霍普金森压杆实验多级脉冲加载装置及其实验方法与流程

本发明涉及霍普金森压杆实验多级脉冲加载装置及其实验方法，属于采用shpb实验系统进行脆性材料动态力学特性测试的技术领域。

背景技术：

随着工程建设领域的不断扩大与发展，许多结构在工程中常常经历多次动载冲击，而不是单一动载冲击，如煤矿支护结构承受多次动载冲击，海岸港口构件多次受到海浪冲击作用，地震期间多次的纵波冲击作用，因此，研究多次连续动载冲击下材料的力学特性有着现实的意义。传统的分离式霍普金森压杆是研究煤岩体等脆性材料受高应变率(10²～10⁴)动载冲击时最常用的实验装置，可以实现单脉冲加载，利用高速动态信号采集仪采集贴在入射杆和透射杆上应变片的应变信号，计算出岩石类脆性实验材料的动态性能。但传统以压缩空气为动力的加载方式，由于结构的限制难以实现多脉冲加载。且以压缩空气为动力由于子弹位置难以恒定确定以及压缩空气气压不稳定的原因，难以实现子弹以恒定的速度施加动载，给对照实验条件的设定增加了难度。

专利号为cn109323938的发明专利公布了一种应用霍普金森压杆的多级子弹自动装填发生装置。该装置利用电磁装置顶推装置将第一颗子弹装入发射管道内，随后，当第一颗子弹在发射装置产生的高压推力下发射时，一部分高压气流进入回流管道，并驱动顶推装置将第二颗子弹推入发射管道，如此往复循环，实现多级子弹的自动装填。该方法可以是实现对试件多脉冲加载，但该装置子弹必须在弹筒内单一通过，使用该装置经行多脉冲加载试验时无法减少脉冲之间的时间间隔，而由于该装置的动力源为压缩空气，受压力不恒定的影响而无法实现子弹以相同的速度加载。

技术实现要素：

针对传统采用压缩空气作为动力的分离式霍普金森压杆试验系统只能进行单脉冲加载以及上述发明的局限性，本发明提出了一种利用可调速电机作为动力的霍普金森压杆实验多级脉冲加载装置及其实验方法，可以通过改变子子弹的数量以及子子弹之间的间距获得实验需要的脉冲数量及脉冲间隔。

本发明的技术方案如下：

霍普金森压杆实验多级脉冲加载装置，包括桁架，桁架一侧设有入射杆，桁架上设有调速电机，调速电机输出轴上设有连接杆，连接杆末端设有子弹组合，子弹组合包括至少两个子弹，子弹之间定向相互移动，子弹组合用于提供多脉冲加载。

所述可调速电机为使用交流-直流-交流变频器的变频调速电机，该方式通过改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。使用该方法实现调速具有效率高，调速过程中没有附加损耗；调速范围大，特性硬，精度高的优点。

所述连接杆用于连接电机转轴和子弹，用于获得电机的动能，并将所获得动能传递到子弹端。

优选的，子弹组合包括外部导轨，外部导轨为框体，子弹包括弹体，子弹包括固定子弹与活动子弹，固定子弹与外部导轨固定连接，活动子弹与外部导轨活动连接。活动子弹可沿外部导轨移动、与前方固定连接的子弹撞击形成多级脉冲。

优选的，弹体包括圆柱形或纺锤型。子弹可以根据实验要求更换不同材质、形状、尺寸的子弹，以获得各种冲击强度以及加载波形。

进一步优选的，弹体为圆柱形时，入射杆与子弹组合接触的一端设有波形整形器，为直径比入射杆直径小的薄圆柱体，用以使加载波形实现常应变率加载，材料为黄铜h62。

进一步优选的，外部导轨两侧设有滑轨，活动子弹的弹体两侧设有侧翼，侧翼位于滑轨内。

进一步优选的，滑轨内设有钢珠，用于减小侧翼与滑轨之间的摩擦力。

进一步优选的，滑轨内设有螺栓，螺栓与滑轨螺纹连接。螺栓的位置用以限制侧翼在滑轨内的滑动空间。

本申请子弹组合外形类似鱼骨型，整体为异形子弹，可以根据实验所需脉冲数量及脉冲时间间隔主动调节子弹数量以及子弹之间的间隔，以获得实验需要的加载波形。子弹包括两种子弹构成，第一种即为第一颗撞击入射杆的子弹，与外部导轨固定连接，所述第二种子弹由弹体和侧翼组成，弹体为圆柱形弹体，侧翼分布在弹体两侧，侧翼比滑轨略小，可以在滑轨内前后移动，或由于滑轨上安装的螺栓阻碍或者撞击前方子弹而停止前后移动。所述子弹的材料为48crmoa，选用48crmoa作为子弹材料的原因为48crmoa密度大，抗腐蚀，可以适应不同的实验条件。

优选的，输出轴上设有转速监测仪，用于监测反馈输出轴的转速。转速监测仪采用霍尔开关检测法，包括在电机转子上分布的三块磁铁，以及在磁铁运动轨迹的圆周外缘设一个霍尔开关，电机转动时霍尔开关周期性感应磁力线，产生脉冲电压，实时监测脉冲之间的时间间隔，就可以换算出电机转速。

优选的，连接杆两侧的桁架上设有激光开关，包括激光发射元件和激光接收元件，用以定位连接杆的水平位置。可以通过激光接收元件是否中断确定子弹转动到确切位置，并且发出一次信号。

优选的，输出轴上套设有推移构件，推移构件为伸缩圆盘，推移构件两端与输出轴之间设有轴承，推移构件一端与连接杆固定连接，由输出轴带动连接杆旋转时、伸缩圆盘随之绕输出轴转动，推移构件内部设有推移弹簧，推移弹簧连接至内部一端的电磁阀上，推移弹簧初始为压缩状态，可在接收到激光开关信号后弹出，将连接杆从初始位置推移到入射杆所在垂直面。

进一步优选的，输出轴末端通过轴承支架与桁架连接，轴承支架与连接杆之间设有弹簧。弹簧用于初期推移构件未起作用时、为使子弹不与入射杆接触、将连接杆维持在远离入射杆的竖直平面内。

优选的，调速电机通过电机支架与桁架固定连接。桁架、入射杆置于shpb实验装置底座上。

优选的，连接杆一端设有方形连接孔，连接杆通过方形连接孔套设于输出轴上。连接杆为不同长度规格的细长杆，连接电机的一端有比电子转轴略大，且在细长杆轴线上，方向与杆的轴线方向垂直的正方形连接孔，可套在电机转轴上。所述连接杆的材料为高强度不锈钢，选用高强度不锈钢的目的为在带动子弹旋转时尽可能减少连接杆杆体的形变，以准确的将电机的转动能量传递到子弹。

霍普金森压杆实验多级脉冲加载装置的实验方法，采用如上所用装置，包括步骤如下：

第一步，设计实验方案，根据实验方案确定电机的转速，选择合适的子弹数量以及子弹之间的间距；

第二步，将应变片粘贴在入射杆与透射杆合适的位置，后将待测试件加工成符合霍普金森压杆实验要求的圆柱形，后将试件放置并固定在入射杆与透射杆之间；

第三步，安装并调整好调速电机与电机支架的位置，打开高速动态信号采集仪，高速动态信号采集仪用于采集应变片的电压信息，打开可调速电机；

第四步，转速监测仪接收到输出轴的转速信号，等达到设定的转速值电机匀速转动，激光开关获得连接杆确定位置后使推移构件工作，连接杆及子弹向入射杆端所在平面移动，子弹在运动到水平的瞬间与整形器相撞，同时激光开关获得第二次信号，调速电机电源关闭；

第五步，由计算机保存高速动态信号采集仪采集到的应变片的电压信息，形成多重脉冲加载的应力波曲线；

第六步，关闭电磁阀，将子弹及连接杆回归到初始位置，将试件取出，清理试验台；

第七步，处理由计算机储存的应力波数据，通过积分获得试件的应力、应变、应变率及能量信息。

本发明所述装置采用可调速电机作为动力，通过连接杆将电机的转速传递到子弹上，在初始状态，连接杆连同子弹被轻型弹簧控制在初始状位置随电机转轴转动，转速监测仪与激光开关同步接收信号，随着电机转速增加，直至试验设定的转速，电机转速保持不变，在激光开关捕捉到连接杆位置后推移构件工作，将连接杆以及子弹推移到入射杆所在垂直面，后子弹在运动到水平的瞬间与入射杆接触，通过整形器将动载压力波传送到入射杆。本发明所述装置通过固定电机的转速以及连接杆的长度，即可以使子弹以确定的线速度撞击入射杆。

优选的，第一步中，子弹数量与设定的脉冲级数一致，撞击速度为v，多级脉冲间隔时间为t，t＝t1,t2,...，连接杆的长度为l，则电机转速为:w＝v/l，子弹之间的间距为l，l＝t×v。

假设在一次霍普金森压杆实验多级脉冲实验中需要的脉冲次数为三次，需要的撞击速度为v，第二次脉冲与第一次脉冲的间隔时间为t1,第三次脉冲与第二次脉冲的时间间隔为t2。连接杆的长度为l。则可以求得需要的电机转速为:

w＝v/l

第二颗子弹弹头与第一颗子弹弹头末端的间距l1为：

l1＝t1×v

第三颗子弹弹头与第二颗子弹弹尾的间距l2为：

l2＝t2×v

本发明的有益效果在于：

由于第一颗子弹弹体导轨以及子子弹的设计，本发明所述装置及方法可以通过改变子子弹的数量以及子子弹之间的间距获得实验需要的脉冲数量及脉冲间隔；同时，通过调节子弹的材质，以及调节子弹的形状，可以获得各种冲击强度以及加载波形。

传统的以压缩空气作为动力的分离式霍普金森压杆由于空气压力不稳定以及子弹位置难以恒定确定，难以确定恒定的撞击速度。以电机转动作为动力的技术由于电机转速的可控，更容易获得确定的线速度去撞击入射杆。

本发明所述多脉冲加载装置是分离式霍普金森压杆实验系统的动力部分，可以在现有以压缩空气作为动力分离式霍普金森压杆实验系统升级改造，适应性广。

附图说明

图1为本发明装置整体示意图

图2为本发明装置电机支架装配图

图3为本发明装置鱼骨型子弹示意图

图4为本发明装置多脉冲加载原理图

图中：1-桁架，2-转速监测仪，3-激光发射元件，4-激光接收元件，5-推移构件，6-弹簧，7-调速电机，8-连接杆，9-正方形连接孔，10-固定子弹，11-固定子弹弹体，12-外部导轨，13-滑轨，14-钢珠，15-螺栓，16-活动子弹，17-活动子弹弹体，18-侧翼，19-整形器，20-shpb试验系统底座，21-子弹组合，22-入射杆，23-输出轴。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

霍普金森压杆实验多级脉冲加载装置，包括桁架1，如图1、2所示，桁架截面为“凹”字形，桁架一侧设有入射杆22，桁架上设有调速电机7，调速电机输出轴23上设有连接杆8，连接杆末端设有子弹组合21，子弹组合包括至少两个子弹，子弹之间定向相互移动，子弹组合用于提供多脉冲加载。

所述可调速电机为使用交流-直流-交流变频器的变频调速电机，该方式通过改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。使用该方法实现调速具有效率高，调速过程中没有附加损耗；调速范围大，特性硬，精度高的优点。

所述连接杆用于连接电机转轴和子弹，用于获得电机的动能，并将所获得动能传递到子弹端。

子弹组合包括外部导轨12，如图3所示，外部导轨为框体，子弹包括弹体，子弹包括固定子弹10与活动子弹16，固定子弹与外部导轨固定连接，活动子弹与外部导轨活动连接。活动子弹可沿外部导轨移动、与前方固定连接的子弹撞击形成多级脉冲。外部导轨两侧设有滑轨13，活动子弹的弹体两侧设有侧翼18，侧翼位于滑轨内。滑轨内设有钢珠14，用于减小侧翼与滑轨之间的摩擦力。滑轨内设有螺栓15，螺栓与滑轨螺纹连接。螺栓的位置用以限制侧翼在滑轨内的滑动空间。

本申请子弹组合外形类似鱼骨型，整体为异形子弹，可以根据实验所需脉冲数量及脉冲时间间隔主动调节子弹数量以及子弹之间的间隔，以获得实验需要的加载波形。子弹包括两种子弹构成，第一种即为第一颗撞击入射杆的子弹，与外部导轨固定连接，所述第二种子弹由弹体和侧翼组成，弹体为圆柱形弹体，侧翼分布在弹体两侧，侧翼比滑轨略小，可以在滑轨内前后移动，或由于滑轨上安装的螺栓阻碍或者撞击前方子弹而停止前后移动。所述子弹的材料为48crmoa，选用48crmoa作为子弹材料的原因为48crmoa密度大，抗腐蚀，可以适应不同的实验条件。

输出轴上设有转速监测仪2，用于监测反馈输出轴的转速。转速监测仪采用霍尔开关检测法，包括在电机转子上分布的三块磁铁，以及在磁铁运动轨迹的圆周外缘设一个霍尔开关，电机转动时霍尔开关周期性感应磁力线，产生脉冲电压，实时监测脉冲之间的时间间隔，就可以换算出电机转速。

连接杆两侧的桁架上设有激光开关，包括激光发射元件3和激光接收元件4，用以定位连接杆的水平位置。可以通过激光接收元件是否中断确定子弹转动到确切位置，并且发出一次信号。

输出轴上套设有推移构件5，推移构件为伸缩圆盘，推移构件两端与输出轴之间设有轴承，推移构件一端与连接杆固定连接，由输出轴带动连接杆旋转时、伸缩圆盘随之绕输出轴转动，推移构件内部设有推移弹簧，推移弹簧连接至内部一端的电磁阀上，推移弹簧初始为压缩状态，可在接收到激光开关信号后弹出，将连接杆从初始位置推移到入射杆所在垂直面。

实施例2：

霍普金森压杆实验多级脉冲加载装置，其结构如实施例1所述，所不同的是，弹体为纺锤型。

实施例3：

霍普金森压杆实验多级脉冲加载装置，其结构如实施例1所述，所不同的是，弹体为圆柱形，入射杆与子弹组合接触的一端设有波形整形器19，为直径比入射杆直径小的薄圆柱体，用以使加载波形实现常应变率加载，材料为黄铜h62。

实施例4：

霍普金森压杆实验多级脉冲加载装置，其结构如实施例1所述，所不同的是，输出轴末端通过轴承支架与桁架连接，轴承支架与连接杆之间设有弹簧6。弹簧用于初期推移构件未起作用时、为使子弹不与入射杆接触、将连接杆维持在远离入射杆的竖直平面内。

实施例5：

霍普金森压杆实验多级脉冲加载装置，其结构如实施例1所述，所不同的是，调速电机通过电机支架与桁架固定连接。桁架、入射杆置于shpb实验装置底座20上。连接杆一端设有方形连接孔9，连接杆通过方形连接孔套设于输出轴上。连接杆为不同长度规格的细长杆，连接电机的一端有比电子转轴略大，且在细长杆轴线上，方向与杆的轴线方向垂直的正方形连接孔，可套在电机转轴上。所述连接杆的材料为高强度不锈钢，选用高强度不锈钢的目的为在带动子弹旋转时尽可能减少连接杆杆体的形变，以准确的将电机的转动能量传递到子弹。

实施例6：

霍普金森压杆实验多级脉冲加载装置的实验方法，采用实施例1所用装置，包括步骤如下：

第一步，设计实验方案，根据实验方案确定电机的转速，选择合适的子弹数量以及子弹之间的间距；本例设定在一次霍普金森压杆实验多级脉冲实验中需要的脉冲次数为三次，需要的撞击速度为v，第二次脉冲与第一次脉冲的间隔时间为t1,第三次脉冲与第二次脉冲的时间间隔为t2。连接杆的长度为l。则可以求得需要的电机转速为:

w＝v/l

第二颗子弹弹头与第一颗子弹弹头末端的间距l1为：

l1＝t1×v

第三颗子弹弹头与第二颗子弹弹尾的间距l2为：

l2＝t2×v

第二步，将应变片粘贴在入射杆22与透射杆合适的位置，后将待测试件加工成符合霍普金森压杆实验要求的圆柱形，后将试件放置并固定在入射杆与透射杆之间；

第三步，安装并调整好调速电机位置，打开高速动态信号采集仪，高速动态信号采集仪用于采集应变片的电压信息，打开可调速电机；

第四步，转速监测仪接收到输出轴的转速信号，等达到设定的转速值电机匀速转动，激光开关获得连接杆确定位置后使推移构件工作，连接杆及子弹向入射杆端所在平面移动，子弹在运动到水平的瞬间与整形器相撞，同时激光开关获得第二次信号，调速电机电源关闭；

第五步，由计算机保存高速动态信号采集仪采集到的应变片的电压信息，形成多重脉冲加载的应力波曲线；

第六步，关闭电磁阀，将子弹及连接杆回归到初始位置，将试件取出，清理试验台；

第七步，处理由计算机储存的应力波数据，通过积分获得试件的应力、应变、应变率及能量信息。

本发明所述装置采用可调速电机作为动力，通过连接杆将电机的转速传递到子弹上，在初始状态，连接杆连同子弹被轻型弹簧控制在初始状位置随电机转轴转动，转速监测仪与激光开关同步接收信号，随着电机转速增加，直至试验设定的转速，电机转速保持不变，在激光开关捕捉到连接杆位置后推移构件工作，将连接杆以及子弹推移到入射杆所在垂直面，后子弹在运动到水平的瞬间与入射杆接触，通过整形器将动载压力波传送到入射杆。本发明所述装置通过固定电机的转速以及连接杆的长度，即可以使子弹以确定的线速度撞击入射杆。