本发明专利技术公开了一种三维冲击加载实验装置，属于冲击动力学实验装置技术领域，其技术要点包括依序设置的加载装置、入射杆、试件和透射杆，在入射杆和透射杆上分别设有应变片，应变片连接有数据采集处理单元，其中所述的试件为正方体，所述的入射杆和透射杆的数量分别为三根；各入射杆的其中一端与加载装置相对应，另一端分别垂直于试件上相互垂直的三个侧面上；透射杆分别垂直设置在试件的剩余三个侧面上；入射杆与透射杆一一对应；本发明专利技术旨在提供一种可真正实现三维动态加载的三维冲击加载实验装置；用于研究工程材料在三维动态加载下的动态力学性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种冲击加载实验装置，更具体地说，尤其涉及一种三维冲击加载实验装置。
技术介绍
分离式Hopkinson压杆（Split Hopkinson Pressure Bar, SHPB）装置是研究各类工程材料动态力学性能的基本实验手段之一，其研究的应变率范围在 ~之间。该装置最初由B. Hopkinson提出，后来经过R.M．Davis对它进行了改进。1949年，H．Kolsky在这些基础上建立了进行材料单轴动态压缩性能试验的试验方法，测试了高应变率下金属材料的力学性能。其结构如图1所示，其原理是将试样夹持于两个细长弹性杆(入射杆与透射杆)之间，由圆柱形子弹以一定的速度撞击入射弹性杆的另一端，产生压应力脉冲并沿着入射弹性杆向试样方向传播。当应力波传到入射杆与试样的界面时，一部分反射回入射杆，另一部分对试样加载并传向透射杆，通过贴在入射杆与透射杆上的应变片可记录入射脉冲，反射脉冲及透射脉冲，由一维应力波理论可以确定试样上的应力、应变率、应变随时间的变化，以及应力、应变曲线。实验装置如图1所示。常用的SHPB装置主要用于材料的单轴动态抗压性能的测试。然而，在大多数情况下，岩石以及其他工程材料往往处于多向受力状态。因此，在SHPB装置上研究材料的三维动力学特性是非常有必要的。常规的SHPB装置不能直接用于三维冲击实验，研究者在实验装置的研究设计等方面也作了大量改进工作。1972年，R. J. Christenson等首次对岩石进行了维亚下的动力实验。后来，川北稔等[10]利用北海道大学的岩石三维SHPB试验系统进行了一些研究。欧盟联合研究中心设计了用于岩石和混凝土的三维加载冲击试验机。2000年，S.Nemat-Nasser等设计了一种改进的三维SHPB 装置，并对混凝土砂浆进行了冲击试验研究。国内从20世纪80年代开始，北京科技大学、重庆大学相继研制了加围压的SHPB 装置，并进行了一些相关的岩石动态试验研究。最近，李夕兵等研制了新型的动静组合加载SHPB装置，实现了适用于岩石类材料的三维动静组合加载，并进行了一系列相关研究。目前，三维SHPB冲击试验机从装置构造特征和实现的功能上可以分为两大类：常规三维SHPB试验机和动静组合加载三维SHPB试验机。1.1 常规三维SHPB试验机常规的三维SHPB试验机是参照静态试验机的工作原理设计的，即在普通SHPB 试验机的基础上，设计一个加围压的装置，施加围压后进行冲击试验。该类试验机以犹他州立大学、北海道大学、加州大学圣地亚哥分校和北京科技大学的冲击试验机为代表。该类试验机由于入射杆、透射杆及试样均为圆柱形，所以施加的围压在径向二维方向上相同。不过，对该类试验机，按照施加围压装置的不同，还可细分为油压驱动和固体套筒加压的两类试验机， 前一类以犹他州立大学、北海道大学和北京科技大学的试验机为代表，后一类以加州大学圣地亚哥分校的试验机为代表。下面分别选取两类典型试验机进行详细介绍。-->北京科技大学的试验系统如图2所示，在普通SHPB试验机上增加了使试样处于静水压力的油压缸。入射杆和透射杆的直径为30mm，长度分别为700和500mm。油压缸耐压为100MPa，将套有橡胶套的岩石试样装入油压缸进行密封，利用轴向油压系统将试样两段夹紧，再用侧向压力系统使试样周围施加一定围压，冲击系统沿着入射杆-试样-透射杆轴向发射一定质量和速度的加载杆撞击入射杆，加载杆速度可达40m/s。为使应力波持续时间为100，加载杆长度选择为266mm。美国加州大学圣地亚哥分校冲击试验机试验系统如图3至图5所示，包括气炮、冲头、第一入射杆、第二入射杆、入射管、透射杆、透射管、塑料套筒和铝质套筒等。和普通的SHPB 系统相比较，主要是增加了一个第二入射杆、入射管、透射管及施加围压的套筒装置。第一入射杆直径为27mm，第二入射杆直径为19mm。试样直径和第二入射杆及透射杆的直径相同，安装在塑料套筒内。铝质套筒材料参数如下：弹性模量70GPa，泊松比0.3，可以承受500MPa的压力，保证试验过程中施加足够的围压。进行试验时，首先由冲头冲击入射杆，杆上的应变片记录下入射应力波型；应力波由入射杆冲击入射杆和入射管，并由入射杆传递到试样上，再由试样传递给透射杆，透射杆上的应变片记录下透射波型，并按照一维应力波理论对试验数据进行处理对比上述两类试验机，从装置本身结构上可以看出有以下特点：前一类试验机利用油压驱动实现围压加载，这一点和静载假三维试验类似。其优点是可以随意调节施加围压的范围，操作起来也很方便，但是目前还不能和静载三维试验机一样实现伺服控制，大多数靠手动加压。加州大学圣地亚哥分校的冲击试验机由于利用铝制套筒包裹一个塑料套筒进行加压，对围压的测量和读数相对于油压驱动试验机要复杂一些。1.2 动静组合加载三维SHPB试验机常规的三维SHPB试验机只能实现单纯加围压的冲击试验。实际上，在自然界和工程实践中，很多岩石材料在承受动载荷之前已经处于一定的静应力或地应力状态。即岩石处于一维或三维受力状态下， 再在某一维方向上受到冲击作用，受到动静组合加载作用。特别是深部岩体开采问题，其岩体受一定的高地应力和开采扰动甚至地震等动载荷作用，属于典型的岩石动静组合加载问题。因此，有必要对这一类问题进行室内试验研究。研究该问题的试验机称为动静组合加载试验机。该类试验机分为两类，以欧盟联合研究中心的冲击试验机和中南大学动静组合加载试验机为代表。欧盟联合研究中心的冲击试验系统在原来的一维冲击试验机上改造而成，可以在三维方向上预先施加轴向压力，并在一维方向上进行冲击加载。如图6所示，试验装置主要包括1个冲击系统（包括预应力杆和脆性联合器），1个入射杆和5个出射杆。5个出射杆可以按照要求施加轴向方向的静预应力。入射杆和透射杆长度为2m，杆的截面是长度为10cm的正方形。该系统可以实现幅值为3MN和持续时间为800的矩形波加载。整个系统长度为8m。中南大学的岩石动静组合加载试验系统，如图5所示，在入射杆和透射杆端部处安设薄挡板和轴压加载装置，利用金属框架连接起来，即可以加载与冲击载荷方向一致的静载荷；在试样安装处架设围压加载装置，即可以加载与冲击载荷方向垂直的围压。同时加载轴向静压和围压，从而可以进行三维预应力下的冲击试验。所用SHPB试验系统杆件采用40Cr合金钢，密度为7.810g/cm3，弹性波速为5410m/s，杆直径为50mm，入射杆和透射杆长-->度分别为2.00m和1.50m，子弹采用双端锥形结构（异型冲头），可以消除P-C振荡，实现稳定的半正弦波（加载波上升段稳定在100左右）加载，其材质和弹体最大直径分别与对应的入射、透射杆相同。该系统目前可实现岩石轴向静压0～200MPa、围压0～200MPa、冲击动载0～500MPa的同时加载，试样应变率在~段。综上所述，对于常规的三维SHPB装置来说，虽然在其他方向上设计了围压以及在轴向实现了轴向静压，但也只能在某一维方向上受到冲击波作用，为了使得在二维或三维方向上能够同时受到冲击波作用，本专利技术专利提出了新的三维SHPB实验装置。该装置由单一加载杆本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种三维冲击加载实验装置，包括依序设置的加载装置（１）、入射杆（２）、试件（３）和透射杆（４），在入射杆（２）和透射杆（４）上分别设有应变片（５），应变片（５）连接有数据采集处理单元（６），其特征在于，所述的试件（３）为正方体，所述的入射杆（２）和透射杆（４）的数量分别为三根；各入射杆（２）的其中一端与加载装置（１）相对应，另一端分别垂直于试件（３）上相互垂直的三个侧面上；透射杆（４）分别垂直设置在试件（３）的剩余三个侧面上；入射杆（２）与透射杆（４）一一对应。
【技术特征摘要】
1.一种三维冲击加载实验装置，包括依序设置的加载装置（1）、入射杆（2）、试件（3）和透射杆（4），在入射杆（2）和透射杆（4）上分别设有应变片（5），应变片（5）连接有数据采集处理单元（6），其特征在于，所述的试件（3）为正方体，所述的入射杆（2）和透射杆（4）的数量分别为三根；各入射杆（2）的其中一端与加载装置（1）相对应，另一端分别垂直于试件（3）上相互垂直的三个侧面上；透射杆（4）分别垂直设置在试件（3）的剩余三个侧面上；入射杆（2）与透射杆（4）一一对应。2.根据权利要求1所述的三维冲击加载实验装置，其特征在于，所述的各入射杆（2）均为曲线形状；所述的加载装置（1）由高压气室（7）和一根加载杆（8）组成，加载杆（8）一端与高压气室（7）的动力输出孔相对应，加载杆（8）另一端与三根入射杆（2）的其中一端相对应。3.根据权利要求2所述的三维冲击加载实验装置，其特征在于，所述加载杆（8）的横截面形状与三根入射杆（2）...
【专利技术属性】
技术研发人员：浣石，陶维俊，
申请(专利权)人：浣石，
类型：发明
国别省市：81
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