双轴霍普金森压杆和拉杆实验入射波等效加载的实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种霍普金森压杆和拉杆实验方法，特别是涉及一种双轴霍普金森压 杆和拉杆实验入射波等效加载的实现方法。
【背景技术】
[0002] 在高应变率环境下，霍普金森压杆和拉杆实验被广泛应用于材料力学性能测试， 其中霍普金森压杆实验用于测量材料压缩性能，霍普金森拉杆实验用于测量材料拉伸性 能。
[0003] 在实际中，由于霍普金森压杆和拉杆实验的加载方式不同，导致压杆和拉杆实验 加载设备相互分离，不能用一套设备完成两类实验。
[0004] 文献"申请公布号是CN103926138A的中国发明专利"公开了一种基于电磁力的霍 普金森拉压杆应力波发生器及实验方法，该方法实现了霍普金森压杆和拉杆实验加载设备 的统一。通过调整拉伸头和压缩头到放电线圈的距离，既可以实现霍普金森压杆实验，也可 以实现霍普金森拉杆实验。此外，该发明以电磁铆枪技术为基础，利用电容组对放电线圈放 电，放电线圈中激发强脉冲电流，强脉冲电流在次级线圈中引起感应涡流，脉冲电流与感应 涡流产生电磁斥力，电磁斥力经过应力波放大器放大后以应力波的形式通过入射杆直截加 载到试样表面，通过设置不同的放电电压，可以有效的实现不同幅值入射波的精确加载，拓 展了霍普金森压杆和拉杆实验中的应变率变化范围。
[0005] 在双轴霍普金森压杆和拉杆实验中，要求加载入射波同时从两个相互垂直的方向 对试样纵向和横向进行等效加载，即纵向、横向加载入射波前沿到达试样接触界面的时间 间隔必须小于Iy S，纵向、横向加载应力入射波幅值相同，纵向、横向加载入射波脉冲宽度 相同。参照图5、6。理论上分析，只需要将两套相同的应力波发生器垂直布置，分别由试样 的纵向、横向垂直加载入射波，即可实现双向霍普金森压杆和拉杆实验加载设备统一，当两 套装置的充电电压相同时，纵向、横向入射波等效加载。但实际中，由于此种实验设备PLC 控制系统存在反应时差，同时放电电容器组存在5% -20 %的电容量误差，放电可控硅触发 时会有20mS-30ms的放电延。另外，实验装置加工时必然会存在一定误差等，导致两套实验 设备产生的加载入射波幅值不等、脉冲宽度不同、加载异步等结果，最终难以实现双轴霍普 金森压杆和拉杆实验等效加载设备统一和入射波等效。
【发明内容】
[0006] 为了克服现有方法难以实现双轴霍普金森压杆和拉杆实验的入射波等效加载的 不足，本发明提供一种双轴霍普金森压杆和拉杆实验入射波等效加载的实现方法。该方法 采用两套相同双线圈电磁力入射波发生器，每套入射波发生器的两放电线圈同轴、反向安 装，分别控制霍普金森压杆、拉杆实验加载，实现等效加载设备的统一。分别在霍普金森压 杆和拉杆的实验条件下，测量出两套设备产生的入射波幅值大小关系，根据入射波幅值大 小关系和次级线圈补偿方法增加入射波幅值较小的次级线圈厚度，对加工误差引起的纵 向、横向入射波中的较小幅值入射波进行幅值补偿，保证了纵向、横向入射波幅值相等。纵 向、横向入射波发生器布置在同一水平面上，纵向、横向入射波加载方向相互垂直，在进行 霍普金森压杆实验和拉杆实验时，纵向、横向放电线圈串联到由同一组放电可控硅控制的 同一组放电电容上，纵向、横向放电线圈流过相同的强脉冲电流，产生脉冲宽度相同、同步 触发的纵向、横向入射波。通过次级线圈厚度补偿，以及纵向、横向放电线圈串联在由同一 放电可控硅控制的同一组放电电容上，保证了双轴霍普金森压杆和拉杆实验的入射波等效 加载。
[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种双轴霍普金森压杆和拉杆实验 入射波等效加载的实现方法，其特点是采用以下步骤：
[0008] 步骤一、纵向、横向入射波发生器的布置。
[0009] 纵向压缩波次级线圈15通过螺栓连接到纵向压缩波放大器17上，构成纵向压缩 波驱动头；横向压缩波次级线圈16通过螺栓连接到横向压缩波放大器18上，构成横向压缩 波驱动头；纵向拉伸波次级线圈7通过螺栓连接到纵向拉伸波放大器5上，构成纵向拉伸波 驱动头；横向拉伸波次级线圈8通过螺栓连接到横向拉伸波放大器6上，构成横向拉伸波 驱动头。纵向压缩波放电线圈13和纵向拉伸波放电线圈9同轴并反向固定到纵向基座11 上，横向压缩波放电线圈14和横向拉伸波放电线圈10同轴并反向固定到横向基座12上。 纵向压缩波驱动头、纵向拉伸波驱动头、纵向拉伸波放电线圈9、纵向基座11和纵向压缩波 放电线圈13构成纵向入射波发生器，横向压缩驱动头、横向拉伸波驱动头、横向拉伸波放 电线圈10、横向基座12和横向压缩波放电线圈14构成横向入射波发生器，纵向、横向入射 波发生器垂直布置在同一平面内。
[0010] 双轴霍普金森压杆实验时，纵向、横向压缩波驱动头分别放入纵向基座11、横向基 座12内，纵向压缩波驱动头与纵向压缩波放电线圈13、纵向基座11和纵向拉伸波放电线圈 9同轴间隙配合，横向压缩波驱动头与横向压缩波放电线圈14、横向基座12和横向拉伸波 放电线圈10同轴间隙配合。双轴霍普金森拉杆实验时，将纵向、横向压缩波驱动头取出，纵 向、横向拉伸波驱动头放入纵向基座11、横向基座12内，纵向拉伸波驱动头与纵向拉伸波 放电线圈9、纵向基座11和纵向压缩波放电线圈13同轴间隙配合，横向压缩波驱动头与横 向拉伸波放电线圈10、横向基座12和横向压缩波放电线圈14同轴间隙配合。
[0011] 步骤二、电路连接。
[0012] 电容器组1、放电电阻2、放电可控硅3和转换开关4串联组成放电电路，电容器组 1为放电电路提供电能，放电电阻2为电路导线的等效电阻，放电可控硅3控制电路放电，转 换开关4对双轴霍普金森压杆和拉杆实验进行选择。纵向、横向压缩波放电线圈13、14串 联，纵向、横向拉伸波放电线圈9、10串联。
[0013] 在瞬间强电流的作用下，放电线圈和次级线圈产生电磁斥力，电磁斥力通过应力 波放大器放大转化为入射波。其中入射波满足公式：
【主权项】
1. 一种双轴霍普金森压杆和拉杆实验入射波等效加载的实现方法，其特征在于包括以 下步骤： 步骤一、纵向、横向入射波发生器的布置； 纵向压缩波次级线圈（15)通过螺栓连接到纵向压缩波放大器（17)上，构成纵向压缩 波驱动头；横向压缩波次级线圈（16)通过螺栓连接到横向压缩波放大器（18)上，构成横向 压缩波驱动头；纵向拉伸波次级线圈（7)通过螺栓连接到纵向拉伸波放大器（5)上，构成纵 向拉伸波驱动头；横向拉伸波次级线圈（8)通过螺栓连接到横向拉伸波放大器（6)上，构成 横向拉伸波驱动头；纵向压缩波放电线圈（13)和纵向拉伸波放电线圈（9)同轴并反向固定 到纵向基座（11)上，横向压缩波放电线圈（14)和横向拉伸波放电线圈（10)同轴并反向固 定到横向基座（12)上；纵向压缩波驱动头、纵向拉伸波驱动头、纵向拉伸波放电线圈（9)、 纵向基座（11)和纵向压缩波放电线圈（13)构成纵向入射波发生器，横向压缩驱动头、横向 拉伸波驱动头、横向拉伸波放电线圈（10)、横向基座（12)和横向压缩波放电线圈（14)构成 横向入射波发生器，纵向、横向入射波发生器垂直布置在同一平面内； 双轴霍普金森压杆实验时，纵向、横向压缩波驱动头分别放入纵向基座（11)、横向基座 (12)内，纵向压缩波驱动头与纵向压缩波放电线圈（13)、纵向基座（11)和纵向拉伸波放电 线圈（9)同轴间隙配合，横向压缩波驱动头与横向压缩波放电线圈（14)、横向基座（12)和 横向拉伸波放电线圈（10)同轴间隙配合；双轴霍普金森拉杆实验时，将纵向、横向压缩波 驱动头取出，纵向、横向拉伸波驱动头放入纵向基座（11)、横向基座（12)内，纵向拉伸波驱 动头与纵向拉伸波放电线圈（9)、纵向基座（11)和纵向压缩波放电线圈（13)同轴间隙配 合，横向压缩波驱动头与横向拉伸波放电线圈（10)、横向基座（12)和横向压缩波放电线圈 (14)同轴间隙配合； 步骤二、电路连接； 电容器组（1)、放电电阻（2)、放电可控硅（3)和转换开关（4)串联组成放电电路，电容 器组（1)为放电电路提供电能，放电电阻（2)为电路导线的等效电阻，放电可控硅（3)控制 电路放电，转换开关（4)对双轴霍普金森压杆和拉杆实验进行选择；纵向、横向压缩波放电 线圈（13、14)串联，纵向、横向拉伸波放电线圈（9、10)串联； 在瞬间强电流的作用下，放电线圈和次级线圈产生电磁斥力，电磁斥力通过应力波放 大器放大转化为入射波；其中入射波满足公式：
式中，σ-入射波，K-应力波放大器放大倍数，r-放电线圈半径，Utl-真空磁导率， ω_电流振荡圆频率，M-放电线圈与次级线圈的互感，η-放电线圈匝数，i(t)_放电电流， A-次级线圈面积，α -放电线圈与次级线圈的距离，R2、L2-次级线圈的电阻和电感； 当转换开关（4)和电路触点b接通时，纵向、横向应力波发生器进行霍普金森压杆实验 入射波加载，纵向、横向压缩波放电线圈（13、14)串联接入由同一放电可控硅（3)控制的同 一电容器组（1)上，纵向、横向压缩波放电线圈（13、14)流过相同放电电流，纵向、横向入射 波脉冲宽度相同、同时触发；当转换开关（4)和电路触点a接通时，纵向、横向