電磁式應(yīng)力波發(fā)生器的主線圈及充電/放電的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試的應(yīng)力波發(fā)生裝置的一個(gè)部件結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)方法，具體說是一種電磁式應(yīng)力波發(fā)生器的主線圈結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，在材料科學(xué)領(lǐng)域中測(cè)量材料在高應(yīng)變率下的力學(xué)性能時(shí)使用最廣泛的就是分離式霍普金森壓桿技術(shù)和拉桿技術(shù)。這一方法的基本原理是:將短試樣置于兩根拉桿或壓桿之間，通過某種方式對(duì)入射桿輸入拉伸應(yīng)力波或者壓縮應(yīng)力波，對(duì)試樣進(jìn)行加載。同時(shí)利用粘在拉桿或壓桿上并距桿端部一定距離的應(yīng)變片來記錄脈沖信號(hào)。如果拉桿或壓桿保持彈性狀態(tài)，那么桿中的脈沖將以彈性波速無失真地傳播。這樣粘貼在拉桿或壓桿上的應(yīng)變片就能夠測(cè)量到作用于桿端的載荷隨時(shí)間的變化歷程。
[0003]對(duì)于霍普金森壓桿，產(chǎn)生入射波的普遍方式是通過氣槍將撞擊桿高速發(fā)射，與入射桿同軸撞擊產(chǎn)生入射脈沖。這種方法的缺點(diǎn)在于:由于每次發(fā)射時(shí)撞擊桿在氣槍中的安裝位置不盡相同，且撞擊速度與氣壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系很難確定，因此無法準(zhǔn)確地控制入射波的幅值，所以需要嘗試多次實(shí)驗(yàn)才能得到所需的應(yīng)變率。其次，對(duì)于應(yīng)變率跨度過大的實(shí)驗(yàn)，由于氣槍氣壓的限制，需要更換撞擊桿的長(zhǎng)度來得到不同的應(yīng)變率，應(yīng)變率越高，所用撞擊桿越短，實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的應(yīng)力波寬度越短，這就限制了實(shí)驗(yàn)所得到的應(yīng)變范圍，而且操作繁瑣。更重要的是，由于撞擊桿的發(fā)射速度有一個(gè)下限，一些更低的應(yīng)變率在實(shí)際試驗(yàn)中無法用傳統(tǒng)霍普金森壓桿得到，比如1iT1的應(yīng)變率。由于不同的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)也不同，使得分離式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)的規(guī)范化一直是一個(gè)國際性的難題。
[0004]對(duì)于霍普金森拉桿，目前所采用的普遍加載技術(shù)是:將拉桿的撞擊桿做成空心圓管，通過氣槍將撞擊管高速發(fā)射，當(dāng)它運(yùn)動(dòng)到達(dá)入射桿端時(shí)，撞擊管與入射桿端的凸臺(tái)碰撞產(chǎn)生一列壓縮波向入射桿凸臺(tái)端傳播，并在自由端反射成拉伸波，該拉伸波通過入射桿對(duì)試樣進(jìn)行加載。但是這種設(shè)計(jì)方法有很多的缺點(diǎn):1，由于撞擊桿是從入射桿一端發(fā)射到另一端，所以在入射桿上的凸臺(tái)到氣槍的那一段，入射桿處于無支撐的自由狀態(tài)這使得入射桿容易彎曲；2，這種設(shè)計(jì)限制了撞擊筒的長(zhǎng)度在500mm左右，所以產(chǎn)生的入射波長(zhǎng)度為0.2ms左右，但是對(duì)于延展性材料和低應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)，需要更長(zhǎng)的入射波；3，撞擊筒的更換很不方便；4，由于撞擊筒的筒壁厚度限制，需要很高的氣壓來加速撞擊筒。也有很多學(xué)者提出了不同的設(shè)計(jì)思路:1，在撞擊筒的一端加一個(gè)凸臺(tái)來提高撞擊筒的發(fā)射速度，但是這種方式產(chǎn)生的波形受凸臺(tái)影響而不再正規(guī)；2，使用空的入射桿，撞擊桿從入射桿里面穿過，這種方式使得波形整形變得困難。
[0005]由于撞擊桿的形狀不同，氣槍的位置不同，傳統(tǒng)的霍普金森壓桿和拉桿的加載系統(tǒng)無法在同一裝置上實(shí)現(xiàn)。
[0006]20世紀(jì)60年代美國波音公司為解決普通鉚接存在的問題，由Huber A Schmitt等人率先開始研宄電磁鉚接技術(shù)，并于1968年申請(qǐng)了強(qiáng)沖擊電磁鉚接裝置的專利。1986年Zieve Peter研制成功低壓電磁鉚接，解決了高壓鉚接在鉚接質(zhì)量及推廣應(yīng)用方面存在的問題，從而使電磁鉚接技術(shù)得到較快發(fā)展。電磁鉚接技術(shù)已在波音、空客系列飛機(jī)制造中得到應(yīng)用。如今，低壓電磁鉚接技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，鉚接力的大小和持續(xù)時(shí)間可以得到比較精確的控制。電磁鉚槍的技術(shù)原理是:在放電線圈和工件之間增加了一個(gè)線圈和應(yīng)力波放大器。放電開關(guān)閉合的瞬間，主線圈中通過快速變化的沖擊電流，在線圈周圍產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)。與主線圈耦合的次級(jí)線圈在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而產(chǎn)生渦流磁場(chǎng)，兩磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生渦流斥力，并通過放大器傳至鉚釘，使鉚釘成形。渦流力的頻率極高，在放大器和鉚釘中以應(yīng)力波的形式傳播，故電磁鉚接也稱應(yīng)力波鉚接。西北工業(yè)大學(xué)在申請(qǐng)?zhí)枮?01410161610.X的發(fā)明專利中提出一種將電磁鉚槍與霍普金森壓桿結(jié)合起來進(jìn)行材料試驗(yàn)的裝置及試驗(yàn)方法，在申請(qǐng)?zhí)枮?01410173843.1和201410171963.8的專利中，提出了兩種產(chǎn)生拉伸和壓縮應(yīng)力波的裝置及實(shí)驗(yàn)方法，所述三個(gè)發(fā)明創(chuàng)造成功解決了霍普金森桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)的規(guī)范問題以及拉壓裝置一體化的問題。
[0007]但是所述發(fā)明創(chuàng)造中提出的應(yīng)力波發(fā)生裝置存在局限性，要提高傳入入射桿中的應(yīng)力波幅值，需要提高電路中的電容值和充電電壓，但是電容值增大會(huì)加寬放電時(shí)間，從而使得到的應(yīng)力波脈沖寬度增大，經(jīng)過計(jì)算和數(shù)值模擬，如果要在入射桿中得到滿足要求的入射波幅值，增大電容值和充電電壓，會(huì)使入射脈沖的寬度達(dá)到Ims左右。而要縮短應(yīng)力脈沖寬度到100至數(shù)百微秒，則要減小電路中的電容值，這樣又會(huì)降低所得到的應(yīng)力波幅值。而對(duì)于材料的霍普金森桿實(shí)驗(yàn)，高應(yīng)變率所需的入射波脈沖短，幅值高，而低應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)所需的入射脈沖寬，幅值相對(duì)低。這些要求在上述發(fā)明創(chuàng)造中是一對(duì)矛盾，無法同時(shí)滿足。
[0008]發(fā)明目的
[0009]為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的入射波幅值過低和寬度過長(zhǎng)，無法同時(shí)滿足高應(yīng)變率試驗(yàn)和低應(yīng)變率試驗(yàn)的不足，本發(fā)明提出了一種電磁式應(yīng)力波發(fā)生器的主線圈及充電/放電的方法。
[0010]所述的電磁式應(yīng)力波發(fā)生器的主線圈，包括繞線器、導(dǎo)線接頭座、多個(gè)絕緣線圈和多個(gè)子線圈。所述繞線器的圓周表面有環(huán)狀的線圈安裝槽，所述各子線圈和各絕緣線圈依次交替套裝入所述線圈安裝槽內(nèi)，并且最底層為子線圈，最外層為絕緣線圈。在所述繞線器一端端面的一側(cè)開有兩排通孔，分別為正極導(dǎo)線孔和負(fù)極導(dǎo)線孔。所述導(dǎo)線接頭座粘接在所述繞線器有導(dǎo)線孔一端表面，并使該導(dǎo)線接頭座上的兩排導(dǎo)線孔分別與所述繞線器端面的正極導(dǎo)線孔和負(fù)極導(dǎo)線孔對(duì)應(yīng)。
[0011]所述的正極導(dǎo)線孔的中心線和負(fù)極導(dǎo)線孔的中心線均與所述繞線器的中心線平行，并使所述的正極導(dǎo)線孔和負(fù)極導(dǎo)線孔均與位于線圈安裝槽內(nèi)的子線圈的表面一一對(duì)應(yīng)。
[0012]所述各子線圈逐一按要求套裝在所述繞線器圓周表面的線圈安裝槽內(nèi)后，各子線圈端面的正極接頭和負(fù)極接頭分別與導(dǎo)線連接，并且各導(dǎo)線分別穿過繞線器和導(dǎo)線接頭上的導(dǎo)線孔，分別與加載槍的各電容充電器的正極導(dǎo)線接頭和負(fù)極導(dǎo)線接頭連接。
[0013]所述各電容充電器分別與鉚接裝置的電源連接。所述各電容充電器中的各電子開關(guān)分別與多路同步觸發(fā)器的各路接頭連接。
[0014]所述的充電/放電的方法包括短脈沖、高幅值應(yīng)力脈沖的主線圈充電/放電和長(zhǎng)脈沖、低幅值應(yīng)力脈沖的主線圈充電/放電。
[0015]利用所述電磁式應(yīng)力波發(fā)生器的主線圈的充電/放電的過程分別是:
[0016]I所述短脈沖、高幅值應(yīng)力脈沖的主線圈充電/放電的過程是:
[0017]所述短脈沖是指脈沖寬度為100?400us的應(yīng)力波脈沖，所述高幅值是指正弦形應(yīng)力脈沖的幅值為400?1500Mpa。
[0018]所述短脈沖、高幅值應(yīng)力脈沖的主線圈充電/放電的過程適于應(yīng)變率大于2000^的材料實(shí)驗(yàn)。
[0019]所述主線圈充電過程與現(xiàn)有技術(shù)相同。
[0020]所述主線圈放電過程是:充電完成后，控制多路同步觸發(fā)器向各電容充電器的電子開關(guān)同時(shí)發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，使所述各電容充電器的電子開關(guān)按照設(shè)定的時(shí)間接通，使對(duì)應(yīng)的放電可控硅導(dǎo)通，儲(chǔ)能電容器中儲(chǔ)存的能量經(jīng)過放電可控硅和子線圈形成的路電容放電電路釋放出來，從而產(chǎn)生時(shí)間周期短400us、幅值35000A的正弦放電電流。
[0021]放電可控硅導(dǎo)通后，放電電流流經(jīng)主線圈的每一個(gè)子線圈，在其周圍形成高強(qiáng)度的脈沖磁場(chǎng)，所述磁場(chǎng)的強(qiáng)度沿主線圈的半徑由內(nèi)向外分布呈高斯分布，即在主線圈半徑的一半處磁場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)，由主線圈半徑的一半處向兩邊呈衰減分布。在加載槍中，主線圈與次級(jí)線圈相互貼緊，由于電磁感應(yīng)而在所述次級(jí)線圈中產(chǎn)生渦流，該述渦流的電流強(qiáng)度隨時(shí)間呈正弦變化，電流周期與主線圈的放電周期一樣，所述渦流的電流在次級(jí)線圈靠近主線圈的端面上沿半徑方向呈高斯分布，在半徑的一半處電流最大，幅值為為5A，在次級(jí)線圈的厚度方向，渦流強(qiáng)度隨著測(cè)量平面距主線圈端面的距離而衰減。所述主線圈和次級(jí)線圈產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)方向相反，從而產(chǎn)生極強(qiáng)的電磁斥力；所述電磁斥力在次級(jí)線圈中形成一個(gè)歷時(shí)很短的、強(qiáng)度很高的應(yīng)力脈沖，所述應(yīng)力脈沖經(jīng)過放大器錐面的反射放大后由放大器的小端輸出，形成脈沖寬度400us，幅值600Mpa的正弦形應(yīng)力脈沖，所述應(yīng)力脈沖經(jīng)過整形后即可作為應(yīng)變率為3000s—1的霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)的加載應(yīng)力波。
[0022]由于是通過多個(gè)電容充電器同時(shí)對(duì)相應(yīng)子線圈放電，在主線圈中的安匝數(shù)是多個(gè)子線圈的安匝數(shù)之和，這使得主線圈的磁場(chǎng)由于多個(gè)子線圈磁場(chǎng)的疊加而增強(qiáng)，而磁場(chǎng)的持續(xù)時(shí)間是一個(gè)子線圈的放電時(shí)間，所以這種方式產(chǎn)生的應(yīng)力波是短脈沖，高幅值的應(yīng)力脈沖，可用于材料的高應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)。
[0023]