一種霍普金森壓桿實驗裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種霍普金森壓桿實驗裝置，其特征在于包括：電磁觸發開關（1）、加熱爐門自動開啟開關（2）、電磁驅動裝置（3）、驅動平板（4）、子彈（5）、入射桿（6）、力傳感器（7）、加熱爐（8）、加熱爐支撐裝置（9）、透射桿（10）、緩沖裝置（11）及空氣壓縮過濾裝置（12），本發明設計了加熱爐，能夠給試件加熱保溫的同時避免試件在高溫下被氧化，由于高溫會對應力波的傳導造成影響，本發明改用數字相關技術（DIC）獲得試件變化照片分析其應變，利用力傳感器分析應力，由此獲得應力應變曲線。霍普金森壓桿結合電磁驅動技術和DIC技術，擴寬了霍普金森壓桿實驗的運用，獲得了一種新的獲取高溫材料動態參數的方法。
【專利說明】一種霍普金森壓桿實驗裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬于材料高溫動態力學性能研究領域，具體涉及一種在高溫下高精度霍普金森壓桿實驗的裝置及測試方法，尤其是基于電磁驅動技術和Dic技術。
【背景技術】
[0002]霍普金森壓桿實驗被廣泛的應用于材料性能的研究，不過大都是停留在常溫下的材料實驗，但是高溫工況同樣存在，所以對高溫下材料性能的研究同樣需要。進行材料高溫動態性能的研究方法之一就是在實驗前把試件加熱到相應溫度，然后快速地移到實驗裝置上，這樣把試件置于空氣中，高溫下試件容易被氧化，同時試件溫度也會快速下降；另一方面，當高溫試件與入射桿和透射桿接觸時，高溫會對應力波的傳導造成影響，對實驗數據的精確度造成一定的影響。
[0003]名稱為“用于分離式Hopkinson桿裝置的一種先進氣動發射機構”的文獻發明了一種氣動發射裝置，不過作為氣動發射裝置，其發射裝置的重復性、安全性、控制的精度及方便性還有待提高。名稱為“用于高溫霍普金森壓桿實驗的快速加熱裝置”的發明專利描述了一種試件快速加熱方式，但是對加熱爐內的空氣沒進行處理，試件在高溫下容易被爐內空氣氧化，同時為了解決入射桿進入加熱爐及與高溫試件接觸時對入射桿及透射桿的升溫作用，在入射桿和透射桿上設計了同外徑的陶瓷桿，忽略了應力波在不同介質中的傳播的差異性，也忽略了入射桿沒有直接沖擊試件帶來的誤差，影響了實驗數據的準確度。
[0004]隨著電磁驅動技術及數字圖像相關(DIC:Digital Image Correlation)技術的發展，電磁驅動技術給我們提供了一種新型驅動方式，DIC技術為我們提供了一種實時測定應變的方法，兩者結合起來給我們展現了一種高溫下霍普金森壓桿的新型實驗裝置。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的問題是提供一種高溫下霍普金森壓桿實驗裝置，不僅能夠解決傳統高溫下霍普金森壓桿實驗對試件的加熱問題，避免試件在高溫下被氧化，同時利用電磁驅動技術取代以往的空氣炮技術，提高入射桿發射機構的重復性、安全性、控制精度及方便性，再利用數字圖像相關技術(簡稱DIC)在線測量試件的應變，保證實驗的精確度。
[0006]為了提高本發明的綜合性能，實現結構及效果的優化，所采用的技術方案是提供一種霍普金森壓桿實驗裝置，其特征在于包括:電磁觸發開關、加熱爐門自動開啟開關、電磁驅動裝置、驅動平板、子彈、入射桿、力傳感器、加熱爐、加熱爐支撐裝置、透射桿、緩沖裝置及空氣壓縮過濾裝置；
[0007]電磁觸發開關和加熱爐門自動開啟開關以串聯的形式連接，加熱爐門自動開啟開關可以獨立工作，驅動平板和子彈連為一體，電磁驅動平板的同時也驅動了子彈；在透射桿左端面安裝有力傳感器。
[0008]本發明還提供了一種霍普金森壓桿實驗裝置的實驗方法:其特征在于包括如下步驟:[0009]步驟1、安裝實驗設備；
[0010]步驟2、實驗試件的加工:把試件加工成長80mm、直徑為12.5mm ；
[0011]步驟3、試件表面散斑的處理:先將試件表面打磨拋光，然后利用高壓噴槍在試件表面依次噴涂黑色和白色的亞光漆；
[0012]步驟4、調整試件的位置使實驗試件在加熱爐中間；
[0013]步驟5、調整試件夾具的高度，保證試件軸心與入射桿軸心在同一高度；
[0014]步驟6、調整熱電偶的高度，使其離試件2cm處；
[0015]步驟7、關閉加熱爐門，保證其密封性；
[0016]步驟8、打開空氣壓縮過濾裝置，排盡爐內空氣；
[0017]步驟9、輸入需要的實驗溫度，進行加熱并保溫；
[0018]步驟10、電磁驅動裝置接通電源給電容充電，關閉加熱爐門自動開啟開關，加熱爐打開，閉合電磁觸發開關；
[0019]步驟11、高速攝像頭收集實驗圖像并存儲在電腦中，利用DIC進行分析處理；
[0020]步驟12、利用力傳感器測出實時的力，并和DIC技術得到的應變曲線整合成應力應變曲線
[0021]本發明的有益效果:
[0022](I)本發明換用電磁驅動技術代替以往的空氣炮裝置，這樣避免空氣炮操作和調控的復雜及不確定性，提高驅動裝置的可重復性、安全性及控制的精度，同時電磁驅動技術使用方便且易于調節與控制。
[0023](2)本發明設計了一款新型的加熱爐，加熱爐上設計了一個透明鋼化玻璃的窗口，窗口的尺寸長100mm、寬60mm,以便高速攝像機對試件表面散斑的采集。
[0024](3)本發明為了避免透射桿在加熱爐內反復被加熱，每次加熱都相當于一次熱處理，導致透射桿的材料組織性能發生變化，這樣在常溫實驗時會對應力波的傳導造成影響，因此，在透射桿和試件之間放置一根與透射桿直徑相同的高溫陶瓷圓桿。
[0025](4)本發明中加熱爐采用了電阻加熱方式，采用數字傳感器控制其加熱功率。試件放于夾具上然后置于加熱爐中間，開啟加熱裝置進行加熱。由熱電偶實時獲取爐內的溫度值，達到實驗溫度時，反饋給加熱裝置，通過數字傳感器控制其加熱功率，超過實驗溫度就降低加熱功率，低于實驗溫度就升高加熱功率，等于實驗溫度時進行保溫處理。
[0026](5)本發明中的空氣壓縮過濾裝置是用來給加熱爐提供穩定的氣體環境，該裝置把空氣中的氮氣分離出來并壓縮，然后排出加熱爐內的空氣，利用氮氣密度比空氣小，采用向下排空氣法排出空氣，避免試件在加熱過程中被空氣中的氧氣氧化；同時在加熱爐上設計了單向閥門，氣體只能從加熱爐內往外溢出，外界氣體被隔阻在外。
[0027](6)本發明為了保證入射桿驅動時，加熱爐能夠及時開啟密封門，提高整個裝置的緊湊性和可操作性，設置了加熱爐門自動開啟開關。加熱爐門自動開啟開關與電磁觸發開關進行串聯設置，必須先閉合加熱爐門自動開啟開關，再閉合電磁觸發開關電磁發射裝置才可以工作。
[0028](7)本發明設計了一款新型的試件夾具，其底座裝有腳輪，試件固定在夾具上，由于試件的大小形狀不同，試件夾具設計為可上下調節高度，解決不同試件的對心問題，當試件與入射桿接觸時，夾具與試件一起滑動，減少夾具對試件運動的阻力。[0029](8)本發明選用了一種高溫潤滑脂(320°C — 1200°C)對試件進行潤滑。常溫實驗時，試件表面的潤滑劑常常為凡士林，其熔點為40°C — 60°C，高溫中早已失去了其潤滑效果，因此發明中換用高溫潤滑脂，很好的解決了高溫下的潤滑要求。
[0030](9)本發明利用數字相關技術(DIC)對實驗圖像進行采集分析，圖像采集裝置由兩個高速攝像頭組成，實時采集試件表面灰度的變化，記錄下試件的變形過程，并存儲在電腦中，最后利用數字圖像相關技術得出材料的力學參數。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]圖1為本發明所述高溫下高精度霍普金森壓桿實驗裝置的結構示意圖。
[0032]圖2為電磁驅動裝置示意圖。
[0033]圖3為本發明的加熱爐、試件、試件夾具相對位置示意圖。
[0034]圖4為可調式試件夾具的結構示意圖。
[0035]圖5為加熱爐的支撐裝置。
[0036]其中:1、電磁觸發開關，2、加熱爐門自動開啟開關，3、電磁驅動裝置，4、驅動平板，
5、子彈，6、入射桿，7、力傳感器，8、加熱爐，9、加熱爐支撐裝置，10、透射桿，11、緩沖裝置，
12、空氣壓縮過濾裝置，13、整流器，14、電阻，15、放電開關，16、變壓器，17、電容，18、線圈，19、加熱爐門，20、數字傳感器，21、電阻加熱裝置，22、氮氣入口，23、實驗試件，24、透明窗口，25、高溫陶瓷圓柱，26、試件夾具，27、單向閥門，28、熱電偶安裝孔，29、可調螺紋。
【具體實施方式】
[0037]下面結合附圖1-5對本發明作詳細說明。
[0038]圖1為本發明所述的高溫下高精度霍普金森壓桿實驗裝置，包括:電磁觸發開關
1、加熱爐門自動開啟開關2、電磁驅動裝置3、驅動平板4、子彈5、入射桿6、力傳感器7、加熱爐8、加熱爐支撐裝置9、透射桿10、緩沖裝置11及空氣壓縮過濾裝置12。
[0039]具體的，電磁觸發開關I和加熱爐門自動開啟開關2以串聯的形式連接，加熱爐門自動開啟開關2可以獨立工作，而加熱爐門自動開啟開關沒閉合就不能激發電磁驅動；驅動平板和子彈連為一體，電磁驅動平板的同時也驅動了子彈；在透射桿左端面安裝有力傳感器7。
[0040]圖2為電磁驅動裝置示意圖。左邊部分為充電電路，包括整流器13、電阻14、電容17及變壓器16，右邊部分為放電電路主要為驅動平板4、子彈5、放電開關15及線圈18。
[0041]具體的，首先給左邊的充電電路充電，變壓器16與電源相連以提高充電電壓；當電容17達到一定的電荷量時，停止充電。
[0042]進一步，閉合放電電路放電開關15，電容17放電，線圈18中會產生巨大的變化的電流，這時根據電磁感應定理，在驅動平板4上就會產生巨大的感應電流，且產生相互排斥的力，驅動平板4獲得一定的加速度加速，并帶動子彈一同加速，這樣子彈便獲得一定的速度。
[0043]圖3為本發明的加熱爐、試件、試件夾具相對位置示意圖。其中加熱爐包括加熱爐門19、數字傳感器20、電阻加熱裝置21、氮氣入口 22、空氣壓縮過濾裝置12、實驗試件23、透明窗口 24、高溫陶瓷圓柱25、試件夾具26、單向閥門27及熱電偶安裝孔28。[0044]具體的，加熱爐自動開啟門19設置在加熱爐的左側，電阻加熱裝置21設置在加熱爐的周圍，主要由環繞的電阻絲構成，并可由數字傳感器20自動調節功率使試件達到實驗要求的溫度并進行保溫；加熱爐透明窗口 24設計在加熱爐的正前方，該透明窗口是為之后的高速數字圖像采集設計的，其尺寸為長IOOmm寬60mm。實驗試件24制成圓柱形狀，實驗時試件放于加熱爐中央；氮氣入口 22和單向閥門27構成氮氣充入與密封系統；單向閥門27，只能由內往外排放氣體，以保證爐內不受外界氣體影響。
[0045]進一步，高溫陶瓷圓柱25設置在加熱爐右邊，連接透射桿和試件；實驗試件的夾具26，其安裝在加熱爐正中間，下端有導槽牽引去左右滑動，中部有可調式螺紋調節其高度；熱電偶安裝孔28位于加熱爐中部偏左，距離試件2cm處。
[0046]圖4為實驗試件夾具。該夾具由上段的定位裝置、中部的可調螺紋29及下端的滑動式滑輪構成。
[0047]圖5為加熱爐固定支撐夾具。下端用T形螺栓與霍普金森壓桿實驗臺固定在一起；夾具的縱向尺寸保證了加熱爐中心和試件的中心具有很好的重合度；夾具的中間穿孔是為了給熱電偶留有安裝位置，并設計了可調螺紋，以便調節熱偶在加熱爐內的上下位置。
[0048]結合附圖具體的實施步驟如下:
[0049]步驟1、安裝實驗設備；
[0050]步驟2、實驗試件的加工:把試件加工成長80mm、直徑為12.5mm ；
[0051]步驟3、試件表面散斑的處理:先將試件表面打磨拋光，然后利用高壓噴槍在試件表面依次噴涂黑色和白色的亞光漆；`
[0052]步驟4、調整試件的位置使實驗試件23在加熱爐中間；
[0053]步驟5、調整試件夾具26的高度，保證試件軸心與入射桿軸心在同一高度；
[0054]步驟6、調整熱電偶的高度，使其離試件2cm處；
[0055]步驟7、關閉加熱爐門19，保證其密封性；
[0056]步驟8、打開空氣壓縮過濾裝置12，排盡爐內空氣；
[0057]步驟9、輸入需要的實驗溫度，進行加熱并保溫；
[0058]步驟10、電磁驅動裝置接通電源給電容17充電，關閉加熱爐門自動開啟開關，加熱爐打開，閉合電磁觸發開關I ;
[0059]步驟11、高速攝像頭收集實驗圖像并存儲在電腦中，利用DIC進行分析處理；
[0060]步驟12、利用力傳感器測出實時的力，并和DIC技術得到的應變曲線整合成應力
應變曲線。其具體的公式如下:
[0061]
【權利要求】
1.一種霍普金森壓桿實驗裝置，其特征在于包括:電磁觸發開關(I)、加熱爐門自動開啟開關(2)、電磁驅動裝置(3)、驅動平板(4)、子彈(5)、入射桿(6)、力傳感器(7)、加熱爐(8)、加熱爐支撐裝置(9)、透射桿(10)、緩沖裝置(11)及空氣壓縮過濾裝置(12); 電磁觸發開關(I)和加熱爐門自動開啟開關(2)以串聯的形式連接，加熱爐門自動開啟開關(2)可以獨立工作，驅動平板和子彈連為一體，電磁驅動平板的同時也驅動了子彈；在透射桿左端面安裝有力傳感器(J)。
2.根據權利要求1所述的霍普金森壓桿實驗裝置，其特征在于:電磁驅動裝置(3)包括充電電路和放電電路，該充電電路包括整流器(13)、電阻(14)、電容(17)及變壓器(16)，放電電路主要為驅動平板(4)、子彈(5)、放電開關(15)及線圈(18)； 工作時，充電電路充電，變壓器(16)與電源相連以提高充電電壓；當電容(17)達到一定的電荷量時，停止充電； 電容(17 )放電時，在驅動平板(4 )上產生感應電流，驅動平板(4 )獲得一定的加速度加速，并帶動子彈(5)—同加速。
3.根據權利要求1所述的霍普金森壓桿實驗裝置，其特征在于，該實驗裝置還包括加熱爐、試件、試件夾具。
4.根據權利要求3所述的霍普金森壓桿實驗裝置，其特征在于，加熱爐包括加熱爐門(19)、數字傳感器(20)、電阻加熱裝置(21)、氮氣入口(22)、空氣壓縮過濾裝置(12)、透明窗口( 24)、高溫陶瓷圓柱(25 )、試件夾具(26 )、單向閥門(27 )及熱電偶安裝孔(28 ); 實驗時，加熱爐門(19)設置在加熱爐的左側，電阻加熱裝置(21)設置在加熱爐的周圍，數字傳感器(20)自動調節功率使試件達到實驗要求的溫度并進行保溫；加熱爐透明窗口( 24)可供高速數字圖像采集裝置進行數據采集，試件放于加熱爐中央；氮氣入口( 22 )和單向閥門(27) 構成氮氣充入與密封系統；單向閥門(27)保證只能由內往外排放氣體。
5.根據權利要求4所述的霍普金森壓桿實驗裝置，其特征在于，高溫陶瓷圓柱(25)設置在加熱爐右邊，連接透射桿和試件；試件夾具(26)，其安裝在加熱爐正中間，下端有導槽牽引去左右滑動，中部有可調式螺紋調節其高度；熱電偶安裝孔(28)位于加熱爐中部偏左。
6.根據權利要求1所述的霍普金森壓桿實驗裝置進行實驗的方法:其特征在于包括如下步驟: 步驟1、安裝實驗設備； 步驟2、實驗試件的加工:把試件加工成長80mm、直徑為12.5mm ； 步驟3、試件表面散斑的處理:先將試件表面打磨拋光，然后利用高壓噴槍在試件表面依次噴涂黑色和白色的亞光漆； 步驟4、調整試件的位置使實驗試件(23)在加熱爐中間； 步驟5、調整試件夾具(26)的高度，保證試件軸心與入射桿軸心在同一高度； 步驟6、調整熱電偶的高度，使其離試件2cm處； 步驟7、關閉加熱爐門(19)，保證其密封性； 步驟8、打開空氣壓縮過濾裝置(12)，排盡爐內空氣； 步驟9、輸入需要的實驗溫度，進行加熱并保溫； 步驟10、電磁驅動裝置接通電源給電容(17)充電，關閉加熱爐門自動開啟開關，加熱爐打開，閉合電磁觸發開關(I); 步驟11、高速攝像頭收集實驗圖像并存儲在電腦中，利用DIC進行分析處理； 步驟12、利用力傳感器測出實時的力，并和DIC技術得到的應變曲線整合成應力應變曲線。`
【文檔編號】G01N3/317GK103868806SQ201410128753
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年4月1日 優先權日:2014年4月1日
【發明者】孫光永, 李光耀, 崔俊佳, 巫升銀, 唐春紅 申請人:湖南大學