复杂应力状态下材料动态性能测试系统及方法与流程

本发明属于动态力学性能测试技术领域，具体涉及复杂应力状态下材料动态性能测试系统及方法。

背景技术：

在航空航天、兵器等领域材料经常受到冲击、爆炸等动态载荷的作用，材料动态力学性能的测量对于结构抗冲击、抗爆炸优化设计至关重要。霍普金森杆是测量材料动态力学性能的有效手段，通常包括霍普金森拉杆和霍普金森压杆，拉杆用于测量材料单轴动态拉伸性能，压杆用于测量材料单轴动态压缩性能。

实际服役中材料通常处于多轴复杂应力状态，材料多轴应力状态下的动态力学性能测试对于结构优化设计十分关键。然而，传统的霍普金森拉/压杆测试技术通常采用空气炮加速短杆，利用短杆撞击入射杆产生加载应力波，加载速度重复度误差较大，且短杆加速过程难以精确控制，无法满足材料多轴动态力学性能测量对多轴加载同步性和等效性的苛刻要求。

与传统的基于空气炮加载的霍普金森杆相比，基于电磁加载的霍普金森杆具有体积小、加载可控性好、加载精度高等诸多优势。专利号为201810121019.x和201811137384.6的专利分别公开了复杂应力状态下材料动态性能测试系统及方法动态双轴双向拉伸加载装置及试验方法和双轴双向压缩加载装置及其方法，以上专利采用电磁力作为加载力，提高了加载应力波的可控性和加载精度，同时利用延时信号发生器实现不同方向加载波时间上的同步。然而，由于环境的影响，放电可控硅放电延迟具有不确定性，延时信号发生器难以完全保证多轴加载同步放电，且延时信号发生器价格昂贵。此外，以上专利仅能实现多轴拉伸或多轴压缩，无法同时实现多轴拉/压测试，且横向和纵向电容组和四个放电线圈存在制造误差，导致每个加载线圈激发的电磁力加载波峰值将存在差异，各轴的加载等效性无法保证。专利号为201810120975.6的专利公开了复杂应力状态下材料动态性能测试系统及方法单轴双向加载分离式霍普金森压杆及拉杆装置和实验方法，该专利通过将两个电磁力加载枪并联在电容组和放电可控硅上，实现同步加载。但该专利采用两个放电可控硅分别控制两个放电线圈放电，放电可控硅放电延迟误差仍然存在，且放电线圈制造误差引起的电磁力加载波峰值不同难以避免，多向同步等效加载无法完全保证。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供复杂应力状态下材料动态性能测试系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，根据本发明的第一方面，本发明提出复杂应力状态下材料动态性能测试系统，包括用于对材料实施加载的加载系统，用于实现对加载系统充放电控制的控制电路系统，以及用于采集加载过程中材料应变和时间特征的信号采集系统。

进一步地，所述加载系统主要包括1号横向加载枪、2号横向加载枪、1号纵向加载枪、2号纵向加载枪、4根加载杆和试件。

进一步地，所述1号横向加载枪包括横向拉伸1号支路等效电阻rt-x1、横向拉伸1号放电线圈、横向拉伸1号次级线圈、横向拉伸1号应力波放大器、横向压缩1号支路等效电阻rb-x1、横向压缩1号放电线圈、横向压缩1号次级线圈、横向压缩1号应力波放大器和横向1号加载枪基座。

进一步地，4根所述加载杆完全相同，包括横向1号加载杆、横向2号加载杆、纵向1号加载杆和纵向2号加载杆；

横向1号加载杆一端与1号横向加载枪相连，另一端与试件连接，对试件左侧实施拉/压加载；

横向2号加载杆一端与2号横向加载枪相连，另一端与试件连接，对试件右侧实施拉/压加载；

纵向1号加载杆一端与纵向1号加载枪相连，另一端与试件连接，对试件下方实施拉/压加载；

纵向2号加载杆一端与纵向2号加载枪相连，另一端与试件连接，对试件上方实施拉/压加载。

进一步地，所述控制电路系统包括升压器、充电可控硅、整流二极管、充电控制单元、限流电阻、滤波电感、电容器组、泄能电阻、泄能开关、放电可控硅、放电控制单元、单双轴加载切换开关、拉/压加载测试切换开关；

升压器对380v交变电流升压，升压后充电控制单元控制充电可控硅对电容器组充电；充电过程中，整流二极管对交变电流整流，滤波电感对充电电流进一步滤波，同时限流电阻对充电电路限流保护电容器组；电容器组充电完成后，放电控制单元控制放电可控硅对加载系统放电，加载系统激发电磁力对材料实施加载；当电容器组放电完成后因反向充电存在余压，或当电容器组充电后不需要对加载系统放电，泄能开关闭合，泄能电阻消耗电容器组储存的多余能量，保证操作人员安全；单双轴加载切换开关用于单轴加载和双轴加载切换，开关打开进行双轴加载测试，开关闭合进行单轴加载测试；拉/压加载测试切换开关用于切换材料拉伸测试和压缩测试，拉/压加载测试切换开关与电路触点a接通时，加载系统处于拉伸性能测试状态，拉/压加载测试切换开关与电路触点b接通时，加载系统处于压缩性能测试状态。

进一步地，所述信号采集系统包括：

4片应变片，分别贴在横向1号加载杆、横向2号加载杆、纵向1号加载杆和纵向2号加载杆上，用于感应加载过程中加载应力；

信号采集器，与4片应变片的输出端相连接，用于采集应变和时间数据。

进一步地，拉伸测试时，横向拉伸1号放电线圈、横向拉伸2号放电线圈、纵向拉伸1号放电线圈和纵向拉伸2号放电线圈由同一组电容器组通过同一个放电可控硅控制放电，保证4个放电线圈放电同步，进而保证4个加载枪同步加载；4个拉伸放电线圈采用并联连接和混联连接两种方法与放电可控硅连接；并联连接方法适用于控制电路系统升压能力低但抗强电流能力高的情况，横向拉伸1号放电线圈、横向拉伸2号放电线圈、纵向拉伸1号放电线圈和纵向拉伸2号放电线圈分别与对应的支路等效电阻串联后相互并联，再与放电可控硅连接，实现4个拉伸放电线圈同步放电；混联连接方法用于控制电路系统升压能力强但耐大电流能力弱的情况，横向拉伸1号放电线圈和横向拉伸2号放电线圈并联，纵向拉伸1号放电线圈和纵向拉伸2号放电线圈并联，并联后的横向拉伸放电线圈和并联后的纵向拉伸放电线圈串联，再与放电可控硅连接。

进一步地，通过拉伸放电线圈对应的支路等效电阻进行拉伸放电线圈的电磁力峰值补偿，使得加载过程中4个拉伸放电线圈激发的加载力峰值相同，实现双轴双向等效加载；4个拉伸放电线圈产生的电磁力峰值fmax与各自的支路等效电阻r满足公式：

fmax＝κr+β(1)

上式中，κ和β分别为放电线圈对应的电路常数；通过实验测试，分别得到公式(1)中4个拉伸放电线圈对应的支路电路常数κ和β；然后测出固定电压下4个拉伸放电线圈的电磁力峰值，假设4个电磁力峰值中最大值为f’max，为了保证等效加载，需要提高剩余3个拉伸放电线圈的电磁力峰值；进一步假设剩余3个电磁力峰值任意一个为f”max，根据公式(1)调整f”max对应的支路等效电阻r”，以提高电磁力峰值f”max使其等于f’max；根据公式(1)，f”max对应的支路等效电阻r”调整量δr”满足：

δr”＝(f'max-f”max)/κ”(2)

上式中，κ”为电磁力峰值f”max对应的拉伸放电线圈对应的支路电路常数。

进一步地，压缩测试时保证双轴双向同步等效加载发的方法与拉伸测试相同，即4个压缩放电线圈连接方法和拉伸测试相同，4个压缩放电线圈的电磁力峰值补偿方法和拉伸测试相同。

根据本发明的第二方面，本发明提出复杂应力状态下材料动态性能测试方法，具体包括如下操作过程：

步骤1、根据材料加载测试需要，利用拉/压加载测试切换开关选择拉伸加载或压缩加载，利用电容器组和放电线圈匝数控制加载力脉宽，利用电容器组的放电电压控制加载力峰值；

步骤2、在充电控制单元中设置加载测试所需的电容器组的放电电压，在此放电电压下测出4个放电线圈对应的电磁力峰值，根据公式(2)通过调整支路等效电阻对电磁力峰值进行补偿，使得补偿后的4个放电线圈在此放电电压下电磁力峰值相同；

步骤3、放置试件在4根加载杆正中心，启动充电控制单元对电容器组充电；

步骤4、充电完成后，启动放电控制单元，电容器组通过放电可控硅同时对4个放电线圈放电，4个放电线圈激发变化的强磁场，并进一步激发4个次级线圈的感生磁场，4个放电线圈的变化的强磁场与各自对应的次级线圈感生磁场相互作用，产生电磁脉冲力应力波，电磁脉冲力分别通过横向1号加载杆和横向2号加载杆对试件实施横向对称等效加载，纵向1号加载杆和纵向2号加载杆对试件进行纵向对称等效加载；4个应变片分别采集加载过程中4根加载杆中的应变信号，并传递至信号采集器；

步骤5、根据信号采集器采集到的4个应变和时间信号，得到双轴双向应力状态下的材料动态力学性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明，本发明基于电磁铆接技术，控制电路系统利用同一放电可控硅同时对4个放电线圈放电，实现了双轴双向同步加载；加载系统根据支路放电线圈的电磁力峰值与支路等效电阻的依存关系，利用支路等效电阻对电磁力峰值进行补偿，保证了4个放电线圈道德电磁加载力峰值相同，实现了双轴双向等效加载；通过泄能开关和泄能电阻设计，消耗电容器组储存的多余能量，提高了测试安全性；通过合理的结构设计和电路设计，统一了双轴双向霍普金森压杆和拉杆实验加载测试，扩展了测试范围，减小了设备体积。

附图说明

图1为本发明方法的放电线圈并联连接方法下电路连接示意图。

图2为本发明方法的放电线圈混联连接方法下电路连接示意图。

图3为本发明方法的材料双轴双向动态拉伸加载测试示意图。

图4为本发明方法的材料双轴双向动态压缩加载测试示意图。

图5为本发明方法的单个放电线圈电磁力峰值与对应支路等效电阻映射关系。

图中：1-升压器，2-充电可控硅，3-整流二极管，4-充电控制单元，5-限流电阻，6-滤波电感，7-电容器组，8-泄能电阻，9-泄能开关，10-放电可控硅，11-放电控制单元，12-横向拉伸1号支路等效电阻rt-x1，13-横向拉伸1号放电线圈，14-横向拉伸1号次级线圈，15-横向拉伸1号应力波放大器，16-横向拉伸2号支路等效电阻rt-x2，17-横向拉伸2号放电线圈，18-横向拉伸2号次级线圈，19-横向拉伸2号应力波放大器，20-纵向拉伸1号支路等效电阻rt-y1，21-纵向拉伸1号放电线圈，22-纵向拉伸1号次级线圈，23-纵向拉伸1号应力波放大器，24-纵向拉伸2号支路等效电阻rt-y2，25-纵向拉伸2号放电线圈，26-纵向拉伸2号次级线圈，27-纵向拉伸2号应力波放大器，28-单双轴加载切换开关，29-横向压缩1号支路等效电阻rb-x1，30-横向压缩1号放电线圈，31-横向压缩1号次级线圈，32-横向压缩1号应力波放大器，33-横向压缩2号支路等效电阻rb-x2，34-横向压缩2号放电线圈，35-横向压缩2号次级线圈，36-横向压缩2号应力波放大器，37-纵向压缩1号支路等效电阻rb-y1，38-纵向压缩1号放电线圈，39-纵向压缩1号次级线圈，40-纵向压缩1号应力波放大器，41-纵向压缩2号支路等效电阻rb-y2，42-纵向压缩2号放电线圈，43-纵向压缩2号次级线圈，44-纵向压缩2号应力波放大器，46-拉/压加载测试切换开关，a、b-电路触点，47-横向1号加载枪基座，48-横向2号加载枪基座，49-纵向1号加载枪基座，50-纵向2号加载枪基座，51-横向1号加载杆，52-横向2号加载杆，53-纵向1号加载杆，54-纵向2号加载杆，55-应变片，56-试件，57-信号采集器

具体实施方式

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。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方式，都属于本发明保护的范围。

参照附图1-5，为了测量材料多轴应力状态下动态力学性能，本发明公开了一种复杂应力状态下材料动态性能测试系统及方法，统一了双轴双向霍普金森压杆和拉杆实验加载测试，实现了材料双轴双向同步等效加载，同时可实现材料单轴双向同步等效加载。

为了实现以上目的，本发明包括以下特征：

本发明的系统组成包括控制电路系统、加载系统和信号采集系统，控制电路系统实现加载系统充放电控制，加载系统对材料实施加载，信号采集系统采集加载过程中材料应变和时间特征。

具体的，所述加载系统主要包括1号横向加载枪、2号横向加载枪、1号纵向加载枪、2号纵向加载枪、4根加载杆和试件。

具体的，所述1号横向加载枪包括横向拉伸1号支路等效电阻rt-x1、横向拉伸1号放电线圈、横向拉伸1号次级线圈、横向拉伸1号应力波放大器、横向压缩1号支路等效电阻rb-x1、横向压缩1号放电线圈、横向压缩1号次级线圈、横向压缩1号应力波放大器和横向1号加载枪基座。

具体的，4根所述加载杆完全相同，包括横向1号加载杆、横向2号加载杆、纵向1号加载杆和纵向2号加载杆；

横向1号加载杆一端与1号横向加载枪相连，另一端与试件连接，对试件左侧实施拉/压加载；

横向2号加载杆一端与2号横向加载枪相连，另一端与试件连接，对试件右侧实施拉/压加载；

纵向1号加载杆一端与纵向1号加载枪相连，另一端与试件连接，对试件下方实施拉/压加载；

纵向2号加载杆一端与纵向2号加载枪相连，另一端与试件连接，对试件上方实施拉/压加载。

具体的，所述控制电路系统包括升压器、充电可控硅、整流二极管、充电控制单元、限流电阻、滤波电感、电容器组、泄能电阻、泄能开关、放电可控硅、放电控制单元、单双轴加载切换开关、拉/压加载测试切换开关；

升压器对380v交变电流升压，升压后充电控制单元控制充电可控硅对电容器组充电；充电过程中，整流二极管对交变电流整流，滤波电感对充电电流进一步滤波，同时限流电阻对充电电路限流保护电容器组；电容器组充电完成后，放电控制单元控制放电可控硅对加载系统放电，加载系统激发电磁力对材料实施加载；当电容器组放电完成后因反向充电存在余压，或当电容器组充电后不需要对加载系统放电，泄能开关闭合，泄能电阻消耗电容器组储存的多余能量，保证操作人员安全；单双轴加载切换开关用于单轴加载和双轴加载切换，开关打开进行双轴加载测试，开关闭合进行单轴加载测试；拉/压加载测试切换开关用于切换材料拉伸测试和压缩测试，拉/压加载测试切换开关与电路触点a接通时，加载系统处于拉伸性能测试状态，拉/压加载测试切换开关与电路触点b接通时，加载系统处于压缩性能测试状态。

具体的，所述信号采集系统包括：

4片应变片，分别贴在横向1号加载杆、横向2号加载杆、纵向1号加载杆和纵向2号加载杆上，用于感应加载过程中加载应力；

信号采集器，与4片应变片的输出端相连接，用于采集应变和时间数据。

具体的，发明实施方式的双轴双向同步等效加载为：

拉伸测试时，横向拉伸1号放电线圈、横向拉伸2号放电线圈、纵向拉伸1号放电线圈和纵向拉伸2号放电线圈由同一组电容器组通过同一个放电可控硅控制放电，保证4个放电线圈放电同步，进而保证4个加载枪同步加载；4个拉伸放电线圈采用并联连接和混联连接两种方法与放电可控硅连接；并联连接方法适用于控制电路系统升压能力低但抗强电流能力高的情况，横向拉伸1号放电线圈、横向拉伸2号放电线圈、纵向拉伸1号放电线圈和纵向拉伸2号放电线圈分别与对应的支路等效电阻串联后相互并联，再与放电可控硅连接，实现4个拉伸放电线圈同步放电；混联连接方法用于控制电路系统升压能力强但耐大电流能力弱的情况，横向拉伸1号放电线圈和横向拉伸2号放电线圈并联，纵向拉伸1号放电线圈和纵向拉伸2号放电线圈并联，并联后的横向拉伸放电线圈和并联后的纵向拉伸放电线圈串联，再与放电可控硅连接。

具体的，通过拉伸放电线圈对应的支路等效电阻进行拉伸放电线圈的电磁力峰值补偿，使得加载过程中4个拉伸放电线圈激发的加载力峰值相同，实现双轴双向等效加载；4个拉伸放电线圈产生的电磁力峰值fmax与各自的支路等效电阻r满足公式：

fmax＝κr+β(1)

上式中，κ和β分别为放电线圈对应的电路常数；通过实验测试，分别得到公式(1)中4个拉伸放电线圈对应的支路电路常数κ和β；然后测出固定电压下4个拉伸放电线圈的电磁力峰值，假设4个电磁力峰值中最大值为f’max，为了保证等效加载，需要提高剩余3个拉伸放电线圈的电磁力峰值；进一步假设剩余3个电磁力峰值任意一个为f”max，根据公式(1)调整f”max对应的支路等效电阻r”，以提高电磁力峰值f”max使其等于f’max；根据公式(1)，f”max对应的支路等效电阻r”调整量δr”满足：

δr”＝(f'max-f”max)/κ”(2)

上式中，κ”为电磁力峰值f”max对应的拉伸放电线圈对应的支路电路常数。

具体的，压缩测试时保证双轴双向同步等效加载发的方法与拉伸测试相同，即4个压缩放电线圈连接方法和拉伸测试相同，4个压缩放电线圈的电磁力峰值补偿方法和拉伸测试相同。

发明实施方式的双轴双向同步等效加载的具体操作过程如下：

步骤1、根据材料加载测试需要，利用拉/压加载测试切换开关选择拉伸加载或压缩加载，利用电容器组和放电线圈匝数控制加载力脉宽，利用电容器组的放电电压控制加载力峰值；

步骤2、在充电控制单元中设置加载测试所需的电容器组的放电电压，在此放电电压下测出4个放电线圈对应的电磁力峰值，根据公式(2)通过调整支路等效电阻对电磁力峰值进行补偿，使得补偿后的4个放电线圈在此放电电压下电磁力峰值相同；

步骤3、放置试件在4根加载杆正中心，启动充电控制单元对电容器组充电；

步骤4、充电完成后，启动放电控制单元，电容器组通过放电可控硅同时对4个放电线圈放电，4个放电线圈激发变化的强磁场，并进一步激发4个次级线圈的感生磁场，4个放电线圈的变化的强磁场与各自对应的次级线圈感生磁场相互作用，产生电磁脉冲力应力波，电磁脉冲力分别通过横向1号加载杆和横向2号加载杆对试件实施横向对称等效加载，纵向1号加载杆和纵向2号加载杆对试件进行纵向对称等效加载；4个应变片分别采集加载过程中4根加载杆中的应变信号，并传递至信号采集器；

步骤5、根据信号采集器采集到的4个应变和时间信号，得到双轴双向应力状态下的材料动态力学性能。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。