专利名称：大直径分离式霍普金森压杆的脉冲整形结构的制作方法
技术领域：
本实用新型属于爆炸力学实验装置，主要提出一种大直径分离式霍普金森压杆的脉冲整形结构。
背景技术：
在各种各样的材料动力实验装置中，分离式霍普金森压杆(SHPB)被公认为是最常用最有效的研究脉冲动载作用下材料力学性质的实验设备。其应用领域从最初测量金属的动态力学性能，发展到现在测量岩石、混凝土、陶瓷、高聚物、炸药、固体推进剂、塑料、复合材料、泡沫材料、减震材料、粘结层、纤维等多种材料的动态力学性能。
在上世纪九十年代末，中国科学技术大学中科院材料力学行为和设计重点实验室将原有的Φ37mmSHPB改造为直锥变截面式Φ74mmSHPB，目前国内拥有这套装置的科研单位有多家。其它SHPB直径都在40mm以下，均不适合进行混凝土、岩石等非均质材料实验。Φ74mmSHPB可以进行混凝土、岩石等非均质材料实验，但有局限性。
分离式霍普金森压杆主要由加载装置—气炮与撞击杆、输入杆、输出杆、托架、缓冲装置及应变和撞击速度测量与记录仪器等部分组成；其设计原理为气炮发射撞击杆撞击输入杆，在输入杆中产生弹性的压缩波，其脉冲长度比试件长度长很多，通过输入杆传播到达试件，试件夹在输入杆和输出杆之间，压缩脉冲通过试件，其应力幅值大到能使试件塑性变形。由于试件材料和压杆(包括输入杆和输出杆)材料的阻抗失配，当压缩波到达输入杆与试件的界面时，一部分被反射回到输入杆中，一部分透射进入试件中，试件中的应力波到达与输出杆的界面时，同样发生反射，部分透射进入输出杆中，部分反射回到试件中。贴在输入杆表面上的应变片测得杆中入射波和反射波信号，而贴在输出杆表面上的应变片测得杆中透射波信号。在整个试验过程中，压杆始终保持弹性状态。由实测的压杆中入射、反射和透射脉冲，就可以获得试件的应力—应变关系以及其他动力性质参数。
由于压杆粒子具有径向惯性。致使一维应力波的传播发生弥散，应力脉冲波形起伏振荡，弥散和振荡主要是波长小于10倍压杆半径的傅里叶分量造成的。因此，压杆直径越大，弥散和振荡越严重，由于入射脉冲振荡，相应的透射和反射波形也有振荡，导致试件内部应力不均匀，材料的动态本构响应曲线出现大幅度振荡。而对这种弥散效应的理论修正，不能减低入射波振荡，且对试件大小等参数的变动非常敏感，参数选择的不确定性将导致振荡加重和修正结果严重失真。
发明内容
本实用新型的目的是提出大直径分离式霍普金森压杆的脉冲整形结构，以解决大直径压杆波弥散和波形振荡严重的问题，同时可使加载脉冲保证试件内部早期达到应力均匀状态。
大直径压杆因直径大而波弥散和波形振荡严重，因试件尺寸大和脆性材料破坏应变小而要求加载脉冲必须保证试件内部早期达到应力均匀状态，只有解决这两个难度很大的问题，才能保证实验结果的正确性和有较高的置信度。发明人首先对所有可以借鉴的整形技术，通过试验进行对比分析，在此基础上对已有整形技术进行改进，通过大量试验，提出设置直径与输入杆相同、屈服强度低于输入杆的预加载杆并置于输入杆前，即在输入杆前设置有屈服强度低于输入杆的预加载杆；使脉冲在进入输入杆前将脉冲高频波耗损，当脉冲沿着这种强度低的预加载杆传播时，撞击产生的高频振荡受到有效地阻尼，脉冲进入输入杆时，实际上已经没有振荡且上升时间被延长，在输入杆中脉冲波形不再有明显变化。而经过大量实验证明，加装预加载杆的整形结构大概只能吸收波长为50mm左右和50mm以下的傅里叶分量，对小直径霍普金森压杆能起到消除弥散和振荡的作用，而对于大直径霍普金森压杆试验中波的弥散和振荡，这种仅加装预加载杆的整形结构其效果不理想的。由此，本实用新型提出在预加载杆前端面设置整形用纸质垫片，整形纸质垫片设置在预加载杆前端面的中心部位，即本实用新型提出的大直径霍普金森压杆的整形结构为在输入杆前设置有屈服强度低于输入杆的预加载杆，在预加载杆前端面具有整形纸质垫片。纸的变形模量低，柔性好，植物纤维中织物中有大量空隙，体积压缩性强，作为缓冲材料这些特性是卓越的。
经大量实验数据证明，整形用纸垫片与设置在输入杆前的预加载杆相结合是大直径霍普金森压杆最佳的脉冲整形结构，它有如下优点1.整形后，消除了波的弥散，脉冲波形无振荡，无需做任何弥散修正，试验结果更真实更精确。
2.复现性和规律性不低于纺锤形弹，优于其它脉冲整形技术。在混凝土和岩石试验常用加载率和常用压力范围内，复现性偏差不超过±2％。从实验得到的数据和波形可以清楚地看出，脉冲升时随垫片厚度和直径而增大，随撞击杆长度和速度的增加而减小，脉冲峰值规律相反。
3.调整脉冲波形的有效途径多，而且灵活方便。通过撞击杆长度与速度以及纸垫片厚度、直径与材质等参数中任何一种或两种以上的改变均能有效地调整脉冲波形。除近似半正弦波的波形外，还能生成平滑的、基本上不弥散的三角形、斜坡形、梯形等多种波形。可以满足混凝土和岩石实验的试件变形早期应力状态均匀以及恒应变率的要求。
4.撞击杆和加载杆可以长期使用，每炮废掉的仅是片纸而已。而且整形纸垫片的加工非常容易。这种整形技术之简单易行和灵活方便是其它整形技术不可比拟的。
图1为φ100mm分离式霍普金森压杆结构示意图。
图中，1、缓冲装置，2、输出杆，3、应变片，4、试件，5、输入杆，6、压杆托架，7、预加载杆，8、纸质垫片，9、测量记录仪器，10、撞击杆，11、气炮，12、基座。
具体实施方式
结合附图给出的实施例对本实用新型加以说明如图1所示，φ100mm分离式霍普金森压杆包括加载装置—气炮11、输入杆5、输出杆2和压杆托架6、缓冲装置1、应变片3及撞击速度测量记录仪器9等几部分，气炮11的炮管中具有撞击杆10，输入杆长度为4.5m，输出杆长度为2.5m，分离式霍普金森压杆为现有成熟的实验装置，本实用新型仅涉及脉冲整形结构的改进，即在输入杆5前设置屈服强度低于输入杆的预加载杆7，即在撞击杆10和输入杆5之间设置预加载杆7，预加载杆7与输入杆5和输出杆2共同构成压杆组件；压杆的的直径均为100mm，预加载杆长度为2.06m，强度可为σ0.2＝300-400MPa(输入杆可为σ0.2＝800-1000MPa)，并在预加载杆前端面设置整形纸质垫片8，且纸质垫片位于预加载杆前端面的中心部位，纸质垫片的厚度可为0.3～8mm，直径可为φ35～80mm，该实施例中，纸质垫片的直径为φ50mm，厚度为3mm。
权利要求1.一种大直径分离式霍普金森压杆的脉冲整形结构，其特征是所述的脉冲整形结构由预加载杆(7)和整形用纸质垫片(8)构成，在输入杆(5)前设置预加载杆(7)，在预加载杆前端面设置整形纸质垫片(8)。
2.根据权利要求1所述的大直径分离式霍普金森压杆的脉冲整形结构，其特征是所述整形用纸质垫片的厚度为0.3mm～8mm，直径为φ35～80mm。
专利摘要本实用新型属于爆炸力学实验装置。提出的大直径分离式霍普金森压杆的脉冲整形结构由预加载杆(7)和整形用纸质垫片(8)构成，在输入杆(5)前设置预加载杆(7)，在预加载杆前端面设置整形纸质垫片(8)。经大量实验数据证明，整形用纸垫片与设置在输入杆前的预加载杆相结合是大直径霍普金森压杆最佳的脉冲整形结构，它有如下优点1.整形后，消除了波的弥散，脉冲波形无振荡，无需做任何弥散修正，试验结果更真实更精确。2.复现性和规律性不低于纺锤形弹，优于其它脉冲整形技术。3.调整脉冲波形的有效途径多，而且灵活方便。4.撞击杆和加载杆可以长期使用，每炮废掉的仅是片纸而已，而且整形纸垫片的加工非常容易。
文档编号G01N3/30GK2916617SQ20062003188
公开日2007年6月27日 申请日期2006年4月30日 优先权日2006年4月30日
发明者任辉启, 张守保 申请人:中国人民解放军总参谋部工程兵科研三所