[发明专利]一种高速率单向拉伸试验装置及方法

权利要求书

1.一种高速率单向拉伸试验装置，其特征在于：所述装置包括底板（1）、驱动片（3）、线圈（4）、刚性线圈限位环（6）、绝缘隔板（7）、线圈骨架（8）、拉伸模具（9）、线圈支撑套（10）、试样固定板（16）及两个拉杆（12）； 

线圈支撑套（10）的中心处由下至上设有相通的内台肩孔及通孔，线圈（4）固定在线圈支撑套（10）的内台肩孔中，试样固定板（16）设置在线圈支撑套（10）的正上方，底板（1）设置在线圈支撑套（10）的正下方，两个拉杆（12）相对于底座（1）的竖向中心线对称设置，两个拉杆（12）的下端与底板（1）连接，拉杆（12）与线圈支撑套（10）及试样固定板（16）可拆卸连接，线圈支撑套（10）的下端设有刚性线圈限位环（6），线圈支撑套（10）与刚性线圈限位环（6）之间设有绝缘隔板（7），绝缘隔板（7）为环形，刚性线圈限位环（6）、绝缘隔板（7）及线圈支撑套（10）三者可拆卸连接，拉伸模具（9）包括底座（9-1）和拉伸杆（9-2），拉伸杆（9-2）与底座（9-1）的中心处固定连接，拉伸杆（9-2）依次穿出线圈限位环（6）、绝缘隔板（7）、线圈骨架（8）及线圈支撑套（10），驱动片（3）设置在底座（9-1）与刚性线圈限位环（6）之间，驱动片（3）与底座（9-1）可拆卸连接，线圈（4）两端引线与电容器组（C）连接，由高压开关（K）控制电容器组（C）放电，确保装配后的驱动片（3）紧贴于线圈绝缘隔板（7）上。 

2.根据权利要求1所述一种高速率单向拉伸试验装置，其特征在于：所述线圈（4）为平板线圈，线圈（4）的导线为铜导线，铜导线的横截面为矩形，相邻两根铜导线之间留有间隙，铜导线与铜导线之间用高压绝缘材料包覆隔开。 

3.根据权利要求1所述一种高速率单向拉伸试验装置，其特征在于：所述驱动片（3）为厚度5~8mm的紫铜板。 

4.根据权利要求1所述一种高速率单向拉伸试验装置，其特征在于：所述试样固定板（16）和线圈支撑套（10）上与拉杆（12）相对于位置处分别设有通孔，拉杆（12）的上端分别穿出线圈支撑套（10）及试样固定板（16）上的通孔，试样固定板（16）通过第一螺母（17）固定于拉杆（12）上，线圈支撑套（10）通过第二螺母（11）固定于拉杆（12）上。

5.根据权利要求1所述一种高速率单向拉伸试验装置，其特征在于：所述刚性线圈限位环（6）、绝缘隔板（7）及线圈支撑套（10）三者通过第二螺钉5可拆卸连接。 

6.一种利用权利要求1、2、3、4或5所述装置实现高速率单向拉伸试验方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤： 

步骤一：先将标准拉伸试样（14）表面印制网格，然后将标准拉伸试样（14）的下端 用第一销钉（13）固定于拉伸模具（9）的拉伸杆上，将标准拉伸试样（14）的上端用第二销钉（15）固定于试样固定板（16）上，标准拉伸试样（14）旁边固定有网格标准块，将高速摄像机对准标准拉伸试样（14）标距区； 

步骤二：通过高压开关（K）控制电容器组（C）的充/放电；先使电容器组（C）充电完毕，之后接通高压开关（K），使强度为20KA~200KA的瞬间强电流通过线圈，同时使高速摄像机工作，试样在瞬间电磁力作用下实现高速向下拉伸，拉伸速率在10m/s~300m/s之间，直至拉断，高速摄像机记录试样拉伸过程每一时刻的伸长变形； 

步骤三：对试验数据进行处理；试样在拉伸过程中的流动应力通过理论计算得到，而试样拉伸每一时刻的应变通过高速摄像机记录的照片分析得到；具体分析方法如下： 

1)试样拉伸过程应变ε；由高速摄像机记录，借助ASAME网格应变测量系统进行测量；高速摄像机曝光时间为t，则开始变形后的第i张照片，变形时间为t·i时的应变ε_i即为ASAME网格应变测量系统测出的第i张照片的应变； 

2).试样拉伸过程流动应力σ计算； 

试样所受到的力由力的平衡方程得到： 

F+G=F_i+F_f                      公式一 

其中：F为电磁脉冲力；G为重力，G=mg；F_i为惯性力，F_i=ma；F_f=σ·S，其中σ为流动应力；S为试样变形过程中的横截面积； 

试样加速度a的计算： 

设高速摄像机曝光时间为t，连续拍摄三张照片i，i+1，i+2，测量每张照片的应变ε_i、ε_i+1、ε_i+2； 

则：a=(ε_i+2+ε_i+1-2ε_i)/t²         公式二 

驱动片3上的电磁脉冲力F的计算如下： 

公式三 

其中：为驱动片上表面磁感应强度；为驱动片下表面磁感应强度；、及通过磁感应强度信号测试得到；f(z)为沿轴线方向作用于驱动片上体积磁场力密度，μ为介 质的磁导率；为驱动片上表面磁场强度；H_z2为驱动片下表面磁场强度； 

由此可得： 

σ=(F+G-ma)/S            公式四 

其中S为试样变形过程中的横截面积，横截面积变化不大时，可用原始面积代替； 

步骤四：由上述得到试件高速变形下的流动应力σ和应变ε，作出应力-应变曲线，即σ-ε曲线。