双轴双向压缩加载装置及其方法与流程

本发明涉及材料在动态双轴双向加载下力学性能测试技术，尤其涉及一种双轴双向压缩加载装置及其方法。

背景技术：

分离式霍普金森杆实验技术是研究材料在中高应变率下力学性能的主要实验方法。这一方法的基本原理是：将短试样置于两根拉杆或者压杆之间，通过某种方式对入射杆输入压缩应力波，对试样进行加载。同时利用粘在拉杆或压杆上并距杆端部一定距离的应变片来记录脉冲信号。如果拉杆或压杆保持弹性状态，那么杆中的脉冲将以弹性波速无失真地传播。这样粘贴在拉杆或压杆上的应变片就能够测量到作用于杆端的载荷随时间变化的历程。

对于分离式霍普金森拉杆或压杆，产生入射波的普遍方式是通过气枪将撞击杆高速发射，通过与入射杆同轴撞击产生入射脉冲。这种直接撞击加载的方式产生的加载波近似为方波，上升前沿较短，且波头上叠加了由直接碰撞引起的高频分量，需通过入射波整形技术进行改进。根据一维应力波理论，即可得到材料在单轴应力状态下中高应变率的力学行为。

然而结构和材料在服役过程中受到的载荷较为复杂，常处于多轴应力状态下。目前，霍普金森杆实验技术多用于测量材料的单轴拉压行为。这是由于采用机械碰撞的方式产生入射脉冲，不同加载方向的应力波，无论是波形的幅值与脉冲宽度，还是到达试样端面对其进行加载的时间，都无法保持一致，因而动态双轴双向压缩加载实验技术难以实现。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种双轴双向压缩加载装置及其方法，以解决现有技术存在的无法实现双轴双向应力波同步压缩加载的问题。

为了解决上述问题，根据本发明实施例提出一种双轴双向压缩加载装置，其包括：包括：加载平台、控制系统和试样；所述加载平台进一步包括：波导杆装置、压缩加载装置和数据采集器；所述波导杆装置包括呈十字设置的四根方形波导杆，所述四根波导杆设置于同一个水平面且相邻的波导杆相互垂直；所述压缩加载装置包括四台压缩加载枪，所述四台压缩加载枪一一对应设置于所述四根波导杆的远端；所述数据采集器用于采集各波导杆产生的应变信号；所述试样为带倒角的方形形状，所述试样被夹持于各波导杆的近端；所述控制系统进一步包括：充放电模块和电容器组模块；所述充放电模块与所述电容器组模块连接，用于对所述电容器组模块进行充放电；所述电容器组模块用于对所述压缩加载装置进行放电；其中，所述压缩加载枪用于生成压缩应力波，所述压缩应力波由波导杆的远端向所述试样传播，以使在横向和纵向对称加载所述试样。

其中，所述压缩加载装置包括：二台纵向压缩加载枪，用于在纵向对称加载所述试样；二台横向压缩加载枪，用于在横向对称加载所述试样；其中，所述二台纵向压缩加载枪和所述二台横向压缩加载枪设置于同一个水平面，且同一轴向的压缩加载枪产生的压缩应力波的幅值和脉宽相同，而不同轴向的压缩加载枪产生的压缩应力波的幅值和脉宽不相同。

其中，所述加载平台还包括：应变片，其设置在各波导杆的中间位置处，所述应变片采集各波导杆的应变信号并将所述应变信号发送至所述数据采集器。

其中，所述控制系统还包括：延时信号发生器，用于控制各压缩加载枪同时产生压缩应力波。

其中，所述试样的加载接触面与波导杆的截面积相同。

其中，所述试样的材料为纯铜。

根据本发明实施例还提出一种双轴双向压缩加载方法，其包括：

将四根方形波导杆呈十字设置，其中所述四根波导杆于同一个水平面且相邻的波导杆相互垂直；

在四根波导杆的近端夹持带倒角的方形试样；

在四根波导杆的远端一一对应设置四台压缩加载枪；

设置电容器组模块对所述四台压缩加载枪进行放电，所述压缩加载枪生成压缩应力波，所述压缩应力波由波导杆的远端向所述试样传播，在横向和纵向对称加载所述试样；

采集各波导杆产生的应变信号，根据所述应变信号计算所述试样的内部的横向/纵向应力。

其中，各压缩加载枪同时产生压缩应力波。

其中，同一轴向的压缩加载枪产生的压缩应力波的幅值和脉宽相同；不同轴向的压缩加载枪产生的压缩应力波的幅值和脉宽不相同。

其中，所述应变信号包括：入射波信号、反射波信号、透射波信号。

根据本发明的技术方案，通过采用电磁加载技术，合理设计波导杆与试样的外形尺寸，采用四台压缩应力波加载枪及相应的方形波导杆，实现了电磁霍普金森杆的双轴双向动态压缩加载。实验操作简单，通过实验参数的选择，即可在不同加载方向上得到预期脉冲幅值和宽度的应力波，实现不同加载路径下的应力-应变曲线，可控性强。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的双轴双向压缩加载装置的示意图；

图2是根据本申请实施例的双轴双向压缩加载方法的流程图。

【符号说明】

1控制模块

2主电路充放电模块

3横向电容器组

4纵向电容器组

5.数据采集器

6横向加载枪

7纵向加载枪

8应变片

9波导杆

10试样

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。

图1是根据本发明实施例的双轴双向压缩加载装置的示意图，其包括：加载平台、控制系统和试样；所述控制系统包括控制模块1、主电路充放电模块2、电容器组模块(横向电容器组3、纵向电容器组4)；所述加载平台包括：数据采集器5、横向加载枪6、纵向加载枪7、波导杆9。

在实施例中，控制模块1主要包括：电路板、plc、触摸屏、同步变压器、脉冲变压器、电磁继电器、延时信号发生器等。其中，西门子s7-200smart系列plc和西门子smart1000ie触摸屏，作为加载控制模块的核心，用于实现对整个电磁加载工作流程的控制。所述延时信号发生器可以采用stanfordresearchsystems公司的dg645数字延时脉冲发生器，根据对触发电平的延迟时间设置，精确控制放电时间，控制各加载枪同时产生压缩应力波。

主电路充放电模块2主要由充电电路和放电电路两部分组成，用于对电容器组进行充放电。充电电路中，变压器可将380v电压升压到最大3000v，经过整流对电容器组进行充电，当电容器组电压达到设定电压值后充电电路停止充电。放电电路中，延时信号脉冲触发真空接触器导通，电容器组对放电线圈瞬间放电，产生电磁力。所述电路通过设置充电电压值，能够大范围控制应力波的幅值。

电容器组模块包括横向电容器组3和纵向电容器组4，分别用于横向加载枪和纵向加载枪的放电加载。在本例中，横向电容器组和纵向电容器组中各有8个脉冲电容和5个放电可控硅。脉冲电容器的额定电压为4000伏，额定电容为2000微法，通过串并联组合成五个不同的电容幅值的档位，以满足不同脉宽幅值加载波的需求。每个档位电容量固定，直接通过控制模块选择，避免实验过程中反复更换电容器的连接方式以改变电容量大小。纵向、横向两路加载线路采用相同的元器件布置，通过放电可控硅控制电容器放电，所述电容器组及放电可控硅安装在电容柜中，放电电流输出至加载枪主线圈。

加载平台主要包括数据采集器5、横向加载枪6、纵向加载枪7、波导杆9。所述加载枪主要由主线圈、次级线圈组成。本实施例中，加载平台所使用的波导杆9均为钛合金杆，杆长度可为2m，截面形状为边长10mm的正方形，一端通过定位筒与加载枪连接固定，另一端为平整光滑平面与试样10接触。所述试样采用一种带倒角的方形试样，材料为纯铜，试样整体略大于波导杆截面，但各个加载接触面与波导杆截面积完全相同，所述试样可以避免波导杆在压缩加载的过程中侵入试样甚至于不同方向的波导杆产生碰撞接触。数据采集器5采用德国hbm公司制造的gen3i，所述数据采集器具有较好地干扰屏蔽能力，采用差分法可以屏蔽放电过程中产生的脉冲磁场干扰。

本申请通过采用四台电磁加载枪从四个方向对试样进行应力波加载，横向加载与纵向加载相互垂直布置，同一轴向产生的应力波幅值、脉宽相同；采用数字信号延时发生器，基本消除了双轴双向霍普金森杆不同方向的应力波产生存在时间差，尤其是横向加载与纵向加载之间的时间差，从而实现材料的动态双轴双向的同步压缩加载。

所述双轴双向电磁霍普金森杆加载装置的实验过程包括以下步骤：

步骤1.设置器材。

将横向加载枪6与波导杆、纵向加载枪7与波导杆分别按加载枪-波导杆-波导杆-加载枪的同轴顺序安装在实验台上，并使各波导杆仅在轴线方向能够自由移动。将双轴压缩试样10夹持于各波导杆之间，并使试样轴线与波导杆同轴。试样与波导杆接触面上均匀地涂抹润滑剂，减小界面摩擦阻力，减少对试样变形的约束。应变片8的粘贴方法具体为，在横向与纵向各波导杆的1/2长度处的平整表面上粘贴。粘贴应变片时，以波导杆轴线为对称轴，将两片参数完全相同的应变片对称粘贴在波导杆表面，应变片测量方向与所贴杆的轴线方向相同。本实施例中可采用电阻值为1000欧，灵敏系数为2.0的应变片；在应变片的引脚上焊接应变片引线，并将所述应变片分别通过引线接入到惠斯通半桥的两个相对桥臂中。所述惠斯通半桥中的另外两臂上的固定电阻均为1000欧。惠斯通半桥的供电电压为30伏直流电压。将惠斯通半桥的两个对角电压通过两根常规的双芯屏蔽信号线输入给数据采集器5。

步骤2.实验参数设定。

启动实验系统控制模块，通过触摸屏设定实验参数。根据实验使用加载脉冲宽度，分别选择横向和纵向加载电路中电容器组的电容量为amf和bmf，所述a和b分别为所需的电容幅值档位；根据实验使用加载波的幅值，分别输入横向和纵向电路的充电电压值xv和yv，所述的x和y分别为所需的电压值，且在脉冲电容器的额定电压内。所述设置可保证同一轴向得到的两列加载波波形一致。同时根据设备调试设好数字延时信号发生器的延迟时间，将先产生应力波的方向时间延迟设定为tμs，所述t为实验调试时率先产生的应力波与相对滞后产生的应力波之间的时间差，从而保证各加载枪的应力波同时产生对试样进行双轴双向加载。

步骤3.系统充放电产生应力波。

参数设定完毕后，启动充电选项，对脉冲电容器组进行充电，达到设定充电电压后自动停止充电，脉冲电容器组的充电电压不再升高。电容器充电完成后，启动放电开关使电容器组对各加载枪的主线圈放电。放电电流流经横向加载枪和纵向加载枪的主线圈时，横向次级线圈与横向主线圈、纵向次级线圈和纵向主线圈之间由于电磁感应而产生极强的电磁斥力。由于电容器组放电时间比较短，放电电流强，该瞬间产生电磁斥力在波导杆输入端形成一个历时短、幅值大的入射应力波。横向应力波与纵向应力波分别由波导杆远端向试样传播，同时到达试样端面对试样进行加载。当该压缩入射波传至波导杆与试样接触面时，由于波阻抗不匹配，该压缩入射波的一部分被反射，在波导杆中形成反射波，另一部分则通过试样透射入另一同轴波导杆中形成透射波，该透射波与同轴波导杆上的形成的反射波相互叠加。所述反射波和透射波的形状和幅值是由试样材料性质决定的。

步骤4.实验数据采集和处理。

波导杆上的应变片分别将四根杆上的应变变化转换为电阻变化，进而转换为惠斯通半桥的两个桥臂输出电压变化，所述电压变化通过两根常规的屏蔽信号线输入到数据采集器中。根据惠斯通电桥公式，可以推算出波导杆应变信号为：

ε＝2δu/(u0-δu)/k(1)

其中，ε为应变信号，u0为惠斯通半桥的供电电压，k为应变片的灵敏度系数，δu为惠斯通半桥的桥臂电压随时间的变化值。

在实验加载过程中，应变片先采集到加载枪产生的入射波。在试样端面产生反射波后，反射叠加波传回应变片并被采集到。由于横向与纵向的加载相互垂直，忽略横向与纵向加载之间应力波的干涉，利用数据采集器记录的入射波信号、反射波-透射波叠加信号，采用一维应力波理论可解得横向/纵向试样内部的应力为：

其中，σs为试样内部横向/纵向应力，e为波导杆的弹性模量，a为波导杆的横截面积，as为试样与加载方向对应的横截面积，εi1为某一波导杆上的入射波信号，εr1为该波导杆上反射得到的反射波信号，εt2为该波导杆上的透射波信号。

而对于试样内部的应变，在试样表面粘贴应变片直接测量试样上的应变；或者利用高速摄像机，采用dic(digitalimagecorrelation，数字图像相关)技术来计算试样内部的应变，同时对试样裂纹扩展和变形破坏过程进行观察和记录。

通过常规的数据处理即可得到试样双轴双向压缩实验的结果曲线：根据公式(2)计算的试样应力与测量所得的试样应变，将试样的横向应变作为x轴，横向应力作为y轴画图，得到试样横向压缩加载的应力-应变曲线；将试样的纵向应变作为x轴，纵向应力作为y轴画图，得到试样纵向压缩加载的应力-应变曲线。

步骤5.更改加载比例

更改步骤2中电压电容参数(a，b，x，y)的设置，改变横向与纵向应力波的幅值比例，使试样处于不同比例的加载条件和应力状态下。重复上述步骤即可获得试样材料在不同比例加载下的压缩应力-应变曲线，实现不同路径的压缩加载。

本申请通过采用合适的波导杆及试样构型，使实验过程中的试样处于双轴应力状态，可由波导杆上的应力波信号推导得到试样内应力的计算公式，结合应变测量，即可得到双轴压缩加载下横向、纵向的应力-应变曲线。

参考图2，是根据本申请实施例的双轴双向压缩加载方法的流程图，其包括：

步骤s202，将四根方形波导杆呈十字设置，其中所述四根波导杆于同一个水平面且相邻的波导杆相互垂直；

步骤s204，在四根波导杆的近端夹持带倒角的方形试样；

步骤s206，在四根波导杆的远端一一对应设置四台压缩加载枪；

步骤s208，设置电容器组模块对所述四台压缩加载枪进行放电，所述压缩加载枪生成压缩应力波，所述压缩应力波由波导杆的远端向所述试样传播，在横向和纵向对称加载所述试样；

步骤s210，采集各波导杆产生的应变信号，根据所述应变信号计算所述试样的内部的横向/纵向应力。

本发明的方法的操作步骤与装置的结构特征对应，可以相互参照，不再一一赘述。

本发明采用电磁加载技术，合理设计波导杆与试样的外形尺寸，采用四台压缩应力波加载枪及相应的方形波导杆，实现了电磁霍普金森杆的双轴双向动态压缩加载。实验操作简单，通过实验参数的选择，即可在不同加载方向上得到预期脉冲幅值和宽度的应力波，可实现不同的加载路径，可控性强。

本领域技术人员应明白，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。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。