一种获得不同加载速率下半正弦波的SHPB装置及其使用方法与流程

本发明涉及冲击动力学技术领域，特别涉及一种获得不同加载速率下半正弦波的shpb装置及其使用方法。

背景技术：

半正弦波在shpb(分离式霍普金森压杆)装置中传播时，不会像矩形波一样发生大的波形弥散现象，能够较好地满足一维应力波传播理论，所获得的试验结果也会相应更加准确，能够为研究颗粒较大的混凝土与岩石类材料的动态力学性能提供可靠的试验条件。因此，对于大直径shpb装置，选用半正弦波进行岩石冲击试验是保证试验成功的一个必要条件。

在shpb试验中，不同的加载速率主要是通过调整摆锤的冲击速度获得，所获得的应力的波长与摆锤本身的几何形状有关，不随冲击速度的改变而改变。但是，目前的shpb试验中，都是同一摆锤在不同冲击速度下进行，如图4所示，相同摆锤不同冲击速度下所获得的应力波的上升沿时间会随着冲击速度的增大而减小，这就意味着，虽然一个冲击能够在一个特定速度下获得半正弦波，但是随着冲击速度的改变，波形的形状也会改变，从原有的半正弦波变为一个非半正弦波。这样在试验过程中不能保证所有速度下获得的变形不弥散，因此会影响所得到的试验结果的准确性。

因此需要对不同速度下的波形进行调整，一般通过单层或者多层不同材料的整形器组合搭配实现波形整形，但是由于整形器与冲击杆之间通过凡士林等黏结物黏结，黏结面之间会存在间隙，加载整形器放置位置的偏差等原因，此类方法存在重复性不高的缺点。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种获得不同加载速率下半正弦波的shpb装置，锤头的撞击端面均为弧面并且曲率半径不同，在不同波长、不同加载速率的条件下可以获得弥散性小、重复性好的的半正弦入射应力波，很大程度上提高准确性。

具体技术方案如下：

一种获得不同加载速率下半正弦波的shpb装置，包括摆锤支架、摆锤、十字激光校准支座、入射杆和透射杆，所述摆锤支架顶端装有刻度盘和指针，所述摆锤包含锤杆和锤头，所述锤杆的一端与摆锤支架的指针固定连接，锤杆可绕固定轴带动指针做圆周运动，所述锤杆另一端与不同曲率半径的锤头通过销钉连接，所述锤头的撞击端面均为弧面；所述摆锤支架一侧设置有十字激光校准支座，十字激光校准支座上设置可沿轴向移动的入射杆和透射杆，所述十字激光校准支座均设置十字准星板，十字准星板中间均具有十字空隙的圆片，调整激光同时穿过各圆片对正各十字激光校准支座；入射杆与透射杆之间夹试样，所述摆锤支架底端连接具有通孔的导向板，入射杆的冲击端位于摆锤支架下方、通过导向板的通孔与静止下垂时的锤头弧形端自然接触处，所述入射杆和透射杆上分别设置应变片，应变片通过前置信号放大器与示波记录仪的输入端相连接，示波记录仪的输出端通过交换机与计算机连接。

上述获得不同加载速率下半正弦波的shpb装置使用方法如下：

(1)入射应力波时长与锤头重量的关系拟合：选取一系列重量的锤头进行冲击试验，记录入射应力波时长数据，对入射应力波时长与锤头重量的数据进行拟合,得出对应关系；

(2)上升沿时间与曲率半径的关系拟合：选取一系列曲率半径的锤头在同一冲击速度下进行冲击试验，并对上升沿时间与曲率半径数据进行拟合，得到该速度下的上升沿时间和曲率半径对应关系；再选取其他不同冲击速度进行冲击试验，得出不同冲击速度下上升沿时间与曲率半径的关系；

(3)选择摆锤锤头：预先设定入射应力波时长，并根据(1)中已拟合出的入射应力波时长与锤头重量对应关系，确定出锤头重量；根据预先设定入射应力波时长确定理论上升沿时间，理论上升沿时间为应力波时长的一半，选择一个所需的冲击速度，由(2)中已得到的不同冲击速度下上升沿时间与曲率半径的关系确定锤头的曲率半径，选择相应锤头；

(4)安装：将选定的锤头安装在锤杆上，将试样夹在入射杆与透射杆之间，通过十字激光校准支座调整高度和位置，保证入射杆、试样、透射杆、静止下垂时的锤头中心在同一水平线上对正；

(5)测试：根据(3)中选择的冲击速度计算出摆锤的摆角，并按照摆锤支架上的刻度调整摆锤摆角；放开摆锤，冲击入射杆，记录示波记录仪和计算机数据。

本方法的优点是：

1、本发明能够在不同波长不同加载速率条件下获得弥散性小、重复性好的半正弦入射应力波，以提高试验的准确性。

2、本发明提出了利用改变摆锤的重量获得不同入射应力波时长的方法，并给出了摆锤重量与入射应力波时长所对应的定量关系。

3、本发明提出通过控制摆锤的曲率半径控制入射波的上升沿时间，并给出了定量关系，同时提出了利用改变摆锤的曲率半径与冲击速度获得不同加载速率的半正弦波的方法。

4、设计了十字激光校准支座，十字激光校准支座均设置十字准星板，十字准星板中间均具有十字空隙的圆片，调整激光同时穿过各圆片对正各十字激光校准支座，即可认为入射杆与透射杆在一条水平线上。此种对正方法能够准确、快速地对中入射杆与透射杆，提高了实验的准确性，同时能够节约对正时间。

附图说明

图1为本发明装置示意图；

图2为本发明装置中摆锤示意图；

图3为本发明中十字激光校准支座侧视图；

图4为采用同一曲率半径为130mm的锤头、在不同冲击速度下摆锤产生的应力波波形；

图5为本发明应力波时长与摆锤重量的线性回归关系；

图6为本发明应力波上升沿时间与摆锤曲率半径的关系；

图7为摆锤摆角小于90°示意图；

图8为摆锤摆角大于90°示意图；

图9为本发明冲击速度为3.0m/s下产生的应力波波形；

图10为本发明不同加载速率下产生的半正弦波波形。

图中，1—摆锤；2—锤头；3—锤杆；4—十字激光校准支座；5—入射杆；6—试样；7—应变片；8—透射杆；9—缓冲挡杆；10—地基基础；11—dl750示波记录仪；12—交换机；13—计算机；14—前置信号放大器；15—摆锤支架；16—导向板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围不受实施例所限。实施例中所涉及摆锤的材质均选用45号钢，淬火硬度为hrc45。

如图1-3所示，本发明装置包括摆锤支架15、摆锤1、十字激光校准支座4、入射杆5和透射杆8，所述摆锤支架15顶端装有刻度盘和指针，所述摆锤1包含锤杆3和锤头2，所述锤杆3的一端与摆锤支架15的指针固定连接，锤杆3可绕轴带动指针做圆周运动，所述锤杆3另一端与锤头2以销钉连接，所述锤头2撞击端面为弧面且曲率半径不同；所述摆锤支架15一侧设置十字激光校准支座4，十字激光校准支座4上放置有可沿轴向移动的入射杆5和透射杆8，所述十字激光校准支座4均设置十字准星板，十字准星板中间均具有十字空隙的圆片，调整激光同时穿过各圆片对正各十字激光校准支座4；入射杆5与透射杆8之间夹有试样6，所述摆锤支架15底端连接具有通孔的导向板16，入射杆5的冲击端位于摆锤支架15下方、通过导向板16的通孔与静止下垂时的锤头2自然接触处，所述入射杆5、试样6、透射杆8及静止下垂时的锤头2中心在同一水平线上，所述入射杆5和透射杆8上分别设有应变片7，应变片7通过前置信号放大器14与示波记录仪11的输入端相连接，示波记录仪11的输出端通过交换机12与计算机13连接。

(1)入射应力波时长与锤头重量的关系拟合：选取一系列重量的锤头进行冲击试验，记录入射应力波时长数据，对入射应力波时长t与锤头重量w的数据进行拟合,得出对应关系；

(2)上升沿时间与曲率半径的关系拟合：选取一系列曲率半径的锤头在同一冲击速度下进行冲击试验，并对上升沿时间与曲率半径数据进行拟合，得到该速度下的上升沿时间、曲率半径对应关系；再选取其他不同冲击速度进行冲击试验，得出不同冲击速度下上升沿时间t与曲率半径sr的关系；

(3)选择摆锤锤头：预先设定入射应力波时长，并根据(1)中已拟合出的入射应力波时长与锤头重量对应关系，确定出锤头重量；根据预先设定入射应力波时长确定理论上升沿时间，理论上升沿时间为应力波时长的一半，选择一个所需的冲击速度，由(2)中已得到的不同冲击速度下上升沿时间与曲率半径的关系确定锤头的曲率半径，选择相应锤头；

(4)安装：将选定的锤头安装在锤杆上，将试样夹在入射杆与透射杆之间，通过十字激光校准支座调整高度和位置，保证入射杆、试样、透射杆、静止下垂时的锤头中心在同一水平线上对正；

(5)测试：根据(3)中选择的冲击速度计算出摆锤的摆角，并按照摆锤支架上的刻度调整摆锤摆角；放开摆锤，冲击入射杆，记录示波记录仪和计算机数据，加载速率为入射应力波上升沿直线段的斜率。

摆锤摆角的计算方法如下：

当摆角小于90°时，如图7所示，

l-h＝l*cosθ

当摆角大于90°时，如图8所示，

其中l为锤柄长度；h为锤头下落高度差；m为锤头质量；v为锤头下落至最低点水平速度；θ为锤头摆角。

实施例1

预先设定入射应力波时长t＝300μs,冲击速度v＝3.0m/s。

(1)入射应力波时长与锤头重量的关系拟合：选择重量为2.0kg、3.0kg、4.0kg和5.0kg的锤头进行冲击试验，记录入射应力波时长数据，对入射应力波时长与锤头重量的数据进行拟合,得出对应关系t＝45.77w+132，如图5所示

(2)上升沿时间与曲率半径的关系拟合：选择曲率半径为40mm、70mm、100mm、130mm和160mm的锤头在冲击速度v＝3.0m/s的条件下进行冲击试验，并对上升沿时间与曲率半径数据进行拟合，得到该速度下的上升沿时间t和曲率半径sr的对应关系t＝-0.0063(sr)²+0.7032(sr)+155.6，如图6所示；

(3)选择摆锤锤头：预先设定入射应力波时长t＝300μs，并根据(1)中已拟合出的入射应力波时长与锤头重量对应关系t＝45.77w+132，确定出入射应力波时长为300μs时的锤头重量w＝3.7kg；根据预先设定入射应力波时长确定理论上升沿时间，理论上升沿时间为应力波时长的一半，即t＝150μs,冲击速度v＝3.0m/s时，由(2)中已得到的冲击速度v＝3.0m/s时理论上升沿时间t与曲率半径sr的关系t＝-0.0063(sr)²+0.7032(sr)+155.6确定锤头的曲率半径sr＝110mm,选择相应锤头；

(4)安装：将选定的锤头安装在锤杆上，将试样夹在入射杆与透射杆之间，通过十字激光校准支座调整高度和位置，保证入射杆、试样、透射杆、静止下垂时的锤头中心在同一水平线上对正；

(5)测试：锤柄长度l＝62.5cm，在冲击速度v＝3.0m/s的条件下计算出摆锤的摆角θ＝80°，并按照摆锤支架上的刻度调整摆锤摆角为80°；放开摆锤，冲击入射杆，记录示波记录仪和计算机数据。

图9为本发明冲击速度为3.0m/s下产生的应力波波形，入射应力波的时长t＝300μs，实际上升沿时间t＝142μs，在1％误差范围内，已经接近半正弦波,相应的加载速率为0.629mpa/μs。

实施例2-4：

预先设定入射应力波时长t＝300μs,冲击速度v分别取2.5m/s、3.5m/s、4.0m/s，其他条件与实施例1相同。相关数据表1所示。

表1

图10为本发明不同加载速率下产生的半正弦波波形，如图所示，本发明分别获得了加载速率为0.514mpa/μs、0.629mpa/μs、0.908mpa/μs和1.245mpa/μs入射应力波。四种入射应力波的时长t都为300μs，实际上升沿时间t分别为143μs、142μs、141μs和143μs，都在1％误差范围内，已经接近半正弦波。由此可见，本发明方法可以在不同加载速率下获得接近标准半正弦的半正弦波。