一种电磁压旋式霍普金森扭杆的制作方法

本发明属于材料动态力学性能实验设备技术领域，具体涉及一种电磁压旋式霍普金森扭杆。

背景技术：

分离式霍普金森杆是一种研究一维应力状态下材料动态力学性能的有效实验装置。与霍普金森压杆和拉杆相比，霍普金森扭杆在杆中不存在径向惯性效应。因此，扭转试验最接近于一维应力波假设，再者，弹性杆中的扭转波传播不会发生弥散。在70年代t.nicholas等人发明了预贮能型分离式霍普金森扭杆。所谓预贮能型分离式霍普金森扭杆是将扭转入射杆一分为二，其中一端有便于加外力矩(载荷)的旋转头，另一端则与试件相连(此段称为预扭段)。在分界处用一抱紧式夹具(其中主要件是一中部开有环状v形槽的螺栓)将杆夹住，阻止其扭转。用千斤顶或其它装置将旋转头旋转从而对预扭段扭转加载，在这一段上预贮扭转变形能。当预贮能量值达到实验者期望值时，实验者迅速释放夹持机构，预加载段的能量(应力、应变)以波的形式传向入射杆的未加载段形成扭转加载波。采用这种方式的主要不足之处有：

1.夹紧装置很难将杆完全夹住而不发生旋转，往往在加载过程中要不断去加强夹紧力(进一步拧紧螺栓)，以阻止旋转滑动。在此过程中常常会发生螺栓突然断裂，致使该次实验失败。

2.这种预贮能式扭杆在实验时通过拧断中部开有环状v形槽的螺栓释放夹具，而拧断螺栓的过程具有很大的随机性，严重影响波形的实验条件的重复性。

1971年，duffy等提出了一种新颖的爆炸加载方式。在入射杆加载端两侧对称(同直径上)固连两片旋转叶片，两组炸药包分别对称布置于两旋转叶片的同一侧。加载时，两包炸药通过导火索的并联实现同时点燃，爆炸产生的冲击力相当于对加载杆施加一对力偶，形成扭转波，完成动态扭转荷载的瞬时加载。爆炸冲击加载与预加扭矩加载方式相比，可以避免夹具压力不易控制、实验容易失败的问题，并且爆炸加载亦具有瞬时性的特点，能够大大降低应力波前沿升时，但也存在明显短板：(1)由于炸药成份、数量不易精确控制和炸药受潮等不可预测因素的影响，加载扭矩无法精确控制，实验重复性差；(2)爆炸加载过程中，试件实际上是受到变应变率加载作用，即常用爆炸加载方式难以保证常应变率加载。因此，该种方法也未得到广泛应用。

2013年姜锡权等发明了t形分离式霍普金森扭杆，这种发明几乎克服了预贮能式扭杆的所有缺点，但是因为结构原因，在转换装置中不可避免地产生复杂的弯曲波，这种弯曲波又难以消除，会传入到扭转入射杆中。另外，对于大直径(如1000mm)的扭杆，因波在杆横截面上传播需要较长时间，与此同时，波已沿轴向传开，导致扭转入射波的上升沿不可能陡峭，影响了实验应变率的提高。

技术实现要素：

针对现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种电磁压旋式霍普金森扭杆，弥补预贮能型分离式霍普金森扭杆在加载过程存在的缺陷，以及炸药驱动的霍普金森扭杆装置存在的缺陷。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种电磁压旋式霍普金森扭杆，包括入射杆、透射杆及放置在入射杆与透射杆相邻端部的试件；还包括一圆筒形固定框架，所述的固定框架同轴布置在入射杆的悬伸端部，所述的入射杆上固定有若干旋转叶片，所述的旋转叶片由布置在固定框架内侧的脉冲式电磁加载器推动，所述的脉冲式电磁加载器与瞬态电源组及控制部件电连接。

优选的，所述的脉冲式电磁加载器一端固定在固定框架内侧，另一端具有活动式推拉杆，所述的活动式推拉杆作用于旋转叶片上。

优选的，所述的旋转叶片设置有四个，分别由设置在固定框架内侧的四部脉冲式电磁加载器推动。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

本发明中，利用脉冲式电磁加载器对旋转叶片施加压力，弥补了现有预贮能型分离式霍普金森扭杆、炸药驱动的霍普金森扭杆装置和t形霍普金森扭杆装置的不足之处，大大减小了实验难度、极大地提高了实验效率。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式中予以详细说明。

附图说明

图1为本发明提供的电磁压旋式霍普金森扭杆的正视图；

图2为本发明提供的电磁压旋式霍普金森扭杆的侧视图；

图中标号说明：1-试件，10-入射杆，11-旋转叶片，20-透射杆，30-固定框架，40-脉冲式电磁加载器，41-电缆，50-瞬态电源组及控制部件。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体附图，进一步阐明本发明。

结合图1、2所示，本发明提供了一种电磁压旋式霍普金森扭杆，包括入射杆10、透射杆20及放置在入射杆10与透射杆20相邻端部的试件1；还包括一圆筒形固定框架30，所述的固定框架30同轴布置在入射杆10的悬伸端部，所述的入射杆10上固定有若干旋转叶片11，所述的旋转叶片11由布置在固定框架30内侧的脉冲式电磁加载器40推动，所述的脉冲式电磁加载器40与瞬态电源组及控制部件50电连接。

本发明中所述的瞬态电源组及控制部件50为一具有高电压、强电流并配备瞬态开关的部件，所述的瞬态开关为微秒级别。

所述的脉冲式电磁加载器40，依据载流导体相互作用原理，一端固定在固定框架30内侧，另一端具有活动式推拉杆，所述的活动式推拉杆作用于旋转叶片11上。

本发明提供的霍普金森扭杆的工作原理为：

瞬态电源组及控制部件50中的控制部件首先发出指令，接通高电压、强电流，同时驱动脉冲式电磁加载器40，脉冲式电磁加载器40同时压缩旋转叶片11，给入射杆10施加一个瞬态扭转波脉冲。该波在入射杆10中向试件1所在端传播，在试件1处发生反射和透射，反射信号在入射杆10中形成反射波传向入射杆10的加载端；透射信号形成透射波向透射杆20的自由端传播。记录入射波、反射波和透射波，根据一维应力波理论可以处理得到试件1所受的动态剪切应力、动态剪切应变及其应变率，获得试件材料在一定应变率下的应力-应变曲线。

本发明彻底地弥补了现有预贮能型分离式霍普金森扭杆、炸药驱动的霍普金森扭杆装置和t形霍普金森扭杆装置的不足之处，大大减小了实验难度、极大地提高了实验效率。

在本发明的一个实施例中，所述的旋转叶片11设置有四个，分别由设置在固定框架30内侧的四部脉冲式电磁加载器40推动。所述的脉冲式电磁加载器40上延伸出电缆41供与瞬态电源组及控制部件50电连接。

本发明中所述的脉冲式电磁加载器40的工作原理是载流导体的相互作用原理，本发明在此不做赘述。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的特点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：

技术总结
本发明属于材料动态力学性能实验设备技术领域，具体涉及一种电磁压旋式霍普金森扭杆，包括入射杆、透射杆及放置在入射杆与透射杆相邻端部的试件；还包括一圆筒形固定框架，所述的固定框架同轴布置在入射杆的悬伸端部，所述的入射杆上固定有若干旋转叶片，所述的旋转叶片由布置在固定框架内侧的脉冲式电磁加载器推动，所述的脉冲式电磁加载器与瞬态电源组及控制部件电连接；本发明中，利用脉冲式电磁加载器对旋转叶片施加压力，弥补了现有预贮能型分离式霍普金森扭杆、炸药驱动的霍普金森扭杆装置和T形霍普金森扭杆装置的不足之处，大大减小了实验难度、极大地提高了实验效率。

技术研发人员：姜锡权
受保护的技术使用者：合肥姜水材性科技有限公司
技术研发日：2018.09.04
技术公布日：2019.01.11