[发明专利]用于大直径霍普金森压杆的环向加压装置

说明书

技术领域

本发明涉及材料动力特性测试领域，具体涉及一种用于大直径霍普金森压杆的环向加压装置。

背景技术

分离式霍普金森压杆试验装置是研究材料动态力学性能的重要设备之一，最初主要用于研究材料在单轴冲击加载下的压缩、劈拉和扭转等力学性能。在隧道工程、人防工程等基础设施建设中，岩石、混凝土等材料在承受动荷载之前往往已经处于一定的静应力或地应力作用中，即材料处于三向应力状态。因此，在原有霍普金森压杆试验装置的基础上，经过一定方式的改造，使得其能够用于研究动静组合加载条件下材料的力学响应则更具有现实意义。为此，一些研究人员开发了三轴霍普金森压杆试验装置，并进行了相关试验研究和理论分析。目前，三轴霍普金森压杆试验装置从装置构造特征和实现的功能上可以分为两大类：常规三轴霍普金森压杆试验装置和动静组合加载三轴霍普金森压杆试验装置。常规的三轴霍普金森压杆试验装置是参照静态试验机的工作原理设计的，即在普通霍普金森压杆试验装置的基础上，设计一个环向加压装置，在与冲击荷载方向垂直的平面内施加围压，冲击荷载方向并不施加静压力，然后再进行冲击试验；动静组合加载三轴霍普金森压杆试验装置是在冲击试验前，在三维方向均施加静荷载。无论何种三轴霍普金森压杆试验装置，绝大多数都设计了一个用于施加围压的环向加压装置。

中国专利CN201110200000.2公开了一种稳压的霍普金森杆主动围压装置。该装置包括围压装置和稳压装置两部分。围压装置包括液压油室以及设置在液压油室内的橡胶隔层，液压油室由上部件和下部件构成，上、下部件之间采用0型橡胶密封件密封连接；橡胶隔层通过两个端部的卡环固定在下部件上。上部件设置接口，接口通过高压油管与稳压装置连接，稳压装置包括油缸以及设置在油缸端部的气襄。稳压原理为在冲击加载过程中，试件变形将导致围压装置内液压油体积变化，该体积变化可通过高压油管传入到油缸中去，由油缸内气囊吸收，进而可以确保主动围压提供的压力值在试验过程中保持恒定。该套装置设计、加工方便，操作简单，并试图通过该装置实现稳定的围压加载。但该装置存在以下两点不足：（1）难以在试验过程中提供准确、稳定的围压。其一，0型橡胶密封件材质较软，尺寸较小，在较大的油压下难以有效地密封液压油室和连接上、下部件；仅在端部用卡环将橡胶隔层固定在下部件上，只能在局部范围内实现密封，在试件变形及破坏飞溅过程中橡胶隔层很可能会发生较大变形和位移，从而对围压值造成较大影响。其二，气囊的存在使得在加压过程中测量表盘中的示数上下波动较大，需要较长时间才能达到相对稳定值，较大程度地影响装置的使用效率。其三，对于混凝土、岩石等脆性材料而言，冲击破坏时的应变通常在0.002左右，微小的变形使得液压油体积基本不发生变化；粘稠的液压油具有对压力传导的惰性，从开始受压到传递压力的反应时间较长，而试件破坏前的冲击加载时间仅为0.1-0.3ms，液压油体积的微小变化传至气囊前试件已经发生破坏，稳压装置并不能起到较好的稳压效果。（2）该围压装置只适用于直径为74mm的霍普金森压杆试验系统，并不能有效测试岩石、混凝土类材料在有环向压力作用下的冲击力学性能。各向异性和不均质性是岩石、混凝土类材料的两大主要特点，内部存在大量孔隙及微裂缝，颗粒粒径较大，其中混凝土粗骨料的粒径可达40mm以上。当采用较小尺寸的霍普金森压杆进行试验时，试件的尺寸也相应较小，大颗粒的组分在材料内部所占的比例较大，使得材料具有严重的不均质性，从而导致测试结果并不能真实反映材料整体的力学性能，并且测试结果的离散性也较大。

北京科技大学于亚伦1992年在《岩土工程学报》上发表的题为“用三轴SHPB装置研究岩石的动载特性”的文章中提出了一种用于霍普金森压杆的围压装置。该装置的主体由油压缸及其控制系统构成，能提供轴向及与轴向垂直平面内的静水压力。油压缸耐压100MPa，油压动力系统采用轴向柱塞高压油泵，并采用增压比为1:7.5的增压器来获得油压缸的超高压。试验时，将套有橡胶套的岩石试件装入油压缸内，并加以密封，利用轴向油压系统将试件两端夹紧，再用侧向压力系统于试件周围施加一定的围压。从作者的表述中可知橡胶套并不是固定于围压装置内，构成围压装置的组成部分，而是在试验前将其套在岩石试件上，对于试件如何定位，油压系统如何提供稳定的围压文中并没有详细的介绍。并且在上述文章以及后续一系列采用该装置进行岩石动力特性的研究中，我们无法清晰地了解到该装置的基本构造，各组成部件的功能及它们之间的相互位置关系，施加围压的基本原理以及使用流程等。此外，与专利CN201110200000.2类似，该装置仅适用于直径为30mm的霍普金森压杆，并不能有效测试岩石、混凝土类材料在有环向压力作用下的冲击力学性能。