[发明专利]电磁力霍普金森压杆和拉杆实验加载装置的入射波控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种加载装置的入射波控制方法，特别是涉及一种电磁力霍普金森压杆和拉杆实验加载装置的入射波控制方法。

背景技术

材料的力学性对于工程设计人员来说能至关重要，它是决定结构设计和数值模拟可靠性的关键因素。在高应变率下霍普金森压杆和拉杆技术(SHPB)被广泛应用于材料的力学性能测试，该技术的原理是：将短试样置于两根压杆之间，利用加速质量块、短杆等的撞击产生加速脉冲对试样进行加载，同时通过粘贴在入射杆、透射杆上的应变片记录脉冲信号，利用脉冲信号推算出材料的力学性能。该技术于1914年由霍普金森首次提出，1948年克劳斯盖(Kolsky)提出了改进的霍普金森压杆技术，因此霍普金森杆也被称作克劳斯盖杆。20世纪以来，越来越多的材料被应用于高温、高应变率的工作环境中，霍普金森压杆和拉杆技术的应用范围被不断拓展。

霍普金森压杆和拉杆技术中，广泛采用空气炮将撞击短杆高速射出以产生入射波的方法，这种方法的不足在于：空气具有可压缩性，撞击短杆发射速度和气压关系不能准确确定，导致试样应变率无法精确控制，在相同气压设置条件下，获得的入射波波幅将不完全一致，实验重复性较差。同时，不同的应变率需要使用不同长度的撞击杆获得，应变率越低，所需的撞击杆越短，由于撞击杆存在发射速度下限，因此许多工程实践中的低应变率环境不能通过传统的霍普金森压杆和拉杆实验得到，例如10s^-1。对于高应变率环境，要求撞击杆尺寸大且发射速度高，对于同一台霍普金森压杆和拉杆实验装置无法同时满足应变率跨度过大的实验。

针对以上问题，文献“申请公布号是CN103994922A的中国发明专利”公开了一种基于电磁力的霍普金森压杆和拉杆实验方法，该方法以电磁铆接技术为基础，将霍普金森压杆和拉杆实验设备集成，使用电磁铆枪装置加载方法代替空气炮加载，电磁力应力波直截作用到入射杆中完成试样加载。该发明方法通过改变放电电压控制入射波幅值，改变电容量控制入射波脉冲宽度，操作简便，大幅提高了霍普金森压杆和拉杆实验的可靠性和可控性，拓展了霍普金森压杆和拉杆实验的应变率变化范围。但是该发明方法没有给出具体的入射波幅值、脉冲宽度控制关系，实验中只能凭借经验通过调节放电电压、放电电容对入射波进行控制，费时费力，实验所需入射波与实际加载入射波很难保持一致。此外，该发明方法仅通过放电电压、放电电容对入射波实施控制，难以实现加载入射波上升沿斜率、脉冲宽度、脉冲幅值、最大脉冲幅值的综合控制。在实际中，霍普金森拉杆和压杆实验加载装置需要一种更好的加载入射波控制方法，以满足材料对不同测试加载环境的需要。

发明内容

为了克服现有基于电磁力的霍普金森压杆和拉杆实验方法实用性差的不足，本发明提供一种电磁力霍普金森压杆和拉杆实验加载装置的入射波控制方法。该方法在电磁铆接技术的基础上，采用带饼状放电线圈的电磁力应力波发生器作为霍普金森压杆和拉杆实验的入射波加载装置，其中次级线圈厚度为10mm。通过减小放电电阻，保证设备的欠阻尼工作状态，提高了入射波最大幅值和上升沿斜率。建立入射波脉冲幅值、脉冲宽度与放电电压、放电电容的控制关系，通过设置不同放电电压实现入射波幅值精确控制，通过选用不同电容量的放电电容实现入射波脉冲宽度精确控制。针对材料测试实验中入射波的具体要求，利用控制关系，计算出所需放电电压和放电电容，保证了实验要求入射波与实际加载入射波的一致性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电磁力霍普金森压杆和拉杆实验加载装置的入射波控制方法，其特点是采用以下步骤：

步骤一、电磁力应力波加载放电回路RLC震荡回路有三种工作状态：欠阻尼状态、临界阻尼状态和过阻尼状态。相同放电条件下，欠阻尼状态放电电流脉冲幅值最大、上升沿最陡、脉冲宽度最窄，有利于提高电磁力入射波幅值、上升沿斜率，降低入射波控制难度。欠阻尼状态下，RLC震荡回路需满足条件：

式中，R-放电电阻，L-放电电感，C-放电电容。