[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

说明书

本发明涉及一种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，建立一套使用精确电磁驱动双向同步滑动组装系统和高频电磁感应快速加热方式的高温Hopkinson压杆系统和高温压缩试验方法。本装置在常规Hopkinson压杆上加装一套电磁控制装置、一套电磁驱动双向同步组装装置和两个高精度延时装置，可以精确控制高温动态压缩试验中各个过程的，包括撞击过程、加热过程、加载杆同步组装过程的启动和完成时间，进而可以精确控制整个试验过程的冷热接触时间。控制部件集成化模块设计，提高测试精度，可以精确地直接测试材料在高温下的动态压缩力学性能。

技术领域

本发明属于基于分离式Hopkinson压杆(SHPB)技术，涉及一种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，利用双向电磁驱动实现同步组装的定量化高温高应变率压缩试验技术。

背景技术

分离式Hopkinson压杆(SHPB)作为目前测试材料和结构高应变率压缩力学性能的关键试验技术，在动态测试领域应用非常广泛。传统的SHPB设备常用于金属材料、复合材料、岩石混凝土、陶瓷等材料在常温下的动态力学性能测试。然而随着新材料的不断发展，越来越多的材料(尤其以金属材料和陶瓷材料为代表)广泛应用在高温、高应变率加载的极端环境下，对材料的高温动态性能提出了更高的要求。因此，急需发展一种Hopkinson杆在高温环境下的材料动态测试技术，以准确测定材料在高温环境下的动态力学性能。

当温度大于大约0.2Tm(熔点温度)时，金属材料的弹性模量随温度增加几乎直线下降。利用常规分离式Hopkinson压杆进行高温压缩试验时，试样被直接加持在入射杆和透射杆中间。在加热试样的同时，入射杆和透射杆的杆端也被加热，从而引起温度梯度分布。温度梯度的分布将引起弹性模量的梯度分布，严重影响应力波在入射杆和透射杆中的传播。同时，加载杆长期工作在高温环境下将严重影响加载杆的强度和使用寿命。因此，国内外众多学者针对常规Hopkinson压杆进行了高温试验下的改进研究。有学者提出一种组合式隔热陶瓷短杆高温SHPB实验技术，在试件端面和压杆之间各加一直径与压杆相同的长度为100mm的A95陶瓷短杆，通过套管进行装配，套管的内径和压杆相同，可在压杆上自由滑动。试样通过套管内的两个簧片支撑定位，试样上的温度通过直接贴在试样表面的热电偶进行测定。该技术可以避免了金属加载杆上的温度梯度，但是引入陶瓷杆造成波阻抗不匹配，影响应力波的传播。文献1：郭伟国,高温分离式Hopkinson压杆技术及其应用[J].实验力学,2006,21(4):447-453.提出了一种带有气压驱动同步组装机构的高温Hopkinson压杆试验方法，如图4所示。该装置包括炮管3、撞击杆4、聚四氟乙烯托弹器5、入射杆6、透射杆7、应变片8、阻尼器9、发射气室10、铝合金滑动支座33-1、铝合金固定支座33-2、铝合金平台34、热电偶丝35、辐射加热炉36、套管37、气动活塞杆38。利用热电偶丝35将试样固定于套管37上，置入辐射加热炉36内对试样进行局部加热，试样达到预定温度时，开启气炮，发射气室10的压力一方面推动撞击杆4运动去撞击入射杆6，另一方面通过同步组装系统推动透射杆7向试样方向运动。通过调整驱动气动活塞杆38的气压，可使加载应力波到达试样的同时，入射杆6、透射杆7和试样刚好紧密接触。该装置中，当试样温度约为900℃时，处在高温炉内的少许杆端温度常在300℃以下。文献2：Zhang C,Suo T,Tan W,et al.Anexperimental method for determination of dynamic mechanical behavior ofmaterials at high temperatures[J].International Journal of ImpactEngineering,2017,102:27-35.提出一种改进的气动驱动入射杆和透射杆同步运动的高温压缩试验方法，包括撞击杆4、入射杆6、透射杆7、发射气室10、气源11、试样25、气动活塞杆38、气阀39、MoSi₂高温炉40、闪光灯41、高速摄影机42、发射气阀43、气路控制器44。该装置利用两个活塞组成同步系统，发射气阀43同时控制发射气室和同步气室，用于同步组装和发射撞击杆。采用加热源为MoSi₂的超高温炉对试样加热，加热炉设有观察窗口和保护气通气孔，可通过通气孔将保护气通入高温炉中形成惰性气体环境，可通过观察窗口记录试样的超高温动态测试过程。