[发明专利]基于电磁力的盘式霍普金森扭杆加载装置及实验方法

说明书

一种基于电磁力的盘式霍普金森扭杆加载装置及实验方法。所述加载装置中，电源的正极和负极分别与电能储存与释放器的正极输入端和负极输入端通过导线连接；所述电能储存与释放器的正极输出端和负极输出端分别通过导线与扭转枪的正极输入端和负极输入端连接。本发明利用电磁能‑机械能装换原理，通过电控制方式产生瞬间电磁扭矩，并通过机械结构将扭矩转换为扭转波，用于霍普金森扭杆的实验。由于采用电控制的方式，电磁式霍普金森扭杆杆的应力波产生时间上表现出独有的优越性，通过电子开关，能够严格控制应力波的产生时间，解决了在复杂加载方式下的同步性问题。

技术领域

本发明涉及材料的动态扭转力学性能测试的加载装置及实验方法，具体说是一种基于电磁力的盘式式霍普金森扭杆加载装置，所述装置可以作为分离式霍普金森扭杆实验的加载装置。

背景技术

虽然霍普金森拉伸、压缩设备已广泛用于测量高应变率下材料压缩、拉伸时的力学性质。但是压杆和拉杆都是采用轴向加载方法，压缩和拉伸纵波在传播时，波导杆伴有径向变形，产生横向惯性效应，产生波的弥散和试样端面的摩擦，影响精度；而扭转霍普金森实验设备无三维问题，无横向惯性影响，不存在试样端面的摩擦效应。因此扭转霍普金森实验越来越受重视。

扭转霍普金森设备的加载方式有：1.存储应变能突然释放方式；2.气动加载方式；3.爆炸加载方式。贝克(Baker)等人在Journal of Applied Mechanics的1996年第33期中发表的Strain-rate effects in the propagation of torsion plastic waves一文中提出的扭转霍普金森设备，其夹钳机构由滑块组成，气枪子弹打击滑块时，夹钳放松，产生的扭矩脉冲前沿升时和应变率分别为30us和10³s^-1；坎贝尔(Campbell)等人在Journal ofApplied Mechanics的1971年37期中发表的On the use of a torsional splitHopkinson bar to study rate effects in 1100-0 aluminum一文中提出的扭转霍普金森设备，夹钳结构由两个半圆桥瓦和钢丝组成，钢丝拉断时，夹钳放松，其前沿升时和应变率分别为50us和10²s^-1。此外，还有一些学者尝试使用爆炸方式和气动加载方式进行扭转加载。目前，在扭转霍普金森杆实验技术方面，最成熟的技术还是储能式加载方式，这种加载方式的缺点在于扭转应力波的产生时间无法有效控制，并且所产生的扭转波长受入射杆的长度限制。

传统的霍普金森扭杆加载方式都是机械加载，扭转波的产生时间很难控制。在材料的动态力学性能测试中，有时需要测试材料在扭转和拉伸或者扭转和压缩的复合加载下的力学性能。这两种复合加载方式要求扭转波和拉伸波或者扭转波和压缩波同时到达试样的端面，这要求能够严格控制扭转波和拉伸波或者扭转波和压缩波的开始传播时间。而传统的霍普金森杆的机械加载方式是无法严格控制应力波的产生和传播时间的。由于这个原因，复合加载的霍普金森杆系统一直很难研制出来。