[发明专利]一种摆锤加载中应变率霍布金森压杆试验装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于岩石动力学技术领域，特别是涉及一种摆锤加载中应变率霍布金森压杆试验装置及方法，适用于研究材料在动态中应变率冲击加载条件下的力学特性。

背景技术

在许多诸如采矿、水利、交通、人防等人类活动以及地震、滑坡等自然灾害现象中都涉及到岩石或岩体受冲击荷载作用以及与之有关的岩石动力学问题。目前，爆破技术己经广泛地应用于矿山开采、隧道开挖和水利水电设施建设等岩土工程领域，大规模频繁的爆破作业对工程围岩和附近的其他非爆破目标造成不同程度上的破坏;同时，这些人类工程不可避免地面对着地震、滑坡和海啸等自然灾害的威胁。上述岩土工程的动态破坏几乎都与应力波在岩体中的传播以及冲击荷载作用下的岩体失稳有关。因此，研究岩石在冲击载荷下的损伤和破坏成为一个热点问题。工程爆破中岩石受到爆破冲击波的作用，岩石加载的应变率在10⁰～10⁵s^-1之间;在岩石的破碎圈内，加载的应变率较高，处于10²～10⁴s^-1之间;在破碎圈外加载的应变率较低，在10⁰～10³S^-1之间。因此，为了认清岩石在不同应变率条件下的力学响应特征，需要研制相应的试验装置。

分离式霍布金森压杆是目前研究岩石的动态特性的主要试验装置之一，自Kumar将SHPB装置引入到岩石动态强度的测试，至今己经有40余年，但仍有不少技术问题有待进一步探究。相对于金属材料而言，岩石类脆性材料的弹性模量和强度都低很多，传统的矩形应力波由于波形上升历时短，岩石试样在达到应力平衡前就可能破坏失效。因此，采用常规的试验装置较难获得理想的试验结果。为了解决这些难题，国内外学者进行了广泛地探索，提出了波形整形器技术和异形冲头技术，这些技术对实现试样中应力平衡和获得恒应变率加载有极大帮助。

基于这些技术，出现了不同加载方式的SHPB(Split Hopkinson PresSure Bar)试验装置，由于目前的SHpB试验装置大多采用的是气炮加载，精确控制冲头冲击入射杆的速度比较困难，目前主要研究应变率处于10²～10⁴s^-1之间的高应变率加载。一般来说，在低应变率区，材料对应变率不敏感，在高应变率区，材料对应变率很敏感，中应变率区则是材料性能由应变率不敏感到应变率敏感的转变区，因此，研发适宜于中应变率条件下岩石力学的试验装置，对于研究岩石在中应变率区的应变率相关性是十分必要和重要的。为了满足岩石本构关系及其应变率效应测试的要求，新的加载装置要易于控制加载的应力波形，且波形具有良好的可重复性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种在中应变率加载条件下，加载应力波易于控制和具有可重复性的摆锤加载中应变率霍布金森压杆试验装置(Intermediate Strain Rate-SHPB，简称ISR-SHPB)及方法。该装置能够通过调整摆锤的摆角控制锤头的冲击速度，实现中应变率加载条件下相同的动态应力波加载，得到的波形可重复性好，并通过更换不同形状的摆锤锤头，可产生所需的不同中等应变率加载波形。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种摆锤加载中应变率霍布金森压杆试验装置，包括具有指针和刻度盘的摆锤支架，在所述摆锤支架上设置有由锤杆和锤头组成的摆锤，所述指针与摆锤的锤杆固定连接;在摆锤支架的一侧设置有校准支座，在校准支座上放置有入射杆和透射杆，所述入射杆、透射杆及静止状态下的摆锤锤头的轴心在同一直线上，所述静止状态下的摆锤锤头与入射杆的冲击端相对应，入射杆的另一端与透射杆的一端相对应;在所述摆锤支架上设置具有通孔的导向板，入射杆的冲击端通过导向板的通孔设置在摆锤支架的下方;在所述入射杆和透射杆上分别设有应变片，应变片通过前置信号放大器与示波记录仪的输入端相连接，示波记录仪的输出端与计算机相连接。

为了得到中应变率条件下的不同波形，所述摆锤的锤头采用短粗形柱形锤头、长细形柱形锤头或锥形锤头。

所述锤头的冲击端为弧形。

采用所述的摆锤加载中应变率霍布金森压杆试验装置的试验方法，包括如下步骤:

步骤一:调整校准支座的高度和位置，保证入射杆、透射杆和摆锤锤头的中心对正;

步骤二:将试样夹在入射杆与透射杆之间，并保证试样中心与入射杆和透射杆的中心对正;

步骤三:按照所需的摆锤锤头的冲击速度，调整摆锤的摆角;