電磁力霍普金森壓桿和拉桿實(shí)驗(yàn)加載裝置的入射波控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種加載裝置的入射波控制方法，特別是涉及一種電磁力霍普金森壓 桿和拉桿實(shí)驗(yàn)加載裝置的入射波控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 材料的力學(xué)性對(duì)于工程設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)能至關(guān)重要，它是決定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬 可靠性的關(guān)鍵因素。在高應(yīng)變率下霍普金森壓桿和拉桿技術(shù)（SHPB)被廣泛應(yīng)用于材料的 力學(xué)性能測(cè)試，該技術(shù)的原理是：將短試樣置于兩根壓桿之間，利用加速質(zhì)量塊、短桿等的 撞擊產(chǎn)生加速脈沖對(duì)試樣進(jìn)行加載，同時(shí)通過(guò)粘貼在入射桿、透射桿上的應(yīng)變片記錄脈沖 信號(hào)，利用脈沖信號(hào)推算出材料的力學(xué)性能。該技術(shù)于1914年由霍普金森首次提出，1948 年克勞斯蓋（Kolsky)提出了改進(jìn)的霍普金森壓桿技術(shù)，因此霍普金森桿也被稱作克勞斯 蓋桿。20世紀(jì)以來(lái)，越來(lái)越多的材料被應(yīng)用于高溫、高應(yīng)變率的工作環(huán)境中，霍普金森壓桿 和拉桿技術(shù)的應(yīng)用范圍被不斷拓展。
[0003] 霍普金森壓桿和拉桿技術(shù)中，廣泛采用空氣炮將撞擊短桿高速射出以產(chǎn)生入射波 的方法，這種方法的不足在于：空氣具有可壓縮性，撞擊短桿發(fā)射速度和氣壓關(guān)系不能準(zhǔn)確 確定，導(dǎo)致試樣應(yīng)變率無(wú)法精確控制，在相同氣壓設(shè)置條件下，獲得的入射波波幅將不完全 一致，實(shí)驗(yàn)重復(fù)性較差。同時(shí)，不同的應(yīng)變率需要使用不同長(zhǎng)度的撞擊桿獲得，應(yīng)變率越低， 所需的撞擊桿越短，由于撞擊桿存在發(fā)射速度下限，因此許多工程實(shí)踐中的低應(yīng)變率環(huán)境 不能通過(guò)傳統(tǒng)的霍普金森壓桿和拉桿實(shí)驗(yàn)得到，例如IOs'對(duì)于高應(yīng)變率環(huán)境，要求撞擊 桿尺寸大且發(fā)射速度高，對(duì)于同一臺(tái)霍普金森壓桿和拉桿實(shí)驗(yàn)裝置無(wú)法同時(shí)滿足應(yīng)變率跨 度過(guò)大的實(shí)驗(yàn)。
[0004] 針對(duì)以上問(wèn)題，文獻(xiàn)"申請(qǐng)公布號(hào)是CN103994922A的中國(guó)發(fā)明專利"公開(kāi)了一種 基于電磁力的霍普金森壓桿和拉桿實(shí)驗(yàn)方法，該方法以電磁鉚接技術(shù)為基礎(chǔ)，將霍普金森 壓桿和拉桿實(shí)驗(yàn)設(shè)備集成，使用電磁鉚槍裝置加載方法代替空氣炮加載，電磁力應(yīng)力波直 截作用到入射桿中完成試樣加載。該發(fā)明方法通過(guò)改變放電電壓控制入射波幅值，改變電 容量控制入射波脈沖寬度，操作簡(jiǎn)便，大幅提高了霍普金森壓桿和拉桿實(shí)驗(yàn)的可靠性和可 控性，拓展了霍普金森壓桿和拉桿實(shí)驗(yàn)的應(yīng)變率變化范圍。但是該發(fā)明方法沒(méi)有給出具體 的入射波幅值、脈沖寬度控制關(guān)系，實(shí)驗(yàn)中只能憑借經(jīng)驗(yàn)通過(guò)調(diào)節(jié)放電電壓、放電電容對(duì)入 射波進(jìn)行控制，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，實(shí)驗(yàn)所需入射波與實(shí)際加載入射波很難保持一致。此外，該發(fā)明 方法僅通過(guò)放電電壓、放電電容對(duì)入射波實(shí)施控制，難以實(shí)現(xiàn)加載入射波上升沿斜率、脈沖 寬度、脈沖幅值、最大脈沖幅值的綜合控制。在實(shí)際中，霍普金森拉桿和壓桿實(shí)驗(yàn)加載裝置 需要一種更好的加載入射波控制方法，以滿足材料對(duì)不同測(cè)試加載環(huán)境的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服現(xiàn)有基于電磁力的霍普金森壓桿和拉桿實(shí)驗(yàn)方法實(shí)用性差的不足，本發(fā) 明提供一種電磁力霍普金森壓桿和拉桿實(shí)驗(yàn)加載裝置的入射波控制方法。該方法在電磁鉚 接技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用帶餅狀放電線圈的電磁力應(yīng)力波發(fā)生器作為霍普金森壓桿和拉桿實(shí) 驗(yàn)的入射波加載裝置，其中次級(jí)線圈厚度為1〇_。通過(guò)減小放電電阻，保證設(shè)備的欠阻尼 工作狀態(tài)，提高了入射波最大幅值和上升沿斜率。建立入射波脈沖幅值、脈沖寬度與放電電 壓、放電電容的控制關(guān)系，通過(guò)設(shè)置不同放電電壓實(shí)現(xiàn)入射波幅值精確控制，通過(guò)選用不同 電容量的放電電容實(shí)現(xiàn)入射波脈沖寬度精確控制。針對(duì)材料測(cè)試實(shí)驗(yàn)中入射波的具體要 求，利用控制關(guān)系，計(jì)算出所需放電電壓和放電電容，保證了實(shí)驗(yàn)要求入射波與實(shí)際加載入 射波的一致性。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：一種電磁力霍普金森壓桿和拉桿實(shí) 驗(yàn)加載裝置的入射波控制方法，其特點(diǎn)是采用以下步驟：
[0007] 步驟一、電磁力應(yīng)力波加載放電回路RLC震蕩回路有三種工作狀態(tài)：欠阻尼狀態(tài)、 臨界阻尼狀態(tài)和過(guò)阻尼狀態(tài)。相同放電條件下，欠阻尼狀態(tài)放電電流脈沖幅值最大、上升沿 最陡、脈沖寬度最窄，有利于提高電磁力入射波幅值、上升沿斜率，降低入射波控制難度。欠 阻尼狀態(tài)下，RLC震蕩回路需滿足條件：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種電磁力霍普金森壓桿和拉桿實(shí)驗(yàn)加載裝置的入射波控制方法，其特征在于包括 以下步驟： 步驟一、電磁力應(yīng)力波加載放電回路RLC震蕩回路有三種工作狀態(tài)：欠阻尼狀態(tài)、臨 界阻尼狀態(tài)和過(guò)阻尼狀態(tài)；相同放電條件下，欠阻尼狀態(tài)放電電流脈沖幅值最大、上升沿最 陡、脈沖寬度最窄，有利于提高電磁力入射波幅值、上升沿斜率，降低入射波控制難度；欠阻 尼狀態(tài)下，RLC震蕩回路需滿足條件：
式中，R-放電電阻，L-放電電感，C-放電電容； 步驟二、電磁力應(yīng)力波發(fā)生器采用帶中心孔的餅狀線圈，次級(jí)線圈厚度IOmm;放電電 容11對(duì)放電線圈6放電，放電線圈6在軸向上產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，由于放電線圈6為帶中心孔的餅 狀線圈，磁場(chǎng)在距離線圈表面IOmm高度的區(qū)域內(nèi)視為均勻磁場(chǎng)，次級(jí)線圈7假設(shè)為多個(gè)厚 度很薄的餅狀銅片的疊加；由于磁場(chǎng)分布均勻，薄銅板橫截面積相同，當(dāng)磁場(chǎng)變化時(shí)每一個(gè) 薄銅板上產(chǎn)生的電磁力應(yīng)力波相同，電磁力產(chǎn)生的應(yīng)力波等于每一個(gè)薄銅板上產(chǎn)生的應(yīng)力 波的線性疊加，因此在距離放電線圈表面IOmm高度的范圍內(nèi)磁場(chǎng)力應(yīng)力波的幅值與次級(jí) 線圈厚度成正比；在相同條件下，IOmm厚度次級(jí)線圈剛好實(shí)現(xiàn)電磁力應(yīng)力波幅值最大化； 步驟三、在電磁力應(yīng)力波發(fā)生器欠阻尼工作狀態(tài)下，放電電容11對(duì)放電線圈6放電，放 電線圈6產(chǎn)生強(qiáng)脈沖電流并激發(fā)變化的強(qiáng)磁場(chǎng)，次級(jí)線圈7感生出渦流，感生渦流磁場(chǎng)與放 電電流磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁斥力；電磁斥力在應(yīng)力波放大器8的作用下轉(zhuǎn)化為加載入射 波，其計(jì)算公式是：
式中，σ -入射波，K-設(shè)備常數(shù)，U-放電電壓，A-次級(jí)線圈面積，R-放電電阻，L-放電 電感，ω-放電電流振蕩圓頻率，t-放電時(shí)間；對(duì)于固定的電磁力應(yīng)力波發(fā)生器，設(shè)備常數(shù) K、放電電感L為固定值； 步驟四、電磁力應(yīng)力波發(fā)生器以RLC放電回路為基礎(chǔ)，入射波加載在放電電流第一個(gè) 半周期內(nèi)完成，欠阻尼狀態(tài)下根據(jù)RLC放電電流周期得入射波脈沖寬度計(jì)算公式：
式中，T-入射波脈沖寬度；對(duì)于一套特定的電磁力應(yīng)力波發(fā)生器，放電電感和放電電 阻固定不變； 步驟五、在霍普金森壓桿和拉桿實(shí)驗(yàn)中，材料測(cè)試環(huán)境要求加載不同的入射波；為了輸 出滿足實(shí)驗(yàn)特定要求的入射波； 步驟1，對(duì)于特定的電磁力應(yīng)力波發(fā)生器放電電感為固定值，對(duì)其放電電感L進(jìn)行測(cè) 量；為了保證在不同電容量的放電電容下，電磁力應(yīng)力波發(fā)生器均處于欠阻尼工作狀態(tài)，選 取實(shí)驗(yàn)中最大放電電容量，結(jié)合放電電感L，利用公式（1)計(jì)算出放電電阻9的最大值； 步驟2,將變壓器1接入380V交流電電源中，充電可控硅2與變壓器1的輸出端接通； 充電可控硅2、限流電阻3、濾波電感4、放電電容11和整流二極管12串聯(lián)為一個(gè)整體回路， 電壓表V并入電路中測(cè)量充電電壓；放電線圈6采用帶中心通孔的餅狀線圈，放電線圈6和 放電電阻9串聯(lián)后并聯(lián)在放電電容11上，同時(shí)通過(guò)放電可控硅5控制放電；為了防止放電 電容11在放電過(guò)程中反向充電，續(xù)流二極管10并聯(lián)在放電電容11上，提供續(xù)流功能；次級(jí) 線圈7通過(guò)螺栓連接固定到應(yīng)力波放大器8上，次級(jí)線圈7與放電線圈6貼合； 步驟3,觸發(fā)充電可控硅2, 380V交流電通過(guò)變壓器1升壓，充電可控硅2和整流二極管 12構(gòu)成晶閘管整流模塊對(duì)升壓后的交流電整流，整流電流流入放電電容11實(shí)現(xiàn)充電；在充 電過(guò)程中限流電阻3和濾波電感4對(duì)放電電容11提供充電保護(hù)；觸發(fā)放電可控硅5,放電 電容11對(duì)放電線圈6放電，次級(jí)線圈7產(chǎn)生電磁力，電磁力在應(yīng)力波放大器8的作用下轉(zhuǎn) 化為應(yīng)力波；對(duì)不同電壓下電磁力應(yīng)力波幅值和脈沖寬度進(jìn)行測(cè)量，利用公式（2)計(jì)算出 設(shè)備常數(shù)K ; 步驟4,電磁力應(yīng)力波加載設(shè)備放電電阻已知，放電電感L已知，將實(shí)驗(yàn)所需入射波脈 沖寬度代入公式（3)計(jì)算出放電電容量；將電容量與計(jì)算值相同的放電電容接入放電電 路，保證入射波脈沖寬度要求； 步驟5,如步驟3所述，此時(shí)設(shè)備常數(shù)K、放電電感L已知，將實(shí)驗(yàn)所需入射波幅值代入 公式（2)，計(jì)算出放電電壓；利用電磁鉚接控制系統(tǒng)將放電電容充電電壓設(shè)置為計(jì)算值，保 證入射波的幅值要求； 步驟6,觸發(fā)充電可控硅2, 380V交流電通過(guò)變壓器1升壓后對(duì)放電電容11充電；觸發(fā) 放電可控硅5,此時(shí)應(yīng)力波放大器8輸出的應(yīng)力波與實(shí)驗(yàn)要求的入射波一致。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁力霍普金森壓桿和拉桿實(shí)驗(yàn)加載裝置的入射波控制方 法，其特征在于：所述放電電阻9取值為0. 8倍的最大電阻值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁力霍普金森壓桿和拉桿實(shí)驗(yàn)加載裝置的入射波控制方 法，其特征在于：所述次級(jí)線圈7的厚度為10mm。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種電磁力霍普金森壓桿和拉桿實(shí)驗(yàn)加載裝置的入射波控制方法，用于解決現(xiàn)有基于電磁力的霍普金森壓桿和拉桿實(shí)驗(yàn)方法實(shí)用性差的技術(shù)問(wèn)題。技術(shù)方案是利用電磁力入射波與放電電壓、放電電感、放電電容、放電電阻以及次級(jí)線圈厚度的關(guān)系，進(jìn)行加載入射波幅值、脈沖寬度的精確控制，提高了入射波最大脈沖幅值和上升沿斜率。本發(fā)明方法通過(guò)減小放電電阻，保證電磁力應(yīng)力波發(fā)生器的欠阻尼工作狀態(tài)，提高了入射波最大幅值和上升沿斜率。采用餅狀放電線圈和10mm厚度次級(jí)線圈，進(jìn)一步提高入射波最大脈沖幅值，最大脈沖幅值可達(dá)325MPa，實(shí)現(xiàn)了入射波幅值10MPa～325MPa和入射波脈沖寬度100μs～500μs的精確控制。
【IPC分類】G05B19-042, G01N3-317
【公開(kāi)號(hào)】CN104678852
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510049642
【發(fā)明人】曹增強(qiáng), 左楊杰, 楊柳, 臧傳奇, 韓超眾, 王杰
【申請(qǐng)人】西北工業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年6月3日
【申請(qǐng)日】2015年1月30日