[发明专利]三维霍普金森压杆转向头装置

说明书

本发明涉及一种冲击加载实验中应力波转向装置，特别是一种三维霍普金森杆转向头装置。所述三维霍普金森杆转向头装置包括环形阵列的三个尺寸相同的转向头；所述转向头与入射杆接触的一端为圆形端面，转向头与试件接触的一端为正方形端面；圆形端面的直径与正方形端面的边长比为50：48，圆形端面与正方形端面的夹角为54.55°～54.85°；三个转向头的圆形端面处于同一平面；相邻两转向头的正方形端面的边缘相接，并且三个转向头的正方形端面形成一底部封闭的容纳体。该三维霍普金森杆转向头装置能够实现应力波转向，从而解决三维霍普金森压杆的入射波同步性问题。

技术领域

本发明涉及一种冲击加载实验中应力波转向装置，特别是一种用于三维霍普金森压杆试验中入射波转向的转向头装置，属于冲击动力学试验装置领域。

背景技术

材料强度是保证各种工程结构安全使用的一个最重要的基本条件。一般人们对材料强度的认识是材料在单向拉伸或单向压缩时的强度。例如金属类材料的强度一般指的是它们在单向拉伸时的强度。混凝土和岩石的强度一般指的是它们在单向压缩时的强度，这些都是材料的一维强度，可以在常规实验中直接得出。但是在工程结构中的材料大多数是在二维或三维应力的作用下(统称为复杂应力),这时的材料强度确定就是一个十分复杂和困难的问题，需要研制二维和三维的加载设备，才能对该问题展开研究。

材料在动载下的力学性能与其在静载下的力学性能不同。高速加载下材料的动态变形和静态(准静态)变形之间存在根本的差异，具体表现出的动力学行为主要有高速变形、强度的增加、动态破坏及其它物理、化学响应等。如前所述，在工程结构中材料多处于二维或三维应力状态；复杂应力状态下，材料的应变率效应则表现为高度的复杂性。如材料的应变率效应对于材料的剪切强度并不明显，而对于抗拉强度或抗拉强度则十分明显。这种差异导致材料的破坏面与应变率有关，但是目前来说，我们对材料的应变率效应的认识也仅仅来自于一维试验的结果，急需研制开发二维或三维情况下高速加载设备，进而对多维冲击荷载作用下材料的动态强度进行研究。

19世纪末和20世纪初，人们已经研制出了围压三轴试验机，或称加三轴试验机，来研究静态或准静态荷载下材料复杂应力状态下的强度。这种试验机仅能产生某一个方向上的连续应力，在另外两个方向上仅能提供固定的围压（围压大小在试验前可调）。而到了20世纪60年代，世界各国相继展开了静态或准静态荷载的真三轴试验机的研究，目前，静态或准静态荷载的真三轴试验机技术已比较成熟，有了比较完备的商业产品问世。与此形成鲜明对比的是，虽然早在1897年，第一台高应变率试验机就已经产生，1914年，B.Hopkinson便设计了Hopkinson压杆，后经Kolsky改进，使霍普金森压杆成为研究材料动态力学性能的一种重要手段。然而，截止到目前，国内外的高速加载试验装置多为一维。而针对混凝土、岩石等脆性材料，研发了假三轴动态加载设备，即围压SHPB系统，但未得到大的发展。迄今为止，国内外尚未有一台真三轴动态加载设备，用于研究材料在复杂应力状态下的动态强度。

综上所述，人们对材料的应变率效应的认识还仅仅来自于一维霍普金森杆试验，在多维的空间里还有很多未知，急需研制开发三维情况下材料实验的高速加载装置。三维霍普金森杆的难点是如何保证三根入射杆中入射波的同步性。

发明内容

本发明目的在于，提供一种三维霍普金森杆转向头装置，该三维霍普金森杆转向头装置能够实现应力波转向，从而解决三维霍普金森压杆的入射波同步性问题。

本发明通过以下技术方案实现该目的：

一种三维霍普金森杆转向头装置，包括环形阵列的三个尺寸相同的转向头；所述转向头与入射杆接触的一端为圆形端面，转向头与试件接触的一端为正方形端面；圆形端面的直径与正方形端面的边长比为50：48，圆形端面与正方形端面的夹角为54.55°～54.85°；三个转向头的圆形端面处于同一平面；相邻两转向头的正方形端面的边缘相接，并且三个转向头的正方形端面形成一底部封闭的容纳体。

优选的，所述转向头的圆形端面与正方形端面的夹角为54.7°。