[发明专利]电磁式应力波发生器的主线圈及充电/放电的方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料的动态力学性能测试的应力波发生装置的一个部件结构及实验方法，具体说是一种电磁式应力波发生器的主线圈结构及实验方法。

背景技术

目前，在材料科学领域中测量材料在高应变率下的力学性能时使用最广泛的就是分离式霍普金森压杆技术和拉杆技术。这一方法的基本原理是：将短试样置于两根拉杆或压杆之间，通过某种方式对入射杆输入拉伸应力波或者压缩应力波，对试样进行加载。同时利用粘在拉杆或压杆上并距杆端部一定距离的应变片来记录脉冲信号。如果拉杆或压杆保持弹性状态，那么杆中的脉冲将以弹性波速无失真地传播。这样粘贴在拉杆或压杆上的应变片就能够测量到作用于杆端的载荷随时间的变化历程。

对于霍普金森压杆，产生入射波的普遍方式是通过气枪将撞击杆高速发射，与入射杆同轴撞击产生入射脉冲。这种方法的缺点在于：由于每次发射时撞击杆在气枪中的安装位置不尽相同，且撞击速度与气压的对应关系很难确定，因此无法准确地控制入射波的幅值，所以需要尝试多次实验才能得到所需的应变率。其次，对于应变率跨度过大的实验，由于气枪气压的限制，需要更换撞击杆的长度来得到不同的应变率，应变率越高，所用撞击杆越短，实验中产生的应力波宽度越短，这就限制了实验所得到的应变范围，而且操作繁琐。更重要的是，由于撞击杆的发射速度有一个下限，一些更低的应变率在实际试验中无法用传统霍普金森压杆得到，比如10s^-1的应变率。由于不同的实验系统参数也不同，使得分离式霍普金森压杆实验技术的规范化一直是一个国际性的难题。

对于霍普金森拉杆，目前所采用的普遍加载技术是：将拉杆的撞击杆做成空心圆管，通过气枪将撞击管高速发射，当它运动到达入射杆端时，撞击管与入射杆端的凸台碰撞产生一列压缩波向入射杆凸台端传播，并在自由端反射成拉伸波，该拉伸波通过入射杆对试样进行加载。但是这种设计方法有很多的缺点：1，由于撞击杆是从入射杆一端发射到另一端，所以在入射杆上的凸台到气枪的那一段，入射杆处于无支撑的自由状态这使得入射杆容易弯曲；2，这种设计限制了撞击筒的长度在500mm左右，所以产生的入射波长度为0.2ms左右，但是对于延展性材料和低应变率实验，需要更长的入射波；3，撞击筒的更换很不方便；4，由于撞击筒的筒壁厚度限制，需要很高的气压来加速撞击筒。也有很多学者提出了不同的设计思路：1，在撞击筒的一端加一个凸台来提高撞击筒的发射速度，但是这种方式产生的波形受凸台影响而不再正规；2，使用空的入射杆，撞击杆从入射杆里面穿过，这种方式使得波形整形变得困难。

由于撞击杆的形状不同，气枪的位置不同，传统的霍普金森压杆和拉杆的加载系统无法在同一装置上实现。

20世纪60年代美国波音公司为解决普通铆接存在的问题，由Huber A Schmitt等人率先开始研究电磁铆接技术，并于1968年申请了强冲击电磁铆接装置的专利。1986年Zieve Peter研制成功低压电磁铆接，解决了高压铆接在铆接质量及推广应用方面存在的问题，从而使电磁铆接技术得到较快发展。电磁铆接技术已在波音、空客系列飞机制造中得到应用。如今，低压电磁铆接技术已经发展成熟，铆接力的大小和持续时间可以得到比较精确的控制。电磁铆枪的技术原理是：在放电线圈和工件之间增加了一个线圈和应力波放大器。放电开关闭合的瞬间，主线圈中通过快速变化的冲击电流，在线圈周围产生强磁场。与主线圈耦合的次级线圈在强磁场作用下产生感应电流，进而产生涡流磁场，两磁场相互作用产生涡流斥力，并通过放大器传至铆钉，使铆钉成形。涡流力的频率极高，在放大器和铆钉中以应力波的形式传播，故电磁铆接也称应力波铆接。西北工业大学在申请号为201410161610.X的发明专利中提出一种将电磁铆枪与霍普金森压杆结合起来进行材料试验的装置及试验方法，在申请号为201410173843.1和201410171963.8的专利中，提出了两种产生拉伸和压缩应力波的装置及实验方法，所述三个发明创造成功解决了霍普金森杆实验技术的规范问题以及拉压装置一体化的问题。