一種霍普金森壓桿試驗裝置的制作方法
本實用新型屬于測試技術領域，涉及材料動態力學實驗技術，特別涉及霍普金森壓桿試驗壓縮應變控制技術。
背景技術：
在許多情況下，材料及其結構部件在應用過程中所承受的載荷為沖擊加載，而大多數材料在沖擊載荷下的力學性能與準靜態下的有明顯不同，材料在沖擊加載下的動態力學特性是材料應用的重要力學性能參量，開展材料沖擊載荷下力學性能的測試與分析對材料研制和部件的設計具有重要的意義。
一維霍普金森桿試驗裝置是目前開展材料動態力學性能測試與表征的主要試驗手段，典型的一維霍普金森壓桿試驗裝置示意圖如圖1。在常規的霍普金森壓桿試驗中，由發射裝置1發射打擊桿2打擊入射桿3，在入射桿3中形成壓縮入射應力波脈沖，脈沖傳播至入射桿的加載端對試樣4進行壓縮并在透射桿5中產生壓縮透射應力波，同時在入射桿3加載端將會產生一個反向的拉伸應力波脈沖。當反射波到達入射桿3的打擊端(自由端)，再次反射成為二次壓縮波，會對試樣進行二次壓縮加載，并以此形式循環。由于加載脈沖時長很短，通常為幾十微秒到幾百微秒，整個沖擊壓縮過程即為壓縮入射波脈沖對試樣的加載歷程，壓縮瞬間完成。因此，對于傳統的一維霍普金森壓桿試驗裝置，在試驗中無法對試樣的壓縮應變量進行準確控制。
在材料動態力學性能研究中，利用霍普金森壓桿試驗裝置進行試樣的沖擊壓縮試驗時，得到的試驗結果是整個加載脈沖作用下的試驗結果，而試驗后的試樣損傷狀態是被多次加載之后的狀態，對于破壞應變量較小的材料，試驗后的試樣通常為破碎狀態。根據材料使用工況的要求，有時需要在試驗中對試樣壓縮應變量進行設定和控制，來研究材料在特定應變量下的力學性能和材料破壞形貌分析。因此，需要在傳統的霍普金森壓桿試驗中實現有效地壓縮應變控制。
目前，未見關于霍普金森壓桿壓縮應變量控制試驗技術的報道。
技術實現要素：
本實用新型的目的在于提供一種霍普金森壓桿壓縮應變控制的試驗裝置，有效地實現霍普金森壓桿試驗對試樣壓縮應變量的準確控制。
本實用新型的目的是這樣實現的，基于一維霍普金森壓桿試驗裝置，引入套裝在入射桿3和透射桿5加載端之間的試樣4外周的應變控制裝置，由承載環8承受試樣達到預期應變后的加載波脈沖對試樣4的沖擊載荷，有效地限制后續加載脈沖對試樣的持續壓縮加載，實現壓縮應變的準確控制。
本實用新型涉及的霍普金森壓桿試驗裝置，包括發射裝置1、打擊桿2、入射桿3、透射桿5、吸收桿6和數據采集與處理系統，其特征在于：在入射桿3和透射桿5之間設置由承載環8和固定套筒7組成的應變控制結構；承載環8與入射桿3和透射桿5外徑相同，固定套筒7與承載環8、入射桿3和透射桿5均為間隙配合；承載環8套裝在固定套筒7內部中心位置，固定套筒7的兩端分別與入射桿3和透射桿5的加載端套裝，組裝后的結構如圖2所示；承載環8用材料的強度和彈性模量不小于加載桿用材料的強度和彈性模量；承載環8的結構參數：
l1＝l0(1-εL) (1)
d1>d0(1+μ·εL) (2)
其中：
l1為承載環的長度；
l0為試樣的初始長度；
εL為試樣的預期應變量；
d1為承載環的內徑；；
d0為試樣的初始直徑；
μ為試樣材料的泊松比。
本實用新型涉及的霍普金森壓桿試驗裝置，包括發射裝置1、打擊桿2、入射桿3、透射桿5、吸收桿6和數據采集與處理系統，其特征在于：固定套筒7的與承載環8的長度差不小于20mm。
本實用新型涉及的霍普金森壓桿試驗裝置，包括發射裝置1、打擊桿2、入射桿3、透射桿5、吸收桿6和數據采集與處理系統，其特征在于：固定套筒7與承載環8、入射桿3、透射桿5的配合間隙0.1mm～0.2mm，彼此獨立。
本實用新型涉及的霍普金森壓桿試驗裝置，包括發射裝置、打擊桿2、入射桿3、透射桿5、吸收桿6和數據采集與處理系統，其特征在于：承載環8的環形截面面積不低于加載桿的截面面積的1/2。
本實用新型涉及的霍普金森壓桿試驗裝置，包括發射裝置、打擊桿2、入射桿3、透射桿5、吸收桿6和數據采集與處理系統，其特征在于：承載環8與試樣同心。
本實用新型涉及的霍普金森壓桿壓縮應變控制的試驗裝置，結構簡單、操作方便、壓縮的應變量可控，壓縮應變量控制準確可靠。適用于試樣在特定壓縮應變下的動態力學性能測試與破壞形貌分析，可獲得試樣在沖擊載荷作用下的應力、應變和應變率等動態力學參量。本實用新型還可有效地避免一維霍普金森壓桿試驗中反射波對試樣的多次加載問題；特別適用于大口徑霍普金森壓桿的試驗中對試樣進行單脈沖加載條件下的動態力學性能表征與分析。
附圖說明
圖1一維霍普金森壓桿試驗裝置示意圖
圖2本實用新型涉及的霍普金森壓桿試驗裝置壓縮應變控制部分在沖擊加載前的組裝結構示意圖
圖3本實用新型涉及的霍普金森壓桿試驗裝置壓縮應變控制部分在試樣壓縮應變達到預期值時的結構示意圖
圖4本實用新型實施例一涉及的Φ37mm壓桿加載桿上的應力波信號曲線
圖5本實用新型實施例一涉及的Φ37mm壓桿測得的試樣壓縮應力應變曲線
圖6傳統方法Φ37mm壓桿加載桿上的應力波信號曲線
圖7傳統方法Φ37mm壓桿測得的試樣壓縮應力應變曲線
圖8本實用新型實施例二涉及的Φ100mm壓桿加載桿上的應力波信號曲線
圖9本實用新型實施例二涉及的Φ100mm壓桿測得的試樣壓縮應力應變曲線
圖10傳統方法Φ100mm壓桿加載桿上的應力波信號曲線
圖11傳統方法Φ100mm壓桿測得的試樣壓縮應力應變曲線
其中：1-發射裝置，2-打擊桿，3-入射桿，4-試樣，5-透射桿，6-吸收桿，7-固定套筒，8-承載環
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。并給出與常規裝置的試驗對比數據，但不作為對
技術實現要素：
的限制。
實施例一
以Φ37mm口徑霍普金森壓桿裝置的壓縮試驗為例，對霍普金森壓桿試驗裝置進行詳細描述。并給出與常規裝置的試驗對比數據。
加載桿直徑為Ф37mm，入射桿3長度為2m，透射桿5長度為2m，吸收桿6長度為1m。
試樣4材料為纖維增強樹脂基復合材料，長度為l0＝12mm，直徑d0＝22mm，材料的泊松比為μ＝0.33。預期壓縮應變值為5％。
承載環的長度由公式(1)計算得到l1＝11.4mm；外徑：Ф37mm，內徑由公式(2)計算得到d1大于22.36mm，考慮到復合材料的變形與破壞特點，內徑d1取23mm。
固定套筒：內徑Ф37.15mm，外徑Ф47mm，長度50mm。
將承載環8套裝入固定套筒7中心位置后，固定套筒7的一端與入射桿3加載端套裝，將試樣4兩端面涂潤滑脂后置于承載環8內并于與入射桿3加載端面對接壓緊，試樣4吸附在入射桿3加載端中心，承載環8與試樣4等間距。固定套筒的另一端與透射桿5加載端對接組裝，將入射桿3、試樣4和透射桿5壓緊，試樣端面與入射桿3、透射桿5的加載端面充分貼合，組裝后的壓縮應變控制裝置結構示意圖如圖2所示。
按常規方法對試樣4進行沖擊壓縮試驗，當試樣的壓縮應變達到預期值時的應變控制裝置結構狀態示意圖如圖3所示。試驗后的試樣外形基本保持完好，試樣側面出現部分裂紋，入射桿和透射桿上應力波信號如圖4，試樣的壓縮應力應變曲線如圖5，有效地實現了對試樣5％壓縮應變量的準確控制。
對比組：將試樣4兩端面涂潤滑脂后直接置于入射桿3和透射桿5之間進行沖擊壓縮試驗，入射桿和透射桿上的應力波信號如圖6，試樣的壓縮應力應變曲線如圖7。試驗后的試樣為壓剪破碎狀態，試樣達到最大破壞應變，無法對試樣的壓縮應變量進行控制，試樣被加載至破壞應變6.3％。
實施例二
本實施例以Φ100mm大口徑霍普金森壓桿裝置的壓縮試驗為例，對霍普金森壓桿試驗裝置進行詳細描述。
加載桿直徑為Ф100mm，入射桿3長度為5m，透射桿5長度為5m，吸收桿6長度為2m。
試樣4材料為維增強樹脂基復合材料，試樣4長度為l0＝40mm，直徑為d0＝60mm，試樣4材料的泊松比為μ＝0.33。預期壓縮應變值為1.5％。
承載環的長度由公式(1)計算得到l1＝39.4mm；外徑：Ф100mm，內徑由公式(2)計算得到d1大于60.3mm，考慮到復合材料的變形與破壞特點，內徑d1取62mm。
固定套筒：內徑Ф100.15mm，外徑Ф110mm，長度100mm。
將承載環8套裝入固定套筒7中心位置后，固定套筒7的一端與射桿3加載端套裝，將試樣4兩端面涂潤滑脂后置于承載環8內并于與入射桿3加載端面對接壓緊，使試樣4吸附在入射桿3加載端，使承載環8與試樣4等間距。再將固定套筒的另一端與透射桿5加載端對接組裝，將入射桿3、試樣4和透射桿5用力壓緊，使試樣端面與入射桿3、透射桿5的加載端面充分貼合，組裝后的壓縮應變控制裝置結構示意圖如圖2所示，然后進行沖擊壓縮試驗。試驗后的試樣外形基本保持完好，試樣外形無明顯變化。試驗測得的入射桿和透射桿上的應力波信號如圖8，試樣的壓縮應力應變曲線如圖9。在該試驗中有效地實現了對試樣1.5％壓縮應變量的準確控制。
對比組：將試樣4兩端面涂潤滑脂后直接置于入射桿3和透射桿5之間進行沖擊壓縮試驗。試驗后的試樣均為壓剪破碎狀態，即試樣達到了最大破壞應變，試驗測得的入射桿和透射桿上的應力波信號如圖10，試樣的壓縮應力應變曲線如圖11。在此試驗中無法對試樣的壓縮應變量(1.5％)進行控制，試樣被加載至破壞應變2.5％，試驗后試樣狀態為破碎。
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