霍普金森压杆系统的推杆组件及进行材料冲击试验的方法与流程

本发明涉及霍普金森压杆试验技术领域，尤其涉及一种霍普金森压杆系统的推杆组件以及一种利用霍普金森压杆系统的推杆组件进行材料冲击试验的方法。

背景技术：

霍普金森压杆系统在进行试验时，首先利用高压氮气瓶向储气室中充气，当达到设定冲击气压时，向发射炮管内释放高压气体，使子弹获得能量并以一定冲击速率撞击入射杆。在霍普金森试验中，冲击速率特指子弹撞击入射杆时的子弹速率。冲击气压和子弹在发射炮管中的位置是决定冲击速率的两个主要影响因素。

当前霍普金森压杆发射系统在试验过程中存在以下不足与局限：冲击速率是霍普金森试验中的常用变量，然而霍普金森压杆系统只能直接控制冲击气压，冲击速率则需要在入射杆前端安设激光测速仪来测量。这种方法的缺点为：在子弹发射前无法预知冲击速率，若试验需要测试材料在某一冲击速率下的动态力学特性，只能通过不断调整冲击气压和子弹在发射炮管中的位置，进行多次预冲击试验，才能得到试验所需的冲击速率。这种方法操作不便且较为耗时，影响试验效率和设备寿命。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种霍普金森压杆系统的推杆组件以及一种利用霍普金森压杆系统的推杆组件进行材料冲击试验的方法，用以解决现有技术中冲击速率需要多次预冲击试验才能得到的缺陷，实现在冲击试验前预知霍普金森压杆系统的子弹的冲击速率。

本发明实施例提供一种霍普金森压杆系统的推杆组件，包括：推杆，所述推杆的表面上形成有长度刻度尺；冲击速率刻度尺，所述冲击速率刻度尺可拆卸地安装在所述推杆的表面上，并与所述长度刻度尺相对设置；其中，所述长度刻度尺用于读取子弹的位置，所述冲击速率刻度尺用于读取所述子弹的冲击速率，且每个冲击速率刻度值对应设置一个长度刻度值。

根据本发明一个实施例的霍普金森压杆系统的推杆组件，所述推杆的上表面形成矩形平面，所述长度刻度尺沿所述矩形平面的长度方向形成在所述矩形平面上。

根据本发明一个实施例的霍普金森压杆系统的推杆组件，所述长度刻度尺的零刻度线与所述矩形平面的一条宽度边相重合，且所述长度刻度尺的所述零刻度线所在的一端能够与所述子弹接触。

根据本发明一个实施例的霍普金森压杆系统的推杆组件，所述冲击速率刻度尺的起始刻度线与所述长度刻度尺的零刻度线在同一条直线上。

根据本发明一个实施例的霍普金森压杆系统的推杆组件，所述冲击速率刻度尺的刻度范围与所述子弹的冲击速率的阈值相匹配。

根据本发明一个实施例的霍普金森压杆系统的推杆组件，所述冲击速率刻度尺按照0.4m/s的增量顺序标定刻度值。

本发明实施例还提供了一种利用如上所述的霍普金森压杆系统的推杆组件进行材料冲击试验的方法，包括：根据所述冲击速率刻度尺上预设冲击速率的读数和相对应的所述长度刻度尺的读数，将所述子弹推动至指定位置；发射所述子弹对材料进行冲击试验。

根据本发明一个实施例的进行材料冲击试验的方法，还包括：计算所述子弹在所述发射炮管的各个位置时的冲击速率，其中，所述冲击速率的计算公式为：

式中，p为冲击气压，x1为子弹临近零刻度线的一端至发射炮管管口的距离，l为子弹长度，l1为泄气孔至发射炮管管口的距离，ρ为子弹密度。

本发明实施例提供的霍普金森压杆系统的推杆组件，可在预知试验的冲击速率的前提下，对材料进行力学性能测试，避免了多次预冲击试验，节省了大量的试验时间，同时也降低了设备的磨损，延长了设备的使用寿命。同时，本发明实施例提供的霍普金森压杆系统的推杆组件，其冲击速率刻度尺为可拆卸设计，当需要进行多组冲击气压试验时，仅需更换冲击速率刻度尺即可满足试验要求，操作便捷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图逐一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是将本发明实施例提供的霍普金森压杆系统的推杆组件应用于霍普金森压杆系统发射装置中的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种霍普金森压杆系统的推杆组件的结构示意图；

图3是图2示出的长度刻度尺和冲击速率刻度尺的示意图；

图4是利用霍普金森压杆系统的发射装置进行材料冲击试验的流程图。

附图标记：

1：高压氮气瓶；2：储气室；3：发射炮管；4：子弹；5：泄气孔；6：推杆；7：入射杆；8：冲击速率刻度尺；9：底座；10：长度刻度尺；s01、s02：各步骤。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

下面结合图1至图4描述本发明实施例的霍普金森压杆系统的推杆组件以及利用霍普金森压杆系统的推杆组件进行材料冲击试验的方法。

如图1至图3所示，在本发明的一个实施例中，霍普金森压杆系统的推杆组件包括：推杆6和冲击速率刻度尺8。推杆6的表面上形成有长度刻度尺10，用于读取子弹4在发射炮管3中的位置，如读数为40mm，即表示子弹4距离发射炮管3管口40mm，即图1中所示的x1的数值。

冲击速率刻度尺8与长度刻度尺10相对设置，用于读取子弹4撞击入射杆7时的冲击速率，且每个冲击速率刻度值对应设置一个长度刻度值。具体来说，冲击速率特指子弹4撞击入射杆7时子弹4的速率。由于在现有的霍普金森压杆系统的试验过程中，冲击气压和子弹4在发射炮管3中的位置是决定子弹4冲击速率的两个主要影响因素，由于冲击速率是变量，而霍普金森压杆系统只能直接控制冲击气压，冲击速率则需要在入射杆7前端安装激光测速仪来测量。这种测试方法的缺点是：子弹4在发射前无法预知其冲击速率，若试验需要测试材料在某一冲击速率下的动态力学性能，只能通过不断调整冲击气压和子弹4在发射炮管3中的位置，进行多次预冲击试验，才能得到试验所需的冲击速率。现有的试验方法不仅影响试验效率，同时也大大降低了试验设备的使用寿命。

本发明实施例提供的推杆组件，根据预设的冲击速率，在冲击速率刻度尺8上找到预设冲击速率所对应的长度刻度值，仅需使用推杆6将子弹4推动至该长度刻度值所代表的位置，然后发射子弹4，此时子弹4撞击入射杆7的冲击速率即为预设的冲击速率。

在实际试验过程中，假如要测定试件在0.5mpa气压下，冲击速率在11m/s时的力学性能，如按照常规的测试方法，需先将子弹4放置在发射炮管3的任一位置，在子弹4撞击入射杆7时获得子弹4的冲击速率，假如此冲击速率只有7m/s，则需要调整子弹4在发射炮管3中的位置，再次进行预冲击试验，如第二次试验子弹4的冲击速率依然没有达到预设要求，则需继续调整子弹4在发射炮管3中的位置，直到子弹4的冲击速率达到11m/s。而采用本发明实施例提供的推杆组件，则仅需在冲击速率刻度尺8上找到刻度值为11m/s的数值所对应的长度刻度的值，如图3所示，冲击速率为11m/s时所对应的长度刻度值为27.5mm，也即，仅需推杆6与子弹4接触，并将子弹4推动到其与推杆6接触的一端距离发射炮管3的管口距离为27.5mm的位置，即可保证子弹4发射后撞击入射杆7的冲击速率为11m/s，一次调整子弹4的位置就可满足试验要求。

进一步地，在本发明的一个实施例中，为了满足子弹4在不同气压下的试验需求，冲击速率刻度尺8可拆卸地安装在推杆6上，冲击速率刻度尺8也可以为其他气压下，子弹4的冲击速率，以满足不同试验条件的需要。

进一步地，在本发明的一个实施例中，冲击速率刻度尺8安装在底座9上，底座9安装在推杆6上。冲击速率刻度尺8也可以通过螺钉连接等方式安装在推杆6上。

本发明实施例提供的霍普金森压杆系统的推杆组件，可在预知试验的冲击速率的前提下，对材料进行力学性能测试，避免了多次预冲击试验，节省了大量的试验时间，同时也降低了设备的磨损，延长了设备的使用寿命。同时，本发明实施例提供的霍普金森压杆系统的推杆组件，其冲击速率刻度尺为可拆卸设计，当需要进行多组冲击气压试验时，仅需更换冲击速率刻度尺即可满足试验要求，操作便捷。

进一步地，如图2所示，在本发明的一个实施例中，推杆6的上表面形成矩形平面，长度刻度尺10沿该矩形平面的长度方向依次形成刻度值，其零刻度线为该矩形平面的一条宽度边，且该宽度边所在的一端与子弹4接触，以确定子弹4在发射炮管3中的位置。冲击速率刻度尺8的起始刻度线与长度刻度尺10的零刻度线在同一条直线上，均为该矩形平面的一条宽度边。

进一步地，冲击速率刻度尺8的刻度范围为：根据子弹4在发射炮管3中不同位置所对应的子弹4的冲击速率而确定的阈值范围，确定起始值后，按照一定速率增量向另一端标定，形成冲击速率刻度尺8。在本发明的一个实施例中，冲击速率刻度尺8以0.4m/s的增量顺序标定刻度值。长度刻度尺10则以1mm的增量顺序标定刻度值。

如图1所示，霍普金森压杆系统的发射装置包括：推杆组件、发射炮管3、子弹4、储气室2和高压氮气瓶1。高压氮气瓶1与储气室2连接，为发射装置提供试验需要的气压，储气室2与发射炮管3连接，子弹4设置在发射炮管3中，发射炮管3上还形成有泄气孔5。推杆组件用于将子弹4推动至发射炮管3的指定位置。具体来说，假如要测定煤块在0.5mpa气压下，冲击速率在11m/s时的力学性能，根据图3所示，冲击速率刻度尺8上刻度值11所对应的长度刻度值为27.5mm，那么，推动推杆组件，进而推动子弹4移动，当推杆组件上长度刻度尺10上的刻度值27.5对齐发射炮管3的管口时，即表示子弹4到达了指定的位置。此时，发射子弹4撞击入射杆7，入射杆7撞击煤块或者其他试验材料，测试出的即为该煤块或者其他试验材料在0.5mpa的气压下，在冲击速率为11m/s时的力学性能参数。

将本发明实施例提供的霍普金森压杆系统的推杆组件应用在霍普金森压杆系统的发射装置中，根据预设冲击速率，通过推杆组件上的长度刻度尺调节子弹在发射炮管中的位置，实现了对子弹在发射炮管中定位的量化，为避免重复试验提供了精准参考。

如图4所示，本发明实施例还提供了一种利用霍普金森压杆系统的推杆组件进行材料冲击试验的方法，包括以下步骤：

s01：根据冲击速率刻度尺8上预设冲击速率的读数和相对应的长度刻度尺10的读数，将子弹4推动至指定位置；s02：发射子弹4并对材料进行冲击试验。

具体来说，首先，确定子弹4在发射炮管3各个位置的冲击速率计算公式：

如图1所示，在本发明实施例提供的进行材料冲击试验的方法中，其冲击气压可以自由设定，设储气室2中的冲击气压为p，发射炮管3的截面积为a，则储气室2对子弹4作用的冲击力f计算公式为：

f＝p×a(1)

而冲击力f对子弹4所做功w的计算公式为:

w＝f×s(2)

式中，s为子弹4在冲击力f作用下的位移。在霍普金森压杆系统中，s为子弹4远离推杆6的一端至泄气孔5的距离，计算公式为：

s＝x1+l-l1(3)

式中，x1为子弹4临近推杆6的一端至发射炮管3管口的距离，l为子弹4长度，l1为泄气孔5至发射炮管3管口的距离。故式(2)可改写为:

w＝f×(x1+l-l1)(4)

根据功能关系，忽略摩擦因素，冲击力f对子弹4所做功w转化为子弹4动能ek。动能公式为:

式中，m为子弹4质量，v为冲击速率。将式(4)、(5)联立，得到冲击速率v为

式中，ρ为子弹4密度；l为子弹4长度。

针对某一霍普金森压杆系统发射装置，如图1所示，其中，ρ、l、l1都是固定的，冲击气压p可在发射装置中直接进行设定，故只需测得子弹4临近推杆6的一端与发射炮管3管口的距离x1，将各变量代入式(6)中，即可实现在试验前预算冲击速率v。

根据以上冲击速率的计算公式，在冲击气压、子弹4的长度和泄气孔5与发射炮管3管口距离一定的条件下，可计算出如图3所示的长度刻度尺10各刻度所对应的冲击速率，并按照起始刻度和终端刻度，按照一定的速率增量设置冲击速率刻度尺8。具体地，在图3所示的实施例中，其中，冲击气压为0.5mpa，ρ取7.80g/m³，l取0.5m，l1取0.3m。进一步地，也可根据冲击速率的计算公式计算在其他冲击气压下，子弹4在不同位置的冲击速率，如在冲击气压为1mpa的条件下，当ρ取7.80g/m³，l取0.5m，l1取0.3m，可以按照x1＝0、5、10……计算出子弹4在以上各位置的冲击速率，进而制作出冲击速率刻度尺8。

在实际试验时，根据预设的冲击速率，如预设的冲击速率为12.6m/s，其在长度刻度尺10上相应的读数为42mm，即可推动子弹4移动至子弹4与推杆6接触的端面与发射炮管3的管口之间的距离为42mm的位置，此时发射该子弹4，其撞击入射杆7时的冲击速率即为12.6m/s，所测得的即为材料在冲击速率为12.6m/s条件下的力学性能参数。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。