本发明涉及材料动态力学参数的获取装置及方法，具体说是一种基于电磁力的拉伸应力波-扭转应力波耦合发生单元的材料动态力学参数获取装置及方法，所述拉伸应力波-扭转应力波耦合发生单元可以作为分离式霍普金森拉伸-扭转复合加载实验的应力波加载单元。
背景技术：
霍普金森杆实验单元一直是测量材料在高应变率下的力学参数时使用最广泛的方法之一。其中包括霍普金森压杆技术、拉杆技术和扭杆技术，分别用于测量材料在高应变率下的单轴压缩、拉伸和扭转参数。其主要原理为：将所测材料的试样置于两根细长杆之间，通过某种加载方式给入射杆加载一个压缩应力波、拉伸应力波或扭转应力波，波通过入射杆传播到试样上，从而对试样进行加载。然后利用贴在两根细长杆上的应变片来获得一对脉冲信号，通过一维弹性应力波理论，就可以将杆子上的脉冲信号转化为试样上的载荷随时间的变化信号，从而测得材料在单轴应力状态下的动态力学参数。
然而，在实际应用中，工程结构和材料遭受冲击时自身的应力状态是很复杂的。因此，研究材料在多轴应力下的力学参数也是一个很重要的课题。由于传统的霍普金森杆只能测量材料在单轴应力状态下的动态力学参数，研究者们通常都是将材料所受到的多轴应力状态解耦为单轴应力状态，从而通过传统的霍普金森杆实验结果来得到材料在多轴应力状态下的力学参数。然而这种方法并没有考虑应力的耦合效应对材料动态力学参数的影响。
因此，许多国内外学者对传统的霍普金森杆实验单元进行了改进，研究出了可测试材料多轴应力的霍普金森杆实验单元。卢芳云等制造了一种霍普金森压剪复合加载系统。该系统将入射杆端加工为两个对称斜面，对应斜面上各正对一个透射杆，两个试样对称放置在入射斜面与透射杆端面之间。此时应力波将以一定的角度传入试样，从而实现试样的压剪复合加载。huang等则将霍普金森压杆和扭杆结合起来，设计了一种可实现压扭复合加载的霍普金森杆实验单元。其中一根杆向试样施加压缩波载荷，而压缩波是由气枪将撞击杆高速发射，与入射杆同轴撞击产生的；另一根杆向试样施加扭转波载荷，其应力波发生单元采取的是储能式加载方式。然后使扭转加载单元和拉伸加载单元以一定的时间间隔触发，来使扭转应力波和拉伸应力波同时达到试样的两端，从而实现对试样在高应变率下的拉伸-扭转复合加载。
但由于目前霍普金森杆所采用的应力波加载方式都是机械加载，应力波的产生时间不能精确控制。而为了使试样受到扭转波和拉伸波或者扭转波和压缩波耦合的载荷，必须要使扭转波和拉伸波或者扭转波和压缩波分别同时到达试样的两个端面，这就需要能够严格控制扭转波、压缩波和拉伸波的产生时间。而传统的霍普金森杆的机械加载方式是无法严格控制应力波的产生时间的，这也成为了研制复合加载的霍普金森杆单元的难点。
电磁力加载技术由于其控制时间精准，对输出载荷幅值、脉宽的可控性强等特性，吸引了很多研究者的注意。huberaschmitt等人对电磁铆接技术进行了研究，并申请了电磁铆接技术的专利(美国专利：3961739，1974年5月7日)，之后zievepeter等人研制了低压电磁铆接技术(欧洲专利：0293257，1988年5月27日)，弥补了高压电磁铆接在铆接质量和推广应用方面存在的缺陷。电磁铆接的工作原理：在放电线圈和工件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。与主线圈耦合的次级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，使铆钉成型。中国专利申请号为201420098605.4和201410161610.x的专利中，分别提出了将电磁铆接单元直接应用于霍普金森压杆单元中的设备方案和实验方法，但此方法获得的波形具有局限性。在中国专利申请号为201410173843.1和201410171963.8的两个发明创造中提出了一种基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器实验单元以及使用方法，但这两种方案结构比较复杂，且传统的波形整形技术无法应用于拉伸情况。为了改善这种缺陷，随后在中国专利申请号为201510956545.4的发明申请中，提出了一种新的加载枪结构，所述结构既可以产生拉伸波和压缩波,又可以使用传统的整形方式对波形进行整形。在中国专利申请号为201510051071的发明创造中，提出了一种电磁式实验单元的主线圈结构和使用方法，以提高电磁式实验单元所产生的幅值和脉冲宽度的变化范围。中国专利申请号为201510257557.8的专利中提出了一种电磁式霍普金森扭杆加载单元，该单元利用了直流电机的工作原理，先对一个lrc电路进行充电，然后使储存的电能释放到定子线圈上，从而使定子线圈对转子上的永磁铁产生电磁力，使转子获得瞬时扭矩，然后将这个瞬时扭矩通过转子轴输出到霍普金森扭杆上，从而产生一个扭转应力波。在中国专利申请号为201520325217.x的专利中，提出了具体的电磁式霍普金森扭杆加载单元的加载枪结构设计。目前来说，由电磁驱动的单轴霍普金森杆实验单元都有学者进行了研究，但还没有可以同时对试样施加拉伸波-扭转波，压缩波-扭转波的多轴霍普金森杆实验单元出现，以以获得试样的材料动态力学参数。
技术实现要素：
本发明的实施例提供了一种材料动态力学参数获取装置和方法，可解决现有技术应力波控制精准度低的问题。
本发明的实施例提供了一种材料动态力学参数获取装置，包括：
电磁式霍普金森拉杆加载单元，其包括拉伸波加载枪和拉伸杆，其中，拉伸波加载枪用于向拉伸杆加载拉伸应力波；
电磁式霍普金森扭杆加载单元，其包括扭转波加载枪和扭转杆，其中，扭转波加载枪用于向扭转杆加载扭转应力波，扭转杆与拉伸杆为同一轴线；
应力波同步单元，其与电磁式霍普金森拉杆加载单元和电磁式霍普金森扭杆加载单元电连接，用于控制电磁式霍普金森拉杆加载单元向拉伸杆加载拉伸应力波，和用于控制电磁式霍普金森扭杆加载单元向扭转杆加载扭转应力波；
获取单元，其包括两个压缩应变片、两个扭转应变片和数据采集单元，两个拉伸应变片和两个扭转应变片分别和数据采集单元相连，用于获取试样的材料动态力学参数，其中，两个拉伸应变片分别设置在拉伸杆表面上和扭转杆表面上，两个扭转应变片分别设置在拉伸杆表面上和扭转杆表面上，试样设置在拉伸杆和扭转杆之间并与拉伸杆和扭转杆保持同一轴线。
两个拉伸应变片分别粘贴所述压缩杆和所述扭转杆约1/2长度的表面上，并且拉伸应变片粘贴的方向与杆轴线方向相同，所述拉伸应变片用于记录拉伸应力波在拉伸杆和扭转杆中传播时的应变信号。
所述扭转应变片分别对称粘贴在拉伸杆和扭转杆约1/2长度的表面上，其中扭转应变片粘贴的方向与杆轴线方向成一锐角夹角，所述扭转应变片用于记录扭转应力波在拉伸杆和扭转杆中传播时的应变信号。
所述锐角夹角为45°。
所述数据采集单元包括惠斯通电桥和数据采集器，其中，拉伸应变片和扭转应变片接入惠斯通电桥中；惠斯通电桥输出信号至数据采集器。
本发明实施例还公开了一种材料动态力学参数获取方法，包括步骤：
加载拉伸应力波；
加载扭转应力波；
获得试样的拉伸应力参数；
获得试样的扭转应力参数；
其中，试样的拉伸应力参数和试样的扭转应力参数作为材料动态力学参数。
所述获得试样的拉伸应力参数包括步骤：
将数据采集单元记录的电压信号转化为拉伸杆上的应变信号，具体公式为：
ε＝2δu/k/(u-δu)(1)
其中，ε为拉伸应力波的应变信号，u为惠斯通电桥的供电电压，k为拉伸应变片灵敏度系数，δu是数据采集器记录的应力波信号的电压值；
利用一维弹性应力波传播理论，采用一波法对杆中的应变信号进行处理，以获得试样的拉伸应力参数：
其中，
所述方法还包括试样的拉伸应力参数的数据处理步骤：以εs为x轴、σs为y轴作图得到试样在拉伸条件下的应力应变曲线；以时间t为x轴、以
所述获得试样的扭转应力参数包括步骤：
将数据采集器记录的电压信号转化为杆上的应变信号，具体公式为：
ε＝2δu/k/(u-δu)(1)
其中，ε为扭转应力波的应变信号，u为惠斯通电桥的供电电压，k为扭转应变片灵敏度系数，δu是数据采集器记录的应力波信号的电压值；
已知拉伸杆与扭转杆采用的材料相同，则此时扭转透射波的应变信号为：
γt＝2(ε1-εrcos45°)(3)
扭转反射波的信号为：
γr＝2(ε2-εtcos45°)(4)
其中，ε1为拉伸杆上粘贴的扭转应变片所测得的应变信号，ε2为扭转杆上粘贴的扭转应变片所测得的应变信号，εr为拉伸反射波的应变信号，εt为拉伸透射波的应变信号；
利用一维弹性应力波传播理论，采用一波法对γr和γt进行处理以获得试样的扭转应力参数：
其中，
所述方法还包括试样的扭转应力参数的数据处理步骤：以γs为x轴、τs为y轴作图得到试样在扭转条件下的应力应变曲线；以时间t为x轴、以
在本发明的实施例中，由于实际产生的拉伸应力波幅值和扭转应力波幅值可以通过拉伸应力波发生器和扭转应力波发生器的电压进行控制，实际产生的拉伸应力波宽度和扭转应力波宽度可以通过调整拉伸应力波发生器和扭转应力波发生器的电容值进行控制。
本发明在结构上将电磁式霍普金森扭杆加载单元和电磁式霍普金森拉杆加载单元相结合，利用电磁加载控制精度高，实验重复性好的特点，避免了传统霍普金森杆因机械驱动对所产生的应力波难以精确控制的状况出现，从而解决了因拉伸应力波和扭转应力波在霍普金森杆中波速不同而带来的应力波同步问题。具体方法是利用应力波同步单元精确控制电磁式霍普金森扭杆加载单元和电磁式霍普金森拉杆加载单元的应力波产生时间，通过向应力波同步单元输入扭转应力波和拉伸应力波从霍普金森杆一端传播至另外一端所需的时间差，使扭转应力波和拉伸应力波可以同步传播至试样，从而实现对试样的动态拉伸-扭转复合加载。
附图说明
图1是本发明实施例的材料动态力学参数获取装置；
图2是本发明实施例的材料动态力学参数获取装置的应力波同步原理图。
附图标号说明：
21、31.电源；2.拉伸波电容充电器；3.拉伸波加载枪；4.拉伸杆；25、35.扭转应变片组；26、36.拉伸应变片组；7.试样；8.扭转杆；9.扭转波加载枪；10.扭转波电容充电器；11.数据采集器；12.应力波同步单元；23、33.控制箱；14.扭转波电容器组；15.拉伸波电容器组。
具体实施方式
为了便于本领域一般技术人员理解和实现本发明，现结合附图描绘本发明的实施例。
实施例一
本实施例提供了一种材料动态力学参数获取装置，其包括电磁式霍普金森拉杆加载单元、电磁式霍普金森扭杆加载单元和应力波同步单元，下面对上述部件进行详细说明。
电磁式霍普金森拉杆加载单元包括电源21，拉伸波电容充电器2和拉伸波加载枪3；拉伸波电容充电器2采用现有电磁铆接设备的供电部分，并将所述拉伸波电容充电器2的输出的正极输出线与拉伸波加载枪3的正极线相接，负极输出线与加载枪的负极线相接；所述拉伸波加载枪3包括加载枪壳体、主线圈、定位筒、次级线圈、绝缘层和放大器；主线圈和次级线圈依次套装在所述定位筒上，并使所述次级线圈一个端面与所述定位筒的定位端面相邻；所述次级线圈的另一个端面与主线圈的一个端面相邻并自由贴合；将套有主线圈和次级线圈的定位筒装入加载枪壳体内中段，将放大器安装在所述定位筒的一端，并在所述放大器内端面与次级线圈的端面之间套装有绝缘层；所述主线圈、次级线圈、放大器和定位筒均与加载枪壳体同轴；所述定位筒一端与次级线圈通过螺纹连接；将拉伸杆4带有外螺纹的一端依次穿过定位筒和放大器的通孔，并在放大器的应力波输出段一侧与凸台进行螺纹连接；当放大器的应力波输出段传出的压缩应力波进入凸台时，所述压缩应力波在凸台的自由端面反射成拉伸波并进入拉伸杆4形成拉伸入射波。
电磁式霍普金森扭杆加载单元包括电源31，扭转波电容充电器10和扭转波加载枪9；扭转波电容充电器10采用一套现有电磁铆接设备的供电部分，并将所述扭转波电容充电器10的正极输出线与负极输出线分别与扭转波加载枪9的正极接头和负极接头通过导线相连接。所述扭转波加载枪9包括转子、定子线圈、加载枪壳体、壳体盖；定子线圈个数为4个，分别通过螺栓安装在加载枪壳体的内表面，所述定子线圈的正极接头和负极接头从加载枪壳体上的开口伸出，用导线连接位于加载枪壳体相应位置的导线接口，所述导线接口的正极接头和负极接头作为扭转波加载枪的正极接头和负极接头。转子安装在加载枪壳体的内部，前后转子轴上安装有轴承，所述轴承分别安装在前后壳体盖的中心通孔中，前后壳体盖通过螺栓与加载枪壳体的两端面相对固接。
应力波同步单元，其与电磁式霍普金森拉杆加载单元和电磁式霍普金森扭杆加载单元电连接，用于控制电磁式霍普金森拉杆加载单元和电磁式霍普金森扭杆加载单元的电能储存与释放，以便产生应力波；其中，本实施例中拉伸波电容充电器2和扭转波电容充电器10均由电容器箱与控制箱23、33所组成。其中电容器箱均包含一个电容器组和电子开关。拉伸波电容充电器2的电容器组14由10个脉冲电容器并联组成，所述脉冲电容器的额定电压为1000v，电容值为200微法；扭转波电容充电器10的电容器组15由10个脉冲电容器并联组成，所述脉冲电容器的额定电压为10000v，电容值为6mf。应力波同步单元12通过导线分别与拉伸波电容器组14和扭转波电容器组15相连接，作为一个开关信号发生器，来替代拉伸波电容充电器和扭转波电容充电器电路的电子开关。拉伸波电容充电器2和扭转波电容充电器10采用同种控制箱，所述控制箱23、33包括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。
总之，电磁式霍普金森扭杆加载单元和电磁式霍普金森拉杆加载单元的原理都是通过电源给一个电容充电器进行充能，然后通过开关，使电容充电器在储存电能和释放电能两个状态之间转换，从而产生瞬时的强电流，使加载枪获得瞬时载荷，再传递给霍普金森杆。由于拉伸应力波和扭转应力波在霍普金森杆中传递时的波速不同，为了使拉伸应力波和扭转应力波同时对试样进行加载，应力波同步单元通过控制电容充电器的电能释放时间，使扭转应力波和拉伸应力波以一定的时间间隔产生，从而使拉伸应力波和扭转应力波在传递到试样端面时的时间达到同步。
本实施例中电源均采用380v的工业三相交流电。
本实施例中应力波同步单元12采用美国srs公司的dg645型号数字延时发生器。
其中，拉伸加载枪3、拉伸杆4、扭转杆8和扭转加载枪9依照同轴顺序依次安装在实验台上，并使所述拉伸杆4和扭转杆8仅在轴线方向能够自由移动以及旋转。将一个试样7安装在拉伸杆4和扭转杆8之间，并且使试样7与拉伸杆4和扭转杆8同轴。
在压缩杆4和扭转杆8长度的大约1/2位置处，分别在拉伸杆4和扭转杆8的表面对称粘贴多个(优选为2个)扭转应变片25、35和多个(优选为2个)拉伸应变片26、36，其中扭转应变片25、35沿与杆轴线呈45°的方向进行粘贴，拉伸应变片沿杆轴线平行方向进行粘贴，在拉伸应变片和扭转应变片的引脚上焊接引线，将所述两个应变片组接入数据采集系统中；所述大约1/2位置是指，对于压缩杆而言，该位置和拉伸杆与试样接触端的距离应大于2倍的拉伸应力波脉宽长度；对于扭转杆而言，该位置和扭转杆与扭转应力波发生器连接端的距离应大于2倍的拉伸应力波脉宽长度。将所述应变片引线采用双芯屏蔽线接入惠斯通电桥中。同时，所述的惠斯通电桥输出信号采用双芯屏蔽线接入数据采集器11。
本发明实施例还公开了一种材料动态力学参数获取方法，包括步骤：加载拉伸应力波；加载扭转应力波；获得试样的拉伸应力参数；获得试样的扭转应力参数；其中，试样的拉伸应力参数和试样的扭转应力参数作为材料动态力学参数。下面描述本发明实施例的材料动态力学参数获取装置的原理和方法。
分别对拉伸波电容充电器2和扭转波电容充电器9进行充电，充电电压不得高于电容充电器的额定电压。然后在应力波同步单元12中设定产生拉伸应力波和产生扭转应力波的时间间隔。设定完成后应力波同步单元12分别向拉伸波电容充电器2和扭转波电容充电器9传递开关信号，使拉伸波电容充电器2和扭转波电容充电器9按照所设定的时间间隔进行放电。
此时，在拉伸应力波发生器中，拉伸波电容充电器2对拉伸加载枪3的主线圈放电，次级线圈与主线圈之间就会产生电磁斥力，所述电磁斥力在放大器内被放大，表现为压缩应力波，并在凸台反射成拉伸波并形成拉伸杆的拉伸入射波。当该拉伸入射波传至拉伸杆4与试样7接触面时，由于波阻抗不匹配，该拉伸入射波的一部分被反射，在拉伸杆4中形成拉伸反射波，另一部分则通过试样7透射入扭转杆8中，形成拉伸透射波。所述拉伸透射波和拉伸反射波的形状和幅值是由试样7材料性质决定的。由于应变片与惠斯通电桥相连接，应变片中的应变信号转换为惠斯通电桥的桥臂电压变化，数据采集器11通过信号线与惠斯通电桥连接，所述数据采集器11采用差分法输入以抵消电磁干扰。数据采集器11将惠斯通电桥的桥臂电压变化记录并存储。其中拉伸杆4上的拉伸应变片组6将拉伸入射波信号vi和拉伸反射波信号vr记录下来；扭转杆8上的拉伸应变片组6将拉伸透射波信号vt记录下来。将数据采集器11记录的电压信号转化为杆上的应变信号，具体公式为：
ε＝2δu/k/(u-δu)(1)
其中，ε为应力波的应变信号，u为惠斯通电桥的供电电压，k为应变片灵敏度系数，δu是数据采集器11记录的应力波信号的电压值。
通过公式(1)，拉伸入射波信号vi转化为拉伸入射波应变信号εi，拉伸反射波信号vr转化为拉伸反射波应变信号εr，拉伸透射波信号vt转化为拉伸透射波应变信号εt。利用一维弹性应力波传播理论，采用一波法对杆中的应变信号进行处理，一波法公式如下：
其中，
数据处理完成后，以εs为x轴、σs为y轴作图就可得到试样7在拉伸条件下的应力应变曲线；以时间t为x轴、以
在扭转应力波发生器中，扭转波电容充电器10对扭转加载枪9中的定子线圈放电，使转子上的永磁铁和定子线圈之间产生电磁斥力，所述电磁斥力使转子产生瞬间扭矩，所述扭矩以扭转波的形式传入扭转杆8，当该扭转入射波传至扭转杆8与试样7接触面时，由于波阻抗不匹配，该扭转入射波的一部分被反射，在扭转杆8中形成扭转反射波，另一部分则通过试样7透射入拉伸杆4中，形成扭转透射波。所述扭转透射波和扭转反射波的形状和幅值是由试样7材料性质决定的。由于应变片与惠斯通电桥相连接，应变片中的应变信号转换为惠斯通电桥的桥臂电压变化，数据采集器通过信号线与惠斯通电桥连接，所述数据采集器采用差分法输入以抵消电磁干扰。
数据采集器将惠斯通电桥的桥臂电压变化记录并存储。其中扭转杆8上与杆轴线方向成45°粘贴的扭转应变片将扭转入射波信号
利用公式(1)，将扭转入射波信号
γt＝2(ε1-εrcos45°)(3)
扭转反射波的信号为：
γr＝2(ε2-εtcos45°)(4)
其中，ε1为拉伸杆上粘贴的扭转应变片所测得的应变信号，ε2为扭转杆上粘贴的扭转应变片所测得的应变信号，εr为拉伸反射波的应变信号，εt为拉伸透射波的应变信号。
利用一维弹性应力波传播理论，采用一波法对γr和γt进行处理，一波法公式如下：
其中，
数据处理完成后，以γs为x轴、τs为y轴作图就可得到试样7在扭转条件下的应力应变曲线；以时间t为x轴、以
本发明的电磁式霍普金森拉杆加载单元可以替换为本发明的电磁式霍普金森压杆加载单元。
本发明中实际产生的拉伸应力波幅值和扭转应力波幅值可以通过拉伸应力波发生器和扭转应力波发生器的电压进行控制，实际产生的拉伸应力波宽度和扭转应力波宽度可以通过调整拉伸应力波发生器和扭转应力波发生器的电容值进行控制。
本发明在结构上将电磁式霍普金森扭杆加载单元和电磁式霍普金森拉杆加载单元相结合，利用电磁加载控制精度高，实验重复性好的特点，避免了传统霍普金森杆因机械驱动对所产生的应力波难以精确控制的状况出现，从而解决了因拉伸应力波和扭转应力波在霍普金森杆中波速不同而带来的应力波同步问题。具体方法是利用应力波同步单元精确控制电磁式霍普金森扭杆加载单元和电磁式霍普金森拉杆加载单元的应力波产生时间，通过向应力波同步单元输入扭转应力波和拉伸应力波从霍普金森杆一端传播至另外一端所需的时间差，使扭转应力波和拉伸应力波可以同步传播至试样，从而实现对试样的动态拉伸-扭转复合加载。
虽然通过实施例描绘了本发明，但本领域普通技术人员知道，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，就可使本发明有许多变形和变化，本发明的范围由所附的权利要求来限定。