中应变率霍普金森拉杆加载装置及其方法

1.本发明涉及材料的力学性能测试技术领域，尤其涉及一种中应变率霍普金森拉杆加载装置及其方法。


背景技术：

2.应变率是材料相对于时间的应变(变形)的变化，是影响材料力学性能的重要参数。近年来研究人员对材料应变率相关性的研究主要集中于低应变率范围(1s-1
以下)和高应变率范围(100s-1
以上)，对于中应变率的研究相对较少，这主要由于在中应变率范围获取可靠的实验数据比较困难。
3.霍普金森杆实验装置常用于材料高应变率的力学性能测量。但对于中应变率范围内的应力应变测量，传统霍普金森拉杆实验技术并不能完全适用。首先，应用于中应变率测量的材料大部分是一些软材料，强度一般只有几十甚至几兆帕，因此透射信号的采集是一个需要考虑的问题。其次，中应变率范围下的力学性能测试往往需要较大的应变，因此需要有稳定持续的毫秒量级长入射脉冲。而传统应用于高应变率的入射脉冲仅有几百微秒，要产生满足要求的入射脉冲，子弹长度也会随之增长十几倍，这在实验室条件下显然无法满足。此外，霍普金森杆实验装置的撞击杆发射一般是用高压气缸瞬时放气驱动，对于中应变率的实验而言撞击杆速度过快。因此有必要对传统霍普金森拉杆装置进行改进，以测量软材料在中应变率下的高精度和高频率的力学性能。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种中应变率霍普金森拉杆加载装置及其方法，以解决现有技术无法得到软材料在中应变率下的高精度和高频率的力学性能数据的问题。
5.根据本发明实施例提出一种中应变率霍普金森拉杆加载装置，其包括：入射杆、透射杆、撞击管、试样；所述入射杆、所述透射杆和所述试样沿垂直方向同轴设置，其中，所述入射杆位于所述透射杆的下方，所述试样被夹持在所述透射杆的近端和所述入射杆的末端之间；所述撞击管套设在所述入射杆的外部，释放所述撞击管使其撞击设置在所述入射杆的近端的入射杆凸缘；其中，所述撞击管撞击所述入射杆后产生由入射杆的近端至其末端传播的拉伸波，对所述试样进行30s-1-300s-1
的恒应变率的均匀拉伸加载。
6.其中，所述垂直方向包括与铅垂线偏差不超过1.5度。
7.其中，所述试样为采用聚合物材料制作的片状拉伸试样，所述试样包括两个夹持段和设置在两夹持段之间的标记段，所述入射杆的末端和所述透射杆的近端分别具有与夹持段对应的凹槽，所述入射杆和所述透射杆的凹槽分别与所述试样的夹持段连接。
8.其中，所述中应变率霍普金森拉杆加载装置还包括：数字图像应变采集装置，所述数字图像应变采集装置与所述试样等高设置并且所述数字图像应变采集装置面对所述试样的标记段设置。
9.其中，所述入射杆的直径等于所述透射杆的直径，所述透射杆的长度是所述入射
杆的长度的5-8倍。
10.其中，所述撞击管的长度大于所述入射杆的长度，所述撞击管与所述入射杆的波阻抗相同。
11.其中，所述入射杆凸缘与所述撞击管接触的表面上设置有脉冲整形器。
12.其中，所述撞击管以预定高度撞击所述入射杆凸缘，所述预定高度根据所要实现的应变率、试样标记段长度、所述撞击管撞击所述入射杆凸缘的撞击速度确定。
13.其中，所述撞击速度根据所述试样的应变率和试样的标记段的长度确定。
14.根据本发明实施例还提出一种中应变率霍普金森拉杆加载方法，其包括：将入射杆、透射杆和试样沿垂直方向同轴设置，其中，所述入射杆位于所述透射杆的下方，将所述试样夹持在所述透射杆的近端和所述入射杆的末端之间；将所述撞击管套设在所述入射杆的外部，释放所述撞击管使其撞击设置在所述入射杆的近端的入射杆凸缘；其中，所述撞击管撞击所述入射杆后产生由入射杆的近端至其末端传播的拉伸波，对所述试样进行30s-1-300s-1
的恒应变率的均匀拉伸加载。
15.根据本发明的技术方案，通过将入射杆、透射杆、撞击管和试样沿垂直方向布局，撞击管自由下落撞击入射杆的入射杆凸缘以产生拉伸波对试样进行加载，本发明中撞击管的撞击速度适中，并且能够使试样产生较大的应变，从而测量软材料在中应变率下的高精度和高频率的力学性能。
附图说明
16.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
17.图1是根据本发明实施例的中应变率霍普金森拉杆加载装置的示意图；
18.图2是根据本发明实施例的试样的示意图；
19.图3是根据本发明实施例的入射杆和透射杆夹持试样的示意图；
20.图4是根据本发明实施例的入射杆和透射杆典型波形的示意图；
21.图5是根据本发明实施例的典型试样应力-应变和应变率-应变图的波形图；
22.图6是根据本发明实施例的中应变率霍普金森拉杆加载方法的流程图。
具体实施方式
23.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
24.以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
25.根据本发明实施例提供了一种中应变率霍普金森拉杆加载装置，可用于橡胶等聚合物软材料的力学性能测试，对材料进行恒应变率的均匀拉伸加载，能够产生至少50％以上的应变，得到高精度和高频率的应力-应变数据。
26.参考图1，所述霍普金森拉杆加载装置包括：入射杆1、透射杆2、试样3、撞击管4、数字图像应变采集装置5和数据采集器6。
27.现有技术为了进行中应变率的力学性能测试，需要在实验室中布置长度在几十到几百米的子弹，才能够提供稳定持续的毫秒量级长入射脉冲，这显然是不现实的和不能实现的。为了解决这些缺陷，本技术采用垂直方式布局霍普金森拉杆加载装置，将入射杆1、试样3和透射杆2沿垂直方向顺序同轴设置，撞击管4套设在入射杆1的外部，并且撞击管4可以无摩擦的在入射杆1外滑动。
28.在本技术实施例中，入射杆1为一高强度金属圆杆，其具有近端和末端，在入射杆1的近端设置有直径大于入射杆1的直径的入射杆凸缘11。在入射杆凸缘11与撞击管4接触的一侧表面上粘贴有脉冲整形器12，脉冲整形器12为可以防止信号震荡且质地较软的材料，如橡皮泥或焊锡等材料。在靠近入射杆1近端的侧表面上粘贴有应变片13，以便于采集入射杆的应变信号，进一步地，应变片13可为灵敏度较高的半导体应变片，以便于尽可能多地采集到应变信号。
29.透射杆2为一直径与入射杆1的直径相等的有机玻璃杆，其长度至少大于入射杆1的长度的5倍，优选地，透射杆2的长度是入射杆1的长度的5-8倍。透射杆2设置在入射杆1的上方，透射杆2具有近端和末端，在透射杆2的近端和入射杆1的末端之间夹持有试样3。透射杆2的侧表面上还粘贴有应变片21，用于采集透射杆2的应变信号，具体地，应变片21粘贴在透射杆2距离其近端20cm处，应变片21也可为半导体应变片。
30.结合参考图2和图3，试样3为片状拉伸试样，其具有两个夹持段和设置在两夹持段之间的标记段。为了将试样3固定在入射杆1和透射杆2之间，入射杆1的末端和透射杆2的近端分别开设有与夹持段相适配的凹槽，试样3的两夹持段分别卡设在两凹槽中并通过高强度胶粘贴固定。试样3标记段的长度是传统试样标记段长度的两倍，试样3在其标记段上喷涂有散斑，以便于数字图像应变采集装置5识别试样3受到拉伸波作用时产生的均匀变形并计算试样3的应变信号。
31.继续参考图1，撞击管4为一内径略大于入射杆1的直径的金属圆管，撞击管4的波阻抗与入射杆1的波阻抗相同，撞击管4的质量大于入射杆1的质量。撞击管4的长度略长于入射杆1的长度，具体地，撞击管4的长度可比入射杆1的长度长3-4cm。撞击管4在预设高度被释放后沿入射杆1无摩擦地下落，以撞击入射杆1，该预设高度由所要实现的试样3的应变率、试样3标记段的长度、撞击管4撞击入射杆凸缘11的撞击速度确定，而撞击管4撞击入射杆凸缘11的撞击速度又由所要实现的试样3的应变率和试样3标记段的长度确定，且试样3标记段的长度为可测量的固定量，因此该预设高度由试样3的应变率即所需要的入射脉冲幅值唯一确定。
32.数字图像应变采集装置5与试样3等高设置，并且数字图像应变采集装置5面对试样3的标记段设置，以便于对准试样3上喷涂的散斑。数字图像应变采集装置5还与入射杆1上的应变片13连接，当应变片13采集到第一列入射脉冲信号时，数字图像应变采集装置5被触发记录试样3的变形。在本技术实施例中，数字图像应变采集装置5可为设置特定的触发延迟的高速相机，由当入射杆上的应变片测到第一个脉冲时触发相机开始拍摄，从而可通过拍摄的方式记录试样3变形的全过程。
33.数据采集器6为高精度数据采集器，数据采集器6分别与入射杆1上的应变片13和透射杆2上的应变片21连接，以记录应变片13和应变片21采集的应变信号，进而根据入射杆和透射杆的应变信号计算试样3的应力信号。
34.在实际操作中，通过使用支撑装置确保入射杆1、透射杆2、试样3和撞击管4沿垂直方向同轴设置，入射杆1与透射杆2保留沿轴线方向的平动自由度。实验前，调平实验装置，使入射杆1、透射杆2、试样3和撞击管4组成的杆系统的轴线与铅垂线的偏差不超过1.5度，并且使入射杆1的近端距离地面足够高度。将撞击管4设置在满足所要求应变率的高度，并在入射杆凸缘11承受撞击处粘贴脉冲整形器12。实验时，释放撞击管4，撞击管4撞击入射杆凸缘11后经脉冲整形器12整形以产生一列压缩波，该压缩波在入射杆1的近端反射为等幅值的拉伸波，拉伸波沿入射杆1向试样传播，粘贴在入射杆1上的应变片13记录该拉伸波并输出触发信号给高速相机，该拉伸波经过入射杆1的末端作用于试样3，试样3的标记段发生均匀变形。此时入射波的一部分反射回入射杆1，另一部分透过试样3形成透射波，该透射波在透射杆2中继续传播，由透射杆2上的应变片21采集该透射波的信号，数据采集器6根据应变片13和应变片21采集的信号计算试样3的应力信号。在试样3发生变形时，高速相机经应变片13触发后同步记录试样3的变形图像并由数字图像技术(dic)计算得到试样3的应变信号。
35.根据应变片13采集的入射杆上的信号和应变片21采集的透射杆上的信号，可得到如图4所示的入射杆和透射杆典型波形的示意图。根据数字图像技术计算得到的试样3的应变信号、数据采集器6计算得到的试样3的应力信号和预设的应变率，可得到如图5所示的典型试样应力-应变和应变率-应变图的波形图。
36.下面结合具体实施例详细描述本发明。
37.1.器材设备：
38.本实施例中所用入射杆为直径14mm，长度400mm的钛合金杆，其一端带有直径27mm，长度44mm的凸缘，另一端开槽，入射杆的凸缘端的中心处有一直径3mm的贯穿圆孔用于与试验台导杆配合限制入射杆与铅垂方向的角度。所用撞击管为长度460mm，内径19mm，外径27mm的等截面高强度钢圆管。所用透射杆为直径14mm，长度2200mm的有机玻璃杆，该透射杆的一端也开设有凹槽。所用试样为标记段长20mm的霍普金森拉杆片状拉伸试样，材料为橡胶。所用入射杆应变片为1000ω的金属应变片，粘贴在入射杆具有凸缘的一端，所用透射杆应变片为120ω的半导体应变片，粘贴在透射杆距试样20cm处。所用脉冲整形器为三粒米粒大小的橡皮泥，贴于凸缘外圈承受撞击处。所用高速相机帧率大于105hz并配备补光光源。所用高精度数据采集器采集频率为106hz。
39.2.实验流程：
40.实验时依据所需要的应变率和试样长度计算撞击管的速度，确定撞击管距离入射杆的凸缘的高度。将试样粘接到入射杆杆端和透射杆杆端的凹槽中，待粘接牢固后开始实验。实验开始后释放撞击管，使其撞击入射杆产生一长脉冲以对试样进行中应变率加载，同时高速相机被入射杆应变片测得的入射信号触发后记录试样的变形。经过仿真计算，可以对橡胶材料的试样进行80s-1
应变率的加载，加载应变可达70％。
41.3.涉及计算公式：
42.装置所涉及的计算公式如下：
43.撞击管所需要的撞击速度可由公式(1)计算
[0044][0045]
公式(1)中v为撞击管的撞击速度，为所要实现的应变率，l为试样标记段的长度。
[0046]
撞击管高度可由公式(2)计算
[0047][0048]
公式(2)中h为撞击管下端面距入射杆凸缘的高度，v为撞击管的撞击速度，g为当地重力加速度。
[0049]
试样的应力可以通过公式(3)进行计算
[0050][0051]
公式(3)中σ
eng
为试样的工程应力，a
inc
为入射杆横截面积，e
inc
为入射杆弹性模量，ε
inc
入射杆应变信号，a
tra
为透射杆横截面积，e
tra
为透射杆弹性模量，ε
tra
为透射杆应变信号，as为试样的横截面积。
[0052]
图6是根据本技术实施例的中应变率霍普金森拉杆加载方法的流程图，参考图6，该方法至少包括以下步骤：
[0053]
s602，将入射杆、透射杆和试样沿垂直方向同轴设置，其中，所述入射杆位于所述透射杆的下方，将所述试样夹持在所述透射杆的近端和所述入射杆的末端之间。
[0054]
s604，将所述撞击管套设在所述入射杆的外部，释放所述撞击管使其撞击设置在所述入射杆的近端的入射杆凸缘；其中，所述撞击管撞击所述入射杆后产生由入射杆的近端至其末端传播的拉伸波，对所述试样进行30s-1-300s-1
的恒应变率的均匀拉伸加载。
[0055]
本发明的方法的操作步骤与装置的结构特征对应，可以相互参照，不再一一赘述。
[0056]
在本技术实施例中，通过设置沿垂直方向布局的杆系统，撞击管自由下落撞击入射杆的入射杆凸缘以产生拉伸波对试样进行加载，由于撞击管仅受重力加速度的影响，撞击管的撞击速度适中，并且能够使试样产生较大的应变，从而测量软材料在中应变率下的高精度和高频率的力学性能。沿垂直方向布局的杆系统还消除了重力导致的杆的弯曲，使杆子保持足够的直度，减少波形弥散；同时沿垂直方向布局的杆系统可以自动对试样进行一定的预紧，减少了实验误差；重力驱动撞击管发射克服了以往气缸发射撞击管时速度不稳定的缺点，实现了试样在30s-1-300s-1
应变率下的稳定均匀加载；通过将撞击管的质量设置为大于入射杆的质量，以使入射杆始终保持一定速度运动，对试样进行期望速度的持续加载，使试样产生大变形，进而便于采集到高频响和高精度的应力-应变数据。
[0057]
尽管已经参考本公开的特定实施例详细地描述本公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离实施例的精神和范围的情况下可以在其中进行各种改变和修改。因此，本公开旨在覆盖本公开的修改和变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的权利要求以及其等效物的范围之内。
[0058]
此外，在以上描述或权利要求书或附图中公开、以其特定形式或根据用于执行所公开功能的方式或用于获得所公开结果的方法或过程表达的特征视情况可以单独地或以这些特征的任何组合来用于以它们的不同形式实现本发明。具体来说，本文所描述的任一个实施例的一个或多个特征可以与本文所描述的任何其它实施例的一个或多个特征组合。
[0059]
还可以为结合本公开引用和/或通过引用合并的任何一个或多个公开文件中公开的任何特征寻求保护。

技术特征：
1.一种中应变率霍普金森拉杆加载装置，其特征在于，包括：入射杆、透射杆、撞击管、试样；所述入射杆、所述透射杆和所述试样沿垂直方向同轴设置，其中，所述入射杆位于所述透射杆的下方，所述试样被夹持在所述透射杆的近端和所述入射杆的末端之间；所述撞击管套设在所述入射杆的外部，释放所述撞击管使其撞击设置在所述入射杆的近端的入射杆凸缘；其中，所述撞击管撞击所述入射杆后产生由入射杆的近端至其末端传播的拉伸波，对所述试样进行30s-1-300s-1
的恒应变率的均匀拉伸加载。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述垂直方向包括与铅垂线偏差不超过1.5度。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述试样为采用聚合物材料制作的片状拉伸试样，所述试样包括两个夹持段和设置在两夹持段之间的标记段，所述入射杆的末端和所述透射杆的近端分别具有与夹持段对应的凹槽，所述入射杆和所述透射杆的凹槽分别与所述试样的夹持段连接。4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括：数字图像应变采集装置，所述数字图像应变采集装置与所述试样等高设置并且所述数字图像应变采集装置面对所述试样的标记段设置。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述入射杆的直径等于所述透射杆的直径，所述透射杆的长度是所述入射杆的长度的5-8倍。6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述撞击管的长度大于所述入射杆的长度，所述撞击管与所述入射杆的波阻抗相同。7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述入射杆凸缘与所述撞击管接触的表面上设置有脉冲整形器。8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述撞击管以预定高度撞击所述入射杆凸缘，所述预定高度根据所要实现的应变率、试样标记段长度、所述撞击管撞击所述入射杆凸缘的撞击速度确定。9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述撞击速度根据所述试样的应变率和试样的标记段的长度确定。10.一种中应变率霍普金森拉杆加载方法，其特征在于，包括：将入射杆、透射杆和试样沿垂直方向同轴设置，其中，所述入射杆位于所述透射杆的下方，将所述试样夹持在所述透射杆的近端和所述入射杆的末端之间；将所述撞击管套设在所述入射杆的外部，释放所述撞击管使其撞击设置在所述入射杆的近端的入射杆凸缘；其中，所述撞击管撞击所述入射杆后产生由入射杆的近端至其末端传播的拉伸波，对所述试样进行30s-1-300s-1
的恒应变率的均匀拉伸加载。

技术总结
本发明公开一种中应变率霍普金森拉杆加载装置及其方法，其中该加载装置包括：入射杆、透射杆、撞击管、试样；所述入射杆、所述透射杆和所述试样沿垂直方向同轴设置，其中，所述入射杆位于所述透射杆的下方，所述试样被夹持在所述透射杆的近端和所述入射杆的末端之间；所述撞击管套设在所述入射杆的外部，释放所述撞击管使其撞击设置在所述入射杆的近端的入射杆凸缘；其中，所述撞击管撞击所述入射杆后产生由入射杆的近端至其末端传播的拉伸波，对所述试样进行30s-1-300s-1


技术研发人员：苗应刚 殷建平 贺贺 杜文轩 苗壮 吴知博 何宣甫 邓琼
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/10/11