一种产生梯形应力波的电磁式应力波发生器及方法

1.本发明涉及材料冲击动力学实验技术领域，具体是一种利用电磁式应力波发生器产生梯形应力波的方法。


背景技术：

2.在各种类型材料或结构的动态加载实验中，往往要用到不同脉宽和幅值的梯形波来对试样进行加载，来更加准确的得到材料的各项力学参数和模拟真实的受载环境。目前对应于不同波形应力波形加载，卢芳云等在《霍普金森杆实验技术》一书中提到，以hopkinson杆实验为例，大多使用不同半径和长度的子弹撞击入射杆或利用整形片的方式将产生的原始应力波整形成不同波形的应力脉冲，但这种整形方法较为复杂，不同幅值和脉宽的应力波需要不同的子弹或整形片，存在很大的随机性和不确定性，且整形片无法多次重复利用，实验结果重复性较差。电磁霍普金森杆实验技术是由传统霍普金森杆实验技术与电磁驱动技术相结合发展起来的一种新的动态加载技术。电磁霍普金森杆实验技术与传统霍普金森杆相比，其应力波产生方式有着本质区别。传统霍普金森杆中应力波是由子弹撞击入射杆产生，而电磁霍普金森杆中应力波是通过电磁加载枪中放电线圈与次级线圈之间通过电磁感应定律产生的。
3.现有技术中的电磁加载线圈由于结构形式的限制，即使通入不同波形的电流脉冲，其产生的应力脉冲大多仍为正弦型应力脉冲。在201410171963.8的发明创造中公开的电磁应力波发生器，该装置基于电磁感应的原理能够产生正弦型的应力脉冲，但无法如传统霍普金森杆系统那样产生重复性良好并且有着平台段的梯形应力脉冲。申请号为201510051071.9发明名称为“电磁式应力波发生器的主线圈及充电/放电的方法”的发明中为克服现有技术中存在的入射波幅值过低和宽度过长，无法同时满足高应变率试验和低应变率试验的不足，提出了一种电磁式应力波发生器的主线圈及充电/放电的方法。虽然有用到叠加方法，但其效果仅限于改变正弦型应力脉冲的脉宽与幅值，无法直接产生梯形应力波，要得到梯形应力波需要利用整形片。而整形片整形分散性大，实验的重复性难以保证。nie和suo等人在2018年发表的题为“aversatilesplithopkinsonpressurebarusingelectromagneticloading”的文章中提出了在使用整形片将电磁霍普金斯杆产生的正弦型应力波转化为近似方波的整形方法，但这种方法操作复杂，不同脉宽幅值的应力波需要使用不同厚度尺寸的整形片，并且由于是利用整形片材料塑性好的特点来达到整形的效果，因此整形后的应力波上升沿和下降沿均很长导致应力波平台段脉宽较窄，无法应用于多种加载情况。
4.申请号为202110536839.7的发明创造中公开的一种能够产生高幅值长脉宽方波的电磁加载线圈通过软磁材料的聚磁与磁饱和效应，减缓了电磁力衰减程度，使产生的方形应力波有较长的平台段，但其应力波的幅值亦受到磁饱和效应的限制。申请号为202110536462.5的发明创造中公开的电磁加载线圈虽然理论上可以产生任意应力波形，但是产生的应力波形依赖于主线圈中通入的电流的形状，目前市面上还难以找到产生电流脉
宽和幅值都满足实验要求的脉冲电流发生器。


技术实现要素：

5.为了克服现有电磁霍普金森杆实验技术中存在的无法产生梯形应力波形和应力波整形随机性的不足，本发明提出了一种能够产生梯形应力波的装置及方法。
6.本发明提出的电磁式应力波发生器包括充/放电电路、电磁加载枪、次级线圈和入射杆。所述放电电路包括四组放电电路，分别为第一组放电电路、第二组放电电路、第三组放电电路、第四组放电电路。所述电磁加载枪中的放电线圈有四组，分别为第一组放电线圈、第二组放电线圈、第三组放电线圈、第四组放电线圈。其中，所述电磁加载枪中的四组放电线圈的正/负极分别与放电电路中的各组放电电路连通。在该电磁加载枪的端面有次级线圈。入射杆悬臂端的端面与该次级线圈的表面相贴合。应变片位于该入射杆的表面，并与数据采集器联通。所述电磁加载枪包括电磁加载枪壳体、放电线圈和绝缘层。所述四组放电线圈自内向外依照第一组放电线圈、第二组放电线圈、第三组放电线圈、第四组放电线圈的次序，以阿基米德螺旋的方式盘绕在该电磁加载枪壳体内。
7.所述各组放电电路中，将电容器的正极接线柱与二极管的电流流入端通过导线连接，该二极管的电流流出端与电阻的一端通过导线连接；所述电阻另一端的接线柱与电磁加载枪里第一组放电线圈的正接线柱通过导线连接，第一组放电线圈的负接线柱与开关的一个接线柱通过导线连接，开关的另一接线柱与电容器的负极接线柱通过导线连接。
8.所述四组放电线圈中，各组放电线圈的首尾处分别有接线柱，形成了各组放电线圈正极或负极接线柱；每前一组线圈接线柱与后一组线圈接线柱之间的间距为2mm，并在该间距中填充2mm厚的绝缘层。所述以阿基米德螺旋方式盘绕的各圈放电线圈之间均填充有绝缘层，并且使电磁加载枪壳体内表面与最外层放电线圈之间绝缘层的厚度为2mm，各圈放电线圈之间绝缘层的厚度为1mm。
9.在该电磁加载枪壳体的中心有次级线圈连接螺栓的安装孔，以对次级线圈起支撑作用，保证次级线圈与电磁加载枪中心同轴。
10.各所述放电线圈的匝数共为14匝，分为4组，分别接入所述四组放电电路。
11.所述放电线圈中，自内向外，第1～5层为第一组线圈，接入第一组电路；第6～9层为第二组线圈，接入第二组电路；第10～12层为第三组线圈，接入第三组电路；第13～14层为第四组线圈，接入第四组电路，四组放电线圈的长度相同，均为18mm；
12.所述放电线圈的外径为44.7mm，内径为8mm。所述放电线圈导线横截面为矩形，长为6mm，宽为2mm，线圈径向间距为1mm。所述次级线圈的半径为45mm，厚8mm。
13.所述入射杆的材质为tc4钛合金。
14.本发明提出的利用所述电磁式应力波发生器产生梯形应力波的具体过程是：
15.步骤一，连接电路：
16.将电路中各元器件顺序连接。将所述第一组放电电路、第二组放电电路、第三组放电电路和第四组放电电路依次与所述第一组放电线圈、第二组放电线圈、第三组放电线圈和第四组放电线圈依次连接。
17.步骤二，排布器材：
18.将所述电磁加载枪、次级线圈和入射杆依次同轴安装在实验台上；
19.步骤三：粘贴应变片：
20.在入射杆1/2长度处的圆周表面对称地粘贴两片应变片；在应变片的引脚上焊接应变片引线，并将所述应变片引线接入数据采集系统中的惠斯通电桥中。
21.步骤四：加载：
22.所述加载过程是：
[0023]ⅰ通过电容充电器对电容器充电至1000v；四组放电电路的开关进入待触发状态。
[0024]ⅱ设置所述四组放电电路开关的延时时间分别为0ms、0.13ms、0.26ms和0.39ms。
[0025]ⅲ触发延迟发生器；延迟发生器触发后，第一组放电电路的开关闭合对第一组放电线圈放电；第一组放电电路的开关闭合0.13ms后第二组放电电路的开关闭合对第二组放电线圈放电；第一组放电电路的开关闭合0.26ms后第三组放电电路的开关闭合对第三组放电线圈放电；第一组放电电路的开关闭合0.39ms后第四组放电电路的开关闭合对第四组放电线圈放电。四组放电电路的开关均闭合0.2ms后断开以减小各组放电线圈之间的影响。
[0026]ⅳ放电线圈中产生高强度的脉冲磁场。次级线圈与放电线圈相互贴紧，发生电磁感应现象而产生极强的涡流，次级线圈中的涡流与放电线圈产生的磁场相互作用，次级线圈靠近放电线圈的端面上的质点会受到洛伦兹力作用，在次级线圈中形成磁场力。磁场力在次级线圈内表现为压缩应力脉冲，应力脉冲传入到与次级线圈紧密贴合的入射杆后，以弹性波形式在入射杆中传播，对试样进行动态加载试验。粘贴在入射杆上的应变片将应力波传过时的应变信号转化为电压信号由数据采集器记录下来。
[0027]
ⅴ
四组放电电路分别延时0ms、0.13ms、0.26ms和0.39ms放电后即在入射杆中产生梯形应力波。
[0028]
本发明中，放电线圈接入外部激励电流，激励电流流经放电线圈，由于激励电流由电容器放电产生，是随时间变化的，因此放电线圈中会产生感应磁场，变化的感应磁场在次级线圈当中产生电流涡流，次级线圈中的涡流方向与放电线圈中的电流方向相反，二者产生的脉冲磁场也相反，从而使次级线圈和放电线圈之间产生极强的电磁斥力，电磁斥力在次级线圈中表现为一个应力波。由一组电路放电产生的应力波为半正弦形应力波，通过数字延迟发生器控制几个放电电路的放电时间，让半正弦形应力波进行叠加可以得到梯形应力波。
[0029]
与现有技术相比较，本发明取得的有益效果是：
[0030]
在本发明中，将放电线圈按径向分组，不同的线圈组接入不同的电路，不同的电路由dg645数字延迟发生器控制依次放电。不同电路控制线圈组放电在申请号为201510051071.9发明中虽然有用到过，但其效果仅限于改变正弦型应力脉冲的脉宽与幅值，无法产生梯形应力波。然而，对于延展性材料，比如金属材料，想要达到恒应变率加载，实验者更需要梯形应力波。
[0031]
本发明的关键和难点在于：从空间上合理布置线圈组的位置；从时间上合理控制各线圈组的放电延时，并通过严格控制放电开关的通断以减小4组放电线圈之间的影响。本发明首次将线圈按径向分组，实现了将正弦形应力波依次叠加产生梯形应力波。由于放电线圈接入的电流脉冲激励是由电容放电产生的随时间变化的正弦波，因此会在次级线圈当中产生涡流，电流和涡流的瞬时变化会在放电线圈和次级线圈上产生感应磁场，次级线圈中的涡流方向与放电线圈中的电流方向相反，二者产生的磁场也相反，从而使次级线圈和
放电线圈之间产生电磁斥力，电磁斥力在次级线圈中表现为压缩应力波。本发明通过dg645数字延迟发生器控制的四个电路依次放电，根据应力波的叠加原理，使次级线圈中产生的四组压缩应力波有序合理的叠加在一起成为一个梯形应力波。
[0032]
图5是各线圈组放电的时间间隔为0.13ms，电容器充电电压为1000v，四组线圈依次放电后入射杆中产生的应力波波形图，横坐标为时间，单位为ms，纵坐标为应力，单位为mpa。从图中可以看出，通过此方法得到能够用于动态加载试验的梯形应力波。由于以上优点，本发明在霍普金森杆实验中对材料实现不同应力波形的加载，也可以应用于其他应力波加载的实验中。
附图说明
[0033]
图1是电源和充/放电电路示意图。
[0034]
图2是电磁加载枪的结构示意图，其中图2a是俯视图，图2b是正视图。
[0035]
图3是电磁加载枪的结构示意图。
[0036]
图4是本发明的整体示意图。
[0037]
图5是实施例在入射杆距离电磁加载枪1m位置上采集到的应力波信号。
[0038]
图中：1.电源；2.电容充电器；3.电容器；4.二极管；5.电阻；6.放电线圈；7.开关；8.次级线圈；9.绝缘层；10.电磁加载枪壳体；11.入射杆；12.放电电路；13.放电线圈接线柱；14.第一组放电电路；15.第二组放电电路；16.第三组放电电路；17.第四组放电电路；18.第一组放电线圈；19.第二组放电线圈；20.第三组放电线圈；21.第四组放电线圈、22.应变片；23.数据采集器。
具体实施方式
[0039]
本发明是一种产生梯形应力波的电磁式应力波发生器及方法。
[0040]
本发明中提出的电磁式应力波发生器包括充/放电电路12、电磁加载枪、放电线圈6、次级线圈8和入射杆11；所述放电电路12、次级线圈8和入射杆11的结构均同现有技术。
[0041]
所述放电电路12包括四组放电电路，分别为第一组放电电路14、第二组放电电路15、第三组放电电路16、第四组放电电路17。所述放电线圈6包括四组放电线圈，分别为第一组放电线圈18、第二组放电线圈19、第三组放电线圈20、第四组放电线圈21。
[0042]
其中，所述电磁加载枪中的四组放电线圈6的正/负极分别与放电电路12中的各组放电电路连通。在该电磁加载枪的端面有次级线圈8。入射杆11悬臂端的端面与该次级线圈的表面相贴合。应变片22位于该入射杆的表面，并与数据采集器23联通。所述入射杆的半径为7mm，材质为tc4钛合金。
[0043]
所述电磁加载枪包括电磁加载枪壳体10、放电线圈6和绝缘层9。所述四组放电线圈自内向外依照第一组放电线圈18、第二组放电线圈19、第三组放电线圈20、第四组放电线圈21的次序，以阿基米德螺旋的方式盘绕在该电磁加载枪壳体内，并使各组放电线圈的首尾处分别有接线柱，形成了各组放电线圈正极或负极接线柱；每前一组线圈接线柱与后一组线圈接线柱之间的间距为2mm，并在该间距中填充2mm厚的绝缘层。所述以阿基米德螺旋方式盘绕的各圈放电线圈之间均填充有绝缘层9，并且使电磁加载枪壳体内表面与最外层放电线圈之间绝缘层的厚度为2mm，各圈放电线圈之间绝缘层的厚度为1mm。
[0044]
所述8个放电线圈接线柱分别由电磁加载枪壳体底板上的8个孔中伸出，分别与相应的放电电路相连。在该电磁加载枪壳体的中心有一个半径为3mm的通孔，与次级线圈连接的螺栓放入该通孔中，以对次级线圈起支撑作用，保证次级线圈与电磁加载枪中心同轴。
[0045]
放电线圈均采用铜带绕制而成。线圈的匝数共为14匝，分为4组，分别接入4组放电电路，具体是：
[0046]
该放电线圈组从内圆周表面到外圆周表面，第1～5层为第一组线圈，接入第一组电路；第6～9层为第二组线圈，接入第二组电路；第10～12层为第三组线圈，接入第三组电路；第13～14层为第四组线圈，接入第四组电路，四组放电线圈的长度相同，均为18mm；
[0047]
所述电阻为0.0015ω。
[0048]
所述电容器规格为2mf。
[0049]
所述电源为220v的三相交流电源。所述电容充电器采用现有电磁铆接设备的供电部分。
[0050]
所述4组放电电路中的开关闭合和断开时间由数字延迟发生器控制，设置控制四组电路开关的通道延时时间分别为0ms、0.13ms、0.26ms和0.39ms。延迟发生器触发后，第一组放电电路的开关闭合对第一组放电线圈放电，第一组放电电路的开关闭合0.13ms后第二组放电电路的开关闭合对第二组放电线圈放电，第一组放电电路的开关闭合0.26ms后第三组放电电路的开关闭合对第三组放电线圈放电，第一组放电电路的开关闭合0.39ms后第四组放电电路的开关闭合对第四组放电线圈放电。四组电路的开关均闭合0.2ms后断开以减小各组放电线圈之间的影响。
[0051]
所述数字延迟发生器型号为dg645数字延迟发生器。
[0052]
所述放电线圈的外径为44.7mm，内径为8mm。所述放电线圈导线横截面为矩形，长为6mm，宽为2mm，线圈径向间距为1mm。所述次级线圈采用铜片，半径为45mm，厚8mm。
[0053]
所述入射杆半径为7mm，材质为tc4钛合金。
[0054]
本发明产生梯形应力波的具体过程是：
[0055]
步骤一，连接电路：
[0056]
按照图1，将电路中各元器件顺序依次连接。首先连接第一组放电电路14，将该第一组放电电路中的电容器的正极接线柱与二极管4的电流流入端通过导线连接，该二极管的电流流出端与电阻5的一端通过导线连接；所述电阻另一端的接线柱与电磁加载枪里第一组放电线圈的正接线柱通过导线连接，第一组放电线圈的负接线柱与开关7的一个接线柱通过导线连接，开关的另一接线柱与电容器3的负极接线柱通过导线连接。
[0057]
按照所述第一组放电电路14与第一组放电线圈18的连接方式，依次所述第二组放电电路15与第二组放电线圈19连接，第三组放电电路16与第三组放电线圈20连接，第四组放电电路175与第四组放电线圈21连接。
[0058]
步骤二，排布器材：
[0059]
将电磁加载枪、次级线圈和入射杆依次同轴安装在实验台上，并使次级线圈和入射杆仅能在轴线方向自由移动。所述次级线圈通过中心孔与螺栓连接后，将螺栓插入电磁加载枪的中心孔，使次级线圈与电磁加载枪紧密贴合，所述次级线圈的另一端面与入射杆紧密贴合；所述电磁加载枪、次级线圈和入射杆的中心同轴。
[0060]
步骤三：粘贴应变片。
[0061]
应变片的粘贴方法采用现有技术，即在入射杆的一半长度处的圆周上以所述入射杆轴线为对称轴，将两片相同的应变片对称粘贴在入射杆表面，在应变片的引脚上焊接应变片引线，并将所述应变片引线接入数据采集系统中的惠斯通电桥中。
[0062]
步骤四：进行加载：
[0063]
首先用220v的三相交流电源通过电容充电器对电容器充电至1000v；四组放电电路的开关进入待触发状态。设置dg645数字延迟发生器控制所述四组放电电路开关的延时时间分别为0ms、0.13ms、0.26ms和0.39ms。触发延迟发生器，延迟发生器触发后，第一组放电电路的开关闭合对第一组放电线圈放电；第一组放电电路的开关闭合0.13ms后第二组放电电路的开关闭合对第二组放电线圈放电；第一组放电电路的开关闭合0.26ms后第三组放电电路的开关闭合对第三组放电线圈放电；第一组放电电路的开关闭合0.39ms后第四组放电电路的开关闭合对第四组放电线圈放电。四组放电电路的开关均闭合0.2ms后断开以减小各组放电线圈之间的影响。
[0064]
放电线圈中流过脉冲电流产生高强度的脉冲磁场。次级线圈与放电线圈相互贴紧，发生电磁感应现象而产生极强的涡流，次级线圈中的涡流与放电线圈产生的磁场相互作用，次级线圈靠近放电线圈的端面上的质点会受到洛伦兹力作用，在次级线圈中形成磁场力。磁场力在次级线圈内表现为压缩应力脉冲，应力脉冲传入到与次级线圈紧密贴合的入射杆后，以弹性波形式在入射杆中传播，可以对试样进行动态加载试验。粘贴在入射杆上的应变片22将应力波传过时的应变信号转化为电压信号由数据采集器23记录下来。
[0065]
四组放电电路分别延时0ms、0.13ms、0.26ms和0.39ms放电后即在入射杆中产生如图5所示的梯形应力波。
[0066]
本实施例通过改变电容值、电容器的充电电压、放电线圈的组数和数字延迟脉冲发生器的延迟时间，能够产生不同幅值和脉宽的梯形应力波，增大/减小电容器的充电电压可以增大/减小应力波的幅值；轴向/径向增加线圈的组数也可增大幅值；增大/减小电容器的电容值可以增大/减小应力波的脉宽。也可根据需要更换不同材质的入射杆。