用于保证分离式双轴霍普金森压杆实验的入射波等效加载方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种入射波等效加载方法，特别是涉及一种用于保证分离式双轴霍普 金森压杆实验的入射波等效加载方法。
【背景技术】
[0002] 在双轴霍普金森压杆实验中，要求加载入射波同时从两个相互垂直的方向对试样 横向和纵向进行等效加载，即横向、纵向加载入射波前沿到达试样接触界面的时间间隔必 须小于lys，横向、纵向加载应力入射波幅值相同，横向、纵向加载入射波脉冲宽度相同。
[0003] 参照图10、11。文献"申请公布号是CN103913382A中国发明专利"开了一种基于 电磁力的分离式霍普金森压杆实验装置，该装置以电磁铆枪技术为基础，利用电容组对放 电线圈放电，放电线圈中激发强脉冲电流，强脉冲电流在次级线圈中引起感应涡流，脉冲电 流与感应涡流产生电磁斥力，电磁斥力经过应力波放大器放大后以应力波的形式通过入射 杆直接加载到试样表面，通过设置不同的放电电压，可以有效的实现入射波的精确加载，同 时拓展了霍普金森压杆实验中的应变率变化范围。理论上分析，只需要加工两套相同的此 类装置垂直布置，分别由试样的横、纵向垂直加载入射波，当两套装置的充电电压相同时， 即可实现分离式双向霍普金森压杆实验的入射波等效加载。但实际中，由于此种实验设备 PLC控制系存在反应时差，同时放电电容组存在5 % -20 %的电容量误差，放电可控硅触发 时会发生20mS-30ms的放电延迟，以及实验装置加工发生误差，导致两套实验设备产生的 加载入射波发生幅值不等、脉冲宽度不同、加载异步等结果，最终不能实现双轴霍普金森压 杆实验入射波等效加载。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有的方法不能实现双轴霍普金森压杆实验入射波等效加载的不足，本 发明提供一种用于保证分离式双轴霍普金森压杆实验的入射波等效加载方法。该方法采用 两套相同的基于电磁力的横向、纵向入射波发生器，测量出两套设备产生的入射波幅值大 小关系，根据入射波幅值大小关系增加入射波幅值较小的基于电磁力的入射波发生器的次 级线圈厚度，对因加工误差引起的横向、纵向入射波中的较小幅值入射波进行幅值补偿，保 证了横向、纵向入射波幅值相等。横向、纵向入射波发生器布置在同一水平面上，横向、纵向 入射波加载方向相互垂直，横向、纵向放电线圈串联连接，横向、纵向放电线圈连接在同一 组放电电容上由同一组放电可控硅控制，放电时横向、纵向放电线圈流过相同的强脉冲电 流，此时产生的横向、纵向入射波具有相同的脉冲宽度和一致的触发时间。通过次级线圈厚 度补偿以及横向、纵向放电线圈串联在由同一放电可控硅控制的同一组放电电容上，横向、 纵向加载入射波幅值相等、脉冲宽度相同、触发时间一致，可以保证分离式双轴霍普金森压 杆实验入射波等效加载。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于保证分离式双轴霍普金森 压杆实验的入射波等效加载方法，其特点是采用以下步骤：
[0006] 步骤一、采用不同厚度次级线圈进行入射波幅值补偿，保证横向、纵向入射波幅值 相同。假设两套基于电磁力的横向、纵向入射波发生器性能相同，将横向、纵向入射波发生 器串联，对其产生的横向、纵向入射波幅值进行测量，得到两个不同的入射波峰值。保持较 大峰值入射波的入射波发生器的次级线圈厚度不变，增加较小峰值的入射波发生器的次级 线圈厚度，其增加后的厚度满足：
【主权项】
1. 一种用于保证分离式双轴霍普金森压杆实验的入射波等效加载方法，其特征在于包 括以下步骤： 步骤一、采用不同厚度次级线圈进行入射波幅值补偿，保证横向、纵向入射波幅值相 同；假设两套基于电磁力的横向、纵向入射波发生器性能相同，将横向、纵向入射波发生器 串联，对其产生的横向、纵向入射波幅值进行测量，得到两个不同的入射波峰值；保持较大 峰值入射波的入射波发生器的次级线圈厚度不变，增加较小峰值的入射波发生器的次级线 圈厚度，其增加后的厚度满足：
式中，H为峰值较小的入射波发生器的次级线圈厚度增加之后的厚度，h为峰值较大的 入射波发生器的次级线圈的厚度，Ph为两入射波峰值中较大值，P ^3两入射波峰值中较小 值； 步骤二、将变压器（1)接入380V交流电电源，充电可控硅（2)与变压器（1)的输出端 接通；充电可控硅（2)、限流电阻（3)、滤波电感（4)、电容组（12)和整流二极管（13)串联 为一个整体回路，电压表V并入电路当中； 步骤三、将纵向放电线圈（8)通过螺栓连接固定到纵向基座（14)上，纵向次级线圈 (25) 和纵向应力波放大器（9)螺栓连接组成纵向驱动头，纵向驱动头放入纵向放电线圈 (8)和纵向基座（14)内组成纵向入射波发生器；将应变片（21)粘贴到纵向入射杆（18)和 纵向透射杆（19)表面，纵向入射杆（18)与纵向驱动头通过螺纹连接，端面相互接触，纵向 透射杆（19)同轴安装在纵向入射杆（18)的自由方向，纵向透射杆（19)和纵向入射杆（18) 之间留有放置试样（20)的空间；在纵向透射杆（19)的末端安装纵向缓冲器（22); 步骤四、将横向放电线圈（6)通过螺栓连接固定到横向基座（15)上，横向次级线圈 (26) 和横向应力波放大器（7)通过螺栓连接组成横向驱动头，横向驱动头放入横向放电线 圈（6)和横向基座（15)形成横向应力波放大器；将应变片（21)粘贴到横向入射杆（16)和 横向透射杆（17)表面，横向入射杆（16)与横向驱动头通过螺纹连接，端面相互接触，横向 透射杆（17)同轴安装在横向入射杆（16)的自由端方向，横向透射杆（17)和横向入射杆 (16)之间留有放置试样（20)的空间；在横向透射杆（17)的末端安装横向缓冲器（23); 步骤五、将应变片（21)接入动态应变仪24中，将试样（20)放入到横向入射杆（16)和 横向透射杆（17)、纵向入射杆（18)和纵向透射杆（19)中间，使试样（20)横向、纵向上的四 个端面分别与横向、纵向的入射杆（16、18)和横向、纵向透射杆（17、19)端面接触； 步骤六、横向放电线圈（6)和纵向放电线圈（8)采用带中心通孔的饼状线圈，横向放电 线圈（6)和纵向放电线圈（8)串联连接后并联在电容组（12)上，同时通过放电可控硅（5) 控制放电；放电电阻（11)为放电回路线圈和导向的等效电阻，等效串联在电容组（12)和纵 向放电线圈（8)之间；为了防止电容器（12)在放电过程中反向充电，续流二极管（10)并联 在电容（12)上，为放电电流提供续流功能； 步骤七、在电磁铆枪控制系统的基础上，触发充电可控硅（2)，380V交流电通过变压器 (1)升压后，充电可控硅⑵和整流二极管（13)构成晶闸管整流模块对交流电整流，整流电 流流入电容组（12)实现充电；在充电过程中限流电阻（3)和滤波电感（4)对电容组（12) 提供保护作用； 步骤八、充电完成后电压表V测量电容组（12)电压，利用电磁铆枪控制系统触发放电 可控硅（5)，电容组（12)对横向放电线圈（6)和纵向放电线圈（8)同时放电；由于放电线 圈串联，此时横向放电线圈（6)和纵向放电线圈（8)内流过相同的电流；在瞬间强电流的作 用下，横向放电线圈（6)和横向次级线圈（26)之间产生电磁斥力，电磁斥力在横向应力波 放大器（7)的放大作用下放大转化为横向入射波，纵向放电线圈（8)和纵向次级线圈（25) 之间产生电磁斥力，电磁斥力应力波在纵向应力波放大器（9)的放大作用下放大转化为纵 向入射波，此时横向、纵向入射波均满足计算式：
式中，σ-入射波，K-应力波放大器放大倍数，r-放电线圈半径，Utl-真空磁导率， ω_电流振荡圆频率，M-放电线圈与次级线圈的互感，η-放电线圈匝数，i(t)_放电电流， A-次级线圈面积，α -放电线圈与次级线圈的距离，R2、L2-次级线圈的电阻和电感；由公式 (2)可知，横向、纵向入射波的脉冲宽度与放电电流的半周期相同，脉冲触发时间与电流的 触发时间一致，当放电电流相同时，横向、纵向入射波的脉冲宽度和触发时间将完全相同； 步骤九、纵向入射波通过纵向入射杆（18)传播到试样（20)的纵向端面，实现试样（20) 的纵向加载，纵向入射波在试样（20)纵向端面产生的反射波在纵向入射杆（18)上被应变 片（21)记录，纵向透射波通过试样（20)传入纵向透射杆（19)中被应变片（21)记录，纵向 透射波最终被纵向缓冲器（22)吸收；横向入射波通过横向入射杆（16)传播到试样（20)的 横向端面，实现试样（20)的横向加载，横向入射波在试样（20)横向端面产生的反射波在横 向入射杆（16)上被应变片（21)记录，横向透射波通过试样（20)传入横向透射杆（17)中 被应变片（21)记录，横向透射波最终被横向缓冲器（23)吸收； 步骤十、在入射波加载的过程中，利用分别粘贴在纵向入射杆（18)和横向透射杆 (19)、横向入射杆（16)和横向透射杆（17)上的四个应变片（21)采集横向、纵向反射波、透 射波信号，信号传入动态应变仪24中转化为电压信号，记录电压信号；利用分离式霍普金 森压杆的实验原理对数据进行处理，推导出试样在等效双轴加载下的力学性能。
【专利摘要】本发明公开了一种用于保证分离式双轴霍普金森压杆实验的入射波等效加载方法，用于解决现有的方法不能实现双轴霍普金森压杆实验入射波等效加载的技术问题。技术方案是测量出两套设备产生的入射波幅值大小关系，根据入射波幅值大小关系增加入射波幅值较小的基于电磁力的入射波发生器的次级线圈厚度，对因加工误差引起的横向、纵向入射波中的较小幅值入射波进行幅值补偿，保证了横向、纵向入射波幅值相等。通过次级线圈厚度补偿以及横向、纵向放电线圈串联在由同一放电可控硅控制的同一组放电电容上，横向、纵向加载入射波幅值相等、脉冲宽度相同、触发时间一致，保证了分离式双轴霍普金森压杆实验的入射波等效加载。
【IPC分类】G01N3-08
【公开号】CN104535419
【申请号】CN201410819767
【发明人】曹增强, 左杨杰, 杨柳, 韩超众, 王杰, 臧传奇
【申请人】西北工业大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月25日