電磁力霍普金森壓桿和拉桿實驗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 桿和拉桿實驗加載裝置的入射波控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 材料的力學(xué)性對于工程設(shè)計人員來說能至關(guān)重要，它是決定結(jié)構(gòu)設(shè)計和數(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)生加速脈沖對試樣進行加載，同時通過粘貼在入射桿、透射桿上的應(yīng)變片記錄脈沖 信號，利用脈沖信號推算出材料的力學(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，越來越多的材料被應(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，實驗重復(fù)性較差。同時，不同的應(yīng)變率需要使用不同長度的撞擊桿獲得，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，因此許多工程實踐中的低應(yīng)變率環(huán)境 不能通過傳統(tǒng)的霍普金森壓桿和拉桿實驗得到，例如IOs'對于高應(yīng)變率環(huán)境，要求撞擊 桿尺寸大且發(fā)射速度高，對于同一臺霍普金森壓桿和拉桿實驗裝置無法同時滿足應(yīng)變率跨 度過大的實驗。
[0004] 針對以上問題，文獻"申請公布號是CN103994922A的中國發(fā)明專利"公開了一種 基于電磁力的霍普金森壓桿和拉桿實驗方法，該方法以電磁鉚接技術(shù)為基礎(chǔ)，將霍普金森 壓桿和拉桿實驗設(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，操作簡便，大幅提高了霍普金森壓桿和拉桿實驗的可靠性和可 控性，拓展了霍普金森壓桿和拉桿實驗的應(yīng)變率變化范圍。但是該發(fā)明方法沒有給出具體 的入射波幅值、脈沖寬度控制關(guān)系，實驗中只能憑借經(jīng)驗通過調(diào)節(jié)放電電壓、放電電容對入 射波進行控制，費時費力，實驗所需入射波與實際加載入射波很難保持一致。此外，該發(fā)明 方法僅通過放電電壓、放電電容對入射波實施控制，難以實現(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。在實際中，霍普金森拉桿和壓桿實驗加載裝置 需要一種更好的加載入射波控制方法，以滿足材料對不同測試加載環(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驗方法實用性差的不足，本發(fā) 明提供一種電磁力霍普金森壓桿和拉桿實驗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 驗的入射波加載裝置，其中次級線圈厚度為1〇_。通過減小放電電阻，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，通過設(shè)置不同放電電壓實現(xiàn)入射波幅值精確控制，通過選用不同 電容量的放電電容實現(xiàn)入射波脈沖寬度精確控制。針對材料測試實驗中入射波的具體要 求，利用控制關(guān)系，計算出所需放電電壓和放電電容，保證了實驗要求入射波與實際加載入 射波的一致性。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種電磁力霍普金森壓桿和拉桿實 驗加載裝置的入射波控制方法，其特點是采用以下步驟：
[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】
1. 一種電磁力霍普金森壓桿和拉桿實驗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，次級線圈厚度IOmm;放電電 容11對放電線圈6放電，放電線圈6在軸向上產(chǎn)生強磁場，由于放電線圈6為帶中心孔的餅 狀線圈，磁場在距離線圈表面IOmm高度的區(qū)域內(nèi)視為均勻磁場，次級線圈7假設(shè)為多個厚 度很薄的餅狀銅片的疊加；由于磁場分布均勻，薄銅板橫截面積相同，當(dāng)磁場變化時每一個 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)磁場力應(yīng)力波的幅值與次級 線圈厚度成正比；在相同條件下，IOmm厚度次級線圈剛好實現(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對放電線圈6放電，放 電線圈6產(chǎn)生強脈沖電流并激發(fā)變化的強磁場，次級線圈7感生出渦流，感生渦流磁場與放 電電流磁場相互作用產(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-放電時間；對于固定的電磁力應(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 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算公式：
式中，T-入射波脈沖寬度；對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驗中，材料測試環(huán)境要求加載不同的入射波；為了輸 出滿足實驗特定要求的入射波； 步驟1，對于特定的電磁力應(yīng)力波發(fā)生器放電電感為固定值，對其放電電感L進行測 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 取實驗中最大放電電容量，結(jié)合放電電感L，利用公式（1)計算出放電電阻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)為一個整體回路， 電壓表V并入電路中測量充電電壓；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，同時通過放電可控硅5控制放電；為了防止放電 電容11在放電過程中反向充電，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 線圈7通過螺栓連接固定到應(yīng)力波放大器8上，次級線圈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升壓后的交流電整流，整流電流流入放電電容11實現(xiàn)充電；在充 電過程中限流電阻3和濾波電感4對放電電容11提供充電保護；觸發(fā)放電可控硅5,放電 電容11對放電線圈6放電，次級線圈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；對不同電壓下電磁力應(yīng)力波幅值和脈沖寬度進行測量，利用公式（2)計算出 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，將實驗所需入射波脈 沖寬度代入公式（3)計算出放電電容量；將電容量與計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，此時設(shè)備常數(shù)K、放電電感L已知，將實驗所需入射波幅值代入 公式（2)，計算出放電電壓；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交流電通過變壓器1升壓后對放電電容11充電；觸發(fā) 放電可控硅5,此時應(yīng)力波放大器8輸出的應(yīng)力波與實驗要求的入射波一致。
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驗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驗加載裝置的入射波控制方 法，其特征在于：所述次級線圈7的厚度為10mm。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電磁力霍普金森壓桿和拉桿實驗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驗方法實用性差的技術(shù)問題。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、放電電阻以及次級線圈厚度的關(guān)系，進行加載入射波幅值、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厚度次級線圈，進一步提高入射波最大脈沖幅值，最大脈沖幅值可達325MPa，實現(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
【公開號】CN104678852
【申請?zhí)枴緾N201510049642
【發(fā)明人】曹增強, 左楊杰, 楊柳, 臧傳奇, 韓超眾, 王杰
【申請人】西北工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年1月30日