一种二维双向冲击拉伸实验装置

文档序号:29273944发布日期:2022-03-16 15:39阅读:147来源:国知局
一种二维双向冲击拉伸实验装置

1.本实用新型涉及材料在复杂冲击载荷下动态力学响应测试技术领域,尤其涉及一种二维双向冲击拉伸实验装置。


背景技术:

2.在冲击动力学领域中,材料在高应变率下的动态压缩力学性能的试验研究基本上是通过传统的分离式霍普金森拉杆技术开展的。试验过程中,把被测材料试件夹置于一根入射杆和一根透射杆之间,由一根撞击杆撞击入射杆,在入射杆中产生一入射拉伸应力波,该入射拉伸应力波传至被测材料试件,并对其进行冲击拉伸加载,通过粘贴在入射杆和透射杆上的应变片测得应力波在入射杆、透射杆中的传播信号。
3.需指出的是,传统的分离式霍普金森压杆技术是在以下两个基本假设的前提下开展材料动态压缩力学性能试验研究的,其一是应力波在压杆中的传播为一维应力波传播,其二是试验加载过程中被测材料试件内部的应力应变是均匀分布的。然而,在实际工程结构中,结构受到爆炸冲击载荷时,结构中的局部材料表现出的并不是一维应力状态下的动态力学响应,而是复杂应力状态下的复杂动态力学响应;因此,在实验研究中,也需要开展材料在复杂应力状态下的动态力学响应的试验研究。
4.另外,在实际试验过程中,被测材料试件在受到冲击加载初期,试件的长度尺寸使得应力波从被测材料试件的一端传播到另一端存在时间范围,导致了被测材料试件两端的力不平衡,这样就会使得试验数据存在一定误差。
5.需进一步指出的是,传统的分离式霍普金森拉杆技术对数据的处理是采取了一个脉冲长度的应力波为分析试验数据的有效应力波,虽然采用的单根撞击杆对入射杆进行撞击,产生的是单一的入射拉伸应力波,但是单一的入射拉伸应力波在压杆中来回反射,对被测材料试件施加了多次冲击载荷,被测材料试件的最终变形不能对应试验采取的有效数据而分析的结果,被测材料的最终变形需要得到控制。


技术实现要素:

6.本实用新型的目的在于针对现有技术的不足而提供一种二维双向冲击拉伸实验装置,该二维双向冲击拉伸实验装置结构设计新颖,且能够实现被测材料试件在二维双向冲击拉伸载荷下的动态力学响应的试验开展,并能够减小被测材料试件在冲击载荷下其内部应力均匀的时间;该二维双向冲击拉伸实验装置还能够控制被测材料试件的变形量,以便分析被测材料试件在不同变形量下的破坏形貌。
7.为达到上述目的,本实用新型通过以下技术方案来实现。
8.一种二维双向冲击拉伸实验装置,包括冲击加载组件、位于冲击加载组件前端侧的入射杆组件、位于冲击加载组件与入射杆组件之间的应力波分解压杆组件,入射杆组件的中间位置装设有呈十字形状的被测材料试件;
9.冲击加载组件包括有呈圆形直杆形状的撞击杆、用于驱动撞击杆运动的发射装
置;
10.入射杆组件包括有四个分别呈圆形直杆形状且位于同一平面的加载入射杆,四个加载入射杆的规格相同,其中两个加载入射杆轴向对齐布置并组成x轴加载杆组,另外两个加载入射杆也轴向对齐布置并组成y轴加载杆组,x轴加载杆组与y轴加载杆组相垂直,被测材料试件位于四个加载入射杆之间,且各加载入射杆的内端部分别与被测材料试件相应的端部连接;各加载入射杆的中间位置分别粘贴有应变片,各应变片至被测材料试件的距离分别相等;
11.应力波分解压杆组件包括有与撞击杆轴向对齐且呈圆形直杆形状的第一次应力波分解压杆,第一次应力波分解压杆的轴线对齐被测材料试件的中心且第一次应力波分解压杆的轴线与入射杆组件所在平面相垂直,第一次应力波分解压杆的后端面设置有第一压杆加载面,第一次应力波分解压杆的前端部为楔形结构,且第一次应力波分解压杆的前端部对应各加载入射杆分别设置有一个第一压杆波分解斜面,四个第一压杆波分解斜面呈圆周阵列分布于第一次应力波分解压杆前端部;
12.各加载入射杆与第一次应力波分解压杆之间分别装设有第二次应力波分解压杆,所有第二次应力波分解压杆的规格相同;各加载入射杆于应变片的外端侧分别开设有径向完全贯穿的入射杆通孔,各第二次应力波分解压杆的前端部分别嵌插于相应加载入射杆的入射杆通孔内,各第二次应力波分解压杆的前端部分别设置有与相应加载入射杆的轴线相垂直的第二压杆斜面,各第二次应力波分解压杆的第二压杆斜面分别与相应加载入射杆的入射杆通孔内壁接触贴合;各第二次应力波分解压杆的后端面分别与相应的第一压杆波分解斜面接触贴合。
13.其中,各所述加载入射杆的外端侧分别装设有变形控制头,所有变形控制头的规格相同,各变形控制头分别呈圆形直杆形状,各变形控制头与相应的加载入射杆分别轴向对齐且间隔布置。
14.其中,所述撞击杆的直径值与所述第一次应力波分解压杆的直径值相等。
15.其中,各所述第二次应力波分解压杆的直径值分别小于所述第一次应力波分解压杆的直径值。
16.其中,所述加载入射杆的直径值与所述变形控制头的直径值相等。
17.其中,所述发射装置为气体发射装置或电磁发射装置。
18.其中,该二维双向冲击拉伸实验装置还包括与所述应变片电性连接的数据采集设备。
19.其中,所述数据采集设备包括有惠斯通电桥、动态应变仪,应变片的输出端与惠斯通电桥的输入端电性连接,惠斯通电桥的输出端与动态应变仪的输入端电性连接。
20.本实用新型的有益效果为:本实用新型所述的一种二维双向冲击拉伸实验装置,其包括冲击加载组件、位于冲击加载组件前端侧的入射杆组件、位于冲击加载组件与入射杆组件之间的应力波分解压杆组件,入射杆组件的中间位置装设有呈十字形状的被测材料试件;冲击加载组件包括有呈圆形直杆形状的撞击杆、用于驱动撞击杆运动的发射装置;入射杆组件包括有四个分别呈圆形直杆形状且位于同一平面的加载入射杆,四个加载入射杆的规格相同,其中两个加载入射杆轴向对齐布置并组成x轴加载杆组,另外两个加载入射杆也轴向对齐布置并组成y轴加载杆组,x轴加载杆组与y轴加载杆组相垂直,被测材料试件位
于四个加载入射杆之间,且各加载入射杆的内端部分别与被测材料试件相应的端部连接;各加载入射杆的中间位置分别粘贴有应变片,各应变片至被测材料试件的距离分别相等;应力波分解压杆组件包括有与撞击杆轴向对齐且呈圆形直杆形状的第一次应力波分解压杆,第一次应力波分解压杆的轴线对齐被测材料试件的中心且第一次应力波分解压杆的轴线与入射杆组件所在平面相垂直,第一次应力波分解压杆的后端面设置有第一压杆加载面,第一次应力波分解压杆的前端部为楔形结构,且第一次应力波分解压杆的前端部对应各加载入射杆分别设置有一个第一压杆波分解斜面,四个第一压杆波分解斜面呈圆周阵列分布于第一次应力波分解压杆前端部;各加载入射杆与第一次应力波分解压杆之间分别装设有第二次应力波分解压杆,所有第二次应力波分解压杆的规格相同;各加载入射杆于应变片的外端侧分别开设有径向完全贯穿的入射杆通孔,各第二次应力波分解压杆的前端部分别嵌插于相应加载入射杆的入射杆通孔内,各第二次应力波分解压杆的前端部分别设置有与相应加载入射杆的轴线相垂直的第二压杆斜面,各第二次应力波分解压杆的第二压杆斜面分别与相应加载入射杆的入射杆通孔内壁接触贴合;各第二次应力波分解压杆的后端面分别与相应的第一压杆波分解斜面接触贴合。通过上述结构设计,本实用新型能够实现被测材料试件在二维双向冲击拉伸载荷下的动态力学响应的试验开展,并能够减小被测材料试件在冲击载荷下其内部应力均匀的时间。
附图说明
21.下面利用附图来对本实用新型进行进一步的说明,但是附图中的实施例不构成对本实用新型的任何限制。
22.图1为本实用新型的结构示意图。
23.图2为本实用新型的局部结构示意图。
24.图3为本实用新型的第一次应力波分解压杆的结构示意图。
25.在图1至图3中包括有:
26.1——冲击加载组件
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11——撞击杆
27.2——入射杆组件
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21——加载入射杆
28.211——入射杆通孔
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22——应变片
29.3——应力波分解压杆组件
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31——第一次应力波分解压杆
30.311——第一压杆加载面
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312——第一压杆波分解斜面
31.32——第二次应力波分解压杆 321——第一压杆斜面
32.4——被测材料试件
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5——变形控制头。
具体实施方式
33.下面结合具体的实施方式来对本实用新型进行说明。
34.如图1所示,一种二维双向冲击拉伸实验装置,其包括冲击加载组件1、位于冲击加载组件1前端侧的入射杆组件2、位于冲击加载组件1与入射杆组件2之间的应力波分解压杆组件3,入射杆组件2的中间位置装设有呈十字形状的被测材料试件4。
35.其中,冲击加载组件1包括有呈圆形直杆形状的撞击杆11、用于驱动撞击杆11运动的发射装置;优选的,本实用新型的发射装置为气体发射装置或电磁发射装置。
36.进一步的,如图1所示,入射杆组件2包括有四个分别呈圆形直杆形状且位于同一平面的加载入射杆21,四个加载入射杆21的规格相同,其中两个加载入射杆21轴向对齐布置并组成x轴加载杆组,另外两个加载入射杆21也轴向对齐布置并组成y轴加载杆组,x轴加载杆组与y轴加载杆组相垂直,被测材料试件4位于四个加载入射杆21之间,且各加载入射杆21的内端部分别与被测材料试件4相应的端部连接;各加载入射杆21的中间位置分别粘贴有应变片22,各应变片22至被测材料试件4的距离分别相等。
37.更进一步的,如图1至图3所示,应力波分解压杆组件3包括有与撞击杆11轴向对齐且呈圆形直杆形状的第一次应力波分解压杆31,第一次应力波分解压杆31的轴线对齐被测材料试件4的中心且第一次应力波分解压杆31的轴线与入射杆组件2所在平面相垂直,第一次应力波分解压杆31的后端面设置有第一压杆加载面311,第一次应力波分解压杆31的前端部为楔形结构,且第一次应力波分解压杆31的前端部对应各加载入射杆21分别设置有一个第一压杆波分解斜面312,四个第一压杆波分解斜面312呈圆周阵列分布于第一次应力波分解压杆31前端部。
38.另外,各加载入射杆21与第一次应力波分解压杆31之间分别装设有第二次应力波分解压杆32,所有第二次应力波分解压杆32的规格相同;各加载入射杆21于应变片22的外端侧分别开设有径向完全贯穿的入射杆通孔211,各第二次应力波分解压杆32的前端部分别嵌插于相应加载入射杆21的入射杆通孔211内,各第二次应力波分解压杆32的前端部分别设置有与相应加载入射杆21的轴线相垂直的第二压杆斜面,各第二次应力波分解压杆32的第二压杆斜面分别与相应加载入射杆21的入射杆通孔211内壁接触贴合;各第二次应力波分解压杆32的后端面分别与相应的第一压杆波分解斜面312接触贴合。
39.需进一步指出的是,如图1所示,各加载入射杆21的外端侧分别装设有变形控制头5,所有变形控制头5的规格相同,各变形控制头5分别呈圆形直杆形状,各变形控制头5与相应的加载入射杆21分别轴向对齐且间隔布置。对于本实用新型的变形控制头5而言,其用于控制被测材料试件4的变形量,且变形控制头5可采用可调节式安装结构安装于实验台上,实验时,可调节各变形控制头5至相应加载入射杆21之间的距离,以便分析被测材料试件4在不同变形量下的破坏形貌;其中,上述变形控制头5安装结构可以为电动推杆结构,变形控制头5安装于电动推杆的驱动端,使用时,电动推杆推动变形控制头5移动。
40.需解释的是,撞击杆11的直径值与第一次应力波分解压杆31的直径值相等,各第二次应力波分解压杆32的直径值分别小于第一次应力波分解压杆31的直径值,加载入射杆21的直径值与变形控制头5的直径值相等。
41.还有就是,该二维双向冲击拉伸实验装置还包括与应变片22电性连接的数据采集设备;优选的,数据采集设备包括有惠斯通电桥、动态应变仪,应变片22的输出端与惠斯通电桥的输入端电性连接,惠斯通电桥的输出端与动态应变仪的输入端电性连接。
42.在利用本实用新型对被测材料试件4进行二维双向冲击拉伸实验的过程中,具体步骤如下:
43.步骤a、排列装置:
44.将发射装置、撞击杆11、加载入射杆21、第一次应力波分解压杆31、被测材料试件4、各第二次应力波分解压杆32以及各变形控制头5按照图1所示安装于实验台上,并使得被测材料试件4置于四个加载入射杆21之间;其中,各加载入射杆21的内端部可通过高强度胶
水粘接或者夹具夹持固定的方式与被测材料试件4相应的端部牢固连接;还有就是,对于本实用新型的变形控制头5采用可调节式安装方式安装于实验台上,实验时,可调节各变形控制头5至相应加载入射杆21之间的距离;
45.步骤b、粘贴应变片22:
46.在各加载入射杆21的中间位置分别粘贴一组应变片22,每一组应变片22包括有两个应变片22,且同一组的应变片22对称粘贴于相应加载入射杆21的上下表面,并保证各应变片22至被测材料试件4的距离相等;
47.步骤c、连接数据采集设备:
48.将应变片22引线焊接于惠斯通电桥的输入端,以使得应变片22的信号输出端与惠斯通电桥的输入端电性连接;而后将惠斯通电桥的输出端接入动态应变仪的输入端,以便采集应力波信号;
49.步骤d、试验加载并数据处理:
50.采用气体发射装置或电磁发射装置驱动撞击杆11撞击第一次应力波分解压杆31,在第一次应力波分解压杆31中产生一应力波,该应力波传导至四个呈圆周阵列分布的第一压杆波分解斜面312,各第一压杆波分解斜面312再将应力波传导至相应的第二次应力波分解压杆32中,应力波分解压杆组件3中的四个第二次应力波分解压杆32分别传导一应力波;各第二次应力波分解压杆32中传导的应力波传至相应的第二压杆斜面,第二压杆斜面再将应力波传导至相应的加载入射杆21,即应力波经过两次应力波分解后在四个加载入射杆21中各产生一入射应力波,以对被测材料试件4进行二维双向拉伸加载;需指出的是,由于四个第一压杆波分解斜面312呈圆周阵列分布、四个第二次应力波分解压杆32规格相同、四个加载入射杆21规格相同,这样就可以保证四个加载入射杆21中的入射应力波为相同且同步的应力波,以使得四个加载入射杆21对被测材料试件4进行同步拉伸加载;
51.被测材料试件4置于四个加载入射杆21之间,各加载入射杆21中的入射应力波分别为拉伸应力波;由于被测材料试件4与加载入射杆21之间的波阻抗不匹配,导致在四个加载入射杆21中各产生一个反射应力波;粘贴在加载入射杆21上的应变片22将加载入射杆21中的应力波信号转变为惠斯通半桥电压信号,并输入到动态应变仪中;
52.被测材料试件4受到两个方向的双向冲击拉伸加载,被测材料试件4在两个方向的力学响应可以根据一维应力波理论计算,一个方向的加载入射杆21中的应变信号包含了入射应力波和反射应力波;通过公式(1)可以计算被测材料试件4在一个冲击拉伸加载方向的应变率,通过公式(2)可以计算被测材料试件4在该冲击方向的应变,以及通过公式(3)可以计算被测材料试件4在该冲击方向的应力:
[0053][0054]
其中,下标m和n分别表示两根同轴的加载入射杆21,称为入射杆m和入射杆n,和分别为入射应力波和反射应力波。为入射杆中的应力波传播波速,为被测材料试件4的初始长度,e为入射杆材质的弹性模量,和分别为入射杆和被测材料试件4的横截面面积。
[0055]
综合上述情况可知,通过上述结构设计,本实用新型具有结构设计新颖的优点,且能够实现被测材料试件4在二维双向冲击拉伸载荷下的动态力学响应的试验开展,并能够减小被测材料试件4在冲击载荷下其内部应力均匀的时间;另外,本实用新型的二维双向冲击拉伸实验装置还能够控制被测材料试件4的变形量,以便分析被测材料试件4在不同变形量下的破坏形貌。
[0056]
以上内容仅为本实用新型的较佳实施例,对于本领域的普通技术人员,依据本实用新型的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。
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