专利名称：具有预加载的微型动态拉压实验系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及动态冲击实验力学领域，特别涉及一种具有预加载的微型动态拉压实验系统。
背景技术：
在许多情况下，如汽车的颠簸撞击、航天器的发射等，材料或结构常受到动态载荷，尤其是冲击载荷下的力学响应是材料的重要力学性能参数。分离式的霍普金森杆(Hopkinson)动态力学测试系统可成功的测试材料的动态压缩及拉伸性能，材料在两种相反的高应变率载荷作用下的力学性能对于材料的应用有着重要的意义，同时微型试件的动态性能测试也正成为新的需求。但是，通常分离式的动态压缩实验和拉伸实验均需在不同的实验设备上进行，当需要某一种材料的动态力学性能实验数据时，往往需要分别进行动态压缩和动态拉伸两种实验，较为不便。目前拉压一体的霍普金森动态力学性能测试都在压缩杆的基础上单方向增加拉伸的装置实现拉压一体，中国专利(公开号:CN101666724A)公开了一种通过双向发射气体炮驱动子弹向右或向左加速实现了两种加载方式的转换的实验装置，但该装置无法实现拉伸和压缩实验同时进行，该装置子弹的驱动方式主要是通过气动驱动的形式，且需分别设计向左发射的轨道和向右发射的轨道，装置的体积庞大，成本比较昂贵，且发射部分独立与杆件系统，需占用较大的空间放置，亦没有实现装置的集约化。专利申请号:201220500760.5发明公开了一种拉压一体化的霍普金森杆装置，该装置采用磁阻式电磁线圈发射器，实现了拉伸实验与压缩实验装置的一体化，但该装置对于拉伸实验和压缩实验分别采用了两套磁阻式电磁线圈发射器，未能体现电磁驱动可以双向发射的优势，同时该系统采用了两套拉伸杆及子弹，装置较复杂，亦没有体现出装置的便利性。目前对于材料的动态拉伸实验，尤其是薄膜和纤维材料试件(Jaeyoung Lim, JamesQj Zheng, Karl Masters, Weinong W.Chen.Effects of gage length, loading rates, anddamage on the strength of PPTA fibers,International Journal of ImpactEngineering, 38(2011)219-227)，由于材料的刚度低，试件夹持时常呈松弛状态，当应力波在传播到呈松弛状态的试件时，其遵循的一维应力波的传播规律会受到严重影响，对基于一维应力波传播的霍普金森杆实验会造成很大的实验误差。但目前对已公开的装置中尚未对此问题进行很好解决。因此，如何解决目前材料动态拉伸实验(尤其是薄膜和纤维材料)中对于应力波传播的影响便成为亟待解决的问题。同时如何有效的将动态拉伸和压缩实验进行有效的整合，提高装置的实验便利化以及降低装置的空间占有率成为提高实验效率的一个重要的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有预加载的微型动态拉压实验系统，以解决目前材料动态拉伸实验(尤其是薄膜和纤维材料)中对于应力波传播的影响问题，以及无法有效的将动态拉伸和压缩实验进行有效的整合等问题。为解决上述技术问题，本发明公开了一种具有预加载的微型动态拉压实验系统，其特征在于:包括:工作台、精密升降架、磁阻式线圈发射器、预加载组件、空气轴承、压缩透射杆、拉压共用的变截面撞击杆、微力传感器和带有缺口的圆筒状子弹；所述磁阻式线圈发射器和预加载组件由精密升降架与所述工作台固定连接，所述压缩透射杆和所述拉压共用的变截面撞击杆由所述空气轴承无摩擦的支撑于所述工作台上，所述空气轴承通过所述精密升降架固定安装在所述工作台上；所述压缩透射杆和预加载组件分别布置在所述拉压共用的变截面撞击杆的两侧；所述磁阻式线圈发射器的出口端与所述拉压共用的变截面撞击杆的截面改变处相平行，所述微力传感器固定在所述固定杆上的靠近所述拉压共用的变截面撞击杆的一端; 所述带有缺口的圆筒状子弹分别与所述拉压共用的变截面撞击杆以及所述磁阻式线圈发射器同轴，且位于所述拉压共用的变截面撞击杆与磁阻式线圈发射器之间，所述带有缺口的圆筒状子弹发射时靠磁力悬浮无摩擦地套在所述拉压共用的变截面撞击杆上。进一步地，其中:所述拉压共用的变截面撞击杆是由大截面杆和小截面杆组成的一体杆件，所述微型动态拉压实验系统在进行压缩实验时，所述拉压共用的变截面撞击杆的大横截面一端通过压缩试件与所述压缩透射杆相连，所述带有缺口的圆筒状子弹发射时撞击在所述拉压共用的变截面撞击杆的截面改变处，使大截面杆一端传递压缩入射波。进一步地,其中:所述拉压共用的变截面撞击杆是由大截面杆和小截面杆组成的一体杆件，所述微型动态拉压实验系统在进行拉伸实验时，所述拉压共用的变截面撞击杆的小横截面一端通过拉伸试件直接与所述微力传感器相连，所述带有缺口的圆筒状子弹发射时撞击在所述拉压共用的变截面撞击杆的截面改变处，使小截面杆一端传递拉伸入射波。进一步地，其中:所述拉压共用的变截面撞击杆是由大截面杆和小截面杆组成的一体杆件，所述微型动态拉压实验系统在进行拉压同时实验时，所述拉压共用的变截面撞击杆的大横截面一端通过压缩试件与所述压缩透射杆相连，同时所述拉压共用的变截面撞击杆的小横截面一端通过拉伸试件与所述微力传感器相连，所述带有缺口的圆筒状子弹发射时撞击在所述拉压共用的变截面撞击杆的截面改变处，使大截面杆一端传递压缩入射波，同时使小截面杆一端传递拉伸入射波。进一步地，其中:所述预加载组件，进一步包括:超声电机定子、驱动控制器以及旋转式超声电机，其中，所述旋转式超声电机，与所述驱动控制器、超声电机定子以及微力传感器相连接，用于在预加载过程中调节所述微力传感器的位置和所述拉伸试件的预载状态；
所述驱动控制器，与所述旋转式超声电机相连接，用于控制所述旋转式超声电机的移动距离；所述超声电机定子，与所述旋转式超声电机和固定杆相连接，用于带动所述固定杆和微力传感器移动。本发明与现有技术相比，具有如下优点及突出技术效果:第一、本发明所述具有预加载微型动态拉压实验系统，采用拉压共用的变截面撞击杆一个杆件代替了传统Kolsky拉伸实验的拉伸入射杆及凸台和Hopkinson压缩入射杆，实现一杆多用，通过拉压共用的变截面撞击杆在动态拉伸和动态压缩实验中的不同作用进一步促进了动态实验装置的模块化和便利化，实现了压缩以及拉伸实验的集成，使装置可以在两种加载形式下方便的转换。第二、本发明所述具有预加载的微型动态拉压实验系统，有效的利用了磁阻式电磁发射的特点，将磁阻式线圈发射器置于拉压共用的变截面撞击杆中小横截面杆的一侧，通过带有缺口的圆筒状子弹撞击拉压共用的变截面撞击杆的截面改变处在小横截面杆中得到了反射拉伸应力波同时在大横截面杆中得到透射的压缩应力波，实现了 Hopkinson压缩应力波和Kolsky拉伸应力波的分离，首次实现一次单向发射可同时进行动态压缩和动态拉伸实验，极大的提高了装置结构的效率化。第三、本发明所述具有预加载的微型动态拉压实验系统采用了预加载组件，降低了刚度低的材料(如薄膜和纤维材料)在夹持时其呈松弛状态对于应力波传播影响，使所述微型动态拉压实验系统可以基于一维应力波的传播理论，很好的提高了实验信号的可靠性，同时减小了应力波传播过程中二维及三维弥散效应方面的影响，保证了动态拉伸实验中对于材料的完全动态加载，从而有效解决了目前薄膜和纤维材料在动态拉伸实验中应力波传播的问题。第四、本发明所述具有预加载的微型动态拉压实验系统，具有小型化的特点，是针对微小型试件尤其是薄膜和纤维材料试件的冲击加载实验而设计的，结构简单方便，成本低廉，设计巧妙。
图1是本发明实施例所述的具有预加载的微型动态拉压实验系统示意图。图2是图1中所述的具有预加载的微型动态拉压实验系统中预加载组件15的具体结构示意图。图中:1-工作台；2-空气轴承；3_压缩透射杆；4_拉压共用的变截面撞击杆；5-应变片；6_带有缺口的圆筒状子弹；7_磁阻式线圈发射器；8_微力传感器；9-固定杆；10-信号放大器；11-信号采集器；12-超声电机定子；13-驱动控制器；14-旋转式超声电机；15_预加载组件；16_压缩试件；17_拉伸试件；18_精密升降架；19_微力测试系统。
具体实施例方式本发明的目的是提供一种具有预加载的微型动态拉压实验系统，利用预加载系统和微力采集系统消除了实验中试件的松弛对于应力波传播的影响，实现了对于薄膜及纤维材料试件中基于一维应力波理论的动态力学性能实验研究。同时本发明巧妙采用了拉压共用的变截面撞击杆代替传统Kolsky拉伸实验的拉伸入射杆及凸台和Hopkinson压缩入射杆，实现一杆多用，实现了一次单向发射可同时进行动态压缩实验和动态拉伸实验。如图1所示，为本发明实施例提供的一种具有预加载的微型动态拉压实验系统示意图，所述的预加载微型动态拉压实验系统主要包括:压缩透射杆3、拉压共用的变截面撞击杆4、微力测量组件19、应变片5、磁阻式线圈发射器7以及预加载组件15 ;图2为本发明提供的预加载组件15的局部放大结构示意图，其中所述的压缩透射杆3与所述拉压共用的变截面撞击杆4通过无摩擦的空气轴承2支撑于工作台I上，所述的压缩透射杆的中部，拉压共用的变截面撞击杆大横截面杆中部，小横截面杆的中部粘贴应变片5，用于采集实验中压缩透射杆和拉压共用的变截面撞击杆中的应变信号，所述拉压共用的变截面撞击杆的变截面位置放置磁阻式线圈发射器7，所述的磁阻式线圈发射器通过精密升降架18固定于工作台上，所述的磁阻式线圈发射器出口端与拉压共用的变截面撞击杆的截面改变处相平行，磁阻式线圈发射器中放置带有缺口的圆筒状子弹6，所述带有缺口的圆筒状子弹与拉压共用的变截面撞击杆和磁阻式线圈发射器同轴，发射时通过磁悬浮无摩擦的套于拉压共用的变截面撞击杆与磁阻式线圈发射器之间，所述带有缺口的圆筒状子弹在实验中通过磁阻式线圈发射器加速并撞击拉压共用的变截面撞击杆的截面改变处产生应力波，该应力波在拉压共用的变截面撞击杆的截面改变处经反射和透射后产生分离，分别在拉压共用的变截面撞击杆的大横截面杆中产生压缩入射波，在小横截面杆中产生拉伸入射波，从而大横截面杆与压缩透射杆实现Hopkinson压缩实验，小横截面杆与为微力传感器8、预加载组件15实现Kolsky拉伸实验,带有缺口的圆筒状子弹的缺口设计用于消除其在磁阻式线圈发射器中加速时所产生的涡流减速力的影响，所述的微力测量组件19放置于所述拉压共用的变截面撞击杆的小横截面杆的末端，用于采集动态拉伸时的力学数据，包括微力传感器8、信号放大器10和信号采集器11，所述的微力传感器固定于固定杆9上，与所述的信号放大器相连接，所述信号放大器与信号采集器相连接，所述的固定杆通过精密升降架18固定于工作台上，所述的固定杆的末端与预加载组件的超声电机定子12相连，所述的预加载组件包括固定于微力传感器固定杆末端的超声电机定子12、与所述超声电机定子相连的旋转式超声电机14以及与旋转式超声电机相连的驱动控制器13，用于在实验中调节微力传感器的位置和拉伸试件的预加载状态。下面为采用本发明实施例所述的具有预加载的动态微型拉压实验系统的具体应用实施例:在进行霍普金森拉伸实验前，首先需要启动所述预加载组件进行预加载操作，具体步骤为:步骤一，首先将待测拉伸试件17固定在所述拉压共用的变截面撞击杆与微力采集组件之间，所述待测试件呈松弛状态；步骤二，调高所述旋转式超声电机14的转速，使所述固定杆9带动微力传感器进行快速移动，对所述微力传感器的位置进行粗调，并当所述待测试件处于即将拉紧状态前停止粗调动作；步骤三，降低所述旋转式超声电机的转速使微力传感器进行缓慢的移动，以此对所述微力采集组件的位置进行微调，直至所述微力采集组件出现预载力学信号，完成预载。预加载完成后，当进行拉伸实验时，具体操作如下:
首先，通过磁阻式线圈发射器将所述带有缺口的圆筒状子弹朝所述拉压共用的变截面撞击杆的大横截面方向发射出去，所述带有缺口的圆筒状子弹撞击所述拉压共用的变截面撞击杆的截面改变处在所述拉压共用的变截面撞击杆的小横截面杆中产生拉伸应力波，该拉伸应力波传播至所述待测试件中时，所述微力传感器记录应力波在所述待测试件中产生的拉伸力，得到力学数据；同时，对拉压共用的变截面撞击杆的小横截面杆中部粘贴的应变片中的应变信号进行记录并得到应变数据，从而得到应力应变数据完成对所述待测试件的动态拉伸实验。当进行压缩实验时，具体操作如下:首先，将所述待测压缩试件16放置于所述拉压共用的变截面撞击杆与压缩透射杆之间；然后，通过磁阻式线圈发射器将所述带有缺口的圆筒状子弹朝所述拉压共用的变截面撞击杆的大横截面方向发射出去(与拉伸实验发射方向相同)，所述带有缺口的圆筒状子弹撞击拉压共用的变截面撞击杆的截面改变处在大横截面杆中产生压缩波，并传播至所述待测试件中对试件实现动态压缩；之后，所述应变片记录所述拉压共用的变截面撞击杆的大横截面杆和压缩透射杆中的应变信号，通过一维应力波理论得到应变及应力数据，从而完对所述待测试件的动态压缩实验。当进行拉压同时实验时，具体操作如下:首先，将待测拉伸试件固定在所述拉压共用的变截面撞击杆与微力采集组件之间进行预加载操作。其次，预加载完成后固定拉压共用的变截面撞击杆的位置，通过移动压缩透射杆将压缩试件放置于拉压共用的变截面撞击杆和压缩透射杆之间。然后，通过磁阻式线圈发射器将所述带有缺口的圆筒状子弹朝所述拉压共用的变截面撞击杆的大横截面方向发射出去，带有缺口的圆筒状子弹通过磁阻式线圈发射器加速并撞击拉压共用的变截面撞击杆的截面改变处产生应力波，该应力波在拉压共用的变截面撞击杆的变截面处经反射和透射后产生分离，分别在拉压共用的变截面撞击杆的大横截面杆中产生压缩入射波，在小横截面杆中产生拉伸入射波，该压缩应力波传播至所述压缩待测试件中实现动态压缩实验，所述应变片记录所述拉压共用的变截面撞击杆的大横截面杆和压缩透射杆中的应变信号，通过一维应力波理论得到应变及应力数据，从而完对所述待测试件的动态压缩实验；同时该拉伸应力波传播至所述待测试件中时，所述微力传感器记录应力波在所述待测试件中产生的拉伸力，得到力学数据，拉压共用的变截面撞击杆的小横截面杆中部粘贴的应变片中的应变信号进行记录并得到应变数据，从而得到应力应变数据完成对所述待测试件的动态拉伸实验；关于磁阻式线圈发射器的原理在发明专利(申请号:201220500760.5)中已经公开，本处不再赘述。本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
权利要求
1.一种具有预加载的微型动态拉压实验系统，其特征在于:包括:工作台、精密升降架、磁阻式线圈发射器、预加载组件、空气轴承、压缩透射杆、拉压共用的变截面撞击杆、微力传感器和带有缺口的圆筒状子弹； 所述磁阻式线圈发射器和预加载组件由精密升降架与所述工作台固定连接，所述压缩透射杆和所述拉压共用的变截面撞击杆由所述空气轴承无摩擦的支撑于所述工作台上，所述空气轴承通过所述精密升降架固定安装在所述工作台上； 所述压缩透射杆和预加载组件分别布置在所述拉压共用的变截面撞击杆的两侧； 所述磁阻式线圈发射器的出口端与所述拉压共用的变截面撞击杆的截面改变处相平行， 所述微力传感器固定在所述固定杆上的靠近所述拉压共用的变截面撞击杆的一端；所述带有缺口的圆筒状子弹分别与所述拉压共用的变截面撞击杆以及所述磁阻式线圈发射器同轴，且位于所述拉压共用的变截面撞击杆与磁阻式线圈发射器之间，所述带有缺口的圆筒状子弹发射时靠磁力悬浮无摩擦地套在所述拉压共用的变截面撞击杆上。
2.按照权利要求1所述的一种具有预加载的微型动态拉压实验系统，其特征在于: 所述拉压共用的变截面撞击杆是由大截面杆和小截面杆组成的一体杆件， 所述微型动态拉压实验系统在进行压缩实验时，所述拉压共用的变截面撞击杆的大横截面一端通过压缩试件与所述压缩透射杆相连，所述带有缺口的圆筒状子弹发射时撞击在所述拉压共用的变截面撞击杆的截面改变处，使大截面杆一端传递压缩入射波。
3.按照权利要求1所述的一种具有预加载的微型动态拉压实验系统，其特征在于: 所述拉压共用的变截面撞击杆是由大截面杆和小截面杆组成的一体杆件， 所述微型动态拉压实验系统在进行拉伸实验时，所述拉压共用的变截面撞击杆的小横截面一端通过拉伸试件直接与所述微力传感器相连，所述带有缺口的圆筒状子弹发射时撞击在所述拉压共用的变截面撞击杆的截面改变处，使小截面杆一端传递拉伸入射波。
4.按照权利要求1所述的一种具有预加载的微型动态拉压实验系统，其特征在于: 所述拉压共用的变截面撞击杆是由大截面杆和小截面杆组成的一体杆件， 所述微型动态拉压实验系统在进行拉压同时实验时，所述拉压共用的变截面撞击杆的大横截面一端通过压缩试件与所述压缩透射杆相连，同时所述拉压共用的变截面撞击杆的小横截面一端通过拉伸试件与所述微力传感器相连，所述带有缺口的圆筒状子弹发射时撞击在所述拉压共用的变截面撞击杆的截面改变处，使大截面杆一端传递压缩入射波，同时使小截面杆一端传递拉伸入射波。
5.按照权利要求1至4中任一所述的一种具有预加载的微型动态拉压实验系统，其特征在于: 所述预加载组件，进一步包括:超声电机定子、驱动控制器以及旋转式超声电机，其中，所述旋转式超声电机，与所述驱动控制器、超声电机定子以及微力传感器相连接，用于在预加载过程中调节所述微力传感器的位置和所述拉伸试件的预载状态； 所述驱动控制器，与所述旋转式超声电机相连接，用于控制所述旋转式超声电机的移动距离； 所述超声电机定子，与所述旋转式超声电机和固定杆相连接，用于带动所述固定杆和微力传感器移动。
全文摘要
本发明公开了一种具有预加载的微型动态拉压实验系统，涉及一种可对薄膜或纤维等材料的动态拉伸以及对炸药单晶体等小的块体试件的动态压缩的微型实验系统。属于动态冲击实验力学技术领域。本发明将改进的Hopkinson压杆装置与微型Kolsky拉杆装置通过一个优化设计的拉压共用的变截面撞击杆巧妙的结合在一个实验台上。通过设计的预加载装置可将待测的薄膜或纤维材料试件在实验前预先拉紧，降低了实验中应力波一维传播中的误差。只用一套磁阻式线圈发射器结合圆筒状弹丸发射装置、简便的两杆件系统和预加载装置，即可实现动态拉伸和动态压缩实验。本发明装置结构紧凑、使用便捷，适于微小型试件的动态拉压力学性能研究。
文档编号G01N3/36GK103207122SQ201310128419
公开日2013年7月17日 申请日期2013年4月15日 优先权日2013年4月15日
发明者刘战伟, 于琦, 陈喜民 申请人:北京理工大学