三轴双向压缩加载方法及其系统与流程

本发明涉及材料在动态三轴双向加载下的力学性能测试技术，尤其涉及一种三轴双向压缩加载方法及其系统。

背景技术：

在实际应用中，工程材料与结构往往受到各种形式的载荷作用。其中很多载荷的作用时间都在毫秒、微秒甚至纳秒量级。材料在遭受这种作用时间非常短的载荷时，所表现的力学性能与准静态条件下的材料力学性能有所不同。而材料在遭受这种冲击载荷时，自身的应力状态是十分复杂的，所承受的载荷随着时间历程也有着显著变化。因此，研究高应变率下材料承受多轴复合加载时的测试技术具有较高的科研和应用价值。

霍普金森杆实验装置是测量材料在高应变率下的力学性能时，使用最广泛的实验技术之一。这种技术的基本原理是：将一个短试样置于两根细长杆之间对试样进行加载。通过在两根细长杆上所测得的脉冲信号，来计算出试样所受到的载荷以及试样自身的形变，从而得到试样材料的动态力学性能。

利用霍普金森杆来实现材料的三轴复合加载，基本原理是将三组单轴的霍普金森杆实验装置进行组合，每组霍普金森杆对试样施加一个轴向的应力波，通过将三组不同轴向的应力波同时对试样进行加载，最终得到材料在三轴应力状态下的动态力学性能。由于每个轴向的霍普金森杆的应力波发生装置是相互独立的，因此不同轴向的应力波如何同时对试样进行同时加载就是一个非常重要的问题。但目前的传统霍普金森杆都是通过机械加载的方式来产生应力波，这就使得应力波的产生时间不能精确的控制。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种三轴双向压缩加载方法及其系统，以解决现有技术存在的无法实现三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三轴双向压缩加载方法，其包括：

按照空间直角坐标系设置三组压缩装置；其中，所述三组压缩装置中任意之二在轴向上相互垂直；其中，每组压缩装置分别包括压缩应力波发生器和压缩杆；

通过所述三组压缩装置夹持试样，所述试样为具有倒边的立方体；

每组压缩装置的压缩应力波发生器同时生成压缩应力波，所述压缩应力波由压缩杆的远端向所述试样传播，以同时在三轴对称加载所述试样；

采集各压缩杆产生的应变信号，根据所述应变信号计算所述试样的内部的应力。

其中，每组压缩装置按照压缩应力波发生器、压缩杆、压缩杆、压缩应力波发生器的顺序同轴布置；其中，所述压缩杆仅在轴线方向运动。

其中，还包括：设置用于确定压缩杆的轴向位置的校准夹具；其中，所述校准夹具为具有内部空间的立方体，该立方体的六个面的中心位置分别具有开口，所述开口的面积与压缩杆的横截面的面积相适应；将所述试样放入所述校准夹具的内部空间，通过所述通孔将压缩装置的压缩杆插入所述校准夹具以夹持所述试样。

其中，所述校准夹具的内部空间为立方体，该立方体的边长为所述试样的边长的2倍以上。

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。

根据本发明实施例还提出一种三轴双向压缩加载装置，其包括：

三组压缩装置，其按照空间直角坐标系设置；其中，所述三组压缩装置中任意之二在轴向上相互垂直；其中，每组压缩装置分别包括压缩应力波发生器和压缩杆；

试样，其为具有倒边的立方体，所述试样被所述三组压缩装置夹持；其中，每组压缩装置的压缩应力波发生器同时生成压缩应力波，所述压缩应力波由压缩杆的远端向所述试样传播，以同时在三轴对称加载所述试样；

数据采集器，用于采集各压缩杆产生的应变信号，从而根据所述应变信号计算所述试样的内部的应力。

其中，每组压缩装置按照压缩应力波发生器、压缩杆、压缩杆、压缩应力波发生器的顺序同轴布置；其中，所述压缩杆仅在轴线方向运动。

其中，还包括：校准夹具，其用于确定压缩杆的轴向位置；其中，所述校准夹具为具有内部空间的立方体，该立方体的六个面的中心位置分别具有开口，所述开口的面积与压缩杆的横截面的面积相适应；其中，将所述试样放入所述夹具的内部空间，通过所述通孔将压缩装置的压缩杆插入所述夹具以夹持所述试样。

其中，所述校准夹具的内部空间为立方体，该立方体的边长为所述试样的边长的2倍以上。

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，合理设计三个轴向加载应力波加载系统，采用六台压缩应力波发生器及相应的压缩杆，实现了电磁霍普金森杆的三轴双向动态压缩加载，实现了同时在三轴对称加载试样。本申请操作简单，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三轴双向压缩加载装置的示意图；

图2是根据本发明实施例的试样的示意图；

图3a是根据本发明实施例的校准夹具的立体示意图；

图3b是根据本发明实施例的校准夹具的一个部分的立体示意图；

图3c是根据本发明实施例的校准夹具的一个部分的俯视图；

图4是根据本发明实施例的试样、校准夹具与压缩杆的排布示意图；

图5是根据本发明实施例的三轴双向压缩加载方法的流程图；

图6是根据本发明实施例的霍普金森杆三轴压缩加载实验中单个轴向的结构示意图。

【符号说明】

1压缩应力波发生器

2压缩杆

3校准夹具

31开口

32螺孔

4试样

5应变片

6惠斯通电桥

7数据采集器

8应力波同步装置

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。

根据本申请实施例提供一种三轴双向压缩加载装置，所述装置用于在三个轴向上对试样进行加载，从而得到材料在三轴应力状态下的动态力学性能数据。

根据本申请实施例的三轴双向压缩加载装置至少包括：三组压缩装置、试样、数据采集器，下面详细描述。

参考图1，所述三组压缩装置按照空间直角坐标系进行设置，即将三组压缩装置分别设置在空间直角坐标系的x轴、y轴和z轴，其中，所述三组压缩装置中任意之二在轴向上相互垂直。

在实施例中，所述压缩装置可以是单轴双向加载霍普金森杆，如图1所示，其中每一组压缩装置均包含两个压缩应力波发生装置1与两根压缩杆2。每组压缩装置按照压缩应力波发生器1、压缩杆2、压缩杆2、压缩应力波发生器1的顺序同轴布置；其中，所述压缩杆2仅能够在轴线方向移动。

三组不同轴向的压缩装置同时产生压缩应力波并对试样进行同步加载。在空间直角坐标系的原点设置试样，所述试样被所述三组压缩装置夹持。所述三组压缩装置共包含六根长度相同的压缩杆，压缩杆的远端与压缩应力波发生器连接、近端与试样接触。其中压缩杆截面均为正方形，正方形的边长可以为10mm，压缩杆的长度可以为2m。

压缩应力波发生器的原理是通过电源给一个电能储存释放器进行充能，然后通过开关，使电能储存释放器在充电和放电两个状态之间进行转换，从而产生瞬时的强电流，使加载枪获得瞬时载荷，所述载荷传递给波导杆后形成压缩应力波。在实施例中，所述压缩应力波发生器1包括：电源、压缩波电容充电器和压缩波加载枪。压缩波电容充电器采用现有电磁铆接设备的供电部分，并将所述电容充电器的输出的正极输出线与压缩波加载枪的正极线相接，负极输出线与压缩波加载枪的负极线相接。压缩波电容充电器由电容器箱与控制箱组成。其中电容器箱均包含一个电容器组和电子开关。压缩波电容充电器的电容器组由10个脉冲电容器并联组成，所述脉冲电容器的额定电压为1000v，电容值为200微法。所述控制箱包括plc及其控制系统。控制系统主要由模拟控制部分、数字控制部分以及数字显示部分组成。其中模拟控制部分可以采用siemens公司的tca785芯片；数字控制部分可以由西门子的s7-200系列及西门子模拟输入输出扩展模块em235组成。充电电压控制主要是通过电压环和电流环的pid控制方式实现。数字显示部分可以通过s7-200系列文本显示器td200组成。

由于不同轴向的三组压缩应力波发生器之间是相互独立的，为了使三组压缩应力波发生器同时生成压缩应力波，因此需要采用应力波同步装置，该装置产生一个开关信号，使三组压缩应力波发生器中的电能储存释放器同时放电，从而同时产生三组不同轴向的压缩应力波对试样进行加载。应力波同步装置通过导线同时与六个压缩应力波发生器的电容器组相连接，作为一个开关信号发生器，来替代压缩波电容充电器的电子开关。在实施例中，应力波同步装置可以采用美国srs公司的dg645型号数字延时发生器。

在本申请实施例中，电源均采用380v的工业三相交流电。

参考图2和图4，所述试样4为具有倒边的立方体，立方体的六个面为加载的接触面，加载接触面之间具有倒边，加载接触面的边长可以为10mm，也就是说，即试样的加载接触面与波导杆的截面的面积相等，这样，六个波导杆的近端与六个加载接触面接触以加持所述试样。每组压缩装置的压缩应力波发生器同时生成压缩应力波，所述压缩应力波由压缩杆的远端向所述试样传播，以同时在三轴对称加载所述试样。

在对试样进行加载的过程中，通过数据采集器采集各压缩杆产生的应变信号，从而根据所述应变信号计算所述试样的内部的应力。

参考图1、图3a至图3c和图4，为确定压缩杆的轴向位置，在本申请中使用一校准夹具3对六根压缩杆的轴向位置进行校准。如图3a所示，所述校准夹具3为具有内部空间的立方体，在立方体的六个面的中心位置分别具有开口31，所述开口的面积与压缩杆的横截面的面积相适应，也就是说，压缩杆能够通过开口，并且在压缩杆和开口间没有明显的缝隙，这样就能够对压缩杆的轴向位置进行校准，使所述三组压缩装置中任意之二在轴向上相互垂直。在实施例中，为了更方便地组装固定压缩杆(霍普金森杆)，校准夹具可以由完全相同的两个部分组成，参考图3b，是其中一个部分的立体示意图，图3c是图3b的俯视图。待六根压缩杆均固定好位置并加持所述试样后，通过螺栓和螺孔32将两部分连接起来组成校准夹具。通过设置校准夹具确定并校准压缩杆的轴向位置，能够准确及快速地安装压缩杆，并能在实验过程中始终保持压缩杆的轴向位置。

在加持所述试样时，试样位于所述校准夹具的内部空间，压缩装置的压缩杆通过所述开口插入所述校准夹具夹持住所述试样。其中，所述校准夹具的内部空间为立方体，并且该立方体的边长为所述试样的边长的2倍以上。

参考图5，根据本申请实施例的三轴双向压缩加载方法包括以下步骤：

步骤s502，按照空间直角坐标系设置三组压缩装置；其中，所述三组压缩装置中任意之二在轴向上相互垂直；其中，每组压缩装置分别包括压缩应力波发生器和压缩杆；

步骤s504，通过所述三组压缩装置夹持试样，所述试样为具有倒边的立方体；

步骤s506，每组压缩装置的压缩应力波发生器同时生成压缩应力波，所述压缩应力波由压缩杆的远端向所述试样传播，以同时在三轴对称加载所述试样；

步骤s508，采集各压缩杆产生的应变信号，根据所述应变信号计算所述试样的内部的应力。

下面结合图6详细描述上述处理的细节。

步骤1，设置装置。

将六个压缩应力波发生器1与六根压缩杆2分为三组，分别称为为x组、y组和z组(分别对应空间直角坐标系的x轴、y轴和z轴)。其中每一组均包含两个压缩应力波发生器1与两根压缩杆2。在每一组中，按照应力波发生器1、压缩杆2、压缩杆2、应力波发生器1以同轴顺序依次安装在实验台上，并使所述压缩杆2仅在轴线方向能够自由移动，每一组均可为一个标准的单轴双向加载霍普金森杆实验装置。x组、y组和z组间杆轴向相互垂直。

在实施例中，可以分别将x组、y组的四根压缩杆2插入校准夹具3中，再将试样4放入校准夹具3中，最后将z组的两根压缩杆2插入校准夹具3中，从而保证三组压缩杆2间的轴向对准，最后通过螺栓将校准夹具3的两部分连接为一个校准夹具3。其中试样采用一个含倒边的立方体试样。x组、y组和z组中的各压缩杆2端面分别与试样4的x方向面、y方向面和z方向面相贴合。

步骤2，粘贴应变片。

其中所粘贴的应变片5分为三组，分别称为x组应变片5、y组应变片5和z组应变片5，分别用于测量x组、y组和z组压缩杆2的应变信号。每一组应变片5中均包含有四片应变片5，四片应变片5的参数完全相同，其中两片对称粘贴于同组一根压缩杆1/2长度处的表面，应变片5测量方向应与所贴杆轴线方向相同，另外两片对称粘贴在同组另一根压缩杆1/2长度处的表面，应变片5测量方向应与所贴杆轴线方向相同。将所述应变片5的引线采用双芯屏蔽线接入惠斯通电桥6中。同时，所述的惠斯通电桥6输出信号采用双芯屏蔽线接入数据采集器7的输入端。

步骤3，加载实验及数据采集。

分别对x组压缩应力波发生器1、y组压缩应力波发生器1和z组压缩应力波发生器1的电容充电器进行充电，充电电压不得高于各组电容充电器的额定电压。待电充满后，在应力波同步装置8中设定产生压缩应力波的时间。应力波同步装置8同时向x组压缩应力波发生器1、y组压缩应力波发生器1和z组压缩应力波发生器1发送开关信号，此时x组压缩应力波发生器1、y组压缩应力波发生器1和z组压缩应力波发生器1的电容充电器同时在应力波同步装置所设定的时间放电。

以x组实验装置为例，在x组压缩应力波发生器1中，电容充电器同时对两个压缩加载枪的主线圈放电，从而使锥形放大器与主线圈之间产生电磁斥力，所述电磁斥力在锥形放大器内部表现为压缩应力波，所述应力波在被锥形放大器放大后形成压缩入射波传入两根压缩杆2，当压缩入射波传至压缩杆2和试样4的接触面时，由于波阻抗不匹配，压缩入射波的一部分被反射，在压缩杆2中形成压缩反射波；另一部分则通过试样4透射进入同组另一压缩杆2中，形成压缩透射波。所述压缩反射波和压缩透射波的形状与幅值是由试样材料的性质决定的。由于应变片5与惠斯通电桥6相连接，应变片5中的应变信号转换为惠斯通电桥6的桥臂电压变化，数据采集器7通过信号线与惠斯通电桥6连接，所述数据采集器7采用差分法输入以抵消电磁干扰。数据采集器7将惠斯通电桥6的桥臂电压变化记录并存储。其中压缩杆甲上沿杆轴线粘贴的应变片组5将压缩杆甲的入射波信号vxi1、反射波信号vxr1和压缩杆乙的透射波信号vtr2记录下来；压缩杆乙上沿轴线粘贴的应变片组5将压缩杆乙的入射波信号vxi2、反射波信号vxr2和压缩杆甲的透射波信号vxt1记录下来(压缩杆甲、乙为x组压缩装置的两根压缩杆)。然后将数据采集器7记录的电压信号转化为杆上的应变信号，具体公式为：

ε＝2v/k/(u-v)(1)

其中，ε为应力波的应变信号，u为惠斯通电桥6的供电电压，k为应变片灵敏度系数，v是数据采集器7记录的应力波信号的电压值。

通过公式(1)，压缩杆甲的入射波信号vi1转化为入射波应变信号εi1、反射波信号vr1转化为压缩反射波应变信号εr1、透射波信号vt1转化为压缩透射波应变信号εt1；压缩杆乙的入射波信号vi2转化为入射波应变信号εi2、反射波信号vr2转化为压缩反射波应变信号εr2、透射波信号vt2转化为压缩透射波应变信号εt2。对于单轴双向压缩实验装置，利用一维弹性应力波传播理论，对杆中的应变信号进行处理，公式如下：

其中，为试样4的压缩应变率，εs为试样4的压缩应变，σs为试样4的压缩应力，c0是压缩杆2的压缩波波速，ls是试样4的标距段长度，a是压缩杆2的横截面积，as是试样4的横截面积，e是压缩杆2的杨氏模量。

数据处理完成后，以εs为x轴、σs为y轴作图就可得到试样4在x方向的应力应变曲线；以时间t为x轴、以为y轴就可得到试样4在x方向的时间-应变率变化曲线。

同理，根据上述过程，可以得到试样4在y方向和z方向的应力应变曲线与时间-应变率变化曲线，不再赘述。

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。