一种带有主动线圈保护装置的应力波发生器

本发明属于材料的动态力学性能测试的应力波发生装置领域，具体涉及一种带有主动线圈保护装置的应力波发生器。

背景技术：

1、随着现代科学技术的不断发展，工程材料被越来越广泛地应用于民用设施、军事武装和航空航天等各个领域，在服役过程中，材料不可避免地受到冲击载荷作用。了解材料在冲击加载下的力学响应，有助于各类材料的工程应用和工程设计。目前，在固体力学领域中，测量高应变率下材料的力学性能最广泛采用的是霍普金森杆技术。

2、霍普金森杆测试技术基本原理为：当枪膛中的打击杆(子弹)以一定速度弹入输入杆时，在输入杆中产生一个入射脉冲，应力波通过波导管传播到试样处，试样在应力脉冲作用下产生高速变形。

3、由于材料与结构的动态变形及破坏过程都是在应力波的作用下发生的,因此应力波的产生方式至关重要。基于电磁发射技术驱动的霍普金森杆，具有发射速度高、能源简易、效率高、性能优良、可控性强和结构多样等普通发射技术无法比拟的优点(引用：[1]王维斌,索涛,郭亚洲等.电磁霍普金森杆实验技术及研究进展[j].力学进展,2021,51(04):729-754.)。

4、西北工业大学李玉龙等人在专利zl201410161610.x、zl201410171963.8、zl201420198611.7、zl201510051071.9、zl201510956545.4、中均利用自行研制的电磁hopkinson(霍普金森)杆基于电磁铆接技术产生加载所需的拉伸和压缩应力波，能够完成对试样的高应变率下动态力学性能的测试。

5、电磁霍普金森杆装置包括一个充电电路，一个放电电路和一个应力波发生器：

6、充电电路包括一个高功率变压器和一个桥式稳压器，用于把工业交流电压转换成预设的高压直流电压。四个定制的脉冲电容器组成电容器组用于电能的储存和释放，每个脉冲电容器的电容值为2mf，额定电压为5000v。通过四个电容器之间的串联和并联，可以得到不同的电容值(0.5mf-0.8mf)。

7、放电电路为有电容器组和主动线圈构成的lc电路。当电容充电完成后，通过向放电开关发送触发信号，电容器组中储存的电能通过所连接的主动线圈进行释放。目前的设计是：为了能够承受高达25000v的放电电流，主动线圈设计采用厚2mm，宽15mm的铜带制成，其外径为90mm，内径为20mm，电感设计为3.3μh。线匝之间的间隙填充树脂材料和玻璃布形成的绝缘隔层，一方面避免线匝之间形成短路，另一方面有助于主动线圈承受放电过程中所产生的径向洛伦兹力。lc放电电路的放电周期可以由以下公式进行理论估算：

8、

9、式中，l为主动线圈的电感值，c为电容值，t为所产生的半正弦电流脉冲的脉宽。

10、应力波发生器主要由主动线圈、绝缘隔层、绝缘外壳、u型夹具、主体质量块组成。绝缘隔层将主动线圈环向包裹，仅在电极处留有缺口。绝缘外壳套装于主动线圈和绝缘隔层，其一端向内收敛兜住主动线圈，另一端与主体质量块接触，并通过u型夹具限定其轴向位置。绝缘外壳内的主动线圈和绝缘隔层通过螺丝固定于应力波发生装置的主体质量块上，减少通电部分的裸露面积。应力波发生装置的质量块为主体部分，由45钢支撑，用于承受电磁加载产生的后坐力，质量块两侧加工有凹槽，用于安装放电电缆接头，主动线圈的电极沿水平方向卡进放电电缆接头的卡槽中，并通过u型夹具固定整个应力波发生器于底座，u型夹具同时固定电缆线的放电电缆接头，这样的结构设计可以避免放电电缆线末端处于悬挂状态，一方面能够有效防止放电电缆相对于主动线圈电极的转动而导致螺丝松动放电打火，另一方面可以避免放电电缆对主动线圈产生过大牵引力使主动线圈电极损坏。

11、主动线圈中的脉冲放电电流在其周围产生变化的磁场，该磁场强度矢量的方向在感应线圈的表面处基本上沿其径向分布，感应线圈在变化磁场的作用下会产生感应电流(楞次定律)。令q和分贝为感应线圈中质点所带的电荷以及电荷的速度矢量，主动线圈所产生的磁场。质点所受到的洛伦兹磁场力为

12、

13、由矢量计算法则可知，洛伦兹力的方向主要垂直于感应线圈的横截面，与主动线圈之间产生电磁斥力。当放电电路的电流为一半正弦电流脉冲时，此洛伦兹力为与其具有相同形状的应力波脉冲。

14、应力波发生器需要采用高压瞬时放电进行工作，工作电压一般为1000-4000v，在短历时内产生大载荷，以高能应力波的形式传播。根据牛顿第三定律，较大载荷产生的拉伸波传达给霍普金森杆后，会同样产生一列幅值相同、脉宽相同的压缩波以相反方向再次传播进入应力波发生器中。同样，较大载荷产生的压缩波传达给霍普金森杆后，会同样产生一列幅值相同、脉宽相同的拉伸波以相反方向再次传播进入应力波发生器中，最直接的影响就是产生较大能量作用在主动线圈和绝缘隔层上，由于电磁感应原理限制的原因，主动线圈无法采用强度较大的金属来作为原材料，加之现有应力波发生器的主动线圈和绝缘隔层整体结构通过三个螺栓与质量块固定连接，且绝缘隔层对主动线圈和绝缘隔层的轴向限位稳定性不足，在试验过程中，每次加载由于应力波传播的重复循环性(在动态力学形态上，这些材料都是可以抗压，但不抗拉的。高能的压缩包传递到这三个螺栓处后，较小的受力面积，承受较大载荷，产生应力集中)，几乎每次实验都会发生连接质量块和绝缘隔层的螺栓损坏，使主动线圈和绝缘隔层之间出现间隙，因间隙导致界面上载荷较大造成主动线圈破坏。

15、对试验过程来讲，一是耗费物力，目前使用的主动线圈购买的价格是2000元左右，每次施加3000v电压都会对主动线圈造成不可逆的损害，无法进行下次试验，所以每次试验会因为缺乏有效的主动线圈保护装置而产生额外的费用；二是即使在低电压下仍需要频繁检查并更换主动线圈，拖慢了实验进度，影响实验效率；三是如果将主动线圈中填充树脂材料和玻璃布形成的绝缘隔层损坏，会导致短路，发生高压打火，有极大的安全隐患。

16、因此，有必要对应力波发生装置的主动线圈进行防护改进。

技术实现思路

1、要解决的技术问题：

2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种带有主动线圈保护装置的应力波发生器，基于现有应力波发生器结构及其实验方法，对其进行改进，设计轮盘保护罩套装于主动线圈和绝缘隔层，通过安装于轮盘保护罩周圈的紧固件与质量块连接，改变原有主动线圈和绝缘隔层整体与质量块的连接方式，提高安装稳定性和可靠性，对主动线圈进行机械保护。

3、本发明的技术方案是：一种带有主动线圈保护装置的应力波发生器，包括感应线圈、主动线圈、绝缘隔层，u型夹具、第一质量块、第二质量块，其中感应线圈、主动线圈、绝缘隔层，第一质量块、第二质量块依次同轴贴合连接，u型夹具套于第一质量块外径，用于固定应力波发生装置和放电电缆接头，u型夹具与应力波发生器的安装座固定连接；主动线圈的电极插装入放电电缆接头，接通放电电路；波导管贯穿应力波发生器，其一端与感应线圈固定连接，另一端连接试验件，用于传递应力波；其特征在于，还包括轮盘保护罩；

4、所述轮盘保护罩为圆柱状空心壳体，其一端周圈设有向内收敛的挡边，所述挡边的内径与感应线圈外径相匹配；其另一端为敞口端，所述敞口端设有两个径向设置的槽口，用于避让主动线圈两侧的主动线圈电极；所述档边外侧的同一圆周上设有多个轴向贯通轮盘保护罩壳体的沉头孔；

5、所述轮盘保护罩套装于主动线圈和绝缘隔层，档边内壁与主动线圈相抵，敞口端端面与第一质量块接触，通过紧固件穿过沉头孔将轮盘保护罩与第一质量块固定连接。

6、本发明的进一步技术方案是：所述沉头孔避开槽口位置，在槽口两侧的轮盘保护罩壳体上对称设置。

7、本发明的进一步技术方案是：所述沉头孔的数量为20个。

8、本发明的进一步技术方案是：所述第一质量块与轮盘保护罩接触面设有多个螺纹孔，所述螺纹孔与轮盘保护罩的沉头孔一一对应，用于和紧固件螺纹连接。

9、本发明的进一步技术方案是：所述第一质量块的周向同一圆周上均布多个螺纹通孔，所述第二质量块设有与第一质量块上多个螺纹通孔一一对应的螺纹通孔，通过螺栓依次穿过第二质量块、第一质量块和绝缘隔层固定连接。

10、本发明的进一步技术方案是：所述第一质量块、第二质量块均设有3个螺纹通孔。

11、本发明的进一步技术方案是：所述应力波发生器还包括电缆连接件，所述电缆连接件为一端带有凸台的条形板状结构，所述凸台端部设有电缆安装孔，用于安装放电电缆，凸台上设有两个螺钉孔贯通电缆安装孔，用于固定放电电缆；电缆连接件远离凸台的一端与主动线圈电极对插面接触，并通过双头螺柱与主动线圈电极端部连接；主动线圈电极携带电缆连接件插装入所对应的放电电缆接头。

12、本发明的进一步技术方案是：所述电缆连接件凸台的厚度大于主动线圈电极的厚度。

13、本发明的进一步技术方案是：所述轮盘保护罩挡边的内径大于感应线圈的外径。

14、本发明的进一步技术方案是：所述轮盘保护罩上与槽口中心线周向间隔90°的外径处设有平面过渡段，用于安装定位。

15、有益效果

16、本发明的有益效果在于：本发明所述的一种带有主动线圈保护装置的应力波发生器，通过设计专用轮盘保护罩，轮盘保护罩周圈沿轴向设置20个沉头孔，轮盘保护罩套装于主动线圈和绝缘隔层，通过20个螺钉从挡边一侧穿过沉头孔和第一质量块固定连接，实现对主动线圈和绝缘隔层进行机械保护；同时，通过3个螺栓贯穿第二质量块、第一质量块与绝缘隔层连接，起到了进一步固定作用。

17、通过该结构设计，实现了通过轮盘保护罩对主动线圈和绝缘隔层的整体机械保护，避免了在实验加载过程中，因原有结构连接螺栓失效、绝缘外壳对主动线圈和绝缘隔层轴向限位稳定性不足，导致主动线圈和绝缘隔层有间隙，从而导致的界面上载荷较大产生失效的问题，提高了主动线圈的安全性。通过轮盘保护罩周圈20个螺钉连接第一质量块，使得主动线圈的安装平面度提高，可靠性提高，由左手螺旋定则，保证了平面度之后对霍普金森杆波导管的力减少了分量损失，且减少霍普金森杆波导管挠度，减少弯曲。

18、本发明取消了原有应力波发生装置中的绝缘外壳，轮盘保护罩同时起到了绝缘外壳的作用，尽量避免额外增加零件的结构复杂性。

19、本发明在主动线圈两侧的电极端部均安装一个电缆连接件，电缆连接件与主动线圈电极采用双螺柱平面接触连接，电缆连接件插装入放电电缆接头与电缆连接，该结构增加了电极与电缆间的接触面积，避免高压放电打火，且提高了连接强度，由于电缆连接件的凸台上设有螺钉固定电缆，防止了电缆长时间挂载情况下由于自重或静摩擦力导致疲劳损伤。

20、经过实验测试，本发明带有主动线圈保护装置的应力波发生器已经应用于高达5500v的电压，探索出电压新高度；并且在1000-4000v的电压下，更加稳定和适用。