能够产生梯形应力波的电磁式应力波发生器及实验方法

1.本发明涉及材料冲击动力学实验技术领域，具体是一种通过设计多组电路依次放电的电磁式应力波发生器产生梯形应力波的装置及方法。


背景技术：

2.在各种类型材料或结构的动态加载实验中，往往要用到不同脉宽和幅值的梯形波来对试样进行加载，来更加准确的得到材料的各项力学参数和模拟真实的受载环境。目前对应于不同波形应力波形加载，卢芳云等在《霍普金森杆实验技术》一书中提到，以hopkinson杆实验为例，传统霍普金森杆实验技术中应力波是由压缩气体驱动子弹撞击入射杆产生，这种方法的缺点在于：由于每次发射时撞击杆在气枪中的安装位置不尽相同，且撞击速度与气压的对应关系很难确定，因此无法准确地控制入射波的幅值，所以需要尝试多次实验才能得到所需的应变率。其次，对于应变率跨度过大的实验，由于气枪气压的限制，需要更换撞击杆的长度来得到不同的应变率，应变率越高，所用撞击杆越短，实验中产生的应力波宽度越短，这就限制了实验所得到的应变范围，而且更换子弹操作繁琐。更重要的是，由于撞击杆的发射速度有一个下限，一些更低的应变率在实际试验中无法用传统霍普金森压杆得到，比如10s-1的应变率。由于不同的实验系统参数也不同，使得分离式霍普金森压杆实验技术的规范化一直是一个国际性的难题。
3.电磁霍普金森杆实验技术是由传统霍普金森杆实验技术与电磁驱动技术相结合发展起来的一种新的动态加载技术。电磁霍普金森杆实验技术与传统霍普金森杆相比，其应力波产生方式有着本质区别。传统霍普金森杆中应力波是由子弹撞击入射杆产生，而电磁霍普金森杆中应力波是通过电磁加载枪中放电线圈与次级线圈之间通过电磁感应定律产生的。
4.现有技术中的电磁加载线圈由于结构形式的限制，即使通入不同波形的电流脉冲，其产生的应力脉冲大多仍为正弦型应力脉冲。在申请号为201410171963.8的发明创造中公开的电磁应力波发生器，该装置基于电磁感应的原理能够产生正弦型的应力脉冲，但无法如传统霍普金森杆系统那样产生重复性良好并且有着平台段的梯形应力脉冲。申请号为201510051071.9发明名称为“电磁式应力波发生器的主线圈及充电/放电的方法”中虽然有用到叠加方法，但其效果仅限于改变正弦型应力脉冲的脉宽与幅值，无法产生梯形应力波。nie和suo等人2018年在international journal of impact engineering上发表的题为“aversatile split hopkinson pressure bar using electromagnetic loading”的文章中提出了在使用整形片将电磁霍普金斯杆产生的正弦型应力波转化为近似方波的整形方法，但这种方法操作复杂，不同脉宽幅值的应力波需要使用不同厚度尺寸的整形片，并且由于是利用整形片材料塑性好的特点来达到整形的效果，因此整形后的应力波上升沿和下降沿均很长导致应力波平台段脉宽较窄，无法应用于多种加载情况。
5.申请号为202110536839.7的发明创造中公开的一种能够产生高幅值长脉宽方波的电磁加载线圈通过软磁材料的聚磁与磁饱和效应，减缓了电磁力衰减程度，使产生的方
形应力波有较长的平台段，但其应力波的幅值亦受到磁饱和效应的限制。申请号为202110536462.5的发明创造中公开的电磁加载线圈虽然理论上可以产生任意应力波形，但是产生的应力波形依赖于主线圈中通入的电流的形状，目前市面上还难以找到产生电流脉宽和幅值都满足实验要求的脉冲电流发生器。
6.申请号为202210525286.x的发明创造中公开的一种能够产生梯形应力波的方法，该方法利用四组电路依次为四组线圈放电，通过叠加原理将四组正弦型应力波叠加为梯形应力波。但是该方法设计的电磁加载枪内有四组线圈，结构复杂，而且四组电路中的一组在对线圈放电时会受到其它组线圈的影响，使得产生的应力波幅值降低。


技术实现要素：

7.为克服现有电磁霍普金森杆实验技术中存在的无法产生梯形应力波、应力波幅值不够和应力波整形随机性的不足，本发明提出了一种能够产生梯形应力波的电磁式应力波发生器及实验方法。
8.本发明提出的能够产生梯形应力波的电磁式应力波发生器包括充/放电电路、电磁加载枪、次级线圈和入射杆，所述电磁加载枪的内端面有次级线圈，并使该入射杆悬臂端的端面与该次级线圈的表面相贴合。所述充/放电电路中的四组电路并联后与该电磁加载枪里放电线圈的两个接线柱联通。在该入射杆的外表面粘贴有应变片；该应变片与数据采集器连接。
9.所述电磁加载枪包括电磁加载枪壳体、放电线圈、绝缘层和两个放电线圈接线柱。其中的放电线圈采用铜带以螺旋方式盘绕在该壳体内；该放电线圈的匝数共为10匝。所述盘绕的各层放电线圈之间均填充有绝缘层，并且使电磁加载枪内表面与最外层放电线圈之间绝缘层的厚度为2mm，各圈放电线圈之间绝缘层的厚度为1mm。所述两个放电线圈接线柱分别由电磁加载枪底板上伸出，与并联后的四组放电电路相连。该放电线圈的接线柱与放电线圈开关串联。
10.所述次级线圈通过次级线圈连接螺栓与电磁加载枪连接，并使该次级线圈与电磁加载枪中心同轴。
11.所述放电线圈的外径为44.7mm，内径为8mm。所述放电线圈导线横截面为矩形，长为6mm，宽为2mm，线圈径向间距为1mm。
12.所述充/放电电路中包括四组电路和一组泄流电路，各组电路中分别有放电电路和充电电路；所述四组电路分别是第一组电路14、第二组电路15、第三组电路16和第四组电路17；所述四组电路均相同。所述泄流电路包括泄流电阻开关和泄流电阻。
13.所述四组电路均包括电容充电器、电容器充电开关、电容器、限流电阻、二极管和放电开关。四组电路中的电容充电器均与电容器充电开关的任意一个接线柱通过导线连接，电容器充电开关的另一个接线柱均与电容器的负极接线柱连接，电容充电器的另一输出端均与限流电阻的任意一个接线柱连接，限流电阻的另一个接线柱均与电容器的正极接线柱连接；将该四组电路中的电容器的正极接线柱均与二极管的电流流入端通过导线连接，电容器的负极接线柱均与放电开关的其中任意一个接线柱连接。
14.将所述四组电路中的各放电开关的另一个接线柱连接在一起，并与放电线圈的负极接线柱连接。将所述各组电路中的各二极管的电流流出端连接在一起，并与放电线圈开
关的正极接线柱连接；放电线圈开关的负极接线柱与放电线圈的正极接线柱连接。
15.将泄流电阻开关的负极接线柱与放电线圈开关的负极接线柱连接，泄流电阻开关的正极接线柱与泄流电阻的任意一个接线柱连接，泄流电阻的另一个接线柱与放电线圈的负极接线柱连接。
16.本发明提出的所述电磁式应力波发生器的实验过程是：
17.步骤1，连接电路；
18.步骤2，排布器材：
19.将电磁加载枪、次级线圈和入射杆依次同轴安装在实验台上。所述电磁加载枪、次级线圈和入射杆的中心同轴，并使次级线圈和入射杆仅能在轴线方向自由移动。
20.步骤3，粘贴应变片：
21.在入射杆长度的1/2处的圆周表面对称粘贴两片相同的应变片，并将各应变片分别介入惠斯通电桥中。
22.步骤4，加载：
23.闭合电容器充电开关，分别通过所述各组电路中的电容充电器对电容器充电至600v；四组放电电路的放电开关进入待触发状态。
24.设置数字延迟发生器24控制四组放电电路的放电开关的延时时间分别为0ms、0.13ms、0.26ms和0.39ms。
25.触发延迟发生器，使第一组电路的放电开关闭合对放电线圈放电；第一组电路的放电开关闭合0.13ms后第二组电路的放电开关闭合，对放电线圈放电；第一组电路的放电开关闭合0.26ms后第三组电路的放电开关闭合，对放电线圈放电；第一组电路的放电开关闭合0.39ms后第四组电路的放电开关闭合，对放电线圈放电。四组放电电路的放电开关均在闭合0.2ms后断开以减小各组放电电路之间的影响。放电线圈通电后将对次级线圈产生电磁斥力，电磁斥力作用在入射杆中产生梯形应力波。
26.本发明中，放电线圈接入外部激励电流，激励电流流经放电线圈，由于激励电流由电容器放电产生，是随时间变化的，因此放电线圈中会产生感应磁场，变化的感应磁场在次级线圈当中产生电流涡流，次级线圈中的涡流方向与放电线圈中的电流方向相反，二者产生的脉冲磁场也相反，从而使次级线圈和放电线圈之间产生极强的电磁斥力，电磁斥力在次级线圈中表现为一个应力波。通过控制几个应力波叠加得到梯形应力波
27.与现有技术相比较，本发明取得的有益效果是：
28.在本发明中，采用四组电路依次为同一放电线圈放电，不同的放电电路的放电开关的通断时间由dg645数字延迟发生器控制。不同电路控制线圈组放电在申请号为201510051071.9发明和申请号为202210525286.x的发明中虽然有用到过，但申请号为201510051071.9的发明中其效果仅限于改变正弦型应力脉冲的脉宽与幅值，无法产生梯形应力波；然而，对于延展性材料，比如金属材料，想要达到恒应变率加载，实验者更需要梯形应力波。此外，申请号为201510051071.9发明和申请号为202210525286.x的发明中均采用多组电路为多组线圈放电，其中一组电路对一组线圈放电时会受到其他组线圈的影响，各放电线圈之间互相影响产生互感，降低应力波的幅值。
29.本发明的关键和难点在于通过合理设计放电电路，从时间上合理控制各组电路依次对同一放电线圈放电，实现了正弦形应力波依次叠加产生梯形应力波。由于放电线圈接
入的电流脉冲激励是由电容放电产生的随时间变化的正弦波，因此会在次级线圈当中产生涡流，电流和涡流的瞬时变化会在放电线圈和次级线圈上产生感应磁场，次级线圈中的涡流方向与放电线圈中的电流方向相反，二者产生的磁场也相反，从而使次级线圈和放电线圈之间产生电磁斥力，电磁斥力在次级线圈中表现为压缩应力波。本发明通过dg645数字延迟发生器控制的四个电路依次放电，根据应力波的叠加原理，使次级线圈中产生的四组压缩应力波有序合理的叠加在一起成为一个梯形应力波。
30.图5是各组电路放电的时间间隔为0.13ms，电容器充电电压为600v，四组电路依次放电后入射杆中产生的应力波波形图，横坐标为时间，单位为ms，纵坐标为应力，单位为mpa。从图中可以看出，通过此方法得到能够用于动态加载试验的梯形应力波。由于以上优点，本发明在霍普金森杆实验中对材料实现不同应力波形的加载，也可以应用于其他应力波加载的实验中。
附图说明
31.图1是电源和充/放电电路示意图。
32.图2是电磁加载枪的俯视图和正视图。
33.图3是电磁加载枪的结构示意图。
34.图4是本发明的结构示意图。
35.图5是实施例在入射杆距离电磁加载枪1m位置上采集到的应力波信号。
36.图中：1.电源；2.电容充电器；3.电容器；4.二极管；5.泄流电阻；6.放电线圈；7.限流电阻；8.次级线圈；9.绝缘层；10.电磁加载枪壳体；11.入射杆；12.放电电路；13.放电线圈接线柱；14.第一组电路；15.第二组电路；16.第三组电路；17.第四组电路；18.电容器充电开关；19.放电开关；20.放电线圈开关；21.泄流电阻开关；22.应变片；23.数据采集器；24.数字延迟发生器。
具体实施方式
37.本实施例是一种能够产生梯形应力波的电磁式应力波发生器及实验方法，将通过以下实施例具体说明其技术方案。
38.本实施例中提出的电磁式应力波发生器包括充/放电电路12、电磁加载枪、放电线圈6、次级线圈8和入射杆11，其中次级线圈8和入射杆11均采用现有技术。
39.所述充/放电电路12中包括四组电路和一组泄流电路，各组电路中分别有放电电路和充电电路；所述四组电路分别是第一组电路14、第二组电路15、第三组电路16和第四组电路17；所述泄流电路包括泄流电阻开关21和泄流电阻5。
40.所述电磁式应力波发生器中，电磁加载枪壳体10的内端面有次级线圈8，并使该入射杆11悬臂端的端面与该次级线圈的表面相贴合。所述充/放电电路12中的四组电路并联后与该电磁加载枪里放电线圈的两个接线柱联通。在该入射杆的外表面粘贴有应变片22；该应变片与数据采集器23连接。
41.所述次级线圈采用铜片，半径为45mm，厚度为8mm。
42.所述入射杆半径为7mm，材质为tc4钛合金。
43.所述电磁加载枪包括电磁加载枪壳体10、放电线圈6、绝缘层9和两个放电线圈接
线柱13。其中的放电线圈采用铜带以螺旋方式盘绕在该壳体内；该放电线圈的匝数共为10匝。所述盘绕的各层放电线圈之间均填充有绝缘层9，并且使电磁加载枪内表面与最外层放电线圈之间绝缘层的厚度为2mm，各圈放电线圈之间绝缘层的厚度为1mm。所述两个放电线圈接线柱分别由电磁加载枪底板上的2个孔中伸出，与并联后的四组放电电路相连。该放电线圈6的接线柱13与放电线圈开关20串联。
44.在该电磁加载枪的中心有直径为6mm的通孔，用于安放次级线圈连接螺栓，以支撑该次级线圈，并使该次级线圈与电磁加载枪中心同轴。
45.所述放电线圈的外径为44.7mm，内径为8mm。所述放电线圈导线横截面为矩形，长为6mm，宽为2mm，线圈径向间距为1mm。
46.所述充/放电电路12中各元器件的连接方式如下：
47.第一组电路14包括电容充电器2、电容器充电开关18、电容器3、限流电阻7、二极管4和放电开关19。其中：电容充电器2与电容器充电开关18的任意一个接线柱通过导线连接，电容器充电开关18的另一个接线柱与电容器3的负极接线柱连接，电容充电器2的另一输出端与限流电阻7的任意一个接线柱连接，限流电阻7的另一个接线柱与电容器3的正极接线柱连接。将该第一组电路14中的电容器3的正极接线柱与二极管4的电流流入端通过导线连接，电容器3的负极接线柱与放电开关19的其中任意一个接线柱连接。
48.所述第二组电路15、第三组电路16和第四组电路17的组成与连接与该第一组电路14相同。按照第一组电路的连接方式，依次完成其余各组电路的连接。所述各组电路均为放电电路。
49.将所述各组电路中的各放电开关的另一个接线柱连接在一起，并与放电线圈6的负极接线柱连接。
50.将所述各组电路中的各二极管的电流流出端连接在一起，并与放电线圈开关20的正极接线柱连接；放电线圈开关20的负极接线柱与放电线圈6的正极接线柱连接。
51.将泄流电阻开关21的负极接线柱与放电线圈开关20的负极接线柱连接，泄流电阻开关21的正极接线柱与泄流电阻5的任意一个接线柱连接，泄流电阻5的另一个接线柱与放电线圈6的负极接线柱连接。
52.数字延迟发生器24通过信号线控制四组电路中四个放电开关接通的延迟时间。
53.所述限流电阻和泄流电阻的阻值均为400ω。
54.所述电容器规格为2mf。
55.所述电源为220v的三相交流电源。所述电容充电器采用现有电磁铆接设备的供电部分。
56.所述各组电路中的开关闭合和断开时间由数字延迟发生器控制，设置第一组电路的放电开关至第四组电路的放电开关的通道延时时间依次分别是0ms、0.13ms、0.26ms和0.39ms。
57.延迟发生器触发后，第一组电路的开关闭合对放电线圈放电，第一组电路的开关闭合0.13ms后第二组电路的开关闭合对放电线圈放电，第一组电路的开关闭合0.26ms后第三组电路的开关闭合对放电线圈放电，第一组电路的开关闭合0.39ms后第四组电路的开关闭合对放电线圈放电。四组电路的开关均闭合0.2ms后断开以减小各组放电电路之间的影响。
58.所述数字延迟发生器采用dg645型。
59.本实施例产生梯形应力波的具体过程是：
60.步骤1，连接电路：
61.按照图1，将电路中各元器件顺序依次连接。
62.步骤2，排布器材：
63.将电磁加载枪、次级线圈和入射杆依次同轴安装在实验台上。所述次级线圈通过中心孔与次级线圈连接螺栓连接后，将该次级线圈连接螺栓插入电磁加载枪的中心孔，使次级线圈端面与电磁加载枪紧密贴合，所述次级线圈的另一端面与入射杆紧密贴合；所述电磁加载枪、次级线圈和入射杆的中心同轴，并使次级线圈和入射杆仅能在轴线方向自由移动。
64.步骤3，粘贴应变片：
65.应变片的粘贴方法采用现有技术，即在入射杆的一半长度处的圆周上以所述入射杆轴线为对称轴，将两片相同的应变片对称粘贴在入射杆表面，在应变片的引脚上焊接应变片引线，并将所述应变片引线接入数据采集系统中的惠斯通电桥中。
66.步骤4，加载：
67.闭合电容器充电开关18，用220v的三相交流电源通过电容充电器对四组电路的电容器充电至600v；四组放电电路的放电开关19进入待触发状态。
68.设置dg645数字延迟发生器24控制四组放电电路的放电开关的延时时间分别为0ms、0.13ms、0.26ms和0.39ms。
69.触发延迟发生器，延迟发生器触发后，第一组电路的放电开关闭合对放电线圈放电；第一组电路的放电开关闭合0.13ms后第二组电路的放电开关闭合，对放电线圈放电；第一组电路的放电开关闭合0.26ms后第三组电路的放电开关闭合，对放电线圈放电；第一组电路的放电开关闭合0.39ms后第四组电路的放电开关闭合，对放电线圈放电。第四组放电电路的放电开关均闭合0.2ms后断开，以减小各组放电电路之间的影响。
70.通过放电线圈对次级线圈产生的电磁斥力作用在入射杆中产生梯形应力波。
71.所述放电线圈中流过脉冲电流产生高强度的脉冲磁场。次级线圈与放电线圈相互贴紧，发生电磁感应现象而产生极强的涡流，次级线圈中的涡流与放电线圈产生的磁场相互作用，次级线圈靠近放电线圈的端面上的质点会受到洛伦兹力作用，在次级线圈中形成磁场力。磁场力在次级线圈内表现为压缩应力脉冲，应力脉冲传入到与次级线圈紧密贴合的入射杆后，以弹性波形式在入射杆中传播，对试样进行动态加载试验。粘贴在入射杆上的应变片22将应力波传过时的应变信号转化为电压信号由数据采集器23记录下来。
72.四组放电电路分别延时0ms、0.13ms、0.26ms和0.39ms放电后即在入射杆中产生如图5所示的梯形应力波。
73.本实施例通过改变电容值、电容器的充电电压、放电线圈的形状、匝数和数字延迟脉冲发生器的延迟时间，能够产生不同幅值和脉宽的梯形应力波，增大/减小电容器的充电电压以增大/减小应力波的幅值；轴向/径向增加线圈的组数也可增大幅值；增大/减小电容器的电容值以增大/减小应力波的脉宽。也可根据需要更换不同尺寸和材质的入射杆。