一种可控应变的霍普金森压杆实验装置与方法

本发明涉及材料动态力学性能测试，尤其是涉及一种可控应变的霍普金森压杆实验装置与方法。

背景技术：

1、在军事防护、车辆碰撞安全性和爆炸物防护等领域，了解材料在高应变速率下的响应对设计和改进防护系统至关重要。与准静态加载下的情况相比，材料在强动载荷下的变形和力学响应呈现显著的瞬态特性，通常伴随着复杂的失效模式。霍普金森压杆实验是研究材料在高速冲击下的变形、破裂等性能的重要手段。当前的霍普金森压杆实验一般通过调节子弹尺寸和气压大小来控制试样的应变速率，试样在冲击过程中自由压缩，难以控制和设定试样的总应变。目前主要采用止动环来粗略地控制试样的应变。由霍普金森压杆实验原理可知，由于止动环尺寸和质量较小，其在受到冲击时产生的应力波的幅值较大。同时由于止动环与两个压杆之间存在界面，应力波遇到界面后会在止动环内快速发生多次反射和透射，进一步增大其受到的应力。这两个因素使得止动环在受到冲击载荷时产生较大的应变，进而导致试样端面的位移不能精准地被止动环端面所限制，极大降低了试样应变控制的精度。

2、综上所述，传统霍普金森压杆实验存在问题有：

3、(1)由于冲击过程中试样是自由压缩的，因而无法对应变进行精确控制，只能通过改变子弹长度和气压大小来调节子弹相对于入射杆的撞击速度，进而调节冲击过程中试样的应变速率；而该应变速率受试样尺寸、试样和压杆的材料种类、加载方式、子弹长度等多种因素影响；另外在冲击过程中，在试样上产生应变速率也是动态变化的，这使得应变速率难以控制，进而难以设定冲击过程中试样的总变形量。

4、(2)此前霍普金森压杆常用的控制应变的方法是采用止动环装置，但由于止动环尺寸必须小于试样的尺寸，较小的尺寸使其在受到冲击载荷出现较大的应变，导致对试样的应变控制不够精确。

5、对于霍普金森压杆冲击实验，应变的准确控制具有以下几方面的重要意义：

6、(1)在高应变速率实验中，试样在冲击变形过程中存在着硬化行为与软化行为的竞争机制，从而导致其力学响应呈现出显著的非线性关系。通过精确控制应变，可以分阶段研究试样的力学行为，以更全面地描绘这种非线性关系。

7、(2)高应变速率冲击下，材料在变形过程中产生了大量由塑性功转化的热量，但由于整个过程时间较短，这些热量未能有效地传递到周围的基体，可以视为一个绝热过程。这一过程中塑性功的大小与应变密切相关。通过控制应变，可以控制塑性功的大小，进而控制热量的多少，可以有效地减少由于温度变化和温度敏感性变化对实验结果产生的影响。

8、(3)位错的增殖速率主要与应变量有关，为了研究位错密度演化与应变速率之间的关系，需要消除应变量的干扰。因此控制应变量可以更好地研究位错密度演与应变速率的关系。

9、(4)应变速率敏感性通常用于衡量应变速率对材料力学性能的影响。它反映了在规定应变下，流动应力随应变速率的变化，更深的层面上反映了应变速率对应变率硬化效应的影响程度。由其定义可知，精确的控制应变可以更好地研究应变速率敏感性，从而更好地反映材料在高应变速率下的力学特征。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了提供一种可控应变的霍普金森压杆实验装置与方法，实现冲击实验中对试样应变的精确控制。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种可控应变的霍普金森压杆实验装置，包括透射杆和环状支撑框架；

3、所述透射杆端面设有圆柱凹槽，环状支撑组件设置在圆柱凹槽内，待测试样安装在环状支撑组件上。

4、优选地，所述环状支撑组件包括环状主体框架和设置在环状主体框架上的多根支撑杆，待测试样由多根支撑杆夹持。

5、进一步优选地，所述支撑杆包括实心杆、套筒与套筒顶部的平面支撑板；

6、所述实心杆固定在环状主体框架上，套筒套设在实心杆上，内部设有弹簧，弹簧一端连接套筒，另一端连接实心杆。

7、本发明中，支撑杆一方面起固定初始试样的作用，另一方面避免了对试样在压缩膨胀过程中产生较大约束。

8、进一步优选地，所述环状主体框架与圆柱凹槽之间呈孔轴过渡配合。

9、进一步优选地，所述环状主体框架与圆柱凹槽同轴设置，环状主体框架沿轴线方向的厚度小于圆柱凹槽。

10、优选地，所述待测试样呈长方体结构。本发明采用方形试样作为标准试样，便于试样固定和准原位微观组织观察。

11、进一步优选地，所述待测试样的尺寸为3～4mm*3～4mm*3～4mm。

12、优选地，所述待测试样侧面与圆柱凹槽之间留有间隙。

13、优选地，所述圆柱凹槽直径为17～19mm，深度为2～4mm。

14、优选地，所述圆柱凹槽沿轴线方向的厚度小于待测试样厚度，沿圆柱凹槽轴线方向，待测试样一侧端面贴合圆柱凹槽底面，另一侧端面伸出圆柱凹槽顶面。

15、本发明通过透射杆凹槽的不同深度来精确控制试样的应变，凹槽的深度小于试样的高度，两者的差值即为被冲击试样的变形量。凹槽内表面与试样侧面之间须留有一定间隙，以防止被冲击试样在发生侧向膨胀时受到约束。

16、优选地，所述可控应变的霍普金森压杆实验装置还包括入射杆，所述圆柱凹槽设置在透射杆靠近入射杆一侧端面中心。

17、优选地，所述可控应变的霍普金森压杆实验装置还包括支座、应变片和数据收集组件。

18、一种可控应变的霍普金森压杆实验方法，使用上述实验装置进行，包括以下步骤：

19、s1：将入射杆和透射杆放置于支座上，安装应变片和相应的数据收集组件；

20、s2：将环状支撑组件放置在圆柱凹槽内；

21、s3：在透射杆和入射杆端面涂抹润滑剂，将待测试样放入环状支撑组件中，确保待测试样两侧端面分别与入射杆和透射杆的端面贴合；

22、s4：根据实验所需的应变速率，调整气压，并选取尺寸合适的子弹，开展冲击实验。

23、优选地，所述可控应变的霍普金森压杆实验方法，包括以下步骤：

24、s1：放置压杆：将入射杆和带有凹槽结构的透射杆放于霍普金森压杆的支座上并固定；在入射杆和透射杆上放置应变片及相应的数据收集装置；

25、s2：放置试样支撑装置：将环状支撑组件放入透射杆的凹槽中；

26、s3：放置试样：在透射杆和入射杆端面涂抹凡士林，以减少摩擦；将试样放入环状支撑组件中，确保试样两侧端面分别与入射杆端面和透射杆的端面(圆柱凹槽底面)贴合；

27、s4：冲击实验：跟据实验所需的应变速率，调整气压，并选取尺寸合适的子弹，开展冲击实验；

28、s5：数据处理：使用数据处理系统处理采集到的信号；

29、s6：观察形貌：收集试样，进行形貌和微观组织观察；

30、s7：再次冲击：若要继续增加冲击变形，则可根据应变增量，选择具有相应深度凹槽的透射杆，重复上述冲击操作，并进行数据处理和微观组织观察，分析材料在不同冲击应变作用下的微观组织演化和动态变形机理。

31、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

32、1.本发明提供了一种精确控制应变的霍普金森压杆实验装置与方法，解决了传统霍普金森压杆实验中应变控制不准确的问题，实现冲击过程中对试样应变的精准控制。

33、2.本发明通过在透射杆端面构造圆柱形凹槽结构，既实现了传统霍普金森压杆止动环的限位功能，又克服了由于止动环尺寸小和与透射杆之间存在界面这两方面因素导致应变控制不准确的问题，实现了冲击实验中对试样应变的精确控制。

34、3.本发明通过在透射杆端面设计凹槽结构并调整凹槽的深度，实现对试样应变的定量化、精准控制。

35、4.在传统的霍普金森压杆实验中，试样在冲击过程中经历自由压缩，导致应变难以被有效控制。本发明采用具有特殊凹槽结构的透射杆等装置，对试样的压缩过程中端面的位移进行限制，从而实现对试样应变的定量控制。

36、5.霍普金森压杆实验通常采用止动环来控制应变，但由于止动环厚度较小，在冲击载荷的影响下，止动环容易出现较大应变，从而影响其对试样应变的限制精度。为了解决这一问题，本发明采用了一种新的止动设计方法，即在透射杆端面设计一个圆柱体凹槽，该凹槽的深度小于试样的高度，使得凹槽周围凸起的部分充当原有的止动环的作用。在冲击过程中，入射杆首先冲击试样，当试样端面位移至与透射杆凹槽外围环状凸起部分的端面重合时，入射杆将转而冲击透射杆，从而限制了试样端面的位移，达到控制试样应变量的效果。该环状凸起结构作为透射杆的一部分，而高强度透射杆具有较高的弹性模量和屈服强度，冲击加载过程中的应力波的幅值不足以使其发生塑性变形，因而整个透射杆在冲击过程中将一直处于弹性变形阶段，这使得该透射杆的环状凸起结构的端面位移可以忽略不计，实现试样应变的精确控制。另一方面，相比于此前分离的止动环结构，该环状凸起结构与透射杆主体之间没有界面的分隔，连成了一个整体，这使得应力波在传递过程中不会因为遇到界面而产生反射和透射，进而加剧环状凸起部分的变形。

37、6.由于透射杆端面设置了凹槽结构，增加了试样的放置难度。本发明设计了与透射杆凹槽结构配套的环状试样支撑装置。支撑装置采用环状的主体框架，在环的内侧设有多个支撑杆，每个支撑杆都装有弹簧。这种设计实现了在冲击开始之前对试样位置的固定，此外弹簧的引入为试样提供了弹性支撑，确保试样在冲击过程中能够保持所需的位置，同时有效规避了支撑杆在试样在压缩过程中侧向膨胀所带来的限制。

38、7.本发明采用方形试样作为标准试样。此前霍普金森压杆通常采用的是圆柱体试样，方形试样在冲击载荷下的力学响应几乎与圆柱体试样无异。采用方形试样除了能够有效节约材料外，通过对其侧面进行打磨，还能够实现准原位的测试。

39、8.本发明可以用于实现不同的实验目的，例如：通过对同一试样以相同应变速率和相同应变的进行多次重复加载，研究材料的循环变形行为。为了观察冲击实验中材料的微观结构演化，可以选取方形试样的侧面作为观察面，用砂纸打磨其表面并进行电解抛光，专门用于观察微观结构演化。在较小的冲击应变范围内，可以开展准原位观察的冲击实验。开展相同应变和不同应变速率的冲击实验，研究材料的应变速率敏感性；开展相同应变速率和不同应变的冲击实验，以研究材料的变形机理和组织演化。本发明的应变控制方法可以显著提高霍普金森压杆实验的测试能力和数据利用率，为材料的动态力学性能测试提供了一种新的技术手段。