用于保證分離式雙軸霍普金森壓桿實驗的入射波等效加載方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種入射波等效加載方法，特別是涉及一種用于保證分離式雙軸霍普 金森壓桿實驗的入射波等效加載方法。
【背景技術】
[0002] 在雙軸霍普金森壓桿實驗中，要求加載入射波同時從兩個相互垂直的方向對試樣 橫向和縱向進行等效加載，即橫向、縱向加載入射波前沿到達試樣接觸界面的時間間隔必 須小于lys，橫向、縱向加載應力入射波幅值相同，橫向、縱向加載入射波脈沖寬度相同。
[0003] 參照圖10、11。文獻"申請公布號是CN103913382A中國發明專利"開了一種基于 電磁力的分離式霍普金森壓桿實驗裝置，該裝置以電磁鉚槍技術為基礎，利用電容組對放 電線圈放電，放電線圈中激發強脈沖電流，強脈沖電流在次級線圈中引起感應渦流，脈沖電 流與感應渦流產生電磁斥力，電磁斥力經過應力波放大器放大后以應力波的形式通過入射 桿直接加載到試樣表面，通過設置不同的放電電壓，可以有效的實現入射波的精確加載，同 時拓展了霍普金森壓桿實驗中的應變率變化范圍。理論上分析，只需要加工兩套相同的此 類裝置垂直布置，分別由試樣的橫、縱向垂直加載入射波，當兩套裝置的充電電壓相同時， 即可實現分離式雙向霍普金森壓桿實驗的入射波等效加載。但實際中，由于此種實驗設備 PLC控制系存在反應時差，同時放電電容組存在5 % -20 %的電容量誤差，放電可控硅觸發 時會發生20mS-30ms的放電延遲，以及實驗裝置加工發生誤差，導致兩套實驗設備產生的 加載入射波發生幅值不等、脈沖寬度不同、加載異步等結果，最終不能實現雙軸霍普金森壓 桿實驗入射波等效加載。

【發明內容】

[0004] 為了克服現有的方法不能實現雙軸霍普金森壓桿實驗入射波等效加載的不足，本 發明提供一種用于保證分離式雙軸霍普金森壓桿實驗的入射波等效加載方法。該方法采用 兩套相同的基于電磁力的橫向、縱向入射波發生器，測量出兩套設備產生的入射波幅值大 小關系，根據入射波幅值大小關系增加入射波幅值較小的基于電磁力的入射波發生器的次 級線圈厚度，對因加工誤差引起的橫向、縱向入射波中的較小幅值入射波進行幅值補償，保 證了橫向、縱向入射波幅值相等。橫向、縱向入射波發生器布置在同一水平面上，橫向、縱向 入射波加載方向相互垂直，橫向、縱向放電線圈串聯連接，橫向、縱向放電線圈連接在同一 組放電電容上由同一組放電可控硅控制，放電時橫向、縱向放電線圈流過相同的強脈沖電 流，此時產生的橫向、縱向入射波具有相同的脈沖寬度和一致的觸發時間。通過次級線圈厚 度補償以及橫向、縱向放電線圈串聯在由同一放電可控硅控制的同一組放電電容上，橫向、 縱向加載入射波幅值相等、脈沖寬度相同、觸發時間一致，可以保證分離式雙軸霍普金森壓 桿實驗入射波等效加載。
[0005] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種用于保證分離式雙軸霍普金森 壓桿實驗的入射波等效加載方法，其特點是采用以下步驟：
[0006] 步驟一、采用不同厚度次級線圈進行入射波幅值補償，保證橫向、縱向入射波幅值 相同。假設兩套基于電磁力的橫向、縱向入射波發生器性能相同，將橫向、縱向入射波發生 器串聯，對其產生的橫向、縱向入射波幅值進行測量，得到兩個不同的入射波峰值。保持較 大峰值入射波的入射波發生器的次級線圈厚度不變，增加較小峰值的入射波發生器的次級 線圈厚度，其增加后的厚度滿足：
【主權項】
1. 一種用于保證分離式雙軸霍普金森壓桿實驗的入射波等效加載方法，其特征在于包 括以下步驟： 步驟一、采用不同厚度次級線圈進行入射波幅值補償，保證橫向、縱向入射波幅值相 同；假設兩套基于電磁力的橫向、縱向入射波發生器性能相同，將橫向、縱向入射波發生器 串聯，對其產生的橫向、縱向入射波幅值進行測量，得到兩個不同的入射波峰值；保持較大 峰值入射波的入射波發生器的次級線圈厚度不變，增加較小峰值的入射波發生器的次級線 圈厚度，其增加后的厚度滿足：
式中，H為峰值較小的入射波發生器的次級線圈厚度增加之后的厚度，h為峰值較大的 入射波發生器的次級線圈的厚度，Ph為兩入射波峰值中較大值，P ^3兩入射波峰值中較小 值； 步驟二、將變壓器（1)接入380V交流電電源，充電可控硅（2)與變壓器（1)的輸出端 接通；充電可控硅（2)、限流電阻（3)、濾波電感（4)、電容組（12)和整流二極管（13)串聯 為一個整體回路，電壓表V并入電路當中； 步驟三、將縱向放電線圈（8)通過螺栓連接固定到縱向基座（14)上，縱向次級線圈 (25) 和縱向應力波放大器（9)螺栓連接組成縱向驅動頭，縱向驅動頭放入縱向放電線圈 (8)和縱向基座（14)內組成縱向入射波發生器；將應變片（21)粘貼到縱向入射桿（18)和 縱向透射桿（19)表面，縱向入射桿（18)與縱向驅動頭通過螺紋連接，端面相互接觸，縱向 透射桿（19)同軸安裝在縱向入射桿（18)的自由方向，縱向透射桿（19)和縱向入射桿（18) 之間留有放置試樣（20)的空間；在縱向透射桿（19)的末端安裝縱向緩沖器（22); 步驟四、將橫向放電線圈（6)通過螺栓連接固定到橫向基座（15)上，橫向次級線圈 (26) 和橫向應力波放大器（7)通過螺栓連接組成橫向驅動頭，橫向驅動頭放入橫向放電線 圈（6)和橫向基座（15)形成橫向應力波放大器；將應變片（21)粘貼到橫向入射桿（16)和 橫向透射桿（17)表面，橫向入射桿（16)與橫向驅動頭通過螺紋連接，端面相互接觸，橫向 透射桿（17)同軸安裝在橫向入射桿（16)的自由端方向，橫向透射桿（17)和橫向入射桿 (16)之間留有放置試樣（20)的空間；在橫向透射桿（17)的末端安裝橫向緩沖器（23); 步驟五、將應變片（21)接入動態應變儀24中，將試樣（20)放入到橫向入射桿（16)和 橫向透射桿（17)、縱向入射桿（18)和縱向透射桿（19)中間，使試樣（20)橫向、縱向上的四 個端面分別與橫向、縱向的入射桿（16、18)和橫向、縱向透射桿（17、19)端面接觸； 步驟六、橫向放電線圈（6)和縱向放電線圈（8)采用帶中心通孔的餅狀線圈，橫向放電 線圈（6)和縱向放電線圈（8)串聯連接后并聯在電容組（12)上，同時通過放電可控硅（5) 控制放電；放電電阻（11)為放電回路線圈和導向的等效電阻，等效串聯在電容組（12)和縱 向放電線圈（8)之間；為了防止電容器（12)在放電過程中反向充電，續流二極管（10)并聯 在電容（12)上，為放電電流提供續流功能； 步驟七、在電磁鉚槍控制系統的基礎上，觸發充電可控硅（2)，380V交流電通過變壓器 (1)升壓后，充電可控硅⑵和整流二極管（13)構成晶閘管整流模塊對交流電整流，整流電 流流入電容組（12)實現充電；在充電過程中限流電阻（3)和濾波電感（4)對電容組（12) 提供保護作用； 步驟八、充電完成后電壓表V測量電容組（12)電壓，利用電磁鉚槍控制系統觸發放電 可控硅（5)，電容組（12)對橫向放電線圈（6)和縱向放電線圈（8)同時放電；由于放電線 圈串聯，此時橫向放電線圈（6)和縱向放電線圈（8)內流過相同的電流；在瞬間強電流的作 用下，橫向放電線圈（6)和橫向次級線圈（26)之間產生電磁斥力，電磁斥力在橫向應力波 放大器（7)的放大作用下放大轉化為橫向入射波，縱向放電線圈（8)和縱向次級線圈（25) 之間產生電磁斥力，電磁斥力應力波在縱向應力波放大器（9)的放大作用下放大轉化為縱 向入射波，此時橫向、縱向入射波均滿足計算式：
式中，σ-入射波，K-應力波放大器放大倍數，r-放電線圈半徑，Utl-真空磁導率， ω_電流振蕩圓頻率，M-放電線圈與次級線圈的互感，η-放電線圈匝數，i(t)_放電電流， A-次級線圈面積，α -放電線圈與次級線圈的距離，R2、L2-次級線圈的電阻和電感；由公式 (2)可知，橫向、縱向入射波的脈沖寬度與放電電流的半周期相同，脈沖觸發時間與電流的 觸發時間一致，當放電電流相同時，橫向、縱向入射波的脈沖寬度和觸發時間將完全相同； 步驟九、縱向入射波通過縱向入射桿（18)傳播到試樣（20)的縱向端面，實現試樣（20) 的縱向加載，縱向入射波在試樣（20)縱向端面產生的反射波在縱向入射桿（18)上被應變 片（21)記錄，縱向透射波通過試樣（20)傳入縱向透射桿（19)中被應變片（21)記錄，縱向 透射波最終被縱向緩沖器（22)吸收；橫向入射波通過橫向入射桿（16)傳播到試樣（20)的 橫向端面，實現試樣（20)的橫向加載，橫向入射波在試樣（20)橫向端面產生的反射波在橫 向入射桿（16)上被應變片（21)記錄，橫向透射波通過試樣（20)傳入橫向透射桿（17)中 被應變片（21)記錄，橫向透射波最終被橫向緩沖器（23)吸收； 步驟十、在入射波加載的過程中，利用分別粘貼在縱向入射桿（18)和橫向透射桿 (19)、橫向入射桿（16)和橫向透射桿（17)上的四個應變片（21)采集橫向、縱向反射波、透 射波信號，信號傳入動態應變儀24中轉化為電壓信號，記錄電壓信號；利用分離式霍普金 森壓桿的實驗原理對數據進行處理，推導出試樣在等效雙軸加載下的力學性能。
【專利摘要】本發明公開了一種用于保證分離式雙軸霍普金森壓桿實驗的入射波等效加載方法，用于解決現有的方法不能實現雙軸霍普金森壓桿實驗入射波等效加載的技術問題。技術方案是測量出兩套設備產生的入射波幅值大小關系，根據入射波幅值大小關系增加入射波幅值較小的基于電磁力的入射波發生器的次級線圈厚度，對因加工誤差引起的橫向、縱向入射波中的較小幅值入射波進行幅值補償，保證了橫向、縱向入射波幅值相等。通過次級線圈厚度補償以及橫向、縱向放電線圈串聯在由同一放電可控硅控制的同一組放電電容上，橫向、縱向加載入射波幅值相等、脈沖寬度相同、觸發時間一致，保證了分離式雙軸霍普金森壓桿實驗的入射波等效加載。
【IPC分類】G01N3-08
【公開號】CN104535419
【申請號】CN201410819767
【發明人】曹增強, 左楊杰, 楊柳, 韓超眾, 王杰, 臧傳奇
【申請人】西北工業大學
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年12月25日