基于霍普金森拉杆的纱线动态拉伸装置及力学测试方法

本发明涉及材料动态力学性能测试，尤其涉及基于霍普金森拉杆的纱线动态拉伸装置及力学测试方法。

背景技术：

1、纤维纱线是弹道防弹衣中的织物和车辆装甲中的复合材料的组成成分。软体防弹衣能否有效抵御子弹或爆炸的冲击，取决于织物中使用的纤维纱线抵抗冲击时的力学性能和生产制造工艺。纤维拉伸的模量、破坏应力和应变是复合材料结构设计最基础的参数。相对这些参数,拉伸性能是纤维动态力学性能的最主要性能，也是复合材料结构设计的基础，特别是在高速加载条件下，材料的拉伸性能与准静态加载下的力学性能有不同程度的差异,即材料的应变率效应。相对于准静态条件下的性能测试，高应变率的特征时间很短，应力波传播效应、惯性效应和测试温度等都会对测试结果产生影响，因此测试难度很大。但是，在高应变率下研究纤维材料力学性能的应变率效应，是获得纤维力学响应规律并建立材料力学本构方程的关键，是研究纤维增强复合材料高速冲击下力学性能的基础。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种基于霍普金森拉杆的纱线动态拉伸装置及力学测试方法，解决了纱线的滑移，导致纱线受力失效，所需的张力非实际值，无法保证纱线均匀受力，破坏发生在非测量段等问题。

2、根据本发明提出的一种基于霍普金森拉杆的纱线动态拉伸装置，包括试验平台、杆组件、数据处理机构、高速摄像机和计算机，所述杆组件包括撞击杆、入射杆、拉伸夹具和透射杆，所述入射杆和透射杆均通过支架安装在试验平台上，所述入射杆左端设有法兰盘，所述法兰盘内侧面设有波形整形器，所述入射杆在靠近左端位置套有撞击杆，所述入射杆和透射杆上均设有应变片，每个所述应变片与温度补偿片电阻串联组成惠斯通电桥再与应变放大器电性连接，所述应变放大器上电连接有示波器，所述入射杆和透射杆相对的一端上均设有一个拉伸夹具，两个所述拉伸夹具分别用于夹住纱线两端并对纱线拉伸，所述示波器接入到计算机内，两个所述拉伸夹具旁设有高速摄像机。

3、在本发明的一些实施例中，所述拉伸夹具包括固定套筒、两片楔形夹片和夹紧螺母筒，所述固定套筒内底部设有锥形桶底，两片所述楔形夹片拼合后形成两头为锥形的夹块，所述夹紧螺母筒在螺帽片上的中心位置开有线孔；

4、所述楔形夹片的贴合面上贴有一片泡沫胶带块，所述纱线一端按照回字形缠绕在泡沫胶带块上，再用另一片所述楔形夹片贴在贴有泡沫胶带块的楔形夹片上，所述楔形夹片形成的夹块塞入到固定套筒内，所述夹紧螺母筒旋入到固定套筒的端口内且纱线从线孔穿出。

5、在本发明的另一些实施例中，所述入射杆和透射杆的长度分别为3.2m和2.5m，所述撞击杆长度为0.4或0.8m，所述入射杆和透射杆的直径小于20cm。

6、在本发明的另一些实施例中，所述高速摄像机旁设有led聚光灯。

7、一种基于霍普金森拉杆的纱线动态拉伸性能力学测试方法，具体步骤如下：

8、s1：截取一段测试纱线待用，将纱线两端分别安装在拉伸夹具内，所述拉伸夹具分别安装在入射杆和透射杆相对的一端上，在入射杆和透射杆上均设有应变片，每个所述应变片与温度补偿片电阻串联组成惠斯通电桥再与应变放大器电性连接，所述应变放大器接入到计算机内；

9、s2：测试开始时利用轻气炮推动撞击杆撞向入射杆左端部的法兰盘，在入射杆的左端形成入射波，入射波由入射杆左端传递至右端，在右端部反射回左端，形成反射波，此时，入射杆移动带动纱线试样左端向左移动，纱线试样右端拉动透射杆，透射杆会接收透射波而后也向左移动，由此对纱线试样进行动态拉伸加载；

10、s3：加载过程中产生的纱线变形，使得波形改变被应变片所捕获，波形信号经过应变放大器进行滤波和将信号放大，通过示波器记录的数据传输给计算机进行处理分析。

11、在本发明的另一些实施例中，截取的测试纱线长度是测试段长度的3-4倍；

12、所述拉伸夹具包括固定套筒、两片楔形夹片和夹紧螺母筒，所述固定套筒内底部设有锥形桶底，所述夹紧螺母筒在螺帽片上的中心位置开有线孔；

13、所述楔形夹片的贴合面上贴有一片泡沫胶带块，所述纱线一端按照回字形缠绕在泡沫胶带块上，再用另一片所述楔形夹片贴在贴有泡沫胶带块的楔形夹片上，所述楔形夹片形成的夹块塞入到固定套筒内，所述夹紧螺母筒旋入到固定套筒的端口内且纱线从线孔穿出。

14、在本发明的另一些实施例中，所述示波器所记录的波形数据经过公式转换为入射杆及透射杆的形变历史，计算公式如下：其中为杆件的形变，为示波器显示的输出电压，a为放大器的放大倍数，为桥压2v，为应变片的灵敏系数。

15、本发明的有益效果如下：采用传统霍普金森拉杆的试验方法，获得了纱线在不同应变率下的拉伸性能，通过高速摄像机下对纱线的破坏过程进行观察，发现纱线夹持端试样并未出现滑移或脱出，利用拉伸夹具可实现对纱线的有力夹持，使得测量段纱线均匀受力，纱线的破坏发生在测量段，而不是夹持区域纱线材料上，为在不同应变率下的性能研究提供了新的测试方法和思路，同时为建立由纱线到织物及复材结构的力学模型提供材料参数。

技术特征：

1.一种基于霍普金森拉杆的纱线动态拉伸装置，其特征在于：包括试验平台、杆组件、数据处理机构、高速摄像机和计算机，所述杆组件包括撞击杆（4）、入射杆（1）、拉伸夹具（5）和透射杆（2），所述入射杆（1）和透射杆（2）均通过支架安装在试验平台上，所述入射杆（1）左端设有法兰盘（11），所述法兰盘（11）内侧面设有波形整形器（12），所述入射杆（1）在靠近左端位置套有撞击杆（4），所述入射杆（1）和透射杆（2）上均设有应变片（3），每个所述应变片（3）与温度补偿片电阻串联组成惠斯通电桥再与应变放大器电性连接，所述应变放大器上电连接有示波器，所述入射杆（1）和透射杆（2）相对的一端上均设有一个拉伸夹具（5），两个所述拉伸夹具（5）分别用于夹住纱线两端并对纱线拉伸，所述示波器接入到计算机内，两个所述拉伸夹具（5）旁设有高速摄像机。

2.根据权利要求1所述的一种基于霍普金森拉杆的纱线动态拉伸装置，其特征在于：所述拉伸夹具（5）包括固定套筒（53）、两片楔形夹片（52）和夹紧螺母筒（51），所述固定套筒（53）内底部设有锥形桶底，两片所述楔形夹片（52）拼合后形成两头为锥形的夹块，所述夹紧螺母筒（51）在螺帽片上的中心位置开有线孔（531）；

3.根据权利要求1所述的一种基于霍普金森拉杆的纱线动态拉伸装置，其特征在于：所述入射杆（1）和透射杆（2）的长度分别为3.2m和2.5m，所述撞击杆（4）长度为0.4或0.8m，所述入射杆（1）和透射杆（2）的直径小于20cm。

4.根据权利要求1所述的一种基于霍普金森拉杆的纱线动态拉伸装置，其特征在于：所述高速摄像机旁设有led聚光灯。

5.一种基于霍普金森拉杆的纱线动态拉伸装置的力学测试方法，其特征在于：具体步骤如下：

6.根据权利要求5所述的一种基于霍普金森拉杆的纱线动态拉伸装置的力学测试方法，其特征在于：截取的测试纱线长度是测试段长度的3-4倍；

7.根据权利要求5所述的一种基于霍普金森拉杆的纱线动态拉伸装置的力学测试方法，其特征在于：所述示波器所记录的波形数据经过公式转换为入射杆（1）及透射杆（2）的形变历史，计算公式如下：其中为杆件的形变，为示波器显示的输出电压，a为放大器的放大倍数，为桥压2v，为应变片的灵敏系数。

技术总结
本发明公开了一种基于霍普金森拉杆的纱线动态拉伸装置及力学测试方法，包括试验平台、杆组件、数据处理机构、高速摄像机和计算机，杆组件包括撞击杆、入射杆、拉伸夹具和透射杆，入射杆和透射杆上均设有应变片，每个应变片与温度补偿片电阻串联组成惠斯通电桥再与应变放大器电性连接，两个拉伸夹具分别用于夹住纱线两端并对纱线拉伸，示波器接入到计算机内，测试方法：1、入射杆移动带动纱线试样左端向左移动，由此对纱线试样进行动态拉伸加载；2、通过示波器记录的数据传输给计算机进行处理分析。本发明获得了纱线在不同应变率下的拉伸性能，发现纱线夹持端试样并未出现滑移或脱出，使得测量段纱线均匀受力，纱线的破坏发生在测量段。

技术研发人员：王浩翔,魏健,沈越,高金翎,刘家贵,卢天健
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25