[发明专利]微型试件冲击加载与动态力学性能测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及结构形变及力学实验技术领域，具体地说，本发明涉及一种微型试件冲击加载与动态力学性能测量系统及方法。

背景技术

很多工程材料和结构都面临着冲击载荷的作用，承受这些载荷的材料会以高应变率变形。大量实验结果表明，在不同的应变率下，材料的力学性能往往不同。因此，在工程实际应用中，材料的动态力学特性对结构安全性、可靠性设计有着重要的意义。

目前，测量材料在高应变率下的力学性能时，使用最广泛的就是分离式霍普金森压杆(简称SHPB)技术，这一技术最早由霍普金森(Hopkinson)于1914年提出，克劳斯盖(Kolsky)于1948年对这一技术进行了改进，使之更加完善。这一方法的基本原理是：将短试样放置于两根压杆之间，通过加速的质量块、短杆撞击或炸药爆炸产生加速脉冲，对试样进行冲击加载。如果压杆保持弹性状态，则杆中的脉冲将以弹性波速无失真地传播。这样，粘贴在两个压杆上并且距杆端部一定距离的应变片来就能够测量到脉冲信号，通过对该信号的处理得到材料的动态力学性能曲线。

国内外现有的霍普金森杆装置大都采用气动发射对试件进行冲击加载。如任辉启等(专利申请号：200620031882)利用气炮发射技术设计了大直径分离式霍普金森压杆；谢若泽等(专利号CN1888851)利用气动发射原理研制了用于高温霍普金森压杆实验的双向双气路自动组装装置。利用气动发射技术使得霍普金森杆装置体积庞大，实验过程中能量转化率低、发射噪音污染大、且冲击加载速度和加载应变率的提升空间不大，无法对微型试件进行动态力学性能研究。2006年，李玉龙等(李玉龙，郭伟国，“微型Hopkinson拉杆技术”爆炸与冲击，303-308，26(4)，2006)将传统的Hopkinson杆按一定比例缩小，发展了小型的Hopkinson压杆。然而该技术中仍采用气动发射技术，无法使整个Hopkinson杆装置进一步缩小，冲击速度可调节范围小，无法实现如膜状以及微机电系统(MEMS)等微型试件的动态性能测量。

总之，近年来，对微机电系统(MEMS)动态力学性能研究，以及对压电、铁电薄膜等膜状材料研究正在成为热点，所以，迫切需要研制一套系统来解决上述问题。

发明内容

本发明涉及一种微型试件冲击加载与动态力学性能测量系统及方法，该系统及方法解决了对微机电系统(MEMS)动态力学性能，以及对压电、铁电薄膜等膜状材料研究等的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种微型试件冲击加载与动态力学性能测量系统，用于对微型试件的动态性能进行测量，其中，该系统包括：电磁脉冲发射装置、分离式霍普金森拉杆装置、应力应变测试装置、高速显微二维变形测量装置以及数据分析装置；其中，

所述电磁脉冲发射装置，与所述分离式霍普金森拉杆装置相连，用于利用电磁脉冲发射技术为该系统提供动力，使安装在所述电磁脉冲发射装置上的发射管内的子弹获得瞬间加速，并高速发射出去；

所述分离式霍普金森拉杆装置，与所述电磁脉冲发射装置、应力应变测试装置和高速显微二维变形测量装置相连，用于将所述子弹撞击后产生的拉伸应力波传递给所述微型试件，产生对微型试件的冲击加载；

所述应力应变测试装置，与所述分离式霍普金森拉杆装置和数据分析装置相连接，用于记录所述分离式霍普金森拉杆装置上输入杆和输出杆的应变数据，并将该应变数据发送给所述数据分析装置；

所述高速显微二维变形测量装置，与所述数据分析装置相连，用于采集放大的所述微型试件的表面动态变形图像，并将该表面动态变形图像保存到所述数据分析装置中；

所述数据分析装置，与所述应力应变测试装置和高速显微二维变形测量装置相连，用于接收所述应力应变测试装置发送的应变数据，分析并获得所述微型试件受到不同应变率冲击加载时的应力应变曲线；还用于分析所述微型试件的表面动态变形图像，并获得所述微型试件动态冲击加载过程中的二维位移场以及应变场分布。

进一步地，其中，该系统还包括：光学测速装置，该光学测速装置与所述电磁脉冲发射装置和数据分析装置相连接，并设置在所述电磁脉冲发射装置上发射管的端口，用于标定所述子弹在所述电磁脉冲发射装置的发射管中不同位置的发射速度发送给所述数据分析装置。

进一步地，其中，所述光学测速装置包括：光敏组件、控制电路和显示电路；其中，