[发明专利]一种电磁式霍普金森扭杆加载装置

说明书

技术领域

本发明涉及材料的动态扭转力学性能测试的加载装置及实验方法，具体说是一种电磁式霍普金森扭杆加载装置及试验方法，所述装置可以作为分离式霍普金森扭杆实验的加载装置。

背景技术

虽然霍普金森拉伸、压缩设备已广泛用于测量高应变率下材料压缩、拉伸时的力学性质。但是压杆和拉杆都是采用轴向加载方法，压缩和拉伸纵波在传播时，波导杆伴有镜像变形，产生横向惯性效应，产生波的弥散和试样端面的摩擦，影响精度；而扭转霍普金森实验设备无三维问题，无横向惯性影响，不存在试样端面的摩擦效应。因此扭转霍普金森实验越来越受重视。

扭转霍普金森设备的加载方式有：1.存储应变能突然释放方式；2.气动加载方式；3.爆炸加载方式。贝克(Baker)等人在Journal of Applied Mechanics的1996年第33期中发表的Strain-rate effects in the propagation of torsion plastic waves一文中提出的扭转霍普金森设备，其夹钳机构由滑块组成，气枪子弹打击滑块时，夹钳放松，产生的扭矩脉冲前沿升时和应变率分别为30us和10³s^-1；坎贝尔(Campbell)等人在Journal of Applied Mechanics的1971年37期中发表的On the use of a torsional split Hopkinson bar to study rate effects in 1100-0 aluminum一文中提出的扭转霍普金森设备，夹钳结构由两个半圆桥瓦和钢丝组成，钢丝拉断时，夹钳放松，其前沿升时和应变率分别为50us和10²s^-1。此外，还有一些学者尝试使用爆炸方式和气动加载方式进行扭转加载。目前，在扭转霍普金森杆实验技术方面，最成熟的技术还是储能式加载方式，这种加载方式的缺点在于扭转应力波的产生时间无法有效控制，并且所产生的扭转波长受入射杆的长度限制。

传统的霍普金森扭杆加载方式都是机械加载，扭转波的产生时间很难控制。在材料的动态力学性能测试中，有时需要测试材料在扭转和拉伸或者扭转和压缩的复合加载下的力学性能。这两种复合加载方式要求扭转波和拉伸波或者扭转波和压缩波同时到达试样的端面，这要求能够严格控制扭转波和拉伸波或者扭转波和压缩波的开始传播时间。而传统的霍普金森杆的机械加载方式是无法严格控制应力波的产生和传播时间的。由于这个原因，复合加载的霍普金森杆系统一直很难研制出来。

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，并申请了电磁铆接装置的专利(美国专利：3961739,1974年5月7日)。后来美国研制成功低压电磁铆接(欧洲专利：0293257,1988年5月27日)，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。如果将电磁铆枪的原理应用到分离式霍普金森压杆中代替传统分离式霍普金森压杆中的气枪和撞击杆，通过电磁斥力产生直接产生应力波，将会使分离式霍普金森压杆实验技术的规范化成为可能。并且可以以足够长的应力脉冲对试样进行低应变率加载，实现一些传统霍普金森杆无法实现的低应变率。2014年西北工业大学在专利号为ZL 2014 2 0198611.7的实用新型专利中提出了一种基于电磁力加载的分离式霍普金森压杆装置，在申请号为201410161610.X的发明专利中提出了一种改进的基于电磁力加载的分离式霍普金森压杆装置。西北工业大学在申请号分别为201410173843.1和201410171963.8的发明创造中提出了两种基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器及实验方法，所述实验装置通过将电磁铆枪装置直接应用于霍普金森压杆实验装置从而实现对试样的动态压缩加载，并且应力波产生的时间可以精确控制。但是对于霍普金森扭转装置，尚没有一种能够控制产生应力波的霍普金森扭转装置。

发明内容