[发明专利]利用双向电磁驱动同步组装的高温Hopkinson压杆试验系统及方法

权利要求书

1.一种利用双向电动驱动同步组装的高温Hopkinson压杆试验系统，其特征在于包括电磁控制阀(2)、炮管(3)、撞击杆(4)、聚四氟乙烯托弹器(5)、入射杆(6)、透射杆(7)和黏贴的入射杆(6)、透射杆(7)上的应变片(8)；阻尼器(9)、发射气室(10)、气源(11)、步进电机(15)、正向螺杆(16)、反向螺杆(17)、驱动臂(18)、滑动套管(20)、感应加热线圈(21)、电磁感应加热机(22)、聚四氟乙烯卡箍(24)、支座(33)和平台(34)；沿X主轴方向，电磁控制阀(2)、炮管(3)、入射杆(6)、透射杆(7)和阻尼器(9)通过支座(33)固定于平台(34)上，且各部件的轴心一致；其中，多个支座(33-2)与电磁控制阀(2)、炮管(3)和阻尼器(9)为固定连接，多个支座(33-1)与入射杆(6)和透射杆(7)为滑动连接；电磁控制阀(2)与炮管(3)和发射气室(10)连接，撞击杆(4)外部设有两个聚四氟乙烯托弹器(5)，置于炮管(3)内，与炮管(3)形成滑动连接；入射杆(6)与透射杆(7)之间的端口上各设有一滑动套管(20)，两个滑动套管(20)之间为试样(25)，试样(25)上与高频电磁感应加热机(22)连接的环绕感应加热线圈(21)；双向同步驱动组装系统位于入射杆(6)和透射杆(7)的一侧，步进电机(15)连接正向螺杆(16)和反向螺杆(17)同步旋转，两根高强度驱动臂(18)一端的内螺纹，分别与正向螺杆(16)、反向螺杆(17)螺纹配合，另一端分别套在入射杆(6)和透射杆(7)上，通过推动固定在入射杆(6)和透射杆(7)上的聚四氟乙烯卡箍(24)，从而推动入射杆(6)和透射杆(7)做同步相对运动和相离运动；

在电磁控制阀(2)上设有压力传感器(1)，输出信号连接数显压力表(32)。

2.根据权利要求1所述利用双向电动驱动同步组装的高温Hopkinson压杆试验系统，其特征在于：在试样(25)上捆绑热电偶丝(35)，与温度传感器(23)连接，温度传感器(23)输出信号连接温控仪(28)。

3.根据权利要求1所述利用双向电动驱动同步组装的高温Hopkinson压杆试验系统，其特征在于：在发射气室(10)上设有减压电磁阀(27)和增压电磁阀(26)，分别与减压开关(29)增压开关(30)连接和控制。

4.根据权利要求1或2所述利用双向电动驱动同步组装的高温Hopkinson压杆试验系统，其特征在于：在电磁控制阀(2)连接高精度发射延时器(12)；在步进电机(15)上设有可编程控制器(14)，并受同步延时器(13)控制；由温控仪(28)连接控制电磁感应加热机(22)，启动感应加热线圈(21)对试样(25)加热，同时连接控制发射延时器(12)和同步延时器(13)，选择合适的延迟时间，实施加热、同步推送和启动发射之间的自动配合。

5.一种利用权利要求1～4所述任一项利用双向电动驱动同步组装的高温Hopkinson压杆试验系统的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将试样(25)用热电偶丝(35)捆绑与滑动套管(20)的中心区域，滑动套管(20)两端分别套在入射杆(6)和透射杆(7)上，保证试样(25)距离入射杆(6)的加载端面和透射杆(7)的加载端面；调整高频感应加热机(22)和感应加热线圈(21)的位置，使得试样(25)完全处于感应加热线圈(21)的中心位置；

步骤2：根据试验要求的应变率和撞击速度，调节控制台(19)的增压开关和减压开关，使发射气室(10)的内部压力保持在预定发射压力P；设置控制台(19)的温控仪(28)为预定加热温度和保温时间；设定发射延时器(12)的延时时间为T₁，同步延时器(13)的延时时间为T₂；

步骤3：点击控制台(19)的启动开关(31)，启动高频感应加热机(22)，对试样(25)开始加热，当试样(25)到达预定试验温度，触发控制台(19)的温控仪(28)工作，开始保温过程；保温时间到达后，温控仪(28)释放触发信号，同时触发发射延时器(12)和同步延时器(13)开始延时过程；

发射延时器(12)经历延时时间T₁后，触发电磁控制阀(2)开启，发射气室(10)内的气室瞬间释放，推动撞击杆(4)在炮管(3)内高速运动，在炮管(3)出口处撞击入射杆(6)的撞击端，产生压缩应力波以弹性波速C₀沿入射杆(6)向加载端传递；

在发射过程进行的同时，同步延时器(13)在到达延时时间T₂之后触发可编程控制器(14)运行预先设置好的程序，控制步进电机(15)带动正向螺杆(16)和反向螺杆(17)以预定转速和预定行程转动，从而带动两根驱动臂(18)做同步等速相向运动，拖动入射杆(6)和透射杆(7)同时同步向试样(25)运动，夹紧试样；试样(25)被夹紧在入射杆(6)和透射杆(7)的加载端面中心位置，整个过程试样(25)始终位于感应加热线圈(21)的加热区域内，而入射杆(6)和透射杆(7)保持在加热区域之外，通过精确控制T₁和T₂，使得在试样(25)被夹紧的同时，压缩应力波刚好传递至试样(25)处，对试样(25)进行动态加载；

加载完毕后，可编程控制器(14)继续运行预定程序，控制步进电机(15)反向转动，驱动两根驱动臂(18)拖动入射杆(6)和透射杆(7)做同步相离运动，同时触发控制台(19)的温控仪(28)关闭加热功能，保证入射杆(6)和透射杆(7)不被感应加热线圈(21)加热，始终处于室温；

步骤4：撞击产生的压缩应力波由粘贴在入射杆(6)上的应变片(8)采集记录为入射波，压缩应力波传递至试样(25)与入射杆(6)的接触界面，部分应力波反射回来被入射杆(6)上的应变计(8)再次记录下来作为反射波，部分应力波进入试样(25)后进入透射杆(7)，由透射杆(7)上应变计(8)记录为透射波；根据一维应力波理论可以获得材料在高温动态压缩载荷下的应力应变曲线,数据处理的相关公式如下：

其中C为弹性波波速，L为试样的长度，E为加载杆的弹性模量，A为加载杆的横截面积，A_s为试样的横截面积。