基於Hopkinson杆的材料動態雙壓剪實驗裝置的製作方法
2023-05-29 12:02:11 1
專利名稱：基於Hopkinson杆的材料動態雙壓剪實驗裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及材料的動態力學性能測試裝置，具體說是一種基於H叩kinson杆的材 料動態雙壓剪實驗裝置。
二、 背景技術-
在實際應用中，材料的的力學性能以及破壞過程一般都是處於複雜應力狀態下， 即同時受到法向和切向的作用力，而其中的切向力往往對材料的破壞起著很重要的作 用。因此，認識材料在壓剪複合加載下的力學響應特徵就成為相關領域的研究熱點。
目前，就動態壓剪實驗技術而言，目前主要有三類
第一類是斜板撞擊實驗，該技術通過氣炮進行飛片平行撞擊加載，這種方法的缺 點在於實驗過程中有衝擊波的傳播，因此涉及到結構的響應問題，導致很難從實驗中 直觀得到材料的應力應變關係；
第二類是基於Hopkinson扭杆的壓扭加載技術，該技術是在現有的Hopkinson扭 杆基礎上改為壓扭複合加載來實現壓剪加載，但其缺點在於壓、剪應力波很難同時到 達，不算是真正意義上的動態壓剪加載；
第三類是採用特殊設計的試樣，如帽形或其它形狀，利用Hopkinson壓杆對試樣 進行壓剪動態加載，但這類方法的缺點在於對實現了壓剪複合加載，但往往由於試樣 的改造使得試樣的形狀複雜、加工困難、應力狀態不理想，難以進行定量化的實驗測 試和分析。
近年來，國防科大的盧芳雲等又對傳統的Hokinson壓杆進行改造，提出了一種新 的壓剪複合加載技術。他們將Hopkinson壓杆的入射杆的後端面由原來的平面改成兩 個45。角的楔形面，用兩根垂直於楔形面安裝的透射杆取代了原來的單根透射杆，利 用斜面的幾何效應和端面摩擦效應實現對試樣的平面壓剪複合加載。但這種方法的缺 點是需要使用兩根透射杆，增加了系統的複雜性和佔地面積。
三
發明內容
為克服現有技術中存在的實驗系統的複雜、佔地面積大，以及試樣的形狀複雜、 加工困難、應力狀態不理想，難以進行定量化的實驗測試和分析的不足，本發明提出 了一種基於Hopkinson杆的材料動態雙壓剪實驗裝置。
本發明所採用的技術方案是在Hopkinson杆的材料動態雙壓剪實驗裝置上同軸
3順序安裝有撞擊杆、入射杆和透射杆，入射杆和透射杆之間夾有兩個相同的試樣，數 據採集系統通過粘貼在入射杆和透射杆上的應變片採集數據。所述的入射杆和透射杆 相鄰的端頭中，入射杆的端頭為V形槽或楔形頭，透射杆的端頭為楔形頭或V形槽，
即入射杆V形槽與透射杆的楔形頭配合，或者是入射杆的楔形頭與透射杆的V形槽配 合；V形槽和楔形頭的斜面與入射杆和透射杆的軸線夾角相同且在30。至80。之間。兩 個試樣對稱的夾在V形槽和楔形頭的斜面之間。
本發明的實驗裝置中，由於入射杆和透射杆相鄰的端面由傳統的Hopkinson壓杆 的平面改成兩個對稱的斜面，而且入射杆和透射杆相鄰端的斜面與杆軸向的夾角相等， 因此可以將兩個相同的試樣對稱的夾在兩根杆的斜面間。實驗時，由於斜面的幾何效 應，當撞擊杆撞擊入射杆產生的壓縮應力波到達入射杆與試樣接觸的端面時，原來沿 杆軸向傳播的壓縮波將分解為垂直於杆端斜面的壓縮波和平行於斜面的剪切波，其中 的壓縮波分量將對夾在入射杆和透射杆斜面間的試樣施加壓縮載荷，同時在端面摩擦 效應的作用下，剪切波分量也被施加在試樣上，實現了同時對試樣施加壓縮和剪切衝 擊載荷。
本發明無需對H叩kinson壓杆進行大的改動，只需重新加工一根一端為楔形和一 根一端開有V形槽的壓杆。採用傳統的H叩kinson壓杆試樣即可對兩個試樣同時施加 壓剪組合的衝擊載荷。設備整個系統佔地面積小，美觀大方，操作簡單。
四
圖1是入射杆為V形槽，杆端與軸線夾角為斜面60°的基於Hopkinson杆的材料 動態雙壓剪實驗裝置的結構示意圖2是透射杆為V形槽，杆端與軸線夾角為斜面30°的基於Hopkinson杆的材料 動態雙壓剪實驗裝置的結構示意圖3是入射杆為V形槽，杆端與軸線夾角為斜面80°的基於Hopkinson杆的材料 動態雙壓剪實驗裝置的結構示意圖4是透射杆為V形槽，杆端與軸線夾角為斜面45°的基於Hopkinson杆的材料 動態雙壓剪實驗裝置的結構示意圖。
其中
1、高壓氣源 2、撞擊杆發射機構 3、撞擊杆 4、入射杆 5、應變片 6、試樣 7、透射杆 8、數據採集系統其中
五具體實施例方式
實施例一
如圖l所示本實施例包括撞擊杆3、入射杆4、透射杆7、兩個相同的試樣6、
撞擊杆發射機構2及高壓氣源1。本實施例中，入射杆4與透射杆7相鄰的端頭加工 成V形槽，而與之相配合的透射杆7的端頭為楔形頭，並且入射杆4的V形槽和透射 杆7楔形頭的斜面與杆的軸線夾角均為60°。入射杆4開有V形槽的一端和透射杆7 楔形頭一端同軸相對安裝，兩個試樣6分別夾在兩個斜面中間。入射杆的另一端設有 撞擊杆3、撞擊杆發射機構2及高壓氣源1。另外有數據採集系統8，其通過粘貼在入 射杆4和透射杆7上的應變片5採集數據。 實驗時
1. 調整入射杆4和透射杆7的位置，使入射杆4的V形槽與透射杆7的楔形面相
對；
2. 將兩個相同的試樣6對稱的分別安裝在入射杆4的V形槽和透射杆7的楔形面 之間；
3. 設置好數據採集系統8，等待觸發；
4. 通過高壓氣源1向發射機構2充氣，並發射撞擊杆3;
5. 撞擊杆3在高壓氣的驅動下衝擊入射杆4，首先在入射杆4中產生壓縮應力波， 由於斜面的幾何效應，該壓縮應力波達到入射杆4與試樣6接觸的端面時將分解為壓 縮和剪切波，並同時加載到試樣6上，並透射入透射杆7，這樣就實現了壓剪動態聯 合加載。
6. 數據採集系統8通過粘貼在入射杆4和透射杆7上的應變片5來實現數據採集。 實施例二
如圖2所示本實施例包括撞擊杆3、入射杆4、透射杆7、兩個相同的試樣6、 撞擊杆發射機構2及高壓氣源1。本實施例中，與實施例一的不同之處在於入射杆4 與試樣相接觸一端被加工成楔形頭，而透射杆7與試樣接觸一端被加工成V形槽，同 時入射杆4的楔形頭和透射杆7的V形槽的斜面與杆的軸線夾角均為30°。入射杆4 的楔形頭一端和透射杆7的V形槽一端同軸相對安裝，兩個試樣6分別夾在兩個斜面
5中間。入射杆的另一端設有撞擊杆3、撞擊杆發射機構2及高壓氣源1。另外有數據採 集系統8，其通過粘貼在入射杆4和透射杆7上的應變片5採集數據。 實驗時
1. 調整入射杆4和透射杆7的位置，使入射杆4的V形槽與透射杆7的楔形面相
對；
2. 將兩個相同的試樣6對稱的分別夾在入射杆4的V形槽和透射杆7的楔形面之
間；
3. 設置好數據採集系統8，等待觸發；
4. 通過高壓氣源1向發射機構2充氣，並發射撞擊杆3;
5. 撞擊杆3在高壓氣的驅動下衝擊入射杆4，首先在入射杆4中產生壓縮應力波， 由於斜面的幾何效應，該壓縮應力波達到入射杆4與試樣6接觸的端面時將分解為壓 縮和剪切波，加載到試樣6上，並透射入透射杆7，這樣就實現了壓剪動態聯合加載。
6. 同時，數據採集系統8通過粘貼在入射杆4和透射杆7上的應變片5來實現數 據採集。
實施例三
如圖l所示本實施例包括撞擊杆3、入射杆4、透射杆7、兩個相同的試樣6、 撞擊杆發射機構2及高壓氣源1。本實施例中，入射杆4與透射杆7相鄰的端頭加工 成V形槽，而與之相配合的透射杆7的端頭為楔形頭，並且入射杆4的V形槽和透射 杆7楔形頭的斜面與杆的軸線夾角均為80°。入射杆4開有V形槽的一端和透射杆7 楔形頭一端同軸相對安裝，兩個試樣6分別夾在兩個斜面中間。入射杆的另一端設有 撞擊杆3、撞擊杆發射機構2及高壓氣源1。另外有數據採集系統8，其通過粘貼在入 射杆4和透射杆7上的應變片5採集數據。
實驗時
1. 調整入射杆4和透射杆7的位置，使入射杆4的V形槽與透射杆7的楔形面相
對；
2. 將兩個相同的試樣6對稱的分別安裝在入射杆4的V形槽和透射杆7的楔形面 之間；
3. 設置好數據採集系統8，等待觸發；4. 通過高壓氣源1向發射機構2充氣，並發射撞擊杆3;
5. 撞擊杆3在高壓氣的驅動下衝擊入射杆4，首先在入射杆4中產生壓縮應力波， 由於斜面的幾何效應，該壓縮應力波達到入射杆4與試樣6接觸的端面時將分解為壓 縮和剪切波，並同時加載到試樣6上，並透射入透射杆7，這樣就實現了壓剪動態聯 合加載。
6. 數據採集系統8通過粘貼在入射杆4和透射杆7上的應變片5來實現數據採集。 實施例四
如圖2所示本實施例包括撞擊杆3、入射杆4、透射杆7、兩個相同的試樣6、 撞擊杆發射機構2及高壓氣源1。本實施例中，與實施例一的不同之處在於入射杆4 與試樣相接觸一端被加工成楔形頭，而透射杆7與試樣接觸一端被加工成V形槽，同 時入射杆4的楔形頭和透射杆7的V形槽的斜面與杆的軸線夾角均為45°。入射杆4 的楔形頭一端和透射杆7的V形槽一端同軸相對安裝，兩個試樣6分別夾在兩個斜面 中間。入射杆的另一端設有撞擊杆3、撞擊杆發射機構2及高壓氣源1。另外有數據採 集系統8，其通過粘貼在入射杆4和透射杆7上的應變片5採集數據。
實驗時
2.調整入射杆4和透射杆7的位置，使入射杆4的V形槽與透射杆7的楔形面相
對；
2. 將兩個相同的試樣6對稱的分別夾在入射杆4的V形槽和透射杆7的楔形面之
間；
3. 設置好數據採集系統8，等待觸發；
4. 通過高壓氣源1向發射機構2充氣，並發射撞擊杆3;
5. 撞擊杆3在高壓氣的驅動下衝擊入射杆4，首先在入射杆4中產生壓縮應力波， 由於斜面的幾何效應，該壓縮應力波達到入射杆4與試樣6接觸的端面時將分解為壓 縮和剪切波，加載到試樣6上，並透射入透射杆7，這樣就實現了壓剪動態聯合加載。
6. 同時，數據採集系統8通過粘貼在入射杆4和透射杆7上的應變片5來實現數 據採集。
權利要求
1. 一種基於Hopkinson杆的材料動態雙壓剪實驗裝置，包括應變片(5)、撞擊杆(3)、入射杆(4)和透射杆(7)，其特徵在於入射杆(4)和透射杆(7)相鄰的端頭中的一個端頭為V形槽或楔形頭，另一個端頭為楔形頭或V形槽；該V形槽和楔形頭的斜面與入射杆(4)和透射杆(7)的軸線夾角相同且均在30°至80°之間；兩個試樣(6)對稱的安裝在V形槽和楔形頭或者楔形頭和V形槽相對應的斜面之間。
全文摘要
本發明是一種基於Hopkinson杆的材料動態雙壓剪實驗裝置，包括應變片(5)、撞擊杆(3)、入射杆(4)和透射杆(7)，其特徵在於，入射杆(4)和透射杆(7)相鄰的端頭中的一個為V形槽或楔形頭，另一個為楔形頭或V形槽；V形槽和楔形頭的斜面與入射杆(4)和透射杆(7)的軸線夾角相同且均在30°至80°之間；兩個試樣對稱的夾在V形槽和楔形頭的斜面之間。本發明無需對Hopkinson壓杆進行大的改動，只需重新加工一根一端為楔形或V形槽的入射杆(4)和一根一端開有V形槽或楔形頭的壓杆；採用傳統的Hopkinson壓杆試樣即可對兩個試樣同時施加壓剪組合的衝擊載荷。具有設備佔地面積小，美觀大方，操作簡單的特點。
文檔編號G01N3/307GK101504347SQ20081001750
公開日2009年8月12日 申請日期2008年2月4日 優先權日2008年2月4日
發明者史嬌紅, 李玉龍, 濤 索, 郭偉國 申請人:西北工業大學