專利名稱：大直徑分離式霍普金森壓桿的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于爆炸力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，主要提出一種大直徑分離式霍普金森壓桿。
背景技術(shù)：
在各種各樣的材料動(dòng)力實(shí)驗(yàn)裝置中，分離式霍普金森壓桿(SHPB)被公認(rèn)為是最常用最有效的研究脈沖動(dòng)載作用下材料力學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。其應(yīng)用領(lǐng)域從最初測(cè)量金屬的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，發(fā)展到現(xiàn)在測(cè)量巖石、混凝土、陶瓷、高聚物、炸藥、固體推進(jìn)劑、塑料、復(fù)合材料、泡沫材料、減震材料、粘結(jié)層、纖維等多種材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。
在上世紀(jì)九十年代末，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院材料力學(xué)行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室將原有的Φ37mmSHPB改造為直錐變截面式Φ74mmSHPB，目前國(guó)內(nèi)擁有這套裝置的科研單位有多家。其它SHPB直徑都在40mm以下，均不適合進(jìn)行混凝土、巖石等非均質(zhì)材料實(shí)驗(yàn)。Φ74mmSHPB可以進(jìn)行混凝土、巖石等非均質(zhì)材料實(shí)驗(yàn)，但有局限性。
分離式霍普金森壓桿主要由加載裝置-氣炮與撞擊桿、輸入桿、輸出桿、托架、緩沖裝置和應(yīng)變與撞擊速度測(cè)量記錄儀器等部分組成；其設(shè)計(jì)原理為氣炮發(fā)射撞擊桿撞擊輸入桿，在輸入桿中產(chǎn)生彈性的壓縮波，其脈沖長(zhǎng)度比試件長(zhǎng)度長(zhǎng)很多，通過(guò)輸入桿傳播到達(dá)試件，試件夾在輸入桿和輸出桿之間，壓縮脈沖通過(guò)試件，其應(yīng)力幅值大到能使試件塑性變形。由于試件材料和壓桿(包括輸入桿和輸出桿)材料的阻抗失配，當(dāng)壓縮波到達(dá)輸入桿與試件的界面時(shí)，一部分被反射回到輸入桿中，一部分透射進(jìn)入試件中，試件中的應(yīng)力波到達(dá)與輸出桿的界面時(shí)，同樣發(fā)生反射，部分透射進(jìn)入輸出桿中，部分反射回到試件中。貼在輸入桿表面上的應(yīng)變片測(cè)得桿中入射波和反射波信號(hào)，而貼在輸出桿表面上的應(yīng)變片測(cè)得桿中透射波信號(hào)。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，壓桿始終保持彈性狀態(tài)。由實(shí)測(cè)的壓桿中入射、反射和透射脈沖，就可以獲得試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系以及其他動(dòng)力性質(zhì)參數(shù)。
目前存在問(wèn)題是國(guó)內(nèi)其它SHPB的壓桿支架都是滑動(dòng)支承，這對(duì)壓桿中應(yīng)力脈沖的傳播的干擾是顯著的，試驗(yàn)和數(shù)值模擬均表明，峰值應(yīng)力衰減3～6％，加之目前使用中的壓桿均為中小直徑壓桿(最大直徑Φ74mm)，用于大直徑壓桿如Φ100mm其缺陷就更為突出。設(shè)置在吸收桿后端的緩沖裝置，目前使用的結(jié)構(gòu)是要將加載裝置-氣炮施加到壓桿上最后至吸收桿的撞擊力緩沖、吸收；但由于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，往往造成吸收桿的回彈速度高，存在壓桿脫離支撐托架而發(fā)生掉桿現(xiàn)象；二是由于碰撞力得不到有效降低，造成壓桿產(chǎn)生墩粗、彎曲等塑性變形。另外，大直徑壓桿因壓桿粒子具有徑向慣性，致使一維應(yīng)力波的傳播發(fā)生彌散，應(yīng)力脈沖波形起伏振蕩，彌散和振蕩主要是波長(zhǎng)小于10倍壓桿半徑的傅里葉分量造成的。因此，壓桿直徑越大，彌散和振蕩越嚴(yán)重，由于入射脈沖振蕩，相應(yīng)的透射和反射波形也有振蕩，導(dǎo)致試件內(nèi)部應(yīng)力不均勻，材料的動(dòng)態(tài)本構(gòu)響應(yīng)曲線出現(xiàn)大幅度振蕩。而對(duì)這種彌散效應(yīng)的理論修正，不能減低入射波振蕩，且對(duì)試件大小等參數(shù)的變動(dòng)非常敏感，參數(shù)選擇的不確定性將導(dǎo)致振蕩加重和修正結(jié)果嚴(yán)重失真。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型提出一種大直徑分離式霍普金森壓桿的主要目的是解決在實(shí)驗(yàn)中托架結(jié)構(gòu)對(duì)壓桿中的應(yīng)力傳播產(chǎn)生干擾的問(wèn)題并通過(guò)對(duì)緩沖裝置的改進(jìn)減少?zèng)_擊力對(duì)輸出桿的沖擊，從而保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精度。
本實(shí)用新型的另一目的是解決大直徑壓桿存在的波彌散和波形振蕩的問(wèn)題。
本實(shí)用新型完成其發(fā)明任務(wù)所采取的技術(shù)方案是本實(shí)用新型主要包括加載裝置-氣炮、輸入桿和輸出桿；還包括壓桿托架、緩沖裝置和應(yīng)變片與撞擊速度測(cè)量記錄儀器等部分；壓桿托架為滾動(dòng)式托架結(jié)構(gòu)，即按照盡量減少接觸面積和接觸力的“非過(guò)渡約束”原則，壓桿置于壓桿托架的托輥上即壓桿被支承在托輥的圓弧面上，托輥支承壓桿的圓弧面其曲率半徑大于壓桿半徑；托輥通過(guò)軸承支承在支撐軸上并通過(guò)支撐軸支承在機(jī)架上，構(gòu)成托輥隨壓桿運(yùn)動(dòng)而同步滾動(dòng)的結(jié)構(gòu)；所述緩沖裝置由空氣阻尼器和緩沖墊片兩種緩沖結(jié)構(gòu)構(gòu)成；空氣阻尼器主要包括阻尼缸、缸套、活塞和復(fù)位缸及與活塞分離的活塞復(fù)位機(jī)構(gòu)；其中，阻尼缸位于缸套內(nèi)部且其缸體上具有多個(gè)進(jìn)出氣孔，復(fù)位缸位于阻尼缸后端且與阻尼缸為連通結(jié)構(gòu)，活塞的活塞桿一端位于阻尼缸缸體外且與輸出桿對(duì)中，活塞復(fù)位機(jī)構(gòu)為手動(dòng)結(jié)構(gòu)其位于復(fù)位缸內(nèi)的一端為與復(fù)位缸吻配的活塞結(jié)構(gòu)，另一端為手柄；緩沖墊片由設(shè)置在活塞一端的柔性緩沖墊和設(shè)置在阻尼缸內(nèi)后端的橡膠緩沖墊組成。
輸入桿前設(shè)置有屈服強(qiáng)度低于輸入桿的預(yù)加載桿，在預(yù)加載桿前端面設(shè)置有整形用紙質(zhì)墊片。
本實(shí)用新型提出的滾動(dòng)托架采用滾動(dòng)支承排除了滑動(dòng)支座對(duì)脈沖傳播干擾嚴(yán)重的弊端，當(dāng)一維應(yīng)力波傳播到滾動(dòng)托架的位置時(shí)，壓桿橫截面位移導(dǎo)致托輥滾動(dòng)，托輥則帶動(dòng)兩端的軸承轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)果是壓桿與托輥之間的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)檩S承的滾動(dòng)摩擦，而滾珠軸承的摩擦系數(shù)一般在0.002～0.005范圍之內(nèi)，因此滾動(dòng)托架對(duì)壓桿的約束力幾乎可以忽略不計(jì)。本實(shí)用新型提出的緩沖裝置有效的吸收了沖擊力，減少了壓桿的回彈速度，從而保證壓桿不會(huì)脫離支撐架發(fā)生掉桿現(xiàn)象，緩沖裝置可延長(zhǎng)碰撞時(shí)間，減小碰撞力，可保護(hù)壓桿不產(chǎn)生鐓粗、彎曲等塑性變形。
本實(shí)用新型針對(duì)壓桿因直徑大而存在的波彌散和波形振蕩嚴(yán)重的問(wèn)題，采取在輸入桿前設(shè)置屈服強(qiáng)度低于輸入桿的預(yù)加載桿，并在預(yù)加載桿前端面設(shè)置整形紙質(zhì)墊片，構(gòu)成脈沖整形結(jié)構(gòu)，可有效解決波彌散和波形振蕩的問(wèn)題。


圖1為φ100mm分離式霍普金森壓桿結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本實(shí)用新型氣炮結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本實(shí)用新型壓桿托架結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本實(shí)用新型緩沖裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中，1、緩沖裝置，2、輸出桿，3、應(yīng)變片，4、試件，5、輸入桿，6、壓桿托架，7、預(yù)加載桿，8、紙質(zhì)墊片，9、測(cè)量記錄儀器，10、撞擊桿，11、氣炮，12、基座，14、炮管，15、堵頭，16、氣喉，17、前儲(chǔ)氣室，18、進(jìn)/放氣孔，19、滑閥體，20、滑閥缸，21、后儲(chǔ)氣室，22、測(cè)壓孔，23、托輥，24、軸承，25、支撐軸，26、左右調(diào)整螺桿，27、壓緊螺母，28、調(diào)整楔鐵，29、高低調(diào)整螺桿，30、側(cè)向固定螺栓，31、底座，32、壓桿，33、保護(hù)蓋，35、柔性緩沖墊，36、缸套，37、阻尼缸，38、活塞，39、橡膠緩沖墊，40、承力架，41、復(fù)位缸，42、活塞復(fù)位機(jī)構(gòu)。
具體實(shí)施方式
結(jié)合附給出的實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型加以說(shuō)明如圖1所示，φ100mm分離式霍普金森壓桿包括加載裝置-氣炮(11)、輸入桿5和輸出桿2，還包括壓桿托架6、緩沖裝置1、應(yīng)變片3和撞擊速度測(cè)量記錄儀器9等部分，其中氣炮11由內(nèi)裝滑閥機(jī)構(gòu)的儲(chǔ)氣室(17)(21)、尾端聯(lián)接氣喉的炮管14、炮管內(nèi)的撞擊桿10和操縱臺(tái)等組成，輸入桿5長(zhǎng)度為4.5m，輸出桿2長(zhǎng)度為2.5m，分離式霍普金森壓桿為現(xiàn)有成熟的實(shí)驗(yàn)裝置，即加載裝置-氣炮、輸入桿、輸出桿和測(cè)量記錄儀器等均為現(xiàn)有技術(shù)。本實(shí)用新型僅涉及對(duì)脈沖整形結(jié)構(gòu)、壓桿托架、緩沖裝置的改進(jìn)如圖1所示，本實(shí)用新型在輸入桿5前設(shè)置屈服強(qiáng)度低于輸入桿的預(yù)加載桿7，預(yù)加載桿和輸入桿、輸出桿共同構(gòu)成壓桿組件，壓桿的直徑均為100mm，預(yù)加載桿其長(zhǎng)度為2.06m，屈服強(qiáng)度可為σ0.2＝300-400MPa(輸入桿屈服強(qiáng)度可為σ0.2＝800-1000MPa)，在預(yù)加載桿前端面設(shè)置整形紙質(zhì)墊片8，紙質(zhì)墊片8位于預(yù)加載桿7前端面的中心部位。
本實(shí)用新型中氣炮結(jié)構(gòu)基本與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)相同，見(jiàn)圖2，在此不作過(guò)多說(shuō)明。如圖3所示，本實(shí)用新型的壓桿托架為滾動(dòng)式托架結(jié)構(gòu)，壓桿置于壓桿托架的托輥上即壓桿被支承在托輥的圓弧面上，托輥支承壓桿的圓弧面曲率半徑大于壓桿半徑；該實(shí)施例支承托輥的圓弧面是以半徑80mm弦長(zhǎng)100mm的圓弧為母線的旋轉(zhuǎn)面，托輥23的兩端各嵌入一個(gè)207D單列向心球軸承，一根支撐軸25穿過(guò)托輥中心孔及其兩端的軸承24，軸的端部插入支撐架上與軸端動(dòng)配合的左、右孔內(nèi)，軸承固定在支撐軸25上，而托輥中心孔的孔徑大于支撐軸直徑。當(dāng)一維應(yīng)力波傳播到滾動(dòng)托架的位置時(shí)，壓桿32橫截面位移導(dǎo)致托輥滾動(dòng)，托輥則帶動(dòng)兩端的軸承24轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)果是壓桿與托輥之間的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)檩S承的滾動(dòng)摩擦，而滾珠軸承的摩擦系數(shù)一般在0.002～0.005范圍之內(nèi)，因此壓桿托架對(duì)壓桿的約束力幾乎可以忽略不計(jì)。實(shí)際上沿軸向推動(dòng)Φ100SHPB每根壓桿的力僅為10～30N。為了把托架對(duì)壓桿的約束減至最低程度，按照托架縱向?qū)ΨQ面與氣炮炮管軸線(即壓桿軸線)相重合的標(biāo)準(zhǔn)，在鋼筋混凝土平臺(tái)上安裝托架的底座，設(shè)置有4個(gè)可以微調(diào)支撐架水平方位的側(cè)向固定螺栓30；支撐架下部為左右對(duì)稱的斜面，并在下方設(shè)置由調(diào)整螺栓帶動(dòng)的調(diào)整楔鐵28。托架裝好之后通過(guò)4個(gè)側(cè)向固定螺栓30(每側(cè)兩個(gè))的差動(dòng)進(jìn)出可以微調(diào)支撐架水平方位，嚴(yán)格保證炮管軸線垂直于托輥23(或支撐軸)軸線。然后擰進(jìn)或擰出連接左右兩塊調(diào)整楔鐵的兩根螺桿29調(diào)整托輥的高低和水平，升降范圍可達(dá)12mm，利用抵在支撐軸兩端的左右調(diào)整螺桿26使托輥?zhàn)笥乙苿?dòng)，行程可達(dá)20mm。通過(guò)對(duì)托輥的三維調(diào)整，最終嚴(yán)格保證輸入桿、輸出桿、預(yù)加載桿三桿同軸和撞擊桿與輸入桿對(duì)心正碰撞。撞擊桿和三根壓桿這四桿的同軸度可以達(dá)到≤0.5mm。并且保證壓桿靠自重與每個(gè)托架的托輥弧面最低點(diǎn)接觸，理論上是點(diǎn)接觸，實(shí)際上因?yàn)橛袕椥宰冃魏图庸て睿瑝簵U與托輥?zhàn)畹吞幨菐Ы佑|，接觸帶沿托輥母線長(zhǎng)度≤6mm，寬約1mm左右。
如圖4所示，緩沖裝置由空氣阻尼器和緩沖墊片兩種緩沖機(jī)構(gòu)組成，其作用是一是限制壓桿運(yùn)動(dòng)，減低回彈速度，防止壓桿脫離支撐托架發(fā)生掉桿現(xiàn)象；二是延長(zhǎng)碰撞時(shí)間減小碰撞力，保護(hù)壓桿不產(chǎn)生鐓粗、彎曲等塑性變形。
空氣阻尼器主要包括阻尼缸37、缸套36、活塞38和復(fù)位缸41及與活塞分離的活塞復(fù)位機(jī)構(gòu)42；阻尼缸位于缸套內(nèi)部且其缸體上具有多個(gè)進(jìn)出氣孔，復(fù)位缸41位于阻尼缸37后端且與阻尼缸為連通結(jié)構(gòu)，活塞的活塞桿一端位于阻尼缸缸體外且與輸出桿對(duì)中；活塞復(fù)位機(jī)構(gòu)為手動(dòng)結(jié)構(gòu)，其位于復(fù)位缸內(nèi)的一端為與復(fù)位缸吻配的活塞結(jié)構(gòu)，其另一端為手柄。緩沖墊片由設(shè)置在活塞桿一端的柔性緩沖墊35和設(shè)置在阻尼缸內(nèi)后端的橡膠緩沖墊(39)組成。緩沖裝置的工作過(guò)程為試驗(yàn)之前，手動(dòng)復(fù)位機(jī)構(gòu)推動(dòng)活塞，活塞桿向外移動(dòng)至端部距輸出桿大約40mm的位置，然后手動(dòng)復(fù)位機(jī)構(gòu)退回到原來(lái)的位置。當(dāng)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，輸出桿首先撞擊到活塞桿前端的羊毛氈緩沖墊上，100mm厚的羊毛氈被壓縮而耗能，輸出桿繼續(xù)推壓活塞桿向裝置內(nèi)快速運(yùn)動(dòng)，致使活塞壓縮前方阻尼缸內(nèi)空氣，使其從活塞前方缸壁上的小孔瀉出，然后又從活塞后方缸壁上的小孔進(jìn)入缸內(nèi)。在此過(guò)程中除活塞與缸壁之間摩擦力外活塞與吸收桿受到兩種阻力，一種是將靜止的氣體加速為高速氣流引起的慣性阻力，另一種是氣體小孔出流、紊流和小孔流進(jìn)所產(chǎn)生的粘性摩擦阻力。空氣阻尼器依靠氣體經(jīng)小孔流動(dòng)產(chǎn)生的這兩部分阻力而起緩沖作用。最后活塞撞到阻尼缸末端的橡膠緩沖墊上，進(jìn)一步被減速。經(jīng)過(guò)三段緩沖而大大減弱的沖擊力傳到承力架上，最終通過(guò)地腳螺栓傳給設(shè)備基礎(chǔ)。從能量的角度看，空氣阻尼機(jī)構(gòu)是將壓桿的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為不可逆的熱能，而緩沖墊是將壓桿的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為不可逆的變形能和熱能。
權(quán)利要求1.一種大直徑分離式霍普金森壓桿，主要包括加載裝置—?dú)馀?11)、輸入桿(5)和輸出桿(2)；還包括壓桿托架(6)、緩沖裝置(1)和應(yīng)變片(3)與撞擊速度測(cè)量記錄儀器(9)等部分；其特征是所述壓桿托架為滾動(dòng)式托架結(jié)構(gòu)，壓桿置于壓桿托架的托輥(23)上即壓桿被支承在托輥的圓弧面上，托輥支承壓桿的圓弧面其曲率半徑大于壓桿半徑；托輥(23)通過(guò)軸承(24)支承在支撐軸(25)上并通過(guò)支撐軸支承在機(jī)架上，構(gòu)成托輥隨壓桿運(yùn)動(dòng)而同步滾動(dòng)的結(jié)構(gòu)；所述緩沖裝置由空氣阻尼器和緩沖墊片兩種緩沖結(jié)構(gòu)構(gòu)成；空氣阻尼器主要包括阻尼缸(37)、缸套(36)、活塞(38)和復(fù)位缸(41)及與活塞分離的活塞復(fù)位機(jī)構(gòu)；其中，阻尼缸(37)位于缸套(36)內(nèi)部且其缸體上具有多個(gè)進(jìn)出氣孔，復(fù)位缸(41)位于阻尼缸(37)后端且與阻尼缸為連通結(jié)構(gòu)，活塞的活塞桿一端位于阻尼缸缸體外且與輸出桿(2)對(duì)中，活塞復(fù)位機(jī)構(gòu)為手動(dòng)結(jié)構(gòu)其位于復(fù)位缸內(nèi)的一端為與復(fù)位缸吻配的活塞結(jié)構(gòu)，另一端為手柄；緩沖墊片由設(shè)置在活塞一端的柔性緩沖墊(35)和設(shè)置在阻尼缸內(nèi)后端的橡膠緩沖墊(39)組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大直徑分離式霍普金森壓桿，其特征是所述的輸入桿(5)前設(shè)置有屈服強(qiáng)度低于輸入桿的預(yù)加載桿(7)，在預(yù)加載桿前端面設(shè)置有整形用紙質(zhì)墊片(8)。
專利摘要本實(shí)用新型屬于爆炸力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置。提出的大直徑分離式霍普金森壓桿主要涉及對(duì)其壓桿托架、緩沖裝置和脈沖整形結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，設(shè)置在輸入桿(5)前的預(yù)加載桿(7)和位于預(yù)加載桿(7)前端面的整形用紙質(zhì)墊片構(gòu)成脈沖整形結(jié)構(gòu)，壓桿托架為滾動(dòng)式托架結(jié)構(gòu)，壓桿置于壓桿托架的托輥(23)上，托輥支承壓桿的圓弧面曲率半徑大于壓桿半徑；托輥通過(guò)軸承(24)支承在支撐軸(25)上并通過(guò)支撐軸支承在機(jī)架上，構(gòu)成托輥隨壓桿運(yùn)動(dòng)而同步滾動(dòng)的結(jié)構(gòu)；緩沖裝置由空氣阻尼器和緩沖墊片兩種緩沖結(jié)構(gòu)構(gòu)成。本實(shí)用新型可解決在實(shí)驗(yàn)中托架結(jié)構(gòu)對(duì)壓桿中的應(yīng)力傳播產(chǎn)生干擾的問(wèn)題并通過(guò)對(duì)緩沖裝置的改進(jìn)減少?zèng)_擊力對(duì)輸出桿的沖擊，從而保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精度。
文檔編號(hào)G01N3/30GK2916616SQ20062003188
公開日2007年6月27日 申請(qǐng)日期2006年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月30日
發(fā)明者任輝啟, 張守保 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍總參謀部工程兵科研三所