[发明专利]一种基于电磁霍普金森杆的脆性材料动态压缩实验方法

说明书

一种基于电磁霍普金森杆的脆性材料动态压缩实验方法，采用电磁分离式霍普金森压杆，通过电容对主动线圈放电。放电过程在主动线圈周围产生变化磁场，所述变化磁场将使与主动线圈接触的次级线圈内产生感应涡流，所述感应涡流会在次级线圈周围引起与主动线圈磁场方向相反的磁场，该磁场会使主动线圈和次级线圈之间产生瞬间强斥力，所述强斥力以应力波的形式在次级线圈内传播，并通过次级线圈与入射杆端面的接触传入入射杆，形成入射波。该入射波形为半正弦形，对于玻璃这类的脆性材料来说，半正弦形的入射波能在不进行脉冲整形的情况下实现对试样的应力平衡和恒应变率加载，为脆性材料的动态力学性能测试提供了一种简便、易操作的实验方法。

技术领域

本发明涉及材料动力学实验领域，具体是一种用于测试脆性材料动态压缩力学性能的基于电磁力加载的分离式霍普金森压杆实验方法。

背景技术

目前，测试脆性材料在高应变率范围内的动态压缩力学性能时，使用最广泛的实验装置是传统的分离式霍普金森压杆(SHPB)。文献(Chen W N,Song B.Split Hopkinson(Kolsky)bar:design,testing and applications[M].Springer Science and BusinessMedia,2010)指出SHPB装置主要由气炮、子弹、入射杆、透射杆和数据采集系统组成，待测试样被夹在入射杆和透射杆的端面之间。当进行SHPB实验时，气炮发射子弹撞击入射杆，进而在入射杆中产生一个弹性应力波，所述应力波沿着入射杆向试样传播，当它到达入射杆与试样的接触面时，由于入射杆和试样之间的广义波阻抗(质量密度、纵向弹性波速与横截面积的乘积)不相同，应力波的一部分将反射回入射杆，另一部分则透射进入透射杆。

事实上，利用SHPB装置进行脆性材料的动态力学性能测试存在诸多难点，其中最典型的问题是应力平衡和恒应变率加载问题，这两个问题是验证测试数据是否有效的决定性条件。对于传统的SHPB实验，子弹撞击入射杆而产生的弹性应力波为上升时间只有几微秒的矩形波，若直接使用该矩形波对脆性试样进行加载，试样内部的应力水平和变形速度将会快速达到峰值，对于破坏应变仅有1～2％的脆性材料来说，试样将会在实现应力平衡和恒应变率变形之前就发生破坏。因此文献(Frew D J,Forrestal M J,Chen W.Pulseshaping techniques for testing brittle materials with a split Hopkinsonpressure bar[J].Experimental Mechanics,2002,42:93-106)指出在脆性材料的SHPB实验中，必须采用脉冲整形技术以延长应力波的上升时间，这样可以减缓试样中的变形速度，使试样在破坏前能够实现应力平衡和恒应变率变形，但应用脉冲整形技术需要不断地进行尝试或事先进行复杂的数值计算才能确定合适的整形方案，并没有固定的标准或方法，且测试不同材料需用不同的整形技术，这给SHPB实验带来了很大的复杂性。

为了能够使脆性试样在破坏前实现应力平衡和恒应变率变形，且避免使用复杂的脉冲整形技术，本发明将提出一种用于测试脆性材料动态压缩力学性能的全新实验方法——电磁分离式霍普金森压杆(electromagnetic split Hopkinson pressure bar,ESHPB)实验方法。本发明采用的电磁分离式霍普金森压杆是现有装置，文献(Nie H L,SuoT,Wu B B,et al.A versatile split Hopkinson pressure bar using electromagneticloading[J].International Journal of Impact Engineering,2018,116:94-104)指出ESHPB的基本结构与原理和传统的SHPB装置类似，唯一的区别就是用电磁应力波发生器取代了传统SHPB的气炮装置，也就是说ESHPB装置的应力波是通过电磁能量转换技术产生的。基于ESHPB装置电路的特点，通过这种技术产生的应力波波形是半正弦形的，这种形状的应力波对于脆性材料的动态压缩实验是非常有利的。

发明内容