一种基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器及实验方法
【专利摘要】一种基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器及实验方法。所述应力波发生器是将述电容充电器与加载枪相接。主线圈、绝缘层和次级线圈均套装在锥形放大器上的定位轴上。通过供电系统用来给加载枪的主线圈提供瞬时的强电流，从而使主线圈和次线圈之间产生强电磁斥力，并将电磁斥力转换成应力波，经过锥形放大器放大后输出给霍普金森杆。本发明结构简单，可控性强，能够实现传统分离式霍普金森杆实验无法达到的应变率和应变范围，使霍普金森杆实验技术的规范化，并且使拉杆和压杆的实验装置实现一体化，节省了设备的复杂性和占地空间。
【专利说明】一种基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器及实验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料的动态力学性能测试的应力波发生装置及方法，具体说是一种基于电磁力的应力波发生装置及方法，所述装置可以作为分离式霍普金森拉杆和压杆的应力波输入装置。
【背景技术】
[0002]目前，在材料科学领域中测量材料在高应变率下的力学性能时使用最广泛的就是分离式霍普金森压杆技术和拉杆技术。这一方法的基本原理是:将短试样置于两根拉杆或压杆之间，通过某种方式对入射杆输入拉伸应力波或者压缩应力波，对试样进行加载。同时利用粘在拉杆或压杆上并距杆端部一定距离的应变片来记录脉冲信号。如果拉杆或压杆保持弹性状态，那么杆中的脉冲将以弹性波速无失真地传播。这样粘贴在拉杆或压杆上的应变片就能够测量到作用于杆端的载荷随时间的变化历程。
[0003]对于霍普金森压杆，产生入射波的普遍方式是通过气枪将撞击杆高速发射，与入射杆同轴撞击产生入射脉冲。这种方法的缺点在于:由于每次发射时撞击杆在气枪中的安装位置不尽相同，且撞击速度与气压的对应关系很难确定，因此无法准确地控制入射波的幅值，所以需要尝试多次实验才能得到所需的应变率。其次，对于应变率跨度过大的实验，由于气枪气压的限制，需要更换撞击杆的长度来得到不同的应变率，应变率越高，所用撞击杆越短，实验中产生的应力波宽度越短，这就限制了实验所得到的应变范围，而且操作繁琐。更重要的是，由于撞击杆的发射速度有一个下限，一些更低的应变率在实际试验中无法用传统霍普金森压杆得到，比如IOs-1的应变率。由于不同的实验系统参数也不同，使得分离式霍普金森压杆实验技术的规范化一直是一个国际性的难题。
[0004]对于霍普金森拉杆，目前所采用的普遍加载技术是:将拉杆的撞击杆做成空心圆管，通过气枪将撞击管高速发射，当它运动到达入射杆端时，撞击管与入射杆端的凸台碰撞产生一列压缩波向入射杆凸台端传播，并在自由端反射成拉伸波，该拉伸波通过入射杆对试样进行加载。但是这种设计方法有很多的缺点:1，由于撞击杆是从入射杆一端发射到另一端，所以在入射杆上的凸台到气枪的那一段，入射杆处于无支撑的自由状态这使得入射杆容易弯曲；2，这种设计限制了撞击筒的长度在500mm左右，所以产生的入射波长度为0.2ms左右，但是对于延展性材料和低应变率实验，需要更长的入射波；3，撞击筒的更换很不方便；4，由于撞击筒的筒壁厚度限制，需要很高的气压来加速撞击筒。也有很多学者提出了不同的设计思路:1，在撞击筒的一端加一个凸台来提高撞击筒的发射速度，但是这种方式产生的波形受凸台影响而不再正规；2，使用空的入射杆，撞击杆从入射杆里面穿过，这种方式使得波形整形变得困难。
[0005]由于撞击杆的形状不同，气枪的位置不同，传统的霍普金森压杆和拉杆的加载系统无法在同一装置上实现。
[0006]20世纪60年代美国波音公司为解决普通铆接存在的问题，由Huber A Schmitt等人率先开始研究电磁铆接技术，并于1968年申请了强冲击电磁铆接装置的专利。1986年Zieve Peter研制成功低压电磁铆接,解决了高压铆接在铆接质量及推广应用方面存在的问题，从而使电磁铆接技术得到较快发展。电磁铆接技术已在波音、空客系列飞机制造中得到应用。如今，低压电磁铆接技术已经发展成熟，铆接力的大小和持续时间可以得到比较精确的控制。电磁铆枪的技术原理是:在放电线圈和工件之间增加了一个线圈和应力波放大器。放电开关闭合的瞬间，主线圈中通过快速变化的冲击电流，在线圈周围产生强磁场。与主线圈耦合的次线圈在强磁场作用下产生感应电流，进而产生涡流磁场，两磁场相互作用产生涡流斥力，并通过放大器传至铆钉，使铆钉成形。涡流力的频率极高，在放大器和铆钉中以应力波的形式传播，故电磁铆接也称应力波铆接。如果将电磁铆枪的原理应用到分离式霍普金森压杆中代替传统分离式霍普金森压杆中的气枪和撞击杆，通过电磁斥力产生直接产生应力波，将会使分离式霍普金森压杆实验技术的规范化成为可能。并且可以以足够长的应力脉冲对试样进行低应变率加载，实现一些传统霍普金森杆无法实现的低应变率。西北工业大学在申请号为201410161610.X的发明创造中提出了一种基于电磁力加载的分离式霍普金森压杆装置，该装置通过将电磁铆枪装置直接应用于霍普金森压杆实验装置，从而实现对试样的动态压缩加载。但是实际中更希望能够使用同一个加载装置，既可以产生压缩应力波,又可以产生拉伸应力波。
【发明内容】
[0007]为克服现有技术中存在的入射波幅值难以控制，操作繁琐以及应变范围限制以及无法实现一些低应变率实验的不足，以及拉伸和压缩加载装置无法统一的缺点，本发明提出了一种基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器及实验方法。
[0008]所述基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器包括电源、电容充电器和加载枪。所述电容充电器米用现有电磁铆接设备的供电部分，并将所述电容充电器的输出的正极输出线与加载枪的正极线相接，负极输出线与加载枪的负极线相接。加载枪包括锥形放大器、绝缘层、加载枪壳体、主线圈和次线圈。锥形放大器位于所述加载枪壳体内并安装在该加载枪壳体一端；该锥形放大器上的定位轴亦位于加载枪壳体内并与加载枪壳体同轴。主线圈、绝缘层和次级线圈均套装在所述锥形放大器上的定位轴上。绝缘层与所述锥形放大器的内表面贴合；次线圈位于所述绝缘层内侧；在加载枪壳体同一侧的圆周表面有主线圈的两个外接接头的过孔。锥形放大器的外圆周表面与加载枪壳体的内表面间隙配合。
[0009]锥形放大器一端的圆周表面由等径段和锥段组成；所述等径段的轴向长度:锥段的轴向长度=1:1。所述锥形放大器的等径段为应力波接收段，所述锥形放大器的锥段为应力波放大反射端。应力波接收段的直径最大，并且在应力波接收段的端面中心有轴向凸出的定位轴；应力波放大反射端的中心有轴向凸出的配合段，在该处形成了拉伸头的最小直径，并在所述配合段加工有用于连接霍普金森压杆的入射杆的内螺纹。所述锥形放大器的应力波接收端的直径:应力波放大反射端的最小直径处的比值=12:1。所述应力波放大反射端的锥段的锥度为30 °。
[0010]本发明还提出一种基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器的实验方法，包括霍普金森压缩实验和霍普金森拉伸实验。所述基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器的实验过程是:
[0011]步骤1.排布器材。[0012]将加载枪、入射杆和透射杆按常规方法同轴顺序安装在实验台上，并使所述入射杆和透射杆仅在轴线方向能够自由移动。将一个试样安装在入射杆和透射杆之间，并且使试样与入射杆及透射杆同轴。
[0013]步骤2.粘贴应变片。
[0014]采用常规方法在入射杆或透射杆分别粘贴2个应变片，并将应变片引线接入数据采集系统；排布所述应变片引线时，须将所述各应变片引线与入射杆或透射杆的轴线平行分布，再垂直于轴线方向成直角弯折引出，使应变片引线呈直线状态接入数据采集器。
[0015]步骤3.加载实验及数据采集。
[0016]当进行霍普金森压缩实验时，将锥形放大器安装进加载枪内，使所述锥形放大器的小端朝向霍普金森压杆的入射杆，将锥形放大器的小端与霍普金森压杆的入射杆进行螺纹连接，并且使次线圈与主线圈的一个端面贴合在一起。通过电子开关使电容充电器对加载枪的主线圈放电，锥形放大器与主线圈之间就会产生电磁斥力，所述电磁斥力在锥形放大器内部表现为压缩应力波并被锥形放大器放大后形成入射波，该入射波传入霍普金森压杆的入射杆，当该入射波传至入射杆与试样接触面时，由于波阻抗不匹配，该入射波的一部分被反射，在入射杆中形成反射波，另一部分则通过试样透射入透射杆中，形成透射波。所述反射波和透射波的形状和幅值是由试样材料性质决定的。数据采集器通过粘贴在入射杆上的应变片将入射波和反射波信号记录下来，通过粘贴在透射杆上的应变片将透射波的信号记录下来。利用数据采集器记录的反射波和透射波信号，通过一波法得到试件的动态压缩应力应变曲线。
[0017]当进行霍普金森拉伸实验时，将锥形放大器安装进加载枪内，使所述锥形放大器的小端朝向远离霍普金森压杆的入射杆的方向，将锥形放大器的定位轴与霍普金森拉杆的入射杆进行螺纹连接，并且使次线圈与主线圈的一个端面贴合在一起。通过电子开关使电容充电器对加载枪的主线圈放电，锥形放大器与主线圈之间就会产生电磁斥力，所述电磁斥力在锥形放大器内部表现为压缩应力波，所述压缩应力波在锥形放大器内被放大，并在锥形放大器的小端反射成拉伸波并形成霍普金森拉杆的入射波，该入射波传入霍普金森拉杆的入射杆，当该入射波传至入射杆与试样接触面时，由于波阻抗不匹配，该入射波的一部分被反射，在入射杆中形成反射波，另一部分则通过试样透射入透射杆中，形成透射波。所述反射波和透射波的形状和幅值是由试样材料性质决定的。数据采集器通过粘贴在入射杆上的应变片将入射波和反射波信号记录下来，通过粘贴在透射杆上的应变片将透射波的信号记录下来。利用数据采集器记录的反射波和透射波信号，通过一波法得到试件的动态压缩应力应变曲线。
[0018]在本发明中，应力波发生装置由加载枪和供电系统组成。供电系统用来给加载枪的主线圈提供瞬时的强电流，从而使主线圈和次线圈之间产生强电磁斥力。加载枪由主线圈、次线圈和锥形放大器组成，用来产生电磁斥力，并将电磁斥力转换成应力波，经过锥形放大器放大后输出给霍普金森杆。
[0019]本发明通过改进电磁铆枪的结构而使其既能产生压缩应力波，又能产生拉伸应力波，并且应用于分离式霍普金森压杆和拉杆的加载，使霍普金森压杆和拉杆的加载系统在同一个装置上可以同时实现。本发明在加载枪内有一个主线圈和一个次线圈，主线圈与枪体固定，位于枪体的中间段，主线圈中心有通孔，用来与锥形放大器定位；次线圈为铜质圆盘，固连一个锥形放大器，所述锥形放大器与主线圈靠近。主线圈和锥形放大器同轴，其同轴度通过锥形放大器的定位轴与主线圈的通孔配合来确定。做压缩实验时，将锥形放大器的小端靠近霍普金森压杆的入射杆安装，并在配合段与霍普金森压杆的入射杆通过螺纹进行连接；做拉伸实验时，将锥形放大器的小端远离霍普金森拉杆的入射杆，将该锥形放大器的定位轴穿过主线圈的通孔，并在定位轴的一端与霍普金森拉杆的入射杆通过螺纹进行连接。实验时，将强变化电流通过主线圈，主线圈会产生变化的强磁场，变化的强磁场会在次线圈内产生感应电流，感应电流产生的感应磁场方向与主线圈的磁场方向相反，于是主线圈和次圈之间产生电磁斥力，这种电磁斥力在次线圈中表现为压缩应力波，该压缩应力波通过锥形放大器进行放大，在霍普金森压缩实验中，该放大的压缩应力波作为入射波直接传入霍普金森压杆的入射杆，就可以对材料进行压缩试验；在霍普金森拉伸实验时，该放大的压缩波在锥形放大器的小端反射后变为等幅的拉伸波，并改变传播方向，通过锥形放大器的定位轴传入霍普金森拉杆的入射杆，就可以对材料进行动态拉伸加载。因此本装置既可以对材料进行压缩实验，又可以进行拉伸实验。
[0020]通过电容器的放电为主线圈提供电源，由于电容器放电时间比较短，放电电流强，可以使主线圈和次线圈之间产生瞬间的强斥力，从而产生强的应力脉冲。至于电容器的充电和放电控制系统，目前在电磁铆接设备中该技术已经非常成熟，可以直接应用。
[0021]锥形放大器与霍普金森杆的入射杆通过螺纹连接，使输出的应力波能够稳定地传入实验系统。本发明的实验装置中，通过加载枪中的主线圈和次线圈之间的电磁斥力直接产生应力脉冲，输入到入射杆，使得所产生的脉冲信号可以根据实验者的需要而比较准确地进行控制。
[0022]本发明中实际产生的应力波幅值可以通过电磁铆接装置的充电电压进行控制，实际产生的应力波宽度可以通过调整电磁铆接装置的电容值进行控制。
[0023]本发明在原理上将电磁斥力与电容器放电相结合，以代替传统分离式霍普金森杆系统中的气枪和子弹而直接产生应力脉冲。采用传统的霍普金森杆试样，即可对材料进行预期脉冲幅值和脉冲宽度下的加载。设备整个系统操作简单，可控性强。由于是通过电磁方式对应力波进行控制的，当电容充电器中的电容值不变时，同一个电压对应的输出应力波幅值也不变，当充电电压不变时，同一个电容值对应的应力波宽度也不变，所以能够实现对应力波的精确控制，实验的重复性好；其次，由于是通过电磁加载产生的应力波，应力脉冲的宽度不像传统撞击方式那样受撞击杆长度的限制，所以对于低应变率实验，本发明所能达到的应变比传统霍普金森杆更大，例如，本发明可以产生脉冲宽度为0.5ms的应力波，如果以此应力波对试样进行IOOs-1应变率下的压缩试验，则试样可以达到的最大应变为0.05，而对于传统霍普金森杆，很难达到这么低的应变率，即使可以达到这个应变率，所用子弹为0.8m，则产生的应力脉冲宽度为0.32ms，则试样达到的最大应变为0.032，明显低于电磁加载的霍普金森杆。由于以上优点，本发明装置和方法可以实现传统分离式霍普金森杆实验无法达到的应变率和应变范围，使霍普金森杆实验技术的规范化，并且使拉杆和压杆的实验装置实现一体化，节省了设备的复杂性和占地空间。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器的原理图；[0025]图2是基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器的结构示意图；
[0026]图3是加载枪的内部结构示意图，其中壳体沿对称平面剖开。
[0027]图4是锥形放大器的结构示意图；
[0028]图5是压缩试验示意图；
[0029]图6是拉伸试验示意图；
[0030]图7是应变片引线的分布方法；
[0031]图8是一般应变片引线排布方式测到的应力信号，其中横坐标表示时间，单位是S，纵坐标表示应力，单位是Mpa ；
[0032]图9是采用本发明中的应变片引线排布方式测到的应力信号，其中横坐标表示时间，单位是S，纵坐标表示应力，单位是Mpa。
[0033]图中:
[0034]1.电阻；2.变压器；3.整流器；4.电容；5.电子开关；6.加载枪；7.锥形放大器；8.绝缘层；9.次线圈；10.壳体；11.主线圈；12.入射杆；13.试样；14.透射杆；15.应变片；16.数据采集器；17.缓冲器；18.电容充电器；19.电源；20.螺纹；21.定位轴；22.弓丨线。
【具体实施方式】
[0035]本实施例是一种基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器，包括电源19、电容充电器18和加载枪6。电容充电器18采用现有电磁铆接设备的供电部分，并将所述电容充电器18的输出的正极输出线与加载枪6的正极线相接，负极输出线与加载枪6的负极线相接。电源19采用220V的三相交流电。
[0036]本实施例中，电容充电器18采用公布在专利号为200520079179的专利中的电磁铆接设备的供电部分，在本例中，将10个额定电压为1000伏额定电容为2000微法的电解电容并联组成电容器组，将所述电容器组与电子开关安装在电容器箱中，通过电子开关控制电容器组的放电。控制箱主要包含PLC及其控制系统。控制系统主要由模拟控制部分、数字控制部分以及数字显示部分组成。其中模拟控制部分采用SIEMENS公司的TCA785芯片。数字控制部分由西门子的S7-200系列CPU224及西门子模拟输入输出扩展模块EM235组成。充电电压控制主要是通过电压环和电流环的PID控制方式实现。数字显示部分主要是通过S7-200系列文本显示器TD200组成。
[0037]如图3所示。加载枪由锥形放大器7、次线圈9、壳体10和主线圈11组成。所述加载枪壳体10为载体，锥形放大器7位于所述加载枪壳体内并安装在该加载枪壳体一端；该锥形放大器上的定位轴亦位于加载枪壳体内并与加载枪壳体同轴，既用于拉伸应力波的传输，又用于主线圈11次线圈9的定位。
[0038]主线圈11套装在所述锥形放大器上的定位轴上并位于加载枪壳体内中段。I个尼龙制成的绝缘层8套装在所述锥形放大器上的定位轴上，并与所述锥形放大器内表面贴合，通过所述绝缘层8阻止次线圈9中产生的感应涡流传入锥形放大器7。次线圈9套装在所述锥形放大器上的定位轴上，并位于所述各绝缘层内侧。在加载枪壳体10同一侧的圆周表面有两个通孔，主线圈11的两个外接接头分别穿过其中一个通孔并固定在加载枪壳体10的外表面。所述主线圈的两个外接接头中的正极接头与电容充电器20的正极输出线连接，两个外接接头中的负极接头与电容充电器18的负极输出线连接。
[0039]本实施例中，加载枪壳体10采用绝缘性能良好的尼龙制造。该加载枪的主线圈11采用宽25mm、厚Imm的铜带绕制在横截面为工字形的芯体上。主线圈11的外径与加载枪壳体10的内径相同，当该主线圈装入加载枪壳体10内后，两者之间干涉配合。
[0040]次线圈9为铜质圆盘，并在该次级线圈的中心开有轴孔。
[0041]锥形放大器7为回转体。锥形放大器7的一端为圆形块，并且该圆形块圆周表面由等径段和锥段组成；所述等径段的轴向长度:锥段为的轴向长度=1:1。本实施例中，所述锥形放大器的等径段的轴向长度和锥段的轴向长度均为25_。所述锥形放大器的等径段为应力波接收段，所述锥形放大器的锥段为应力波放大反射端。应力波接收段的直径最大，并且在应力波接收段的端面中心有轴向凸出的定位轴；应力波放大反射端中心有轴向凸出的配合段，所述配合段加工有内螺纹盲孔，用于连接霍普金森压杆的入射杆。所述锥形放大器应力波接收端的直径:应力波放大反射端的最小直径处的比值=12:1。所述应力波放大反射端的锥段的锥度为30
[0042]所述锥形放大器的定位轴21与主线圈11的通孔为间隙配合。在该定位轴端头处的圆周表面加工有内螺纹盲孔，用于与霍普金森拉杆的入射杆配合。
[0043]本实施例中的电源19、入射杆12、透射杆14、应变片15、数据采集器16和缓冲器17均采用现有技术。并且在入射杆12的一端加工有外螺纹。
[0044]本实施例还提出了一种所述基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器的实验方法。所述基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器的实验方法中包括霍普金森压缩实验和霍普金森拉伸实验。
[0045]I采用基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器进行霍普金森压缩实验的具体过程是:
[0046]步骤1.排布器材。
[0047]将加载枪6、入射杆12和透射杆14按常规方法同轴顺序安装在实验台上，并使所述入射杆12和透射杆14仅在轴线方向能够自由移动。将一个试样13安装在入射杆12和透射杆14之间，并且使试样13与入射杆12及透射杆14同轴。
[0048]步骤2.粘贴应变片。
[0049]应变片的粘贴方法采用现有技术，即在入射杆12或透射杆14的一半长度处的圆周上以所述入射杆或透射杆轴线为对称轴，将两片参数完全相同的应变片对称粘贴在入射杆或透射杆表面，在应变片的引脚上焊接应变片引线22，并将所述应变片引线接入数据采集系统中的惠斯通电桥中。
[0050]所述应变片引线22的排布有特殊要求，否则会使数据采集器16受到电磁干扰而无法正常采集实验数据。若应变片引线22在垂直于入射杆或透射杆轴线的平面上的投影形成闭合回路，则加载枪6放电产生强磁场时，变化的磁场线会穿过应变片引线22所形成的回路，使回路中产生变化的磁通量，从而形成感应电流，对数据采集器16产生干扰，使所采集的数据无法使用。解决这一问题的方法是:如图7所示，先使所述各应变片引线22与入射杆或透射杆的轴线平行分布，再垂直于轴线方向成直角弯折引出，使引线22呈直线状态接入数据采集器16，这样引线中就不会因为磁通量变化而产生感应电流。从图8和图9可以看出，一般的应变片引线排布方式所测量的应力波信号干扰非常大，而采用本发明所提出的应变片引线排布方式所测量的应力波信号干扰完全消除。
[0051 ] 步骤3.进行加载并处理数据。
[0052]如图5所示，将锥形放大器7安装进加载枪6内，使所述锥形放大器的小端朝向霍普金森压杆的入射杆12，将锥形放大器7的小端与霍普金森压杆的入射杆进行螺纹连接，并且使次线圈9与主线圈11的一个端面贴合在一起。将电容充电器18的充电电压设为200V并充电，待充电完成后，通过电子开关使电容充电器对加载枪的主线圈11放电，锥形放大器7与主线圈11之间就会产生电磁斥力，所述电磁斥力在锥形放大器7内部表现为压缩应力波并被锥形放大器7放大后形成入射波，该入射波传入霍普金森压杆的入射杆12，当该入射波传至入射杆12与试样13接触面时，由于波阻抗不匹配，该入射波的一部分被反射，在入射杆12中形成反射波，另一部分则通过试样13透射入透射杆14中，形成透射波。所述反射波和透射波的形状和幅值是由试样材料性质决定的.[0053]数据采集器16通过粘贴在入射杆12上的应变片15将入射波和反射波信号记录下来，通过粘贴在透射杆14上的应变片15将透射波的信号记录下来。利用数据采集器16记录的反射波和透射波信号，通过一波法得到试件的动态压缩应力应变曲线。
[0054]II采用基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器进行霍普金森拉伸实验的具体过程是:
[0055]步骤1.排布器材。
[0056]将加载枪6、入射杆12、透射杆14同轴顺序安装在实验台上，使所述入射杆12、透射杆14仅在轴线方向能够自由移动。将一个试样13安装在入射杆12和透射杆14之间，并且使试样13与入射杆12及透射杆14同轴。
[0057]步骤2.粘贴应变片。
[0058]应变片的粘贴方法采用现有技术，即在入射杆12或透射杆14的一半长度处的圆周上以所述入射杆或透射杆轴线为对称轴，将两片参数完全相同的应变片对称粘贴在入射杆或透射杆表面，在应变片的弓I脚上焊接应变片引线22，并将所述应变片弓I线接入数据采集系统中的惠斯通电桥中。
[0059]所述应变片引线22的排布有特殊要求，否则会使数据采集器16受到电磁干扰而无法正常采集实验数据。若应变片引线22在垂直于入射杆或透射杆轴线的平面上的投影形成闭合回路，则加载枪6放电产生强磁场时，变化的磁场线会穿过应变片引线22所形成的回路，使回路中产生变化的磁通量，从而形成感应电流，对数据采集器16产生干扰，使所采集的数据无法使用。解决这一问题的方法是:如图7所示，先使所述各应变片引线22与入射杆或透射杆的轴线平行分布，再垂直于轴线方向成直角弯折引出，使引线22呈直线状态接入数据采集器16，这样引线中就不会因为磁通量变化而产生感应电流。从图8和图9可以看出，一般的应变片引线排布方式所测量的应力波信号干扰非常大，而采用本发明所提出的应变片引线排布方式所测量的应力波信号干扰完全消除。
[0060]步骤3.进行加载并采集数据。
[0061 ] 如图6所示，将锥形放大器7安装进加载枪6内，使所述锥形放大器的小端朝向远离霍普金森压杆的入射杆12的方向,将锥形放大器7的定位轴20与霍普金森拉杆的入射杆进行螺纹连接，并且使次线圈9与主线圈11的一个端面贴合在一起。将电容充电器18的充电电压设为200V并充电，待充电完成后，通过电子开关使电容充电器对加载枪的主线圈11放电，锥形放大器7与主线圈11之间就会产生电磁斥力，所述电磁斥力在锥形放大器7内部表现为压缩应力波，所述压缩应力波在锥形放大器7内被放大，并在锥形放大器7的小端反射成拉伸波并形成霍普金森拉杆的入射波，该入射波传入霍普金森拉杆的入射杆12，当该入射波传至入射杆12与试样13接触面时，由于波阻抗不匹配，该入射波的一部分被反射，在入射杆12中形成反射波，另一部分则通过试样13透射入透射杆14中，形成透射波。所述反射波和透射波的形状和幅值是由试样材料性质决定的。
[0062]数据采集器16通过粘贴在入射杆12上的应变片15将入射波和反射波信号记录下来，通过粘贴在透射杆14上的应变片10将透射波的信号记录下来。利用数据采集器16记录的反射波和透射波信号，通过一波法得到材料的动态拉伸应力应变曲线。
【权利要求】
1.一种基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器，其特征在于，包括电源、电容充电器和加载枪；加载枪由锥形放大器、次线圈、壳体和主线圈组成，所述锥形放大器位于所述加载枪壳体内并安装在该加载枪壳体一端；该锥形放大器上的定位轴用于主线圈和次线圈的定位，并用于拉伸应力波的传输； 主线圈套装在所述锥形放大器上的定位轴上并位于加载枪壳体内中段；尼龙制成的绝缘层套装在所述锥形放大器上的定位轴上，并与所述锥形放大器内表面贴合，通过所述绝缘层阻止次线圈中产生的感应涡流传入锥形放大器；次线圈套装在所述锥形放大器上的定位轴上，并位于所述各绝缘层内侧；在加载枪壳体同一侧的圆周表面有两个通孔，主线圈的两个外接接头分别穿过其中一个通孔并固定在加载枪壳体的外表面；所述主线圈的两个外接接头中的正极接头与电容充电器的正极输出线连接，两个外接接头中的负极接头与电容充电器的负极输出线连接； 锥形放大器为回转体；锥形放大器的一端由应力波接收段和锥形的应力波放大反射端组成；所述应力波接收段的轴向长度:应力波放大反射端的轴向长度=I:1; 所述锥形放大器应力波接收端的直径:应力波放大反射端的最小直径处的比值=12:I;所述应力波放大反射端的锥段的锥度为30 °。
2.如权利要求1所述基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器，其特征在于，在所述锥形放大器应力波接收段的端面中心有轴向凸出的定位轴；应力波放大反射端中心有轴向凸出的配合段，所述配合段加工有内螺纹盲孔，用于连接霍普金森压杆的入射杆。
3.如权利要求1所述基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器，其特征在于，所述锥形放大器的定位轴与主线圈11的通孔为间隙配合；在该定位轴端头处的圆周表面加工有内螺纹盲孔，用于与霍普金森拉杆的入射杆配合。
4.一种利用权利要求1所述基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器实验的方法，所述基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器的实验方法中包括霍普金森压缩实验和霍普金森拉伸实验；其特征在于: 步骤1.排布器材； 将加载枪、入射杆和透射杆按常规方法同轴顺序安装在实验台上，并使所述入射杆和透射杆仅在轴线方向能够自由移动；将一个试样安装在入射杆和透射杆之间，并且使试样与入射杆及透射杆同轴； 步骤2.粘贴应变片； 应变片的粘贴方法采用现有技术，将两片参数完全相同的应变片对称粘贴在所述入射杆或透射杆中部圆周表面，并将所述各应变片引线接入数据采集系统中的惠斯通电桥中；在将各应变片引线接入数据采集系统中时，使所述各应变片引线与入射杆或透射杆的轴线平行分布，再垂直于轴线方向成直角弯折引出，使引线呈直线状态接入数据采集器； 步骤3.进行加载并处理数据； I当进行霍普金森压缩实时: 将锥形放大器安装进加载枪内，使所述锥形放大器的小端朝向霍普金森压杆的入射杆，将锥形放大器的小端与霍普金森压杆的入射杆进行螺纹连接，并且使次线圈与主线圈的一个端面贴合在一起；通过电子开关使电容充电器对加载枪的主线圈放电，锥形放大器与主线圈之间就会产生电磁斥力，所述电磁斥力在锥形放大器内部的压缩应力波并被锥形放大器放大后形成入射波，该入射波传入霍普金森压杆的入射杆，当该入射波传至入射杆与试样接触面时，由于波阻抗不匹配，该入射波的一部分被反射，在入射杆中形成反射波，另一部分则通过试样透射入透射杆中，形成透射波；所述反射波和透射波的形状和幅值是由试样材料性质决定的.通过数据采集器通过粘贴在入射杆上的应变片将入射波和反射波信号记录下来，通过粘贴在透射杆上的应变片将透射波的信号记录下来；利用数据采集器记录的反射波和透射波信号，通过一波法得到试件的动态压缩应力应变曲线； II当进行霍普金森拉伸实验时: 将锥形放大器安装进加载枪内，使所述锥形放大器的小端朝向远离霍普金森压杆的入射杆的方向，将锥形放大器的定位轴与霍普金森拉杆的入射杆进行螺纹连接，并且使次线圈与主线圈的一个端面贴合在一起；通过电子开关使电容充电器对加载枪的主线圈放电，锥形放大器与主线圈之间就会产生电磁斥力，所述电磁斥力在锥形放大器内部表现为压缩应力波，所述压缩应力波在锥形放大器内被放大，并在锥形放大器的小端反射成拉伸波并形成霍普金森拉杆的入射波，该入射波传入霍普金森拉杆的入射杆，当该入射波传至入射杆与试样接触面时，由于波阻抗不匹配，该入射波的一部分被反射，在入射杆中形成反射波，另一部分则通过试样透射入透射杆中，形成透射波；所述反射波和透射波的形状和幅值是由试样材料性质决定的； 通过数据采集器通过粘贴在入射杆上的应变片将入射波和反射波信号记录下来，通过粘贴在透射杆上的应变片将透射波的信号记录下来；利用数据采集器记录的反射波和透射波信号，通过一波 法得到材料的动态拉伸应力应变曲线。
【文档编号】G01N3/02GK103994922SQ201410171963
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年4月25日 优先权日:2014年4月25日
【发明者】李玉龙, 聂海亮, 汤忠斌, 索涛 申请人:西北工业大学