用于霍普金森拉伸测试的应变调控装置及其使用方法

技术领域

本发明属于材料拉伸试验设备技术领域，尤其涉及一种用于霍普金森拉伸测试的应变调控装置及其使用方法。

背景技术

材料的动态力学行为研究对航天航空装备、军事工程设计与安全防护等诸多领域有着重要的意义。由于高速冲击导致的极端高压、高应变率条件导致金属材料内部典型微结构主导塑性松弛的机理与静载不尽相同，宏观上表现为材料的塑性变形、绝热剪切断裂及与此过程相关的物理和力学性能相比于常态下的显著变化，给获得材料在冲击波加载下的状态方程、冲击强度等动力学参数带来了挑战。目前，研究学者一般采用霍普金森拉杆装置来获取材料不同加载应变率下的动态力学性能。为了揭示试样高应变率加载下的材料的力学响应特点及其变形机理，需要获取试样高速拉伸条件下不同应变阶段时的宏观形貌及微观结构。因此实现霍普金森拉杆装置高速拉伸过程中试样应变精确调控对材料动态力学行为研究具有重要意义。

在高速加载条件下试样和入射杆具有极大的动量和惯性，实现其在预设的目标应变位置突然停止存在较大的技术挑战。目前已有的单向限位装置只适用于加载应变率小于2000s

发明内容

本发明的目的是提供一种用于霍普金森拉伸测试的应变调控装置及其使用方法，旨在解决现有技术中霍普金森拉伸装置在高于2000s

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种用于霍普金森拉伸测试的应变调控装置，包括待测试样及其两端的紧固件一和紧固件二，所述紧固件一与霍普金森透射杆相连，所述紧固件二与霍普金森入射杆相连，所述待测试样、紧固件一及紧固件二均设置于防护套筒内，所述霍普金森透射杆及霍普金森入射杆分别贯穿防护套筒两端与拉伸试验设备相连，用于实现不同应变量的调控；所述紧固件二上设有能够与防护套筒内壁上止动槽配合的止动组件。

优选的，所述防护套筒的外部及内腔均为圆柱状，所述防护套筒为分体式结构；所述防护套筒包括上半筒体和下半筒体，所述上半筒体与下半筒体的水平配合面通过定位销连接固定。

优选的，所述紧固件一为多棱柱体，所述紧固件一与霍普金森透射杆螺纹连接，所述紧固件一的底部四周带有与防护套筒内腔左端定位槽配合的限位凸台。

优选的，所述紧固件一的右端为六棱柱，所述六棱柱与限位凸台之间设有圆柱体底座，所述限位台为左大右小的圆锥台。

优选的，所述止动组件设置于紧固件二的右端，所述止动组件包括多个止动爪和蓄能元件，所述止动爪通过蓄能元件与紧固件二相连，多个止动爪间隔设置于紧固件二的右端；所述防护套筒的内腔右端设有与止动爪相配合的止动槽。

优选的，多个止动爪及蓄能元件径向均布于紧固件二右端，所述止动爪能够卡于止动槽内。

优选的，所述蓄能元件为蓄力弹簧，所述止动爪及蓄力弹簧均为四个，所述紧固件二的右端面上设有四个安装槽，所述蓄力弹簧矩形设置于安装槽内，所述蓄力弹簧的一端与安装槽相连、另一端与止动爪相连；所述止动爪的外侧面为斜面、且斜面的末端设有凸舌，所述凸舌能够与防护套筒内壁上的止动槽配合。

优选的，所述安装槽为设置于紧固件二右端面四周的矩形豁口，所述安装槽的两侧对称设有导向块，所述止动爪的两侧对应设有与导向块配合的导向槽

优选的，所述紧固件二为台阶式结构，所述紧固件二由左至右依次为圆柱段、六棱柱段、支撑圆柱台及支撑圆锥台，所述安装槽设置于支撑圆锥台的右端面四周边缘，所述紧固件二与霍普金森入射杆螺纹连接。

本发明还提供一种用于霍普金森拉伸测试的应变调控装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）组装如权利要求上所述用于霍普金森拉伸测试的应变调控装置：待测试样两端分别通过紧固件一及紧固件二与霍普金森透射杆及霍普金森入射杆相连，控制轴向拉伸应变量使蓄力弹簧处于压缩状态、止动爪紧贴防护套筒的内壁，并安装于防护套筒内；

（2）将防护套筒固定在实验台上准备进行实验；

（3）拉伸操作：对霍普金森入射杆施加拉力，当紧固件二的端面与防护套筒内壁贴合的一瞬间，蓄力弹簧将止动爪弹开，止动爪卡进套筒内的止动槽中；

（4）拉伸完成后，进行装置拆卸及取样。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于： 与现有技术相比，本发明中待测试样的两端分别通过紧固件一及紧固件二与霍普金森透射杆及霍普金森入射杆相连，通过改变紧固件一和紧固件二的间距来实现不同应变的调整；在高速加载过程中，紧固件二上的止动组件能够进入防护套筒内壁的止动槽内，进而阻止霍普金森入射杆反弹。本发明同时具有应变调控和反向止动能力，提高了霍普金森拉杆高速拉伸试验过程中的可靠性和精确性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例提供的一种用于霍普金森拉伸测试的应变调控装置的结构示意图；

图2是图1中用于霍普金森拉伸测试的应变调控装置的外形图；

图3是图1中用于霍普金森拉伸测试的应变调控装置去掉防护套筒的结构示意图；

图4是图1中待测试样受拉后紧固件二与防护套筒内壁贴合的状态图；

图5是图4中A处的局部放大图；

图6是图1中紧固件二的外形图；

图7是图6中B处的局部放大图；

图8是图6中紧固件二安装止动爪的状态图；

图9是图8中C处的局部放大图；

图10图8中蓄力弹簧和止动爪的连接示意图；

图11是图2中上半筒体的外形图；

图中：1-霍普金森透射杆，2-紧固件一，3-试样，4-防护套筒，5-蓄力弹簧，6-紧固件二，7-止动爪，70-凸舌；8-霍普金森入射杆，9-止动槽， 10-限位凸台，11-限位台，12-安装槽，13-导向块，14-导向槽；15-定位销；21-六棱柱，22-底座；41-上半筒体，42-下半筒体；61-圆柱段，62-六棱柱段，63-支撑圆柱台，64-支撑圆锥台。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1-3，本发明实施例提供的一种用于霍普金森拉伸测试的应变调控装置包括待测试样3及其两端的紧固件一2和紧固件二6，所述紧固件一2与霍普金森透射杆1相连，所述紧固件二6与霍普金森入射杆8相连，所述待测试样3、紧固件一2及紧固件二6均设置于防护套筒4内，所述霍普金森透射杆1及霍普金森入射杆8分别贯穿防护套筒4两端与拉伸试验设备相连，用于实现不同应变量的调控；所述紧固件二6上设有能够与防护套筒4内壁上止动槽9配合的止动组件。通过改变紧固件一2与紧固件二6的间距实现不同应变的调整，在高速加载过程中紧固件二6端面与防护套筒4内侧面相撞时试样3拉伸变形停止，同时位于紧固件二6上的止动组件能够进入防护套筒4的止动槽9内进而阻止霍普金森入射杆8反弹。该方案同时具有应变调控和反向止动能力，提高了霍普金森拉杆高速拉伸试验过程中的可靠性和精确性。

作为一种优选结构，如图2、11所示，所述防护套筒4的外部及内腔均为圆柱状，所述防护套筒4为分体式结构；所述防护套筒4包括上半筒体41和下半筒体42，所述上半筒体41与下半筒体42的水平配合面通过定位销15连接固定。采用定位销可对上半筒体与下半筒体精确定位，在轴向对防护套筒起到限位作用。

具体设计时，如图3所示，所述紧固件一2为多棱柱体，所述紧固件一2与霍普金森透射杆1螺纹连接，所述紧固件一2的底部四周带有与防护套筒4内腔左端定位槽配合的限位凸台10。在一个具体实施例中，如图3所示，所述紧固件一2的右端为六棱柱21，所述六棱柱21与限位凸台11之间设有圆柱体底座22，所述限位台11为左大右小的圆锥台。采用六棱柱方便与常规扳手配合，便于将紧固件一与霍普金森透射杆连接在一起。

在本发明的一个具体实施例中，如图1-5、8-10所示，所述止动组件设置于紧固件二6的右端，所述止动组件包括多个止动爪7和蓄能元件，所述止动爪7通过蓄能元件与紧固件二6相连，多个止动爪7间隔设置于紧固件二6的右端；所述防护套筒4的内腔右端设有与止动爪7相配合的止动槽9。其中，多个止动爪7及蓄能元件径向均布于紧固件二6右端，所述止动爪7能够卡于止动槽9内。具体地，所述蓄能元件为蓄力弹簧5，所述止动爪7及蓄力弹簧5均为四个，所述紧固件二6的右端面上设有四个安装槽12，所述蓄力弹簧5矩形设置于安装槽12内，所述蓄力弹簧5的一端与安装槽12相连、另一端与止动爪7相连；所述止动爪7的外侧面为斜面、且斜面的末端设有凸舌70，所述凸舌70能够与防护套筒4内壁上的止动槽9配合。当霍普金森入射杆被施加拉力使得紧固件二端面紧贴防护套筒内壁时，一瞬间蓄力弹簧将止动爪弹出，止动爪卡进防护套筒内的止动槽中，从而避免反弹，提高了试验安全系数。

作为一种优选方案，如图6、7所示，所述安装槽12为设置于紧固件二6右端面四周的矩形豁口，所述安装槽12的两侧对称设有导向块13，所述止动爪7的两侧对应设有与导向块13配合的导向槽14。采用导向块可对止动爪起到导向这样，避免在试验过程中止动爪从安装槽脱离。

具体制作时，如图1、3所示，所述紧固件二6为台阶式结构，所述紧固件二6由左至右依次为圆柱段61、六棱柱段62、支撑圆柱台63及支撑圆锥台64，所述安装槽12设置于支撑圆锥台64的右端面四周边缘，所述紧固件二6与霍普金森入射杆8螺纹连接。

在本发明的一个具体实施例中，各零部件的具体尺寸如下：待测试样3采用圆柱拉伸试样，试样总长度30mm，试样标距6mm,两个夹持端螺纹M10*12；霍普金森透射杆1与霍普金森入射杆8直径为14mm，两杆件分别加工有外螺纹M14*20及内螺纹M10*12。

紧固件一2的总厚度为15mm,内设与霍普金森透射杆1配套的M14内螺纹，工具夹持段长度7mm，六棱柱21左侧端面底座22凸出部分限位凸台10为上底0.8mm,下底2mm，高2.5mm的梯形结构。

紧固件二6总厚度为15mm,内设与霍普金森入射杆8配套的M14内螺纹，工具夹持段长度7mm，六棱柱段62右端面凸出部分支撑圆锥台64是上底1mm、下底5mm、高1.5mm的梯形结构，支撑圆锥台64右端面设有四个安装槽12：长5.4mm，宽4mm，深1.88mm；安装槽12内两侧有凸起的导向块13：长2.2mm，宽1mm，高0.4mm,距离底面0.5mm,距离内侧面2.5mm；宽3.9mm、厚1.88mm的止动爪7与紧固件二6的安装槽12配合使用；蓄力弹簧5长2.3mm。

防护套筒4直径为39mm、长52mm，内孔直径为29mm,长42mm,防护套筒内部两侧设有止动槽9：上底0.8mm,下底1.25mm，高1mm；防护套筒4两端设有直径14.5mm通孔，上下两侧上半筒体41与下半筒体42采用定位销15定位，定位销15直径2mm，长度为2mm,距离防护套筒4一侧端面13mm。

本发明还提供一种用于霍普金森拉伸测试的应变调控装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将蓄力弹簧5与止动爪7相连，如图10所示。再将蓄力弹簧5的另一端以相同安装方式与紧固件二6相连，使得三个装置成为整体，如图8所示。

步骤二：将试样3的两端分别与霍普金森入射杆8、霍普金森透射杆1通过螺纹配合相连。

步骤三:将紧固件一2与霍普金森透射杆1通过螺纹配合相连，将紧固件二6与霍普金森入射杆8通过螺纹配合相连，使霍普金森透射杆1、紧固件一2、试样3、紧固件二6和霍普金森入射杆8同轴心，连接成的整体如图3所示。

步骤四：安装防护套筒4的下半筒体42，将步骤三连接完成的整体放入下半筒体42中，使紧固件一2紧贴防护套筒内壁，端面梯形结构的限位凸台10完全卡入止动槽9中。

步骤五：使用游标卡尺测量紧固件一2端面与紧固件二6端面之间的距离，调节紧固件二6位置，控制轴向拉伸应变量。蓄力弹簧5处于压缩状态，止动爪7紧贴防护套筒内壁。各零件位置如图1、3所示。

步骤六：安装防护套筒4的上半筒体41，通过定位销15将防护套筒4的上下两部分安装在一起，如图2所示；将防护套筒4固定在实验台上准备进行实验。

步骤七：对霍普金森入射杆8施加拉力，当紧固件二6端面与防护套筒内壁贴合的一瞬间，蓄力弹簧5将止动爪7弹开，止动爪7卡进防护套筒内的止动槽9中，如图4所示。

步骤八：试样3拉伸完成后，进行装置拆卸及取样：依次取下上下两侧防护套筒，将试样3分别从霍普金森入射杆8、霍普金森透射杆1取下，将紧固件一2、紧固件二6从霍普金森透射杆1及霍普金森入射杆8取下并完成装置清理工作。

采用本发明能够实现对试样进行霍普金森拉伸测试可调控轴向应变，紧固件一2、待测试样3、防护套筒4、紧固件二6的变形关系表示如下公式：

其中

综上所述，本发明具有以下优点：

1.本发明在开展材料动态试验时可以通过调节紧固件二的位置实现拉伸定应变。

2.当动力装置施加的力消失时，因止动爪卡入防护套筒止动槽中，试样不会出现反弹，保证实验数据准确。

3本发明采用防护套筒避免试样碎片对周围造成破坏，提高了实验的安全性和可靠性。

4.本发明中各零件之间的配合多为螺纹配合,结构简单,装卡速度快,极大提高了试验效率。

5.本发明中防护套筒内部的止动槽为贯穿防护套筒内壁一周的通槽且上半筒体与下半筒体的结构一致，结构简单,易加工；上半筒体与下半筒体采用定位销连接，易连接，提高了实验效率。

6.本发明中霍普金森透射杆、霍普金森入射杆与试件同轴心,紧固件一及紧固件二与防护套筒为无间隙配合，在测试时, 霍普金森透射杆及霍普金森入射杆对试样拉力共线、反向,避免试样受力偏位而产生扭力,保证测试结果的准确性。

7.本发明中各零件均为可替换零件，当零件损坏时，均可实现单一零件替换，节约成本。

在上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受上面公开的具体实施例的限制。