一种动态复合加载的入射杆

本申请涉及材料动态实验技术领域，尤其涉及一种动态复合加载的入射杆。

背景技术：

在各类工程技术、军事技术、科学研究、甚至是日常生活方面等广泛领域的一系列实际问题中，人们都会遇到各种各样的爆炸/冲击载荷问题，并可以观察到物体在爆炸/冲击载荷下的力学响应与静载荷下的力学响应有着显著不同。高应变率变形是材料响应的主要特征之一，因此，了解材料在高应变率下的力学响应将大大有助于这些材料的工程应用和工程设计。目前，分离式霍普金森杆是最为广泛使用的测试材料高应变率下力学特性的实验装置，已经成功地应用于金属、复合材料、聚合物、岩石、混凝土和泡沫材料等各种工程材料的动态力学性能测试，是公认的最常用、最有效的研究脉冲动载作用下材料力学性质的实验设备。随着科学研究及工程应用的深入，复合动载下材料的力学特性越来越成为急需解决的问题，相应的测试技术需求也越来越强烈。

目前的分离式霍普金森杆装置有压杆、拉杆和扭杆，这些只适用于单载荷的加载情况，无法实现复合加载测试(如拉扭、压扭复合加载)。部分具有复合加载功能的分离式霍普金森杆装置，其实现方式主要是外加扭矩加载器，但是这种实现方式，装置整体复杂，压缩波和扭转波的同步触发困难，实施也较为不便。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请的第一目的是提供一种动态复合加载的入射杆，能够应用于传统的分离式霍普金森杆实验加载装置，满足复合加载测试需求，较于现有的复合加载实现方式，有助于减小装置的复杂程度，不存在压缩波和扭转波的同步触发难题，实施更加方便简单。

为达到上述技术目的，本申请提供了一种动态复合加载的入射杆，包括第一杆段、第二杆段以及压扭超材料段；

所述第一杆段、所述压扭超材料段与所述第二杆段沿同一轴线方向依次设置；

所述压扭超材料段一端与所述第一杆段的一端连接，另一端与所述第二杆段的一端连接。

进一步地，所述压扭超材料段两端分别与所述第一杆段以及所述第二杆段的一端粘接。

进一步地，所述压扭超材料段的两端分别设有凸起部；

所述第一杆段与所述第二杆段的一端上分别设有供所述凸起部卡入，且与所述凸起部过盈配合的内凹槽。

进一步地，所述第一杆段以及所述第二杆段与所述压扭超材料段连接的一端上均设有凸起部；

所述压扭超材料段的两端上分别设有供所述凸起部卡入，且与所述凸起部过盈配合的内凹槽。

进一步地，所述凸起部具体为多边形凸起结构。

进一步地，所述第二杆段的长度大于自身一倍直径。

从以上技术方案可以看出，本申请提供的一种动态复合加载的入射杆，由沿同一轴线方向依次设置的第一杆段、压扭超材料段以及第二杆段组成，其中压扭超材料段分别与所述第一杆段和第二杆段连接。利用压扭超材料段可将压缩/拉伸波转化为压扭/拉扭复合波，在撞击第一杆段时，通过压扭超材料段可以使得第二杆段输出压缩/拉伸和扭转的复合载荷，进而能够满足复合加载测试需求。这一结构改进创造性的将超材料结合应用至入射杆中，使得改进后的入射杆具有复合加载功能。较于已有的复合加载实现方式，压缩/拉伸波和扭转波同时在第二杆段产生，不存在同步触发的难题；而且结构简单，大大减小了装置的复杂程度。另外还可以通过调整设计超材料的材料参数，以满足不同的实验需求，实施更加方便。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请中提供的一种动态复合加载的入射杆的结构示意图；

图2为本申请中提供的一种动态复合加载的入射杆的凸起部与内凹槽的第一配合示意图；

图3为本申请中提供的一种动态复合加载的入射杆的凸起部与内凹槽的第二配合示意图；

图中：11、第一杆段；12、第二杆段；13、压扭超材料段；21、凸起部；22、内凹槽。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请实施例保护的范围。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可更换连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

本申请实施例公开了一种动态复合加载的入射杆。

请参阅图1，本申请实施例中提供的一种动态复合加载的入射杆的一个实施例包括：

第一杆段11、第二杆段12以及压扭超材料段13。所述第一杆段11、所述压扭超材料段13与所述第二杆段12沿同一轴线方向依次设置，所述压扭超材料段13一端与所述第一杆段11的一端连接，另一端与所述第二杆段12的一端连接。

从以上技术方案可以看出，本申请提供的一种动态复合加载的入射杆，设计有第一杆段11与第二杆段12，并在第一杆段11与第二杆段12之间连接一个压扭超材料段13，利用压扭超材料段13具有对应力波转化的功能，在沿杆的长度方向撞击第一杆段11时，通过压扭超材料段13可以使得第二杆段12输出压扭/拉扭复合载荷，进而能够满足复合加载测试需求。这一结构改进创造性的将超材料结合应用至入射杆中，使得改进后的入射杆具有复合加载功能。较于已有的复合加载实现方式，压缩/拉伸波和扭转波同时在第二杆段产生，不存在同步触发的难题。而且结构简单，使用也简单方便，将本申请这一改进的入射杆直接替换传统的分离式霍普金森杆实验加载装置中的入射杆即可实现复合加载实验，无需再去更改传统的分离式霍普金森杆实验加载装置中的其它部件，大大减小了装置的复杂程度，降低了制造成本以及后续维护成本。再者本申请中将压扭超材料段13设置于第一杆段11与第二杆段12之间，通过第二杆段12可以提供拉伸/压缩波和扭转波一定的传播距离，使得拉伸/压缩波和扭转波在到达待测试件前可以趋于稳定，提高实验结果的精度。本申请中的压扭超材料也称为拉扭超材料、压扭耦合超材料、拉扭耦合超材料，具体材料种类不做限制，能够实现较好的压扭/拉扭效果即可。本申请这一入射杆不局限于应用包含有压扭复合载荷需求的实验装置(例如分离式霍普金森压杆装置)或包含有拉扭复合载荷需求的实验装置(例如分离式霍普金森拉杆装置)，也可以应用于其它需要复合载荷的装置中，本领域技术人员可以根据实际需要做适当的选择应用。

另外，还可以通过调整设计超材料的材料参数，以满足不同的实验需求，实施更加方便。以控制第二段杆出来的压缩/拉伸波和扭转波的幅值为例：

其中压缩/拉伸波计算公式为：

扭转波计算公式为：

其中σi为第一杆段入射波大小，sa为第一杆段等效截面积，ea为第一杆段等效弹性模量，ρa为第一杆段等效密度。

sb为压扭超材料段等效截面积，eb为压扭超材料段等效弹性模量，ρb为压扭超材料段等效密度，gb为压扭超材料段等效剪切模量，h为压扭超材料段压缩方向长度，rb为压扭超材料段等效截面积半径；kc为压扭超材料段压扭耦合系数。

sc为第二杆段等效截面积，ec为第二杆段等效弹性模量，gc为第二杆段等效剪切模量，ρc为第二杆段等效密度，rc为第二杆段等效截面积半径。

由此可知，通过改变压扭超材料段13等效弹性模量、压扭超材料段13等效密度，压扭超材料段13等效剪切模量，压扭超材料段13压扭耦合系数、压扭超材料段13等效截面积、压扭超材料段13等效密度即可控制第二段杆12出来的压缩/拉伸波幅值和第二杆段12出来的扭转波幅值，本领域技术人员可以以此为基础做适当的变化，具体不做限制。

以上为本申请实施例提供的一种动态复合加载的入射杆的实施例一，以下为本申请实施例提供的一种动态复合加载的入射杆的实施例二，具体请参阅图1至图3。

基于上述实施例一的方案：

进一步地，就压扭超材料段13的连接方式来说，所述压扭超材料段13两端可以分别与所述第一杆段11以及所述第二杆段12的一端粘接，也即是通过胶水等进行粘接固定。

当然，还可以是如下这一方式，如图2所示，在所述压扭超材料段13的两端分别设有凸起部21，而所述第一杆段11与所述第二杆段12的一端上分别设有供所述凸起部21卡入，且与所述凸起部21过盈配合的内凹槽22。又或者是如图3所示，在所述第一杆段11以及所述第二杆段12与所述压扭超材料段13连接的一端上均设有凸起部21，所述压扭超材料段13的两端上分别设有供所述凸起部21卡入，且与所述凸起部21过盈配合的内凹槽22。通过凸起部21与内凹槽22的配合实现卡固连接的方式进行连接固定。其中，所述凸起部21具体可以为多边形凸起结构，例如六边形、五边形、四边形、三边形等。就连接固定方式来说，也不仅仅局限于本申请实施例提出的手段，本领域技术人员可以以此为基础做适当的变化，能够满足较好的进行固定连接，同时也可以考虑拆装更换便利性，具体不做限制。

进一步地，第二杆段12的长度具体长度可以根据加载目的来确定。

压缩/拉伸波与扭转波在第二杆段12中的传播速度不同，扭转波相对来说会慢。假设第二杆段12的长度为l2，那么两个波到达入射杆右端(即到达待测试件)时间差为：

e，ρ，υ分别为第二杆段12的弹性模量、密度和泊松比。

ts，tι为分别为扭转波和压缩/拉伸波的传播时间。

从上述公式可以知道，第二杆段12的长度会影响两个波到达入射杆右端时间差。如果第二杆段12的长度过小，由于边界效应，压缩/拉伸波与扭转波都还未达到稳定状态，会影响测试结果。如果第二杆段12的长度过大，那么压缩/拉伸波与扭转波达到试件的时间差明显，也会影响测试结果。为了保证测试结果的准确，本实施例中第二杆段12的最小长度不易过小，优选为至少大于自身直径，而最大长度则可以根据不同的实验目的而变化选择，满足压缩波和扭转波具有一定的重合段即可。

第一种情况，当对待测试件同时进行压缩波和扭转波的动态复合加载时，就第二杆段12的长度设计来说，可以优选长度为大于自身一倍直径，小于自身三倍直径，当然比三倍直径更大亦可以，本领域技术人员可以以此为基础做适当的变化，具体不做限制。

第二种情况，当为研究界面上的动态摩擦响应时，在施加剪切荷载之前需要沿着界面施加正压力，然后保持正压力的同时施加扭矩以确定摩擦因数。此时，为保证压缩波与扭转波有重合段，要求：

其中t为压缩波的脉宽时间，0<β<1为系数。第二杆段12的最大长度设计可以根据上述这一公式进行，本领域技术人员可以以此为基础做适当变化，具体不做限制。

以上对本申请所提供的一种动态复合加载的入射杆进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本申请实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。