述精密升降架固定安裝在所述工作臺上；所述壓縮透射桿和預加載組件分別布置在所述拉壓共用的變截面撞擊桿的兩側；所述磁阻式線圈發射器的出口端與所述拉壓共用的變截面撞擊桿的截面改變處相平行，所述微力傳感器固定在所述固定桿上的靠近所述拉壓共用的變截面撞擊桿的一端; 所述帶有缺口的圓筒狀子彈分別與所述拉壓共用的變截面撞擊桿以及所述磁阻式線圈發射器同軸，且位于所述拉壓共用的變截面撞擊桿與磁阻式線圈發射器之間，所述帶有缺口的圓筒狀子彈發射時靠磁力懸浮無摩擦地套在所述拉壓共用的變截面撞擊桿上。進一步地，其中:所述拉壓共用的變截面撞擊桿是由大截面桿和小截面桿組成的一體桿件，所述微型動態拉壓實驗系統在進行壓縮實驗時，所述拉壓共用的變截面撞擊桿的大橫截面一端通過壓縮試件與所述壓縮透射桿相連，所述帶有缺口的圓筒狀子彈發射時撞擊在所述拉壓共用的變截面撞擊桿的截面改變處，使大截面桿一端傳遞壓縮入射波。進一步地,其中:所述拉壓共用的變截面撞擊桿是由大截面桿和小截面桿組成的一體桿件，所述微型動態拉壓實驗系統在進行拉伸實驗時，所述拉壓共用的變截面撞擊桿的小橫截面一端通過拉伸試件直接與所述微力傳感器相連，所述帶有缺口的圓筒狀子彈發射時撞擊在所述拉壓共用的變截面撞擊桿的截面改變處，使小截面桿一端傳遞拉伸入射波。進一步地，其中:所述拉壓共用的變截面撞擊桿是由大截面桿和小截面桿組成的一體桿件，所述微型動態拉壓實驗系統在進行拉壓同時實驗時，所述拉壓共用的變截面撞擊桿的大橫截面一端通過壓縮試件與所述壓縮透射桿相連，同時所述拉壓共用的變截面撞擊桿的小橫截面一端通過拉伸試件與所述微力傳感器相連，所述帶有缺口的圓筒狀子彈發射時撞擊在所述拉壓共用的變截面撞擊桿的截面改變處，使大截面桿一端傳遞壓縮入射波，同時使小截面桿一端傳遞拉伸入射波。進一步地，其中:所述預加載組件，進一步包括:超聲電機定子、驅動控制器以及旋轉式超聲電機，其中，所述旋轉式超聲電機，與所述驅動控制器、超聲電機定子以及微力傳感器相連接，用于在預加載過程中調節所述微力傳感器的位置和所述拉伸試件的預載狀態；
所述驅動控制器，與所述旋轉式超聲電機相連接，用于控制所述旋轉式超聲電機的移動距離；所述超聲電機定子，與所述旋轉式超聲電機和固定桿相連接，用于帶動所述固定桿和微力傳感器移動。本發明與現有技術相比，具有如下優點及突出技術效果:第一、本發明所述具有預加載微型動態拉壓實驗系統，采用拉壓共用的變截面撞擊桿一個桿件代替了傳統Kolsky拉伸實驗的拉伸入射桿及凸臺和Hopkinson壓縮入射桿，實現一桿多用，通過拉壓共用的變截面撞擊桿在動態拉伸和動態壓縮實驗中的不同作用進一步促進了動態實驗裝置的模塊化和便利化，實現了壓縮以及拉伸實驗的集成，使裝置可以在兩種加載形式下方便的轉換。第二、本發明所述具有預加載的微型動態拉壓實驗系統，有效的利用了磁阻式電磁發射的特點，將磁阻式線圈發射器置于拉壓共用的變截面撞擊桿中小橫截面桿的一側，通過帶有缺口的圓筒狀子彈撞擊拉壓共用的變截面撞擊桿的截面改變處在小橫截面桿中得到了反射拉伸應力波同時在大橫截面桿中得到透射的壓縮應力波，實現了 Hopkinson壓縮應力波和Kolsky拉伸應力波的分離，首次實現一次單向發射可同時進行動態壓縮和動態拉伸實驗，極大的提高了裝置結構的效率化。第三、本發明所述具有預加載的微型動態拉壓實驗系統采用了預加載組件，降低了剛度低的材料(如薄膜和纖維材料)在夾持時其呈松弛狀態對于應力波傳播影響，使所述微型動態拉壓實驗系統可以基于一維應力波的傳播理論，很好的提高了實驗信號的可靠性，同時減小了應力波傳播過程中二維及三維彌散效應方面的影響，保證了動態拉伸實驗中對于材料的完全動態加載，從而有效解決了目前薄膜和纖維材料在動態拉伸實驗中應力波傳播的問題。第四、本發明所述具有預加載的微型動態拉壓實驗系統，具有小型化的特點，是針對微小型試件尤其是薄膜和纖維材料試件的沖擊加載實驗而設計的，結構簡單方便，成本低廉，設計巧妙。


圖1是本發明實施例所述的具有預加載的微型動態拉壓實驗系統示意圖。圖2是圖1中所述的具有預加載的微型動態拉壓實驗系統中預加載組件15的具體結構示意圖。圖中:1-工作臺；2-空氣軸承；3_壓縮透射桿；4_拉壓共用的變截面撞擊桿；5-應變片；6_帶有缺口的圓筒狀子彈；7_磁阻式線圈發射器；8_微力傳感器；9-固定桿；10-信號放大器；11-信號采集器；12-超聲電機定子；13-驅動控制器；14-旋轉式超聲電機；15_預加載組件；16_壓縮試件；17_拉伸試件；18_精密升降架；19_微力測試系統。
具體實施例方式本發明的目的是提供一種具有預加載的微型動態拉壓實驗系統，利用預加載系統和微力采集系統消除了實驗中試件的松弛對于應力波傳播的影響，實現了對于薄膜及纖維材料試件中基于一維應力波理論的動態力學性能實驗研究。同時本發明巧妙采用了拉壓共用的變截面撞擊桿代替傳統Kolsky拉伸實驗的拉伸入射桿及凸臺和Hopkinson壓縮入射桿，實現一桿多用，實現了一次單向發射可同時進行動態壓縮實驗和動態拉伸實驗。如圖1所示，為本發明實施例提供的一種具有預加載的微型動態拉壓實驗系統示意圖，所述的預加載微型動態拉壓實驗系統主要包括:壓縮透射桿3、拉壓共用的變截面撞擊桿4、微力測量組件19、應變片5、磁阻式線圈發射器7以及預加載組件15 ;圖2為本發明提供的預加載組件15的局部放大結構示意圖，其中所述的壓縮透射桿3與所述拉壓共用的變截面撞擊桿4通過無摩擦的空氣軸承2支撐于工作臺I上，所述的壓縮透射桿的中部，拉壓共用的變截面撞擊桿大橫截面桿中部，小橫截面桿的中部粘貼應變片5，用于采集實驗中壓縮透射桿和拉壓共用的變截面撞擊桿中的應變信號，所述拉壓共用的變截面撞擊桿的變截面位置放置磁阻式線圈發射器7，所述的磁阻式線圈發射器通過精密升降架18固定于工作臺上，所述的磁阻式線圈發射器出口端與拉壓共用的變截面撞擊桿的截面改變處相平行，磁阻式線圈發射器中放置帶有缺口的圓筒狀子彈6，所述帶有缺口的圓筒狀子彈與拉壓共用的變截面撞擊桿和磁阻式線圈發射器同軸，發射時通過磁懸浮無摩擦的套于拉壓共用的變截面撞擊桿與磁阻式線圈發射器之間，所述帶有缺口的圓筒狀子彈在實驗中通過磁阻式線圈發射器加速并撞擊拉壓共用的變截面撞擊桿的截面改變處產生應力波，該應力波在拉壓共用的變截面撞擊桿的截面改變處經反射和透射后產生分離，分別在拉壓共用的變截面撞擊桿的大橫截面桿中產生壓縮入射波，在小橫截面桿中產生拉伸入射波，從而大橫截面桿與壓縮透射桿實現Hopkinson壓縮實驗，小橫截面桿與為微力傳感器8、預加載組件15實現Kolsky拉伸實驗,帶有缺口的圓筒狀子彈的缺口設計用于消除其在磁阻式線圈發射器中加速時所產生的渦流減速力的影響，所述的微力測量組件19放置于所述拉壓共用的變截面撞擊桿的小橫截面桿的末端，用于采集動態拉伸時的力學數據，包括微力傳感器8、信號放大器10和信號采集器11，所述的微力傳感器固定于固定桿9上，與所述的信號放大器相連接，所述信號放大器與信號采集器相連接，所述的固定桿通過精密升降架18固定于工作臺上，所述的固定桿的末端與預加載組件的超聲電機定子12相連，所述的預加載組件包括固定于微力傳感器固定桿末端的超聲電機定子12、與所述超聲電機定子相連的旋轉式超聲電機14以及與旋轉式超聲電機相連的驅動控制器13，用于在實驗中調節微力傳感器的位置和拉伸試件的預加載狀態。下面為采用本發明實施例所述的具有預加載的動態微型拉壓實驗系統的具體應用實施例:在進行霍普金森拉伸實驗前，首先需要啟動所述預加載組件進行預加載操作，具體步驟為:步驟一，首先將待測拉伸試件17固定在所述拉壓共用的變截面撞擊桿與微力采集組件之間，所述待測試件呈松弛狀態；步驟二，調高所述旋轉式超聲電機14的轉速，使所述固定桿9帶動微力傳感器進行快速移動，對所述微力傳感器的位置進行粗調，并當所述待測試件處于即將拉緊狀態前停止粗調動作；步驟三，降低所述旋轉式超聲電機的轉速使微力傳感器進行緩慢的移動，以此對所述微力采集組件的位置進行微調，直至所述微力采集組件出現預載力學信號，完成預載。預加載完成后，當進行拉伸實驗時，具體操作如下:
首先，通過磁阻式線圈發射器將所述帶有缺口的圓筒狀子彈朝所述拉壓共用的變截面撞擊桿的大橫截面方向發射出去，所述帶有缺口的圓筒狀子彈撞擊所述拉壓共用的變截面撞擊桿的截面改變處在所述拉壓共用的變截面撞擊桿的小橫截面桿中產生拉伸應力波，該拉伸應力波傳播至所述待測試件中時，所述微力傳感器記錄應力波在所述待測試件中產生的拉伸力，得到力學數據；同時，對拉壓共用的變截面撞擊桿的小橫截面桿中部粘貼的應變片中的應變信號進行記錄并得到應變數據，從而得到應力應變數據完成對所述待測試件的動態拉伸實驗。當進行壓縮實驗時，具體操作如下:首先，將所述待測壓縮試件16放置于所述拉壓共用的變截面撞擊桿與壓縮透射桿之間；然后，通過磁阻式線圈發射器將所述帶有缺口的圓筒狀子彈朝所述拉壓共用的變截面撞擊桿的大橫截面方向發射出去(與拉伸實驗發射方向相同)，所述帶有缺口的圓筒狀子彈撞擊拉壓共用的變截面撞擊桿的截面改變處在大橫截面桿中產生壓縮波，并傳播至所述待測試件中對試件實現動態壓縮；之后，所述應變片記錄所述拉壓共用的變截面撞擊桿的大橫截面桿和壓縮透射桿中的應變信號，通過一維應力波理論得到應變及應力數據，從而完對所述待測試件的動態壓縮實驗。當進行拉壓同時實驗時，具體操作如下:首先，將待測拉伸試件固定在所述拉壓共用的變截面撞擊桿與微力采集組件之間進行預加載操作。其次，預加載完成后固定拉壓共用的變截面撞擊桿的位置，通過移動壓縮透射桿將壓縮試件放置于拉壓共用的變截面撞擊桿和壓縮透射桿之間。然后，通過磁阻式線圈發射器將所述帶有缺口的圓筒狀子彈朝所述拉壓共用的變截面撞擊桿的大橫截面方向發射出去，帶有缺口的圓筒狀子彈通過磁阻式線圈發射器加速并撞擊拉壓共用的變截面撞擊桿的截面改變處產生應力波，該應力波在拉壓共用的變截面撞擊桿的變截面處經反射和透射后產生分離，分別在拉壓共用的變截面撞擊桿的大橫截面桿中產生壓縮入射波，在小橫截面桿中產生拉伸入射波，該壓縮應力波傳播至所述壓縮待測試件中實現動態壓縮實驗，所述應變片記錄所述拉壓共用的變截面撞擊桿的大橫截面桿和壓縮透射桿中的應變信號，通過一維應力波理論得到應變及應力數據，從而完對所述待測試件的動態壓縮實驗；同時該拉伸應力波傳播至所述待測試件中時，所述微力傳感器記錄應力波在所述待測試件中產生的拉伸力，得到力學數據，拉壓共用的變截面撞擊桿的小橫截面桿中部粘貼的應變片中的應變信號進行記錄并得到應變數據，從而得到應力應變數據完成對所述待測試件的動態拉伸實驗；關于磁阻式線圈發射器的原理在發明專利(申請號:201220500760.5)中已經公開，本處不再贅述。本領域內的技術人員應明白，本發明的實施例可提供為方法、系統、或計算機程序產品。因此，本發明可采用完全硬件實施例、完全軟件實施例、或結合軟件和硬件方面的實施例的形式。而且，本發明可采用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質(包括但不限于磁盤存儲器、CD-ROM、光學存儲器等)上實施的計算機程序產品的形式。上述說明示出并描述了本發明的若干優選實施例，但如前所述，應當理解本發明并非局限于本文所披露的形式，不應看作是對其他實施例的排除，而可用于各種其他組合、修改和環境，并能夠在本文所述發明構想范圍內，通過上述教導或相關領域的技術或知識進行改動。而本領域人員所進行的改動和變化不脫離本發明的精神和范圍，則都應在本發明所附權利要求的保護范圍內。
權利要求
1.一種具有預加載的微型動態拉壓實驗系統，其特征在于:包括:工作臺、精密升降架、磁阻式線圈發射器、預加載組件、空氣軸承、壓縮透射桿、拉壓共用的變截面撞擊桿、微力傳感器和帶有缺口的圓筒狀子彈； 所述磁阻式線圈發射器和預加載組件由精密升降架與所述工作臺固定連接，所述壓縮透射桿和所述拉壓共用的變截面撞擊桿由所述空氣軸承無摩擦的支撐于所述工作臺上，所述空氣軸承通過所述精密升降架固定安裝在所述工作臺上； 所述壓縮透射桿和預加載組件分別布置在所述拉壓共用的變截面撞擊桿的兩側； 所述磁阻式線圈發射器的出口端與所述拉壓共用的變截面撞擊桿的截面改變處相平行， 所述微力傳感器固定在所述固定桿上的靠近所述拉壓共用的變截面撞擊桿的一端；所述帶有缺口的圓筒狀子彈分別與所述拉壓共用的變截面撞擊桿以及所述磁阻式線圈發射器同軸，且位于所述拉壓共用的變截面撞擊桿與磁阻式線圈發射器之間，所述帶有缺口的圓筒狀子彈發射時靠磁力懸浮無摩擦地套在所述拉壓共用的變截面撞擊桿上。
2.按照權利要求1所述的一種具有預加載的微型動態拉壓實驗系統，其特征在于: 所述拉壓共用的變截面撞擊桿是由大截面桿和小截面桿組成的一體桿件， 所述微型動態拉壓實驗系統在進行壓縮實驗時，所述拉壓共用的變截面撞擊桿的大橫截面一端通過壓縮試件與所述壓縮透射桿相連，所述帶有缺口的圓筒狀子彈發射時撞擊在所述拉壓共用的變截面撞擊桿的截面改變處，使大截面桿一端傳遞壓縮入射波。
3.按照權利要求1所述的一種具有預加載的微型動態拉壓實驗系統，其特征在于: 所述拉壓共用的變截面撞擊桿是由大截面桿和小截面桿組成的一體桿件， 所述微型動態拉壓實驗系統在進行拉伸實驗時，所述拉壓共用的變截面撞擊桿的小橫截面一端通過拉伸試件直接與所述微力傳感器相連，所述帶有缺口的圓筒狀子彈發射時撞擊在所述拉壓共用的變截面撞擊桿的截面改變處，使小截面桿一端傳遞拉伸入射波。
4.按照權利要求1所述的一種具有預加載的微型動態拉壓實驗系統，其特征在于: 所述拉壓共用的變截面撞擊桿是由大截面桿和小截面桿組成的一體桿件， 所述微型動態拉壓實驗系統在進行拉壓同時實驗時，所述拉壓共用的變截面撞擊桿的大橫截面一端通過壓縮試件與所述壓縮透射桿相連，同時所述拉壓共用的變截面撞擊桿的小橫截面一端通過拉伸試件與所述微力傳感器相連，所述帶有缺口的圓筒狀子彈發射時撞擊在所述拉壓共用的變截面撞擊桿的截面改變處，使大截面桿一端傳遞壓縮入射波，同時使小截面桿一端傳遞拉伸入射波。
5.按照權利要求1至4中任一所述的一種具有預加載的微型動態拉壓實驗系統，其特征在于: 所述預加載組件，進一步包括:超聲電機定子、驅動控制器以及旋轉式超聲電機，其中，所述旋轉式超聲電機，與所述驅動控制器、超聲電機定子以及微力傳感器相連接，用于在預加載過程中調節所述微力傳感器的位置和所述拉伸試件的預載狀態； 所述驅動控制器，與所述旋轉式超聲電機相連接，用于控制所述旋轉式超聲電機的移動距離； 所述超聲電機定子，與所述旋轉式超聲電機和固定桿相連接，用于帶動所述固定桿和微力傳感器移動。
全文摘要
本發明公開了一種具有預加載的微型動態拉壓實驗系統，涉及一種可對薄膜或纖維等材料的動態拉伸以及對炸藥單晶體等小的塊體試件的動態壓縮的微型實驗系統。屬于動態沖擊實驗力學技術領域。本發明將改進的Hopkinson壓桿裝置與微型Kolsky拉桿裝置通過一個優化設計的拉壓共用的變截面撞擊桿巧妙的結合在一個實驗臺上。通過設計的預加載裝置可將待測的薄膜或纖維材料試件在實驗前預先拉緊，降低了實驗中應力波一維傳播中的誤差。只用一套磁阻式線圈發射器結合圓筒狀彈丸發射裝置、簡便的兩桿件系統和預加載裝置，即可實現動態拉伸和動態壓縮實驗。本發明裝置結構緊湊、使用便捷，適于微小型試件的動態拉壓力學性能研究。
文檔編號G01N3/36GK103207122SQ201310128419
公開日2013年7月17日 申請日期2013年4月15日 優先權日2013年4月15日
發明者劉戰偉, 于琦, 陳喜民 申請人:北京理工大學