技术领域本发明涉及冲击力学实验领域，具体是一种用于霍普金森压杆实验的吸能缓冲装置。
背景技术：
分离式霍普金森压杆(SHPB)是当前研究材料动态力学特性最常用的试验设备之一，主要由发射装置、子弹、入射杆、透射杆、吸能缓冲装置以及应变、弹速测试仪器等部分组成。现有的霍普金森压杆吸能装置，大多是通过空气阻尼器和缓冲垫块来吸收冲击动能并缓冲透射杆的撞击，例如中国人民解放军总参谋部工程兵科研三所申请的大直径分离式霍普金森压杆专利(No.200620031882.9)和哈尔滨工程大学申请的霍普金森压杆可调空气阻尼器专利(No.201310150651.4)。现有的相关技术普遍存在两点不足：1)每一次霍普金森压杆实验结束后，在开始下一次实验前都需要手动令吸能杆复位，这会造成一定的耗时和效率的下降；2)在设计吸能缓冲装置的时候没有对所能吸收的最大冲击动能进行必要的量化，这会使实验者无法合理地预估上限，从而增加实验的危险系数。
技术实现要素：
为了克服现有霍普金森压杆吸能缓冲装置中存在的吸能杆需每次手动复位，以及不能对装置的最大可吸收动能进行量化问题，本发明提出了一种霍普金森压杆吸能缓冲装置。本发明包括弹性缓冲垫块、承压头、吸能杆、缓冲缸、柔性垫圈、吸能杆底座、滚珠滑轨、复位弹簧和支座。其中：所述缓冲缸被安放在支座上；吸能杆穿过所述缓冲缸一端端盖上的通孔，使该吸能杆一端的吸能杆底座位于所述缓冲缸的缸体内，使该吸能杆另一端的承压头位于所述缓冲缸的缸体外。5～13根复位弹簧位于所述缓冲缸的缸体内，并使各复位弹簧的一端固定在吸能杆底座的外端面上，使各复位弹簧的另一端固定在所述缓冲缸另一端的内壁上。柔性垫圈套装在所述吸能杆的连杆上，并位于缓冲缸的缸体内、处于该缓冲缸有通孔一端缸体内壁与吸能杆底座的内端面之间。弹性缓冲垫块嵌装在所述承压头的端面。8～16条滚珠滑轨呈环形均布在所述缓冲缸的内圆周表面，并使各滚珠滑轨与缓冲缸的中心线平行。所述吸能杆分为三部分：一端为承压头，另一端为吸能杆底座，连接所述承压头与吸能杆底座的部分为连杆。所述承压头端面的中心有用于安装弹性缓冲垫块的凹槽。所述吸能杆底座的外径与所述滚珠滑轨的内径相同，并使两者之间滑动配合。所述各复位弹簧中，一根复位弹簧的轴线与所述缓冲缸的直线重合，其余各复位弹簧均布在位于缓冲缸中心的复位弹簧的四周。本发明是一种可自动复位的新型霍普金森压杆吸能缓冲装置，包括吸能杆、缓冲缸、复位弹簧和缓冲垫圈。所述吸能杆分为承压头、连杆和底座三部分，其中承压头内嵌弹性缓冲垫块，连杆将承压头与底座相连，底座则与复位弹簧相连，复位弹簧的另一端与缓冲缸右端相连。所述缓冲缸左端留有圆孔，可供吸能杆的连杆部分左右滑动，缓冲缸左端与吸能杆底座之间设置了环状柔性垫圈，吸能杆底座与缓冲缸内壁之间设置了8～16条滚珠滑轨。默认实验加载方向为从左至右。此外，缓冲缸侧面设置了若干气孔，但仅用于排气，不作为空气阻尼器使用。所述吸能缓冲装置最大可吸收动能的量化方法，是通过理论计算并结合计算机仿真模拟实现的，需列入考虑的物理量包括：1)吸能杆的整体质量M和整体速度V；2)复位弹簧的弹性系数K、数量N、长度L以及最大可压缩比例P1；3)环状弹性缓冲垫圈的弹性模量E、宽度H以及最大可压缩比例P2。所取得的技术效果是，在不超过弹簧量程(即压缩距离不超过L×P1)同时不损伤缓冲垫圈(即压缩距离不超过H×P2)的情况下，量化本发明所能吸收的最大动能，从而为霍普金森压杆实验的具体实施提供参考，详细的量化方法见下述具体实施方式。附图说明图1为本发明的结构原理示意图。图2为本发明的a-a向视图。图3为本发明的b-b向视图。图中：1.弹性缓冲垫块；2.承压头；3.吸能杆；4.缓冲缸；5.环状柔性垫圈；6.吸能杆底座；7.滚珠滑轨；8.复位弹簧；9.支座。具体实施方式本实施例的目的在于提供一种可自动复位的霍普金森压杆吸能缓冲装置，以解决现有技术中的霍普金森压杆装置需手动对吸能杆进行复位的问题，并且对最大可吸收动能进行量化，从而提高实验效率，并为实验设计提供参考。所述霍普金森压杆吸能缓冲装置包括弹性缓冲垫块1、承压头2、吸能杆3、缓冲缸4、环状柔性垫圈5、6.吸能杆底座、滚珠滑轨7、复位弹簧8和支座9。所述缓冲缸4被安放在支座9上；该缓冲缸为封闭的筒形件，在该缓冲缸一端的端盖上开有与吸能杆3间隙配合的通孔。吸能杆3穿过所述通孔，使该吸能杆一端的吸能杆底座6位于所述缓冲缸4的缸体内，使该吸能杆另一端的承压头2位于该缸体外。5～13根复位弹簧8位于所述缓冲缸的缸体内，并使各复位弹簧的一端固定在所述吸能杆的吸能杆底座的外端面上，使各复位弹簧的另一端固定在所述缓冲缸另一端的内壁上。所述各复位弹簧中，一根复位弹簧的轴线与所述缓冲缸的直线重合，其余的复位弹簧均布在位于缓冲缸中心的复位弹簧的四周。本实施例中，复位弹簧8的数量为5根。柔性垫圈5为环状，套装在所述吸能杆的连杆上，并位于缓冲缸的缸体内、处于该缓冲缸有通孔一端缸体内壁与吸能杆底座6的内端面之间。弹性缓冲垫块1嵌装在所述承压头2的端面。8～16条滚珠滑轨呈环形均布在所述缓冲缸的内圆周表面，并使各滚珠滑轨与缓冲缸的中心线平行。本实施例中，所述滚珠滑轨的数量为10条。所述吸能杆3为圆形杆状，分为三部分：一端为承压头2，另一端为吸能杆底座6，连接所述承压头与吸能杆底座的部分为连杆。所述承压头2端面的中心有用于安装弹性缓冲垫块1的凹槽。所述吸能杆底座6的外径与所述滚珠滑轨7的内径相同，并使两者之间滑动配合。在霍普金森压杆实验中，当透射杆撞击吸能杆的承压头2时，承压头内嵌的弹性缓冲垫块1对冲击动能进行了第一次缓冲，随后转化为吸能杆整体的动能Ka；所述的动能Ka即后续需量化的指标。缓冲缸4内的吸能杆底座6通过滚珠滑轨7向该缓冲缸的封闭端滑动，同时使处于自由状态的复位弹簧8产生压缩。滚珠滑轨7的作用是减少吸能杆底座在移动过程中的摩阻力，使得复位弹簧8成为吸收动能的主体，从而增加量化最大可吸收动能的可信度。当冲击动能完全转化为复位弹簧8的弹性势能后，复位弹簧8开始向另一端反弹，并通过位于缓冲缸4与吸能杆底座6之间的柔性垫圈5吸收能量，起到保护作用，以防止复位弹簧8的反弹过猛。这是因为在惯性作用下，复位弹簧8在反弹到自由状态后仍然会向柔性垫圈5一端再移动一段距离，此时吸能杆底座6压缩环状柔性垫圈5，将这部分残余动能转化为垫圈的弹性势能，在较短时间内复位弹簧8重新稳定于初始位置，即恢复自由状态，从而为下一次实验做好准备。该吸能缓冲装置的最大可吸收动能量化方式如下：首先，根据能量守恒定律可知，当吸能杆整体速度降为0时，吸能杆的动能完全转化为复位弹簧8的弹性势能。理论上，当复位弹簧8被压缩到极限位置，即△x＝P1L时，所吸收的吸能杆动能为最大值KaMax。同时，为了保护环状柔性垫圈5，复位弹簧8反弹后超出自由状态的距离△y不应超过P2H。综上，根据理论计算得到的最大可吸收动能可表达为：KaMax=12MV2=12NK(Δx)2---(1)]]>△x≤P1×L(2)△y≤P2×H(3)公式(1)～(3)中：KaMax为吸能杆动能的最大值；M和V分别为吸能杆的整体质量和整体速度；K，N，L，P1依次为复位弹簧的弹性系数、数量、长度及最大可压缩比例；H，P2分别为环状弹性缓冲垫圈的宽度和最大可压缩比例；△x，△y分别为复位弹簧被压缩的距离和复位弹簧反弹后超出自由状态的距离。基于动态冲击的数值仿真模拟，对理论计算值进行验证，仿真结果表明理论计算值的误差在0.8％以内，故本发明的最大可吸收动能为：KaMax=12NKL2P12---(4)]]>相应的吸能杆整体速度最大值为：VMax=NKL2P12M=LP1NKM---(5)]]>公式(4)和(5)中：VMax代表吸能杆整体速度的最大值，其余参数意义与公式(1)～(3)相同。试验证明，本实施例能够通过多次试打建立子弹弹速或发射气压与吸能杆整体速度之间的关系，从而通过最大可吸收动能来约束最大子弹弹速或发射气压，以起到保护实验装置，降低危险系数的作用。