一种基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器及实验方法技术

一种基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器及实验方法。所述应力波发生器是将述电容充电器与加载枪相接。主线圈、绝缘层和次级线圈均套装在锥形放大器上的定位轴上。通过供电系统用来给加载枪的主线圈提供瞬时的强电流，从而使主线圈和次线圈之间产生强电磁斥力，并将电磁斥力转换成应力波，经过锥形放大器放大后输出给霍普金森杆。本发明专利技术结构简单，可控性强，能够实现传统分离式霍普金森杆实验无法达到的应变率和应变范围，使霍普金森杆实验技术的规范化，并且使拉杆和压杆的实验装置实现一体化，节省了设备的复杂性和占地空间。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及材料的动态力学性能测试的应力波发生装置及方法，具体说是一种基于电磁力的应力波发生装置及方法，所述装置可以作为分离式霍普金森拉杆和压杆的应力波输入装置。
技术介绍
目前，在材料科学领域中测量材料在高应变率下的力学性能时使用最广泛的就是分离式霍普金森压杆技术和拉杆技术。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。对于霍普金森压杆，产生入射波的普遍方式是通过气枪将撞击杆高速发射，与入射杆同轴撞击产生入射脉冲。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IOs-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。对于霍普金森拉杆，目前所采用的普遍加载技术是:将拉杆的撞击杆做成空心圆管，通过气枪将撞击管高速发射，当它运动到达入射杆端时，撞击管与入射杆端的凸台碰撞产生一列压缩波向入射杆凸台端传播，并在自由端反射成拉伸波，该拉伸波通过入射杆对试样进行加载。但是这种设计方法有很多的缺点:1，由于撞击杆是从入射杆一端发射到另一端，所以在入射杆上的凸台到气枪的那一段，入射杆处于无支撑的自由状态这使得入射杆容易弯曲；2，这种设计限制了撞击筒的长度在500mm左右，所以产生的入射波长度为0.2ms左右，但是对于延展性材料和低应变率实验，需要更长的入射波；3，撞击筒的更换很不方便；4，由于撞击筒的筒壁厚度限制，需要很高的气压来加速撞击筒。也有很多学者提出了不同的设计思路:1，在撞击筒的一端加一个凸台来提高撞击筒的发射速度，但是这种方式产生的波形受凸台影响而不再正规；2，使用空的入射杆，撞击杆从入射杆里面穿过，这种方式使得波形整形变得困难。由于撞击杆的形状不同，气枪的位置不同，传统的霍普金森压杆和拉杆的加载系统无法在同一装置上实现。20世纪60年代美国波音公司为解决普通铆接存在的问题，由Huber A Schmitt等人率先开始研究电磁铆接技术，并于1968年申请了强冲击电磁铆接装置的专利。1986年Zieve Peter研制成功低压电磁铆接,解决了高压铆接在铆接质量及推广应用方面存在的问题，从而使电磁铆接技术得到较快发展。电磁铆接技术已在波音、空客系列飞机制造中得到应用。如今，低压电磁铆接技术已经发展成熟，铆接力的大小和持续时间可以得到比较精确的控制。电磁铆枪的技术原理是:在放电线圈和工件之间增加了一个线圈和应力波放大器。放电开关闭合的瞬间，主线圈中通过快速变化的冲击电流，在线圈周围产生强磁场。与主线圈耦合的次线圈在强磁场作用下产生感应电流，进而产生涡流磁场，两磁场相互作用产生涡流斥力，并通过放大器传至铆钉，使铆钉成形。涡流力的频率极高，在放大器和铆钉中以应力波的形式传播，故电磁铆接也称应力波铆接。如果将电磁铆枪的原理应用到分离式霍普金森压杆中代替传统分离式霍普金森压杆中的气枪和撞击杆，通过电磁斥力产生直接产生应力波，将会使分离式霍普金森压杆实验技术的规范化成为可能。并且可以以足够长的应力脉冲对试样进行低应变率加载，实现一些传统霍普金森杆无法实现的低应变率。西北工业大学在申请号为201410161610.X的专利技术创造中提出了一种基于电磁力加载的分离式霍普金森压杆装置，该装置通过将电磁铆枪装置直接应用于霍普金森压杆实验装置，从而实现对试样的动态压缩加载。但是实际中更希望能够使用同一个加载装置，既可以产生压缩应力波,又可以产生拉伸应力波。
技术实现思路
为克服现有技术中存在的入射波幅值难以控制，操作繁琐以及应变范围限制以及无法实现一些低应变率实验的不足，以及拉伸和压缩加载装置无法统一的缺点，本专利技术提出了。所述基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器包括电源、电容充电器和加载枪。所述电容充电器米用现有电磁铆接设备的供电部分，并将所述电容充电器的输出的正极输出线与加载枪的正极线相接，负极输出线与加载枪的负极线相接。加载枪包括锥形放大器、绝缘层、加载枪壳体、主线圈和次线圈。锥形放大器位于所述加载枪壳体内并安装在该加载枪壳体一端；该锥形放大器上的定位轴亦位于加载枪壳体内并与加载枪壳体同轴。主线圈、绝缘层和次级线圈均套装在所述锥形放大器上的定位轴上。绝缘层与所述锥形放大器的内表面贴合；次线圈位于所述绝缘层内侧；在加载枪壳体同一侧的圆周表面有主线圈的两个外接接头的过孔。锥形放大器的外圆周表面与加载枪壳体的内表面间隙配合。锥形放大器一端的圆周表面由等径段和锥段组成；所述等径段的轴向长度:锥段的轴向长度=1:1。所述锥形放大器的等径段为应力波接收段，所述锥形放大器的锥段为应力波放大反射端。应力波接收段的直径最大，并且在应力波接收段的端面中心有轴向凸出的定位轴；应力波放大反射端的中心有轴向凸出的配合段，在该处形成了拉伸头的最小直径，并在所述配合段加工有用于连接霍普金森压杆的入射杆的内螺纹。所述锥形放大器的应力波接收端的直径:应力波放大反射端的最小直径处的比值=12:1。所述应力波放大反射端的锥段的锥度为30 °。本专利技术还提出一种基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器的实验方法，包括霍普金森压缩实验和霍普金森拉伸实验。所述基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器的实验过程是:步骤1.排布器材。将加载枪、入射杆和透射杆按常规方法同轴顺序安装在实验台上，并使所述入射杆和透射杆仅在轴线方向能够自由移动。将一个试样安装在入射杆和透射杆之间，并且使试样与入射杆及透射杆同轴。步骤2.粘贴应变片。采用常规方法在入射杆或透射杆分别粘贴2个应变片，并将应变片引线接入数据采集系统；排布所述应变片引线时，须将所述各应变片引线与入射杆或透射杆的轴线平行分布，再垂直于轴线方向成直角弯折引出，使应变片引线呈直线状态接入数据采集器。步骤3.加载实验及数据采集。当进行霍普金森压缩实验时，将锥形放大器安装进加载枪内，使所述锥形放大器的小端朝向霍普金森压杆的入射杆，将锥形放大器的小端与霍普金森压杆的入射杆进行螺纹连接，并且使次线圈与主线圈的一个端面贴合在一起。通过电子开关使电容充电器对加载枪的主线圈放电，锥形放大器与主线圈之间就会产生电磁斥力，所述电磁斥力在锥形放大器内部表现为压缩应力波并被锥形放大器放大后形成入射波，该入射波传入霍普金森压杆的入射杆，当该入射波传至入射杆与试样接触面时，由于波阻抗不匹配，该入射波的一部分被反射，在入射杆中形成反射波，另一部分则通过试样透射入透射杆中，形成透射波。所述反射波本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器，其特征在于，包括电源、电容充电器和加载枪；加载枪由锥形放大器、次线圈、壳体和主线圈组成，所述锥形放大器位于所述加载枪壳体内并安装在该加载枪壳体一端；该锥形放大器上的定位轴用于主线圈和次线圈的定位，并用于拉伸应力波的传输；主线圈套装在所述锥形放大器上的定位轴上并位于加载枪壳体内中段；尼龙制成的绝缘层套装在所述锥形放大器上的定位轴上，并与所述锥形放大器内表面贴合，通过所述绝缘层阻止次线圈中产生的感应涡流传入锥形放大器；次线圈套装在所述锥形放大器上的定位轴上，并位于所述各绝缘层内侧；在加载枪壳体同一侧的圆周表面有两个通孔，主线圈的两个外接接头分别穿过其中一个通孔并固定在加载枪壳体的外表面；所述主线圈的两个外接接头中的正极接头与电容充电器的正极输出线连接，两个外接接头中的负极接头与电容充电器的负极输出线连接；锥形放大器为回转体；锥形放大器的一端由应力波接收段和锥形的应力波放大反射端组成；所述应力波接收段的轴向长度：应力波放大反射端的轴向长度＝1：1；所述锥形放大器应力波接收端的直径：应力波放大反射端的最小直径处的比值＝12：1；所述应力波放大反射端的锥段的锥度为30゜。...

【技术特征摘要】
1.一种基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器，其特征在于，包括电源、电容充电器和加载枪；加载枪由锥形放大器、次线圈、壳体和主线圈组成，所述锥形放大器位于所述加载枪壳体内并安装在该加载枪壳体一端；该锥形放大器上的定位轴用于主线圈和次线圈的定位，并用于拉伸应力波的传输； 主线圈套装在所述锥形放大器上的定位轴上并位于加载枪壳体内中段；尼龙制成的绝缘层套装在所述锥形放大器上的定位轴上，并与所述锥形放大器内表面贴合，通过所述绝缘层阻止次线圈中产生的感应涡流传入锥形放大器；次线圈套装在所述锥形放大器上的定位轴上，并位于所述各绝缘层内侧；在加载枪壳体同一侧的圆周表面有两个通孔，主线圈的两个外接接头分别穿过其中一个通孔并固定在加载枪壳体的外表面；所述主线圈的两个外接接头中的正极接头与电容充电器的正极输出线连接，两个外接接头中的负极接头与电容充电器的负极输出线连接； 锥形放大器为回转体；锥形放大器的一端由应力波接收段和锥形的应力波放大反射端组成；所述应力波接收段的轴向长度:应力波放大反射端的轴向长度=I:1; 所述锥形放大器应力波接收端的直径:应力波放大反射端的最小直径处的比值=12:I;所述应力波放大反射端的锥段的锥度为30 °。2.如权利要求1所述基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器，其特征在于，在所述锥形放大器应力波接收段的端面中心有轴向凸出的定位轴；应力波放大反射端中心有轴向凸出的配合段，所述配合段加工有内螺纹盲孔，用于连接霍普金森压杆的入射杆。3.如权利要求1所述基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器，其特征在于，所述锥形放大器的定位轴与主线圈11的通孔为间隙配合；在该定位轴端头处的圆周表面加工有内螺纹盲孔，用于与霍普金森拉杆的入射杆配合。4.一种利用权利要求1所述基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器实验的方法，所述基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器的实验方法中包括霍普金森压缩实验和霍普金森拉伸实验；其特征在于: 步骤1.排布器材； 将加载枪、入射杆和透射杆按常规方法同轴顺序安装在实验台上，并使所述入射杆和透射杆仅在轴线方向能够自由移动；将一个试样安装在入射杆和透射杆之间，并且使试样与入射杆及透射杆同轴； 步骤2.粘贴应变片； 应变片的粘贴方法采用现有技术，将两片参数完全相同的应变片对称粘贴在所述入射杆或透射杆中...

【专利技术属性】
技术研发人员：李玉龙，聂海亮，汤忠斌，索涛，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61