[发明专利]一种霍普金森杆电磁加载装置及实现方法

说明书

本发明公开了一种霍普金森杆电磁加载装置及实现方法，应力波加载装置采用一个电容器组为两个磁场线圈提供瞬时强电流，在两个线圈之间产生磁场，另一个电容器组为力负载提供瞬时电流，通有电流的力负载在磁场中受到电磁力的作用，通过改变第二电容器组的放电参数，可以改变流过力负载的电流，从而改变作用于霍普金森杆的应力大小和波形。本发明可以对霍普金森杆应力进行灵活调整，解决了复杂加载方式下的应力波产生问题。

技术领域

本发明属于材料力学性能测试技术领域，具体涉及一种霍普金森杆电磁加载装置及实现方法。

背景技术

霍普金森杆是一种广泛用于高应变率下材料力学性能测试的实验技术。这一技术最早由霍普金森(Hopkinson)于1914年提出，克劳斯盖(Kolsky)在1949年改进了这一技术，引入了两杆系统，这一方法在入射杆和透射杆之间放置一个薄的样品盘，随着撞击杆的冲击，在入射杆中产生压缩应力脉冲，该入射脉冲将加载样品盘，并产生反射和透射脉冲，目前该方法用于在高应变率下测量材料的机械特性。

目前，多数霍普金森装置仍然使用传统的气动加载方式。通常由气枪发射碰撞杆撞击入射杆。空气由高压容器供应，阀门用于控制点火压力。撞击杆与入射杆端部的碰撞会产生压缩应力波，该应力波会部分传播到位于入射杆和透射杆之间的整个样品中，导致样品变形。通过应变片对应力波的分析以及对入射和输出杆应变的测量，可以确定测试材料的应力-应变曲线。

该方法需要非常高的空气压力来达到高应变率，且由于每次发射时撞击杆在气枪中的安装位置不尽相同，撞击速度与气压的对应关系很难确定，因此无法准确地控制入射波的幅值，所以需要尝试多次实验才能得到所需的应变率，实验重复性差。其次，对于应变率跨度过大的实验，由于气枪气压的限制，需要更换撞击杆的长度来得到不同的应变率，应变率越高，所用撞击杆越短，实验中产生的应力波宽度越短，这就限制了实验所得到的应变范围，而且操作繁琐。更重要的是，由于撞击杆的发射速度有一个下限，一些更低的应变率在实际试验中无法用传统霍普金森压杆得到，比如10s-1的应变率。在实验过程中，由于空气瞬时膨胀产生的噪音也很大。

霍普金森压杆利用气枪推动碰撞杆与入射杆碰撞产生压缩应力波；对于霍普金森拉杆，空心圆管状的撞击管通过气枪高速发射，撞击杆撞击入射杆端的凸台，产生的压缩波向入射杆凸台端传播，并在自由端反射成拉伸波。传统的霍普金森压杆与拉杆由于压力与拉力的产生方式不同，实验装置的结构也不相同，难以在同一装置上同时实现霍普金森拉杆与压杆。

近年来，电磁驱动技术逐渐应用于霍普金森杆的应力加载。电磁能量脉冲转换为应力脉冲的方法已经研究了几十年，主要是在电磁铆接技术的发展中。这种技术使用与电容器组连接的铜线圈来形成放电电路和驱动板。利用电容器组放电，获得合适的快速放电电流。当它流过铜线圈时，线圈周围会产生一个强磁场，在驱动板中产生感应电流。因此，强磁场的作用会产生涡流磁场，并产生排斥力。该排斥力脉冲通过放大器传播，在入射杆中直接产生入射脉冲。利用电磁铆接技术加速碰撞杆相对于传统气动方式具有一定的优势，电磁斥力的大小受到电路结构参数的影响，通过改变电路参数，便可以调节应力波，提高了实验的重复性。此外，通过调节电路参数改变应力大小的方式可以实现传统霍普金森杆无法实现的低应变率加载。

目前，电磁铆接技术产生应力波主要是通过电磁斥力加速碰撞杆与入射杆发生碰撞，再次实验时需要对碰撞杆进行重新安装，操作繁琐，且霍普金森压杆与拉杆装置无法实现完全一体化，在切换压杆装置与拉杆装置时，需要重新组装装置。感应式霍普金森杆产生的应力波形受到初级线圈放电电流波形的影响，应力波形只能为正弦波，无法产生其他波形的应力波，存在复杂力学测试情况下应力波无法产生的问题。