液压气动中应变率拉伸压缩通用试验装置的制作方法

本实用新型属于材料动态力学性能测试技术领域，涉及一种中应变率拉伸/压缩试验装置，适用于在中应变率条件下研究材料的动态拉伸或者压缩力学性能，获得材料的中应变率动态拉伸或者压缩力学特性。

背景技术：

汽车碰撞、外物对飞机和高铁的撞击、金属加工等等均涉及研究材料在中应变率加载条件下的动态力学响应特性。

研究率敏感材料的动态力学性能需要多种手段，如准静态拉伸、压缩和扭转试验采用传统的伺服试验机，广泛用于研究材料的低应变率力学行为响应特性(产生的应变率为10^-3～10^-1s^-1)；而分离霍普金森杆技术(splithopkinsonbartechnique)广泛用于研究材料的高应变率力学行为响应特性，霍普金森拉杆或者压杆一般产生的应变率是从200～10³s^-1。考虑材料中低应变率1～200s^-1变形行为的文献数据是非常有限的。这主要是因为中应变率的拉伸或者压缩实验难度比较大，比伺服拉伸压缩试验机的应变率大，而比霍普金森拉杆或者压杆取得的应变率小。在传统的伺服液压试验机或者其它的快速试验机上增加加载速率时会造成应力波信号振荡。而振荡的滤波会降低精度和重要现象的发现。对于材料的中应变率力学性能测试仍然没有比较完善的设备。若在气动和机械加载机构基础上研发的中应变率材料试验方法，主要进行材料的压缩试验。为了得到一个可观的最大应变，所需的应力波脉冲很长，达到1ms到10ms之间，若采用传统的霍普金森杆加载技术，不但子弹长度过长，可能在数米的长度，而且要分离入射波和反射波所需的杆的长度也至少是子弹长度的两倍，这样整个装置的长度就可达十几米和几十米。所以采用传统的霍普金森杆装置进行中应变率加载的试验是不现实的。因此研发适宜于中应变率加载条件下材料动态力学性能研究的试验装置，是十分必要和重要的。

技术实现要素：

本实用新型目的是为了解决现有试验装置只适用于高、低应变率试验，并不能进行中应变率加载条件下拉伸或压缩动态应力波加载试验的问题，提供了一种液压气动中应变率拉伸压缩通用试验装置。

本实用新型所述液压气动中应变率拉伸压缩通用试验装置，包括试件1、输出杆2、应变片3、圆柱缸体27、活塞10、活塞杆15、输入杆4、气路控制单元和水路控制单元；

圆柱缸体27的内腔被活塞10分割为左腔室6和右腔室14，与活塞10左侧壁固接的输入杆4从圆柱缸体27的左端盖穿出，与活塞10右侧壁固接的活塞杆15从圆柱缸体27的右端盖穿出；

试件1的两端分别与端部粘贴应变片3的输入杆4和输出杆2连接；

输出杆2、输入杆4、活塞杆15、活塞10和圆柱缸体27同轴；

拉伸实验时，左腔室6作为气室，右腔室14作为水室；压缩实验时，左腔室6作为水室，右腔室14作为气室；

水路控制单元，用于向水室注水；

气路控制单元，用于向气室充入惰性气体；还用于保持充气过程中活塞10两侧的压力平衡；还用于在拉伸或者压缩实验时实现对气室内气体压力的释放；还用于在拉伸或者压缩实验时实现往水室内充水时排空水室内的气体。

优选地，气路控制单元还用于在试验结束后将气室中的惰性气体排空；水路控制单元还用于试验结束后在气路控制单元的协助下将水室中的水排空。

优选地，还包括激光位移传感器28和超动态应变仪；

输入杆4露在圆柱缸体27外部的端部设置固定挡块，通过激光位移传感器28监测固定挡块来实现测量试件1的应变时间历程；

试件1两端的应变片3同时接入超动态应变仪，实现测量试件1在应变时间历程中两侧的应力载荷数据。

优选地，还包括一号o型圈5、二号o型圈16和三号o型圈，输入杆4与圆柱缸体27左端面接触处通过一号o型圈5实现密封；活塞杆15与圆柱缸体27右端面接触处通过二号o型圈16实现密封；活塞10与圆柱缸体27的内壁面通过两道三号o型圈实现密封。

优选地，气路控制单元包括惰性气体瓶26、高压气源分配器23、四号高压手动截止阀19、六号高压手动截止阀21、七号高压手动截止阀22和九号高压手动截止阀25；惰性气体瓶26的出气口通过九号高压手动截止阀25与高压气源分配器23的气源入口连通；

高压气源分配器23通过七号高压手动截止阀22与外界连通；

高压气源分配器23通过六号高压手动截止阀21与左腔室6连通；高压气源分配器23通过四号高压手动截止阀19与右腔室14连通；

四号高压手动截止阀19和六号高压手动截止阀21设置在圆柱缸体27上部。

优选地，气路控制单元还包括八号高压手动截止阀24和气压表，气压表用于监测高压气源分配器23内部气压，气压表与高压气源分配器23之间的管路上设置有八号高压手动截止阀24。

优选地，惰性气体瓶26为氮气气体瓶。

优选地，水路控制单元包括注水漏斗18、一号高压手动截止阀9、二号高压手动截止阀11、三号高压手动截止阀17、五号高压手动截止阀20、左腔室流量控制阀8、右腔室流量控制阀13、左腔室高压快开电磁阀7和右腔室高压快开电磁阀12；

注水漏斗18通过五号高压手动截止阀20与左腔室6连通；注水漏斗18通过三号高压手动截止阀17与右腔室14连通；三号高压手动截止阀17和五号高压手动截止阀20设置在圆柱缸体27上部；

左腔室6下部通过一号高压手动截止阀9与外界连通；左腔室6下部通过左腔室流量控制阀8及左腔室高压快开电磁阀7与外界连通；

右腔室14下部通过二号高压手动截止阀11与外界连通；右腔室14下部通过右腔室流量控制阀13及右腔室高压快开电磁阀12与外界连通。

本实用新型的有益效果：本实用新型采用液压气动的方式，通过流量控制阀控制液体的流量控制活塞的运动速度，也就是控制试件的变形速率，而由气体的压力控制施加应力波的幅值大小，实现中应变率加载条件下拉伸或者压缩动态应力波加载。加载装置易于控制应力波的幅值和应变率，具有良好的重复性，可连续可调产生所需的不同中应变率的加载波形。

附图说明

图1是本实用新型所述液压气动中应变率拉伸压缩通用试验装置的结构示意图，此图为拉伸试验；

图2是本实用新型所述液压气动中应变率拉伸压缩通用试验装置的结构示意图，此图为压缩试验。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本实用新型的实施方式，借此对本实用新型如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本实用新型中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本实用新型的保护范围之内。

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，液压气动中应变率拉伸压缩通用试验装置，其特征在于，包括试件1、输出杆2、应变片3、圆柱缸体27、活塞10、活塞杆15、输入杆4、气路控制单元和水路控制单元；

圆柱缸体27的内腔被活塞10分割为左腔室6和右腔室14，整个结构是具有对称性，活塞10优选铝合金材质，与活塞10左侧壁固接的输入杆4从圆柱缸体27的左端盖穿出，与活塞10右侧壁固接的活塞杆15从圆柱缸体27的右端盖穿出；

试件1的两端分别与输入杆4和输出杆2端部贴设的应变片3固接；输出杆2左端与外界部件固定，输出杆2右端与拉伸或者压缩实验的试件1左端同轴连接或接触；输入杆4左端与试件1右端同轴连接或者接触，且与试件1连接或接触的输入杆4和输出杆2端部各贴设一个应变片3，在拉伸或压缩实施时检测应力变化。

输出杆2、输入杆4、活塞杆15、活塞10和圆柱缸体27同轴；活塞10的左端与输入杆4同轴通过螺纹连接，而活塞10的右端与活塞杆15同轴通过螺纹连接，这样保证活塞10两侧的压力相同，避免试验前对试件施加载荷作用。

拉伸实验时，左腔室6作为气室，右腔室14作为水室；压缩实验时，左腔室6作为水室，右腔室14作为气室；

水路控制单元，用于向水室注水，还用于试验结束后在气路控制单元的协助下将水室中的水排空；

气路控制单元，用于向气室充入惰性气体；还用于保持充气过程中活塞10两侧的压力平衡；还用于在拉伸或者压缩实验时实现对气室内气体压力的释放；还用于在拉伸或者压缩实验时实现往水室内充水时排空水室内的气体，还用于在试验结束后将气室中的惰性气体排空；。

气路控制单元包括惰性气体瓶26、高压气源分配器23、四号高压手动截止阀19、六号高压手动截止阀21、七号高压手动截止阀22和九号高压手动截止阀25；惰性气体瓶26的出气口通过九号高压手动截止阀25与高压气源分配器23的气源入口连通；

高压气源分配器23通过七号高压手动截止阀22与外界连通；

高压气源分配器23通过六号高压手动截止阀21与左腔室6连通；高压气源分配器23通过四号高压手动截止阀19与右腔室14连通；

高压气源分配器23在拉伸或者压缩时通过高压手动截止阀(21和22或者19和22)实现对惰性气体室内气体压力的释放；高压气源分配器23在拉伸或者压缩时通过高压手动截止阀(19和22或者21和22)实现往水室内充水时排空水室内的气体。

四号高压手动截止阀19和六号高压手动截止阀21设置在圆柱缸体27上部。通过高压气源分配器23和两个高压手动截止阀(四号高压手动截止阀19和六号高压手动截止阀21)将水室和惰性气体室连接，以保证水室和惰性气体室在试验装置给惰性气体室充气的过程中保证活塞10两侧的压力平衡。

进一步的，气路控制单元还包括八号高压手动截止阀24和气压表，气压表用于监测高压气源分配器23内部气压，气压表与高压气源分配器23之间的管路上设置有八号高压手动截止阀24。

惰性气体瓶26为氮气气体瓶。

水路控制单元包括注水漏斗18、一号高压手动截止阀9、二号高压手动截止阀11、三号高压手动截止阀17、五号高压手动截止阀20、左腔室流量控制阀8、右腔室流量控制阀13、左腔室高压快开电磁阀7和右腔室高压快开电磁阀12；

注水漏斗18通过五号高压手动截止阀20与左腔室6连通；注水漏斗18通过三号高压手动截止阀17与右腔室14连通；三号高压手动截止阀17和五号高压手动截止阀20设置在圆柱缸体27上部；

左腔室6下部通过一号高压手动截止阀9与外界连通；左腔室6下部通过左腔室流量控制阀8及左腔室高压快开电磁阀7与外界连通；

右腔室14下部通过二号高压手动截止阀11与外界连通；右腔室14下部通过右腔室流量控制阀13及右腔室高压快开电磁阀12与外界连通。

流量控制阀(8、13)和快开电磁阀(7、12)，用于在拉伸或者压缩时实现水的瞬间排放和流量控制；在水室和氮气室的径向下端均安装有高压手动截止阀(9、11)用于在拉伸或者压缩试验后将剩余的水排空；在水室和惰性气体室的径向上端顺序连接高压手动截止阀(20和17)和漏斗18用于在拉伸或者压缩时往水室里面注水。

具体实施方式二：还包括激光位移传感器28和超动态应变仪；

输入杆4露在圆柱缸体27外部的端部设置固定挡块，通过激光位移传感器28监测固定挡块来实现测量试件1的应变时间历程；

试件1两端的应变片3同时接入超动态应变仪，实现测量试件1在应变时间历程中两侧的应力载荷数据。

测量试件1的应变时间历程还可以采用以下两种技术手段：

在试件1上粘贴应变片，通过应变片测得试件的应变时间历程。

或在试件1上喷射散斑，通过数字散斑dic技术监测拉伸或压缩过程中试件的形变来确定应变时间历程。

具体实施方式三：还包括一号o型圈5、二号o型圈16和三号o型圈，输入杆4与圆柱缸体27左端面接触处通过一号o型圈5实现密封；活塞杆15与圆柱缸体27右端面接触处通过二号o型圈16实现密封；活塞10与圆柱缸体27的内壁面通过两道三号o型圈实现密封。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，利用实施方式三所述的液压气动中应变率拉伸压缩通用试验装置进行拉伸实验的过程包括以下步骤：

准备工作：将试件1连接到输入杆4和输出杆2之间，活塞10两侧的截面面积相同，作用的载荷也相同，可有效避免充水加气时对试件施加载荷作用的影响；初始状态时所有阀门都处于关闭状态。

步骤a1：将右腔室14作为水室并注满水：打开四号高压手动截止阀19和七号高压手动截止阀22，打开三号高压手动截止阀17，通过漏斗18将水注入右腔室14，里面的气体通过四号高压手动截止阀19、高压气源分配器23和七号高压手动截止阀22排出右腔室14；

步骤a2：将左腔室6作为气室充满氮气：关闭七号高压手动截止阀22，打开六号高压手动截止阀21和八号高压手动截止阀24，打开惰性气体瓶26的开关，打开九号高压手动截止阀25，向保证左腔室6和右腔室14的压力平衡的同时向左腔室6里面充入氮气，当充入的气体压力达到试验需求的压力值时，关闭四号高压手动截止阀19、六号高压手动截止阀21、八号高压手动截止阀24和九号高压手动截止阀25；

步骤a3：打开右腔室高压快开电磁阀12，将右腔室14里面的水通过右腔室流量控制阀13按设定流速排出，在打开阀门的瞬间，右腔室14中的水压力为零，致使活塞10在此瞬间被加载瞬态载荷并传导施加在试件1上，在右腔室14排水的过程中，活塞10向右移动并将持续施加载荷到试件1上，使试件1持续被拉伸，直至3～10秒后将右腔室高压快开电磁阀12关闭为止；

右腔室流量控制阀13设定的流量大小控制活塞10的移动速度，也就是控制载荷对试件1的加载时间。

步骤a4：在持续施加载荷的过程中，利用激光位移传感器28测量试件1的应变时间历程，利用超动态应变仪测量所述应变时间历程中试件1两侧的应力载荷数据，根据两组数据构建拉伸应力应变曲线；

步骤a5：打开六号高压手动截止阀21和七号高压手动截止阀22，将惰性气体室内的气体排出，打开二号高压手动截止阀11和四号高压手动截止阀19将水室内的水排出水室，完成拉伸试验。

具体实施方式六：结合图2说明本实施方式，利用实施方式三所述的液压气动中应变率拉伸压缩通用试验装置进行压缩实验的过程包括以下步骤：

步骤b1：将左腔室6作为水室并注满水：打开六号高压手动截止阀21和七号高压手动截止阀22，打开五号高压手动截止阀20，通过漏斗18将水注入左腔室6，里面的气体通过六号高压手动截止阀21、高压气源分配器23和七号高压手动截止阀22排出右腔室14；

步骤b2：将右腔室14作为气室充满氮气：关闭七号高压手动截止阀22，打开四号高压手动截止阀19和八号高压手动截止阀24，打开惰性气体瓶26的开关，打开九号高压手动截止阀25，向保证左腔室6和右腔室14的压力平衡的同时向右腔室14里面充入氮气，当充入的气体压力达到试验需求的压力值时，关闭四号高压手动截止阀19、六号高压手动截止阀21、八号高压手动截止阀24和九号高压手动截止阀25；

步骤b3：打开左腔室高压快开电磁阀7，将左腔室6里面的水通过左腔室流量控制阀8按设定流速排出，在打开阀门的瞬间，左腔室6中的水压力为零，致使活塞10在此瞬间被加载瞬态载荷并传导施加在试件1上，在左腔室6排水的过程中，活塞10向左移动并将持续施加载荷到试件1上，使试件1持续被压缩，直至3～10秒后将左腔室高压快开电磁阀7关闭为止；

步骤b4：在持续施加载荷的过程中，利用激光位移传感器28测量试件1的应变时间历程，利用超动态应变仪测量所述应变时间历程中试件1两侧的应力载荷数据，根据两组数据构建压缩应力应变曲线；

步骤b5：打开四号高压手动截止阀19和七号高压手动截止阀22，将惰性气体室内的气体排出，打开一号高压手动截止阀9和六号高压手动截止阀21将水室内的水排出水室，完成压缩试验。

虽然本实用新型所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用以限定本实用新型。任何本实用新型所属技术领域内的技术人员，在不脱离本实用新型所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。