[发明专利]一种产生大位移的电磁加载装置及其试验方法

说明书

一种产生大位移的电磁加载装置及其试验方法，主动线圈与滑套套装在中心杆上，并使滑套的内圆周表面与该中心杆的外圆周表面之间滑动配合。次级线圈套装在滑套上，并使该次级线圈与滑套之间干涉配合。在主动线圈和次级线圈外部设计有软磁材料制成的磁轭，约束主动线圈和次级线圈在受脉冲激励下产生脉冲磁场的磁力线向外发散，使磁力线集中在线圈周围，从而实现在不增加主动线圈充放电电路的电容大小和电容初始电压的情况下增大电磁力。经数值模拟，在限定了最大电压和电容的情况下，加载装置的主要受力部件在加载过程中始终处在所述次级线圈、加载杆和垫块的弹性阶段，因此整个加载装置都能够重复使用，试验的重复性好。

技术领域

本发明涉及动态加载领域，具体是一种基于电磁力产生大位移的动态加载试验装置及试验方法。

背景技术

常用产生大位移加载的加载方式主要有电机和液压加载、空气炮加载、爆炸驱动加载等。但是这些方法都有其局限性，电机和液压驱动方式是通过电动机或液压装置带动加载装置对试件进行加载，但这种方式在加载速度上存在局限性，不能在微秒毫秒量级的时间内实现一个几十毫米的大位移加载。空气炮加载是通过高压气体的瞬间释放，推动发射管内子弹运动，利用子弹撞击进行加载；爆炸驱动加载是通过炸药爆炸产生冲击载荷对试件进行加载。这两种加载方式虽然能实现微秒毫秒时间内的大位移加载，但随着位移的增大，加载时间也会随之减小。并且空气炮加载、爆炸驱动加载这类加载方式，其装置、试验程序复杂；受加载方式的影响，试验结果的重复性很差。

常用的电磁加载方式能够完成在极短时间内的加载，并且整体装置简单，试验结果的重复性很好。在201410171963.8的中国专利中公开了一种“基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器及试验方法”，该装置基于霍普金森杆原理可以实现微秒量级的加载，但其所产生的位移量很小，仅有1～2mm。2015年哈尔滨工业大学的汝楠在其学位论文《强脉冲电磁力驱动的冲击载荷研究》中提出了一种强脉冲电磁力驱动装置，其驱动原理与上述西北工业大学发明的专利类似，利用主动线圈和次级线圈之间的强电磁力推动冲头对试件加载，理论上能够实现1ms内30mm的位移加载；但其机械结构复杂，内部螺栓、弹簧等连接件在加载过程中容易损坏，使装置的使用寿命受到限制；另外，受限于其装置的限位结构，实际最大位移仅有16mm。

发明内容

为解决现有大位移加载装置在极短时间内的位移小、加载过程难以控制、试验重复性差、试验系统复杂等问题，本发明提出了一种产生大位移的电磁加载装置及其试验方法。

本发明提出的产生大位移的电磁加载装置包括磁轭、主动线圈、次级线圈、加载杆和滑套。所述磁轭的内端面有环形凹槽；在该凹槽的中心有轴向的安装杆。主动线圈位于该凹槽内并套装在磁轭内的中心杆上，并使该主动线圈的内端面与该凹槽的槽底内表面贴合。在该中心杆上套装有滑套，并使该滑套的端面与所述主动线圈的外端面贴合；该滑套的内圆周表面与该中心杆的外圆周表面之间滑动配合。所述次级线圈套装在该滑套的外圆周表面，并使该次级线圈与滑套之间干涉配合。所述垫块套装在所述中心杆上并粘接在所述次级线圈的端面；该垫块的内圆周表面与该中心杆外圆周表面之间有间隙。所述加载杆的一端装入该凹槽内，并使该加载杆的端面与垫块的端面贴合；该加载杆的另一端与试件贴合。所述磁轭、主动线圈、次级线圈、垫块、加载杆和滑套均同轴。

所述主动线圈的内圆周表面与该中心杆的外圆周表面之间有5mm的间隙。所述主动线圈的外圆周表面和次级线圈的外圆周表面均与该磁轭的内表面之间有5mm的间隙。

所述磁轭由缸体和中心杆组成；该中心杆位于该磁轭内中心。所述缸体的外径为230～300mm，内径为180～250mm。所述中心杆的直径为50mm。在该磁轭内端面有凹槽，该凹槽的外径为180～250mm，内径50mm。

所述主动线圈是由厚2～5mm、宽10～50mm的铜带绕制8～24匝而形成的平板圆环线圈。该主动线圈的外径为170～240mm。

所述次级线圈外径与所述主动线圈的外径相同，内径与滑套的外径相同；所述次级线圈的轴向长度为主动线圈的1.5倍。