一种霍普金森杆冲击试验的加载控制装置与方法

本发明属于高g值加速度传感器的冲击校准，尤其涉及一种霍普金森杆冲击试验的加载控制装置与方法。

背景技术

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背景技术：

1、霍普金森杆冲击试验技术广泛应用于民用碰撞试验和国防的科研、生产和试验中，是弹载电子装置、加速度传感器等的结构、功能可靠性和测试校准的重要技术，尤其应用于国防领域中，也广泛应用于材料力学性能测试等方面。

2、现有的霍普金森杆装置包括常规的霍普金森压杆、霍普金森拉杆以及霍普金森扭杆等测试装置。目前霍普金森杆装置的驱动方式大体有两种，一种是最常见的气动加载方式，通过高压容器的压缩器气体驱动子弹或碰撞杆直接撞击入射杆，入射杆首端受到碰撞会产生压缩应力波，该应力波会传播到与入射杆尾端连接的待测传感器等电子仪器或材料样品中。另一种驱动方式是电磁加载方式，如申请号cn202210044762.6、cn201510956545.4、cn201910038475等，利用电容器与铜线圈产生强磁场，进而产生涡流磁场，并产生排斥力。该排斥力脉冲通过放大器传播，在入射杆中直接产生入射脉冲。

3、但是目前以上两种方式都存在着各自的缺点，对于气动加载方式，由于每次发射时子弹或撞击杆在气枪中的安装位置不尽相同，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，实验重复性差。电磁加载方式技术复杂，造价昂贵，且电磁斥力的大小受到电路结构参数的影响，电磁铆接技术产生应力波主要是通过电磁斥力加速驱动碰撞杆与入射杆发生碰撞，再次实验时需要对碰撞杆进行重新安装，操作繁琐，上述一系列问题导致试验效率非常低。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种霍普金森杆冲击试验的加载控制装置与方法，该装置与方法和霍普金森杆配套使用，通过限位机构精确控制和调节实验子弹的发射位置和加速距离，精确控制加速度峰值，得到驱动气压、加速距离与加速度峰值对应关系；通过气动复位，使发射后的实验子弹能够快速回到初始位置或指定位置，显著提高霍普金森杆冲击加载实验自动化程度以及实验效率和控制精度。

2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

3、本发明公开的一种霍普金森杆冲击试验的加载控制装置，包括直线电机、限位杆、端盖、子弹发射筒、实验子弹、空气压缩机、储气罐、真空泵、控制台、缓冲垫片、垫片夹持板。

4、所述空气压缩机经由进气阀门与储气罐连接，储气罐的出气口经由出气阀门连接气体管道，气体管道末端连接子弹发射筒的端盖上的通气孔。所述气体管道的数目与端盖通气孔的数目相同。所述控制台连接进气阀和出气阀，实现对储气罐的充气和放气控制。优选地，子弹发射筒并排连接多个储气罐，多个储气罐交替工作，能够减少下次击发时的间隔时间。

5、所述真空泵经由阀门与气体管道连接，气体管道末端连接子弹发射筒的端盖上的通气孔。真空泵能够通过端盖上的通气孔抽取子弹发射筒内的气体，使子弹发射筒内腔形成负压，负压作用于实验子弹底部，能够使实验子弹复位到初始发射位置，避免使用磁力装置吸回实验子弹或人工手动推回实验子弹的低效和繁琐，显著提高霍普金森杆冲击加载实验自动化程度。

6、所述端盖位于子弹发射筒端部，与子弹发射筒连接。端盖的中心位置加工有供限位杆通过和前后移动的限位孔，限位孔为通孔。限位孔两侧加工通气孔，通气孔为通孔，通气孔一端连通气体管道，另一端连通子弹发射筒的内腔。配合真空泵产生的负压能够使实验子弹复位。优选地，通气孔对称分布在限位孔两侧。对称分布的通气孔具有以下优点：一是在发射实验子弹时，驱动压缩空气能够均匀地作用在实验子弹底部，驱动实验子弹沿发射筒轴线直线运动，避免偏心运动。二是在使实验子弹复位时，真空泵产生的负压能够均匀地作用在实验子弹底部，使实验子弹能够作直线运动退回原位，即复位，避免发生偏心运动。

7、所述限位杆的一端通过限位孔插入子弹发射筒中，另一端连接直线电机。直线电机安装于限位杆轴线后端，直接推拉限位杆前后移动调节发射位置。或者直线电机位于限位杆一侧，平行于限位杆，通过连杆带动限位杆前后移动，控制限位杆伸入子弹发射筒中的长度，从而确定和控制实验子弹的发射位置。无需为了观察实验子弹的位置而使用透明材料制作子弹发射筒，透明材料承压小，无法承受高压力的冲击。限位杆主要用于确定和控制实验子弹的发射位置，此目的通过以下过程实现：首先通过直线电机带动限位杆移动到指定发射位置，然后用真空泵抽取子弹发射筒中的气体形成负压，实验子弹在负压的作用下向后运动，直到碰到限位杆停止运动，此时实验子弹停在限位杆的端部，以此控制了实验子弹的发射位置。进而根据直线电机控制限位杆移动的距离能够精准控制实验子弹的加速距离，提高了霍普金森杆冲击试验的实验精度。

8、所述子弹发射筒位于装置支架上，为一内部加工有柱形通孔的筒状结构，一端装有端盖，另一端开放，面向霍普金森杆的端面，实验子弹与发射筒位于同一轴线上。子弹发射筒内部装有实验子弹，实验子弹射出后与霍普金森杆端面发生正碰。

9、所述实验子弹整体呈圆柱状，在圆柱的前端加工有一个圆台，圆台前端直径与霍普金森杆直径相同。实验子弹的两端加工有闭气环凹槽，凹槽中安装有密封圈，密封圈有两个作用：一是密封实验子弹与子弹发射筒内腔之间的缝隙，二是充分减小实验子弹与子弹发射管的摩擦力，使实验子弹能够更快地加速。实验子弹带有两个闭气环凹槽，比传统的圆柱无凹槽子弹密封性更好，且能够减少实验子弹对子弹发射筒内腔的磨损，有利于冲击计量测试的重复性和一致性要求。

10、所述缓冲垫片，为一长方形条状薄片，由固定在装置支架上的垫片夹持板将缓冲垫片的两端夹紧，缓冲垫片平面与霍普金森杆轴线垂直，并紧贴霍普金森杆的撞击端面，实验子弹与霍普金森杆发生碰撞时，通过缓冲垫片进行脉宽调节。长方形条状的缓冲垫片材料选用柔性薄片状长条形材料。所述柔性薄片状长条形材料包括尼龙、橡胶、羊毛毡。

11、本发明还公开一种霍普金森杆冲击试验的加载控制方法，基于所述一种霍普金森杆冲击试验的加载控制装置实现，包括如下步骤：

12、步骤1：将子弹发射筒和相应直径的霍普金森杆固定于装置支架上，连接并安装调试好霍普金森杆的数据测量装置。

13、步骤2：安装好实验子弹的密封圈，将实验子弹安装于子弹发射筒中。密封圈能够密封实验子弹与子弹发射筒之间的缝隙，形成密闭空腔，充分减小实验子弹与子弹发射管的摩擦力，使实验子弹能够更快地加速。安装好子弹发射筒的端盖。

14、步骤3：将与直线电机连接好的限位杆伸入端盖的限位孔中；直线电机能够带动限位杆前后移动，控制限位杆伸入子弹发射筒中的长度，从而决定和控制实验子弹的发射加速距离。将气体管道的接口与端盖的通气孔密封连接。通气孔对称分布在限位孔周围。对称分布的通气孔能够在发射实验子弹和复位实验子弹时，气压均匀地作用在实验子弹底部，使子弹能够直线运动，避免偏心运动。

15、步骤4：依次连接并检查好空气压缩机、储气罐、真空泵以及气体管道。真空泵能够使子弹发射筒内腔形成负压，负压作用于实验子弹底部使实验子弹吸回复位到初始发射位置，显著提高冲击加载实验自动化程度。连接控制台与各个阀门的连接线，检测好各部分能否正常工作，实验系统准备完毕。打开空气压缩机，调节压力控制旋钮，压力显示仪表时时显示压力大小，储气罐充气至指定压力，实验子弹处于待发状态。

16、步骤5：本发明能够实现三种冲击实验的加载控制方法，控制方法一：手动调节限位杆位置，控制实验子弹的加速距离，改变储气罐加载压力，实现单次冲击加载实验；控制方法二：设定冲击次数，间隔时间，实现自动多次相同峰值冲击加载实验；控制方法三：设定自动调节移动限位杆距离，设置冲击次数，间隔时间，实现自动多次不同峰值冲击加载实验。根据霍普金森杆冲击试验工况，选择执行对应控制方法，择一执行三种控制方法分别对应的步骤6、步骤7或步骤8，进行相应工况下的霍普金森杆冲击试验。所述控制方法一对应步骤6，所述控制方法二对应步骤7，所述控制方法三对应步骤8。所述霍普金森杆冲击试验工况参数包括冲击加载次数、加速距离、加载压力、间隔时间。

17、步骤6：通过步骤5中的控制方法一进行任意加速距离、任意气压的单次冲击加载实验。顺时针或者逆时针旋转位置调节旋钮，实现限位杆目标位置手动调节控制功能，即：随着位置调节旋钮的旋转，直线电机自动前后移动，将限位杆移动到设定目标位置，位置显示屏实时显示限位杆前端距原点起始位置的距离。按下复位按钮，真空泵自动启动，子弹发射筒腔体内形成负压，将实验子弹自动吸回到限位杆端部，完成实验子弹的发射复位功能，真空泵自动关闭。通过压力加载旋钮和压力卸载旋钮，两者配合操作，调节储气罐内的压力至目标气压。压力显示屏实时显示储气罐内的压力。点击计算机上的数据采集软件的采集按钮，数据采集装置和数据采集软件进入采集准备状态，触发信号到来时，将自动存储记录测试数据。当采集软件在采集准备状态时，快速按压发射按钮，启动实验子弹击发，实现实验子弹与霍普金森杆碰撞，即：发射按钮按下时，储气罐内压缩空气通过出气阀门快速释放，压缩空气通过气体管道突然加载到子弹发射筒，驱动复位状态的实验子弹沿轴线快速向前移动，与霍普金森杆的端面发生碰撞，霍普金森杆的端面前有缓冲垫片，能够进行脉宽调节。实验子弹与霍普金森杆碰撞瞬间，产生触发信号，数据采集装置启动采集功能，数据采集软件完成自动存储记录测试数据功能，数据处理软件自动处理数据，将实验结果和实验曲线显示在计算机屏幕上。

18、步骤7：通过步骤5中的控制方法二进行设定限位杆位置、控制实验子弹的加速距离的自动多次相同峰值冲击加载实验。首先设定冲击次数和间隔时间，即：通过冲击次数增加和减少按键，将实验次数调节到预期值，然后点按确认按键，完成冲击次数设定。通过间隔时间增加和减少按键，将间隔时间调节到预期值，然后点按确认按键，完成间隔时间设定。通过加载压力增加和减少按键，将加载压力初始值调节到预期值，将步长压力增加值设定为零，即压力恒定不增加，然后点按确认按键，完成储气罐内的加载压力设定。最后进行发射子弹的加速距离设定，即：通过加速距离增加和减少按键，将加速距离初始值调节到预期值，将步长加速距离增加值设定为零，即加速距离恒定不增加，最后点按确认按键，完成限位杆位置调节设定。上述四个初始参数完成设定后，进入实验准备状态。点击计算机上的数据采集软件的采集按钮，数据采集装置和数据采集软件进入采集准备状态，触发信号到来时，将自动存储记录测试数据。当采集软件采集准备状态时，快速按压发射按钮，启动实验子弹击发，实现实验子弹与霍普金森杆碰撞，霍普金森杆的端面前有缓冲垫片，能够进行脉宽调节。实验子弹与霍普金森杆第一次碰撞瞬间，产生触发信号，数据采集装置启动采集功能。完成一次击发后，真空泵自动启动，实验子弹受到负压作用复位回到初始发射位置。依据设定的冲击次数、间隔时间、加载压力、加速距离参数自动进行下一次击发实验，直到完成设定的冲击次数。优选地，子弹发射筒并排连接多个储气罐，多个储气罐交替工作，能够减少下次击发时的间隔时间。点击手动停止数据采集按钮，数据采集软件将多次实验数据自动存储记录测试数据到计算机硬盘，点击数据处理软件手动处理数据按钮，将实验结果和实验曲线显示在计算机屏幕上。

19、步骤8：通过步骤5中的控制方法三设定自动调节移动限位杆位置、设定加载压力初始值和步长压力增加值、设置冲击次数和间隔时间，进行自动多次不同峰值冲击加载实验。首先通过冲击次数增加和减少按键设定冲击次数，通过间隔时间增加和减少按键，完成间隔时间设定。通过加载压力增加和减少按键，将加载压力初始值调节到预期值，将步长压力增加值设定预期值，即压力每次增加一个步长压力，最后点按确认按键，完成储气罐内的加载压力设定。最后进行发射子弹的加速距离设定，即：通过加速距离增加和减少按键，将加速距离初始值调节到预期值，将步长加速距离增加值设定预期值，即加速距离每次增加一个步长距离，最后点按确认按键，完成限位杆位置调节设定。上述四个初始参数完成设定后，进入实验准备状态。点击计算机上的数据采集软件的采集按钮，当采集软件在采集准备状态时，快速按压发射按钮，启动实验子弹击发，实验子弹与霍普金森杆第一次碰撞瞬间，产生触发信号，数据采集装置启动采集功能，霍普金森杆的端面前有缓冲垫片，能够进行脉宽调节。完成一次击发后，真空泵自动启动，实验子弹复位。依据设定的冲击次数、间隔时间、加载压力增加值、加速距离增加值等参数，自动进行下一次击发实验，直到完成设定的冲击次数。优选地，子弹发射筒并排连接多个储气罐，多个储气罐交替工作，能够减少下次击发时的间隔时间。点击手动停止数据采集按钮，数据采集软件将多次实验数据自动存储记录测试数据到计算机硬盘，点击数据处理软件手动处理数据按钮，将实验结果和实验曲线显示在计算机屏幕上。

20、有益效果：

21、1、本发明公开的一种霍普金森杆冲击试验的加载控制装置与方法，在子弹发射筒中安装能够移动的限位杆。通过控制限位杆伸入子弹发射筒中的长度，能够调节和确定实验子弹的发射位置，从而精准控制实验子弹的加速距离，显著提高霍普金森杆冲击试验的精度。解决了现有技术中实验子弹冲击速度无法精确调节、加速度峰值难以控制、驱动气压与加速度峰值对应关系难以确定的问题，显著提高冲击试验的实验精度和实验结果可重复性。

22、2、本发明公开的一种霍普金森杆冲击试验的加载控制装置与方法，通过设计实验子弹复位系统，能够将负压作用于实验子弹底部，将实验子弹自动吸回到初始发射位置，操作简单，实现冲击加载实验自动化，显著提高霍普金森杆冲击试验的实验效率。由于通过气动方式复位能够克服目前方法中额外使用磁力装置吸回实验子弹的缺点，降低磁力装置复位成本和实现磁力复位附加的控制软件的学习成本；并且端盖上的通气孔对称分布在限位孔两侧，能够使气压均匀地作用在实验子弹底部，使实验子弹作直线运动，避免偏心运动，提高了霍普金森杆冲击试验的精度。

23、3、本发明公开的一种霍普金森杆冲击试验的加载控制装置与方法，通过设计由垫片夹持板两端夹紧的缓冲垫片，并将其紧贴在霍普金森杆的撞击端面，实现实验子弹与霍普金森杆发生碰撞时的脉宽调节。

24、4、本发明公开的一种霍普金森杆冲击试验的加载控制装置与方法，通过手动调节限位杆位置，控制和决定实验子弹的加速距离，配合改变发射压力，实现实验子弹任意加速距离、任意气压的单次冲击实验。通过多次实验，能够确定实验子弹加速距离、发射气压与加速度峰值的对应关系，显著提高冲击试验的实验精度。

25、5、本发明公开的一种霍普金森杆冲击试验的加载控制方法，通过设置储气罐和真空泵的自动开启和关闭，能够实现发射实验子弹和实验子弹复位的自动化。通过在控制台中输入冲击次数、间隔时间和实验子弹的加速距离，能够实现冲击次数与间隔时间可控的多次相同峰值冲击加载实验，实现了冲击加载实验自动化，显著提高霍普金森杆连续冲击试验的实验效率。

26、6、本发明公开的一种霍普金森杆冲击试验的加载控制方法，通过预设限位杆的移动距离，能够实现每次冲击时实验子弹初始发射位置的自动调节。配合装置实验子弹能够按照预设自动发射和自动复位的功能，在控制台中输入冲击次数、间隔时间、加速距离初始值与加速距离增加步长、加载压力初始值与压力增加步长，实现自动多次不同峰值冲击加载实验，显著提高冲击试验的实验效率和实验精度。

27、7、本发明公开的一种霍普金森杆冲击试验的加载控制装置与方法，利用限位杆确定和控制实验子弹的加速距离，可使用钢材料等制作子弹发射筒，无需为了观察实验子弹的加速而使用透明材料制作子弹发射筒；透明材料承压小，无法承受高压力的冲击，易发生破裂危险；配合霍普金森杆冲击试验的自动化加载控制，共同提高冲击试验的安全性。