一种机电组合加载式霍普金森扭杆的制作方法

技术领域：

本发明属于材料动态力学性能实验设备技术领域，具体涉及一种机电组合加载式霍普金森扭杆。

背景技术：
：

分离式霍普金森杆是一种研究一维应力状态下材料动态力学性能的有效实验装置。与霍普金森压杆和拉杆相比，霍普金森扭杆特别适用于研究动态剪切、纯剪切状态下的材料力学性能，且在杆中不存在径向惯性效应。利用霍普金森扭杆动态扭转试验最接近于一维应力波假设，再者，弹性杆中的扭转波传播不会发生弥散。在70年代t.nicholas等人发明了预贮能型分离式霍普金森扭杆。所谓预贮能型分离式霍普金森扭杆是将扭转入射杆一分为二。杆一端有便于加外力矩(载荷)的旋转头，另一端则与试件相连(此段称为预扭段)。在两段分界处用一抱紧式夹具(其中主要件是一中部开有环状v形槽的螺栓)将杆夹住，阻止其转动。用千斤顶或其它装置将旋转头旋转从而对预扭段扭转加载，在这一段上预贮扭转变形能。当预贮能量值达到实验者期望值时，实验者迅速释放夹持机构，预加载段的能量(应力、应变)以波的形式传向入射杆的未加载段形成扭转加载波。采用这种方式的主要不足之处有：

1.夹紧装置很难将杆完全夹住而不发生转动，往往在加载过程中要不断去加强夹紧力(进一步拧紧螺栓)，以阻止旋转滑动。在此过程中常常会发生螺栓突然断裂，致使该次实验失败。

2.这种预贮能式扭杆在实验时通过拧断中部开有环状v形槽的螺栓释放夹具，而拧断螺栓的过程具有很大的随机性，严重影响波形的实验条件的重复性。

1971年，duffy等提出了一种新颖的爆炸加载方式。在入射杆加载端两侧对称(同直径上)固连两片旋转叶片，两组炸药包分别对称布置于两旋转叶片的同一侧。加载时，两包炸药通过导火索的并联实现同时点燃，爆炸产生的冲击力相当于对加载杆施加一对力偶，形成扭转波，完成动态扭转荷载的瞬时加载。爆炸冲击加载与预加扭矩加载方式相比，可以避免夹具压力不易控制、实验容易失败的问题，并且爆炸加载亦具有瞬时性的特点，能够大大降低应力波前沿升时，但也存在明显短板：(1)由于炸药成份、数量不易精确控制和炸药受潮等不可预测因素的影响，加载扭矩无法精确控制，实验重复性差；(2)爆炸加载过程中，试件实际上是受到变应变率加载作用，即常用爆炸加载方式难以保证常应变率加载。因此，该种方法也未得到广泛应用。

2013年姜锡权等发明了t形分离式霍普金森扭杆，这种发明几乎克服了预贮能式扭杆的所有缺点。但是因为结构原因，在转换装置中不可避免地产生复杂的弯曲波，这种弯曲波又难以消除，会传入到扭转入射杆中。另外，对于大直径(如1000mm)的扭杆，因波在杆横截面上传播需要较长时间，与此同时，波已沿轴向传开，导致扭转入射波的上升沿不可能陡峭，影响了实验应变率的提高。

2015年方秦等发明了飞轮式霍普金森扭杆，解决了t形分离式霍普金森扭杆加载不对称引起的弯曲波问题及因杆(管)横截面过大引起的扭转入射波的上升沿不可能陡峭的问题。但是由于飞轮与入射杆端面接触是通过轴向移动的方式，力矩传递需要面面之间的摩擦力完成，由于从开始接触到完全接触(面面之间没有相对运动)需要一定的时间，这就使得这种方式产生的扭转脉冲上升沿过长，不能满足常规的霍普金森扭杆的要求。

技术实现要素：

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种机电组合加载式霍普金森扭杆。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种机电组合加载式霍普金森扭杆，包括：支架部分，所述支架部分包括基础支架，基础支架上设有轨枕；

导轨，所述导轨架设在轨枕上，所述导轨上设有中心支架；

扭转入射杆；

扭转透射杆；

其中，所述扭转入射杆和扭转透射杆通过设在导轨上的中心支架固定在导轨上，扭转入射杆和扭转透射杆之间放置试件组合体；

所述导轨靠近扭转入射杆的一端设有动力系统，具体为：蓄能器、轴向强力对接系统、旋转动力加载与控制系统、旋转储能与释放系统、周向快速加载系统和扭转脉冲整形器依次连接在一起，所述扭转脉冲整形器与扭转入射杆连接。

优选的，轴向强力对接系统、旋转动力加载与控制系统和旋转储能与释放系统刚性连接在一起。

优选的，所述基础支架下设有调整地脚。

优选的，所述轴向强力对接系统、旋转动力加载与控制系统、旋转储能与释放系统和周向快速加载系统底部设有可调底座，通过可调底座设置在导轨上。

优选的，所述周向快速加载系统包括扭转脉冲输出轴和无轴内圆盘，

所述无轴内撞圆盘为内凹圆盘；

所述扭转脉冲输出轴一端具有外凸拨叉，无轴内撞圆盘悬浮支撑于扭转脉冲输出轴外周，无轴内撞圆盘旋转会周向撞击扭转脉冲输出轴的外凸拨叉，在扭转脉冲输出轴中形成动态扭转脉冲。

优选的，所述周向快速加载系统还包括旋转剩余动能吸收系统。

优选的，所述扭转脉冲整形器为一两端配有法兰的薄壁圆筒结构，将扭转脉冲输出轴中的扭转脉冲整形成试验所需要的扭转脉冲。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

本发明中，无轴内撞圆盘旋转撞击扭转脉冲输出轴，在扭转脉冲输出轴中产生一个瞬态的扭转(剪应力)脉冲，通过脉冲整形器，直接给入射杆端施加一个所需的脉冲扭矩，弥补了现有预贮能型分离式霍普金森扭杆、炸药驱动的霍普金森扭杆装置和t形霍普金森扭杆装置、飞轮式霍普金森扭杆装置的诸多不足之处，大大减小了实验难度、极大地提高了实验效率。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式中予以详细说明。

附图说明:

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1为本发明提供的机电组合加载式霍普金森扭杆的正视图，图2为图1中c-c截面的剖面图；

图中标号说明：1.蓄能器，2.轴向强力对接系统，3.旋转动力加载与控制系统，4.旋转储能与释放系统，5.周向快速加载系统，5-1旋转剩余动能吸收系统，5-2扭转脉冲输出轴，5-3无轴内撞圆盘，6.扭转脉冲整形器，7.扭转入射杆，8.中心支架，9.试件组合体，10.扭转透射杆，11.导轨，12.轨枕，13.基础支架，14.调整地脚，15.可调底座1，16.可调底座2，17.可调底座3。

具体实施结构:

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1-2，一种机电组合加载式霍普金森扭杆，包括1.蓄能器，2.轴向强力对接系统，3.旋转动力加载与控制系统，4.旋转储能与释放系统，5.周向快速加载系统，6.扭转脉冲整形器，7.扭转入射杆，8.中心支架，9.试件组合体，10.扭转透射杆，11.导轨，12.轨枕，13.基础支架，14.调整地脚，15.可调底座1，16.可调底座2，17.可调底座3。

所述周向快速加载系统包括5-1旋转剩余动能吸收系统，5-2扭转脉冲输出轴，5-3无轴内撞圆盘；

所述无轴内撞圆盘为内凹圆盘；

所述扭转脉冲输出轴一端具有外凸拨叉，无轴内撞圆盘悬浮支撑于扭转脉冲输出轴外周，无轴内撞圆盘旋转会周向撞击扭转脉冲输出轴的外凸拨叉，在扭转脉冲输出轴中形成动态扭转脉冲。

所述扭转脉冲整形器为一两端配有法兰的薄壁圆筒结构，将扭转脉冲输出轴中的扭转脉冲整形成试验所需要的扭转脉冲。

首先在蓄能器中充一定压力的高压气体，随时准备释放以推动2、3、4部件组合体。电力启动旋转动力加载与控制系统3，并带动旋转储能与释放系统4作高速旋转运动，储存一定量的转动动能。然后释放蓄能器1中的高压气体，推动2、3、4部件组合体作快速轴向移动，撞击并挂接无轴内撞圆盘5-3，并驱动其与旋转储能与释放系统4同速旋转。无轴内撞圆盘5-3旋转一定角度后撞击扭转脉冲输出轴5-2，在后者中产生动态扭转脉冲。该扭转脉冲经扭转脉冲整形器6整形后进入扭转入射杆7。该整形脉冲在入射杆中向试件所在端传播，在试件处发生反射和透射。反射信号在入射杆中形成反射脉冲传向入射杆的加载端；透射信号形成透射脉冲向透射杆的自由端传播。记录入射脉冲、反射脉冲和透射脉冲，根据一维应力波理论可以处理得到试件5所受的动态剪切应力、动态剪切应变及其应变率，获得试件材料在一定应变率下的剪切应力-应变曲线。

扭转脉冲输出轴5-2转动一定角度后受阻停止转动，此时旋转储能与释放系统4与旋转动力加载与控制系统3脱开，旋转储能与释放系统4处于被强制刹车状态；旋转动力加载与控制系统3中的转动部件进入自由旋转状态，最后在摩擦力矩作用下慢慢停止转动。

本发明弥补了现有预贮能型分离式霍普金森扭杆、炸药驱动的霍普金森扭杆装置、t形霍普金森扭杆装置和飞轮式霍普金森扭杆装置的诸多不足之处，大大减小了实验难度、极大地提高了实验效率。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。