[发明专利]一种适用于材料复杂应力状态的分离式霍普金森压杆实验装置

说明书

本发明提供一种适用于材料复杂应力状态的分离式霍普金森压杆实验装置，包括入射杆、透射杆和试块，其特征在于，还包括外套筒、贴合入射杆端面设置的入射杆垫块，以及贴合透射杆端面设置的透射杆垫块，所述外套筒套设于所述入射杆和所述透射杆之间、以形成密封放置区；所述入射杆垫块和所述透射杆垫块相对布置、并设于所述试块放置区内，所述入射杆垫块和所述透射杆垫块相对布置的端面为相互平行的试块作用面。本发明具有结构简单，占用空间小，保证实验在不同复杂条件下安全可靠进行等优点。

技术领域

本发明涉及霍普金森压杆实验领域，尤其涉及一种适用于材料复杂应力状态的分离式霍普金森压杆实验装置。

背景技术

霍普金森压杆实验装置最初主要用于金属和高聚物类均匀材料在高应变率下的动态力学性能测量。随着对霍普金森试验的改进和发展，分离式霍普金森压杆实验装置被广泛使用，且被认为是一种能够有效测试材料高应变率下力学性能的实验装置，其已广泛应用于材料动态力学性能等领域，其有助于研究材料(如混凝土、煤、岩石等)在冲击载荷下的动态强度、应力-应变关系和能量耗散规律等。

分离式霍普金森压杆实验技术的理论基础是一维应力波理论，通过测定压杆上的应变来推导试块材料的应力－应变关系。当驱动撞击杆撞击入射杆时，在入射杆和透射杆之间放置试块，通过采集入射杆和透射杆的应变脉冲-时间波形，就可得到作用于试块的冲击荷载。而改变撞击速度就可以改变作用于试块的冲击荷载和试块的应变率。通过多次测试，就能得到试块在不同应变率下表现出的应力-应变关系。通过研究应力-应变关系就可以得到材料的动态力学性能。

在实际工程中，材料的原始应力状态往往非常复杂，尤其是常常处于被动控制的情况，现有的霍普金森压杆实验装置难以实现材料在不同复杂应力(如被动围压、压缩-压剪、动态劈裂拉伸条件下等)条件下的有效加载，通用性差；同时，现有的装置结构复杂、占用空间大、操作不便，在进行复杂应力实验时费时费力、成本高、且安全性低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单，占用空间小，保证实验在不同复杂条件下安全可靠进行的适用于材料复杂应力状态的分离式霍普金森压杆实验装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种适用于材料复杂应力状态的分离式霍普金森压杆实验装置，包括入射杆、透射杆和试块，其特征在于，还包括外套筒、贴合入射杆端面设置的入射杆垫块，以及贴合透射杆端面设置的透射杆垫块，所述外套筒套设于所述入射杆和所述透射杆之间、以形成密封放置区；所述入射杆垫块和所述透射杆垫块相对布置、并设于所述试块放置区内，所述入射杆垫块和所述透射杆垫块相对布置的端面为相互平行的试块作用面。

作为上述技术方案的进一步改进：

当进行被动围压实验时，所述试块、所述入射杆垫块和所述透射杆垫块均为与所述入射杆直径相同的圆柱体结构，所述外套筒的内表面与所述圆柱体结构的外表面贴合。

所述外套筒的外壁设有套筒应变感应单元，所述套筒应变感应单元电连接有控制器；所述套筒应变感应单元实时采集外套筒表面的径向电压信号、并发送所述径向电压信号至控制器，所述控制器根据所述径向电压信号获得所述外套筒的径向应变值和所述外套筒的内压力，所述外套筒的径向应变值和内压力的表达式为：

式中，P_内为外套筒的内压力；E_c为外套筒的弹性模量；ε_外为外套筒表面的径向电压信号；r₁为外套筒的外径；r₂为外套筒的内径；ε_c为外套筒的径向应变值；v_c为试块的泊松比；k为折减系数。