三维霍普金森压杆转向头装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种冲击加载实验中应力波转向装置，特别是一种三维霍普金森杆转向头装置。所述三维霍普金森杆转向头装置包括环形阵列的三个尺寸相同的转向头；所述转向头与入射杆接触的一端为圆形端面，转向头与试件接触的一端为正方形端面；圆形端面的直径与正方形端面的边长比为50：48，圆形端面与正方形端面的夹角为54.55°～54.85°；三个转向头的圆形端面处于同一平面；相邻两转向头的正方形端面的边缘相接，并且三个转向头的正方形端面形成一底部封闭的容纳体。该三维霍普金森杆转向头装置能够实现应力波转向，从而解决三维霍普金森压杆的入射波同步性问题。
【专利说明】三维霍普金森压杆转向头装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种冲击加载实验中应力波转向装置，特别是一种用于三维霍普金森压杆试验中入射波转向的转向头装置，属于冲击动力学试验装置领域。
【背景技术】
[0002]材料强度是保证各种工程结构安全使用的一个最重要的基本条件。一般人们对材料强度的认识是材料在单向拉伸或单向压缩时的强度。例如金属类材料的强度一般指的是它们在单向拉伸时的强度。混凝土和岩石的强度一般指的是它们在单向压缩时的强度，这些都是材料的一维强度，可以在常规实验中直接得出。但是在工程结构中的材料大多数是在二维或三维应力的作用下(统称为复杂应力)，这时的材料强度确定就是一个十分复杂和困难的问题，需要研制二维和三维的加载设备，才能对该问题展开研究。
[0003]材料在动载下的力学性能与其在静载下的力学性能不同。高速加载下材料的动态变形和静态(准静态)变形之间存在根本的差异，具体表现出的动力学行为主要有高速变形、强度的增加、动态破坏及其它物理、化学响应等。如前所述，在工程结构中材料多处于二维或三维应力状态；复杂应力状态下，材料的应变率效应则表现为高度的复杂性。如材料的应变率效应对于材料的剪切强度并不明显，而对于抗拉强度或抗拉强度则十分明显。这种差异导致材料的破坏面与应变率有关，但是目前来说，我们对材料的应变率效应的认识也仅仅来自于一维试验的结果，急需研制开发二维或三维情况下高速加载设备，进而对多维冲击荷载作用下材料的动态强度进行研究。
[0004]19世纪末和20世纪初，人们已经研制出了围压三轴试验机，或称加三轴试验机，来研究静态或准静态荷载下材料复杂应力状态下的强度。这种试验机仅能产生某一个方向上的连续应力，在另外两个方向上仅能提供固定的围压(围压大小在试验前可调)。而到了 20世纪60年代，世界各国相继展开了静态或准静态荷载的真三轴试验机的研究，目前，静态或准静态荷载的真三轴试验机技术已比较成熟，有了比较完备的商业产品问世。与此形成鲜明对比的是，虽然早在1897年，第一台高应变率试验机就已经产生，1914年，B.Hopkinson便设计了 Hopkinson压杆,后经Kolsky改进,使霍普金森压杆成为研究材料动态力学性能的一种重要手段。然而，截止到目前，国内外的高速加载试验装置多为一维。而针对混凝土、岩石等脆性材料，研发了假三轴动态加载设备，即围压SHPB系统，但未得到大的发展。迄今为止，国内外尚未有一台真三轴动态加载设备，用于研究材料在复杂应力状态下的动态强度。
[0005]综上所述，人们对材料的应变率效应的认识还仅仅来自于一维霍普金森杆试验，在多维的空间里还有很多未知，急需研制开发三维情况下材料实验的高速加载装置。三维霍普金森杆的难点是如何保证三根入射杆中入射波的同步性。
【发明内容】
[0006]本发明目的在于，提供一种三维霍普金森杆转向头装置，该三维霍普金森杆转向头装置能够实现应力波转向，从而解决三维霍普金森压杆的入射波同步性问题。
[0007]本发明通过以下技术方案实现该目的:
[0008]一种三维霍普金森杆转向头装置，包括环形阵列的三个尺寸相同的转向头；所述转向头与入射杆接触的一端为圆形端面，转向头与试件接触的一端为正方形端面；圆形端面的直径与正方形端面的边长比为50:48,圆形端面与正方形端面的夹角为54.55°?54.85° ;三个转向头的圆形端面处于同一平面；相邻两转向头的正方形端面的边缘相接，并且三个转向头的正方形端面形成一底部封闭的容纳体。
[0009]优选的，所述转向头的圆形端面与正方形端面的夹角为54.7°。
[0010]本发明三维霍普金森杆转向头装置可实现应力波转向，而且转向头的正方形端面各个位置处的波形幅值相等，到达的时间相同，保证了波形的一致性，可解决三维霍普金森压杆的入射波同步性问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本发明其中一个实施例的俯视图。
[0012]图2为图1中转向头的主视图。
[0013]图3为图2中转向头的A-A剖视图。
[0014]图4为包含图1中三维霍普金森杆转向头装置的三维霍普金森杆整体装置的结构示意图。
[0015]图5为加载到三根入射杆的入射波波形。
[0016]图6至图8为三根入射杆中入射波与反射波波形。
[0017]图9至图15为转向头正方形端面处七个位置的应力波波形。
[0018]附图标记说明:1-转向头装置，2-转向头，3-圆形端面，4-正方形端面，5-加载杆,6-入射杆，7-透射杆。
【具体实施方式】
[0019]为了便于本领域技术人员理解，下面将结合附图以及实施例对本发明进行进一步描述。
[0020]图1所示为本发明三维霍普金森杆转向头装置其中一个实施例。
[0021]参见图1，所述三维霍普金森杆转向头装置包括环形阵列的三个尺寸相同的转向头。参见图2、图3，所述转向头一端为圆形端面，另一端为正方形端面。本实施例中，圆形端面的直径为50mm,正方形端面的边长为48mm,圆形端面与正方形端面的夹角α为54.7°。
[0022]参见图1，三个转向头的圆形端面处于同一平面；相邻两转向头的正方形端面的边缘相接，并且三个转向头的正方形端面形成一底部封闭的容纳体。进行冲击动力学试验时，入射杆与圆形端面接触；试件放置于容纳体内，试件与正方形端面接触。
[0023]应该理解，所述圆形端面与正方形端面的夹角α还可以为54.55°?54.85°中其它角度。
[0024]本发明三维霍普金森杆转向头装置对波影响试验
[0025]图4为包含上述三维霍普金森杆转向头装置的三维霍普金森杆整体装置，其包括加载杆、入射杆、转向头装置、试件、透射杆。其中，加载杆直径为110.0mm，入射杆的直径50.0mm。入射波按图5所示的压缩波加载到三根入射杆中，入射波的压力幅值为IOOMPaJ^宽约为160.0μ S。三根入射杆中的入射波与反射波波形如图6、图7、图8所不,三根入射杆中波形一致，入射波波形幅值为100.0MPa,反射波的波形幅值约为60.0MPa左右。从波形可得，通过转向头能够很好的改变入射波的方向。
[0026]在转向头的正方形端面上，选择7个位置检测应力波情况。实验数据如图9至图15所示，从7个位置处的应力波形来看，波形吻合的非常好，说明通过转向头后应力波能够很好的转向，并且转向头正方形端面各个位置处的波形幅值相等，到达的时间相同，保证了波形的一致性。
[0027]通过分析可以看出，三根应力波传播方向相同的入射杆，通过本发明设计的转向头装置，能够很好的实现应力波的转向功能，并且转向后的应力波所到达端面的时间相同，波形也能够保持很好的一致性。
[0028]以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明`专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【权利要求】
1.一种三维霍普金森杆转向头装置，其特征在于:包括环形阵列的三个尺寸相同的转向头；所述转向头与入射杆接触的一端为圆形端面，转向头与试件接触的一端为正方形端面；圆形端面的直径与正方形端面的边长比为50:48,圆形端面与正方形端面的夹角为54.55°?54.85° ;三个转向头的圆形端面处于同一平面；相邻两转向头的正方形端面的边缘相接，并且三个转向头的正方形端面形成一底部封闭的容纳体。
2.根据权利要求1所述的三维霍普金森杆转向头装置，其特征在于:所述转向头的圆形端面与正方形端面的夹角为54.7°。
【文档编号】G01N3/02GK103776687SQ201410013027
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月10日 优先权日:2014年1月10日
【发明者】郝洪, 浣石, 李忠献, 陶为俊, 师燕超, 谭湘倩, 丁阳, 蒋国平 申请人:天津大学