快速加熱式準靜態高溫霍普金森壓杆實驗裝置的製作方法

2023-06-30 02:16:41 1

專利名稱：快速加熱式準靜態高溫霍普金森壓杆實驗裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種快速加熱式準靜態高溫霍普金森壓杆實驗裝置。
背景技術：
現有分離式霍普金森(Hopkinson)壓杆實驗,被認為是研究材料動態力學性能的一種有效方法。SHPB的高溫實驗法案大體分為二種類型:一種是將試樣和部分導波杆放入溫度箱中同時進行加熱，名稱為「SHPB裝置應用於測量高溫動態力學性能的研究」的文章(夏開文等，實驗力學，1998，Vol.13，第3期，PP.307-313)採用恆溫加熱爐，應用一維應力波傳播理論和傳熱原理，修正溫度梯度場對波形測量的影響，其缺陷在於實驗數據處理系統比較複雜；另一種是先單獨對試樣加熱，實驗前快速將試樣安裝在系統中，名稱為「SHPB系統高溫實驗自動組裝技術」的文章(張方舉等，實驗力學，2005，Vol.20，第2期，PP.281-284)和名稱為「用於高溫霍普金森壓杆實驗的雙向雙氣路自動組裝裝置」的發明專利(專利號:ZL200610021096.5)，描述了該裝置能夠保證組裝的穩定性等，其缺陷在於實現系統的準靜態對接與同步，對實驗裝置有很高的精度要求；另外，發明專利(專利號:ZL201010230523.7)和實用新型專利(專利號:ZL201020263456.4)公開了一種帶有氣氛保護裝置的高溫霍普金森壓杆實驗系統，能進行常規空氣中的高溫動態實驗，並且能提供保護氣氛，其缺陷在於實驗系統比較複雜，而且試樣為單獨加熱或試樣與部分導波杆一起加熱，都不可避免會有局部杆的升溫，從而在衝擊作用下發生塑性變形，對應力波的傳遞產生較大的影響。
發明內容針對上述情況，本實用新型的目的在於提供一種快速加熱式準靜態高溫霍普金森壓杆實驗裝置，它既能完成試樣快速安裝、快速加熱，又能完成試樣加熱和衝擊在同一位置進行，而無需使用機械裝置移動壓杆或加熱爐；還能完成系統的準靜態對接與同步，而且系統控制和數據處理快捷、精準，其結構簡單、緊湊，操作容易，工作效率高，資本投入少，經濟實惠，便於普及推廣。為了實現上述目的，一種快速加熱式準靜態高溫霍普金森壓杆實驗裝置，它包括在屏蔽罩外設支承座，屏蔽罩內設高頻感應加熱器，該高頻感應加熱器中心設陶瓷套管，陶瓷套管的中央裝置試樣，試樣兩端分別與兩陶瓷短杆的內端相連，兩陶瓷短杆的外端分別與入射杆和透射杆的一端相連，入射杆的另一端連接空氣炮筒及子彈，透射杆的另一端連接吸收杆及阻尼器，應變片分別貼於入射杆和透射杆上，應變片測得的應力波信號經電橋平衡後送至信號放大器後傳送給計算機進行數據處理，計算機經溫控器控制高頻感應加熱器和試樣升溫，紅外監測儀則經測溫孔測得試樣溫度後反饋至溫控器，計算機還與氣泵電連接。為了提高本實用新型的綜合性能，實現結構、效果優化，其進一步的措施是:陶瓷短杆為柱狀，其外徑與入射杆和 透射杆的外徑相同；陶瓷短杆為管狀，其外徑與入射杆和透射杆的外徑相同；屏蔽罩為圓筒形且經上下開合的罩耳處啟閉，並用螺母固定；螺母為蝶形手動擰緊螺母；高頻感應加熱器與屏蔽罩之間設數個隔離支柱；隔離支柱為三排三列至少9個；隔離支柱為陶瓷材料製作。本實用新型採用將試樣裝置在屏蔽罩內高頻感應加熱器中心的陶瓷套管中央，再於試樣兩端分別與兩陶瓷短杆的內端相連，兩陶瓷短杆的外端分別與入射杆和透射杆的一端相連，應變片分別從入射杆和透射杆上測得其應力波信號並經平衡電橋送至信號放大器後傳送給計算機進行數據處理，再由計算機經溫控器控制高頻感應加熱器和試樣升溫，另一紅外監測儀則經測溫孔測得試樣溫度後反饋至溫控器，計算機還與氣泵電連接的技術方案，它克服了現有分離式霍普金森壓杆實驗裝置存在的結構複雜、操作煩雜，工作效率低，且需使用機械裝置移動壓杆或加熱爐，系統的準靜態對接與同步精度難達要求，數據處理複雜，嚴重影響了霍普金森壓杆實驗的質量等缺陷。本實用新型相比現有技術所產生的有益效果:(I)本實用新型採用於壓杆和試樣之間添加陶瓷短杆並採用高頻感應加熱器加熱的技術方案，極大地提升了加熱速度，消除了加熱過程中因試樣氧化對材料性能的影響；(II)本實用新型採用於壓杆和試樣之間添加陶瓷短杆和高頻感應加熱器加熱並結合同步處理信息的技術方案，省去了在加熱試樣前後要靠機械裝置移動壓杆或加熱爐的煩雜過程，實現了試樣加熱和衝擊在同一位置進行；(III)本實用新型採用感應加熱與紅外測溫控制相結合的技術方案，紅外監測儀經高頻感應加熱器的測溫孔測量試樣的溫度，且同步反饋給溫控器並自動控制試樣加熱溫度；(IV)本實用新型採用感應加熱與紅外測溫控制相結合的技術方案，高頻感應加熱器與試樣之間採用陶瓷套管支撐和保護，既可獲得較好的絕緣、保溫效果，又不會有環境汙染；
·[0012](V)本實用新型採用感應加熱、紅外測溫控制以及計算機處理信息相結合的技術方案，為滿足試樣應力、應變均勻性與加載脈衝形態、材料性質及試樣幾何參數的相互關係的深入研究、分析，提供了保障機理和基礎分析條件；(VI)本實用新型採用於壓杆和試樣之間添加陶瓷短杆並結合同步處理信息的技術方案，保證了感應電流只對金屬試樣進行加熱，在數據處理時，忽略溫度梯度場對波形測量的影響，從而避免了實驗後超量的複雜數據處理工作；(VII)本實用新型採用感應加熱與紅外測溫控制相結合的技術方案，計算機與溫控器、氣泵二者相連接，當達到預定溫度時，可自動啟動氣泵進行衝擊壓縮試驗；(VIII)本實用新型採用於壓杆和試樣之間添加陶瓷短杆並採用高頻感應加熱器加熱的技術方案，克服了應用「恆溫加熱爐與應用一維應力波傳播理論和傳熱原理…對波形測量」方法存在數據處理系統比較複雜的缺陷；本實用新型較好地解決了數據處理系統並簡化了數據處理程序；(IX)本實用新型採用於壓杆和試樣之間添加陶瓷短杆並採用高頻感應加熱器加熱的技術方案，克服了應用「預先單獨對試樣加熱，實驗前快速將試樣安裝在系統中」方法存在難以實現系統的準靜態對接與同步，且對實驗裝置有很高的精度要求的缺陷；本實用新型較好地解決了系統的準靜態對接與同步，使實驗結果的精準度大大提高了 ；[0017](X)本實用新型採用組合式一體機結構，使結構極其簡單、緊湊、體積小，自動操作控制，靈活輕快，加熱速度快，工作效率高，無資源浪費，無環境汙染，資本投入少，經濟實惠，適合各種試驗室和霍普金森壓杆實驗裝置的應用，極易普及推廣和廣闊的市場前景。本實用新型適合各種試驗室的霍普金森壓杆實驗用；特別適合霍普金森壓杆實驗裝置中試樣的加熱與應變片信息的即時處理。
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步詳細說明。

圖1為本實用新型快速加熱式準靜態高溫霍普金森壓杆實驗裝置主視圖。圖2為圖1中顯示試樣、陶瓷套管、高頻感應加熱器以及活動屏蔽罩之間相互連接關係的橫向截面放大視圖。圖3為圖1中的數據處理流程框圖。圖中:1、支承座，2、屏蔽罩，3、高頻感應加熱器，4、陶瓷套管，5、試樣，6、陶瓷短杆，
7、入射杆，8、透射杆，9、空氣炮筒，10、子彈，11、吸收杆，12、阻尼器，13、應變片，14、信號放大器，15、計算機，16、溫控 器，17、紅外監測儀，18、測溫孔，19、氣泵，20、隔離支柱，21、罩耳，22、螺母，23、電橋。
具體實施方式
結合附圖，一種快速加熱式準靜態高溫霍普金森壓杆實驗裝置，它包括在屏蔽罩2外設支承座1，屏蔽罩2內設高頻感應加熱器3，為了方便使用與操作，屏蔽罩2為圓筒形且經上下開合的罩耳21處啟閉，並用蝶形手動擰緊螺母22固定；為了保證高頻感應加熱器3的安全和加熱效果，高頻感應加熱器3與屏蔽罩2之間設三排三列至少9個陶瓷材料製作的隔離支柱20 ;該高頻感應加熱器3中心設陶瓷套管4，陶瓷套管4的中央裝置試樣5，試樣5兩端分別與兩陶瓷短杆6的內端相連，陶瓷短杆6為柱狀或管狀，其外徑與入射杆7和透射杆8的外徑相同；兩陶瓷短杆6的外端分別與入射杆7和透射杆8的一端相連，入射杆7的另一端連接空氣炮筒9及子彈10，透射杆8的另一端連接吸收杆11及阻尼器12，應變片13分別貼於入射杆7和透射杆8上，應變片13測得的應力波信號經電橋23平衡後送至信號放大器14後傳送給計算機15進行數據處理，計算機15經溫控器16控制高頻感應加熱器3和試樣5升溫，紅外監測儀17則經測溫孔18測得試樣5溫度後反饋至溫控器16，計算機15還與氣泵19電連接。由附圖所示，本實用新型的一種快速加熱式準靜態高溫霍普金森壓杆實驗裝置的工作原理，本實用新型採用高頻感應加熱方法對金屬試樣或樣品進行加熱，將金屬試樣5置於高頻感應加熱器3產生的交變磁場中，試樣5內部產生感應電流，從而產生焦耳熱來加熱試樣5 ;溫控器16通過接收紅外監測儀17的信號，判斷試樣5溫度與預定溫度的大小，當試樣5溫度小於預定溫度時，繼續對高頻感應加熱器3通電，對試樣5繼續加熱；當試樣5溫度達到預定溫度時，溫控器16對高頻感應加熱器3斷電，從而停止對試樣5加熱，計算機15獲得信號，控制空氣炮筒9內子彈10的即時衝擊發射，進入衝擊試驗，實現停止加熱和衝擊試驗兩個過程連續且無間隙順序進行，保證了試驗所需溫度的準確性，從而保證了試驗結果的精確度。參見附圖，本實用新型的具體實施過程是:打開支承座I上的屏蔽罩2的上開合罩耳21，將試樣5裝置於屏蔽罩2內高頻感應加熱器3的陶瓷套管4中，先在試樣5 —端裝上陶瓷短杆6、入射杆7、空氣炮筒9及子彈10，再在試樣5另一端裝上陶瓷短杆6、透射杆8、吸收杆11及阻尼器12，然後將應變片13分別貼於入射杆7和透射杆8上，同時，將應變片13依次與信號放大器14、計算機15、溫控器16、紅外監測儀17、高頻感應加熱器3及測溫孔18電連接，還將計算機15與氣泵19電連接，最後，合上屏蔽罩2的上開合罩耳21至下開合罩耳21處，用蝶形手動擰緊螺母22擰緊、固定；此時，開啟紅外監測儀17和溫控器16，同時啟動高頻感應加熱器3，對試樣5加熱；當試樣5溫度達到預定溫度時，溫控器16對高頻感應加熱器3斷電即停止對試樣加熱，同時發出信號給計算機15，然後計算機15發出指令啟動氣泵19，即對試樣5進行衝擊壓·縮試驗。
權利要求1.一種快速加熱式準靜態高溫霍普金森壓杆實驗裝置，其特徵在於它包括在屏蔽罩(2)外設支承座(1)，屏蔽罩(2)內設高頻感應加熱器(3)，該高頻感應加熱器(3)中心設陶瓷套管(4)，陶瓷套管(4)的中央裝置試樣(5)，試樣(5)兩端分別與兩陶瓷短杆(6)的內端相連，兩陶瓷短杆￠)的外端分別與入射杆(7)和透射杆(8)的一端相連，入射杆(7)的另一端連接空氣炮筒(9)及子彈(10)，透射杆(8)的另一端連接吸收杆(11)及阻尼器(12)，應變片(13)分別貼於入射杆(7)和透射杆(8)上，應變片(13)測得的應力波信號經電橋(23)平衡後送至信號放大器(14)後傳送給計算機(15)進行數據處理，計算機(15)經溫控器(16)控制高頻感應加熱器(3)和試樣(5)升溫，紅外監測儀(17)則經測溫孔(18)測得試樣(5)溫度後反饋至溫控器(16)，計算機(15)還與氣泵(19)電連接。
2.根據權利要求1所述的快速加熱式準靜態高溫霍普金森壓杆實驗裝置，其特徵在於陶瓷短杆￠)為柱狀，其外徑與入射杆(7)和透射杆(8)的外徑相同。
3.根據權利要求1所述的快速加熱式準靜態高溫霍普金森壓杆實驗裝置，其特徵在於陶瓷短杆￠)為管狀，其外徑與入射杆(7)和透射杆(8)的外徑相同。
4.根據權利要求1所述的快速加熱式準靜態高溫霍普金森壓杆實驗裝置，其特徵在於屏蔽罩(2)為圓筒形且經上下開合的罩耳(21)處啟閉，並用螺母(22)固定。
5.根據權利要求1所述的快速加熱式準靜態高溫霍普金森壓杆實驗裝置，其特徵在於螺母(22)為蝶形手動擰緊螺母。
6.根據權利要求1所述的快速加熱式準靜態高溫霍普金森壓杆實驗裝置，其特徵在於高頻感應加熱器(3)與屏蔽罩(2)之間設數個隔離支柱(20)。
7.根據權利要求6所述的快速加熱式準靜態高溫霍普金森壓杆實驗裝置，其特徵在於隔離支柱(20)為三排三列至少9個。
8.根據權利要求6所述的快速加熱式準靜態高溫霍普金森壓杆實驗裝置，其特徵在於隔離支柱(20)為陶瓷材料製作。
專利摘要一種快速加熱式準靜態高溫霍普金森壓杆實驗裝置，它採用將試樣裝置在屏蔽罩內高頻感應加熱器中心的陶瓷套管中央，再於試樣兩端分別與兩陶瓷短杆的內端相連，兩陶瓷短杆的外端分別與入射杆和透射杆的一端相連，應變片分別從入射杆和透射杆上測得其應力波信號並經電橋、放大器傳送給計算機進行數據處理，再由計算機經溫控器控制高頻感應加熱器和試樣升溫，另一紅外監測儀則將試樣溫度反饋至溫控器的技術方案；它克服了現有分離式霍普金森壓杆實驗裝置存在結構複雜、操作煩雜，工作效率低，數據處理難，嚴重影響了實驗的質量等缺陷；適合各種試驗室的霍普金森壓杆實驗用；特別適合霍普金森壓杆實驗裝置中試樣的加熱與應變片信息的即時處理。
文檔編號G01N1/44GK203101162SQ20122072070
公開日2013年7月31日 申請日期2012年12月25日 優先權日2012年12月25日
發明者唐思文, 唐文波, 肖雄, 張麗娜, 李鵬南, 劉德順 申請人:湖南科技大學