[发明专利]机械连接接头高速冲击试验装置及试验方法

摘要

本发明公开了一种机械连接接头高速冲击试验装置及试验方法，用于解决现有试验装置实用性差的技术问题。技术方案是所述装置包括应力波放大器、感应线圈、放电线圈、拉伸杆、前夹头、后夹头、压力传感器、工作台和缓冲板，实现了冲击剪切装置和拉脱试验装置一体化。所述试验方法包括直截加载试验方法和撞击加载试验方法。具有冲击速度高，冲击载荷幅值和脉宽精确控制的优点，实用性好。本发明利用直截加载实现长脉宽、中低速冲击测试加载，冲击速度范围为1m·s^‑1～50m·s^‑1，冲击脉宽为0.5ms～6.5ms；利用撞击加载实现窄脉宽、高速冲击测试加载，冲击速度范围为1m·s^‑1～300m·s^‑1。

主权项

1.一种机械连接接头高速冲击试验装置的试验方法，其装置包括应力波放大器(1)、感应线圈(2)、放电线圈(3)、拉伸杆(4)、前夹头(6)、后夹头(10)、压力传感器(14)、工作台(15)和缓冲板(16)；所述的应力波放大器(1)为锥形结构，中心开通孔，感应线圈(2)为带中心圆孔的圆饼形紫铜板，通过螺栓连接到应力波放大器(1)上；放电线圈(3)为带中心通孔的饼状线圈，利用螺栓固定在工作台(15)上，拉伸杆(4)分为拉伸短杆(20)和拉伸长杆(21)，拉伸短杆(20)用于长脉宽、中低速冲击加载，一端带凸台，另一端有外螺纹，中间段为光杆，依次与放电线圈(3)、感应线圈(2)和应力波放大器(1)间隙配合，拉伸长杆(21)用于短脉宽、高速冲击加载，其结构与拉伸短杆(20)相同；前紧固螺母(5)与拉伸杆(4)的螺纹段连接；前夹头(6)分为前拉脱夹头(22)和前拉伸夹头(25)，前拉脱夹头(22)用于拉脱试验，为C形带弯钩结构，前拉伸夹头(25)用于拉伸试验，为C形结构，在竖直方向开圆形通孔，两前夹头中心加工相同螺纹通孔；后夹头(10)分为后拉脱夹头(23)和后拉伸夹头(26)，后拉脱夹头(23)用于拉脱试验，为C形带弯钩结构，后拉伸夹头(26)用于拉伸试验，为C形结构，在竖直方向开圆形通孔，两后夹头中心加工相同螺纹通孔；拉脱实验时，拉脱试件(24)通过预紧力夹持到前拉脱夹头(22)和后拉脱夹头(23)之间；拉伸实验时，剪切试件(8)通过前固定销钉(7)和后固定销钉(9)连接到前拉伸夹头(25)和后拉伸夹头(26)之间；固定轴(12)一端有外螺纹并分别与后夹头(10)、后紧固螺母(11)螺纹连接，另一端带凸台，凸台与压力传感器(14)表面接触配合；固定板(13)、压力传感器(14)分别有等直径的中心通孔，固定轴(12)通过中心通孔分别与固定板(13)、压力传感器(14)间隙配合；工作台(15)对整体装置提供支撑，缓冲板(16)为中空橡胶垫，为应力波放大器(1)提供缓冲；放电电容(17)、等效电阻(18)、放电开关(19)串联，控制放电线圈(3)放电；其特征在于试验方法包括以下步骤：具体为直接加载冲击剪切试验方法和撞击加载冲击剪切试验方法；直接加载利用电磁力应力波直接对试件实施冲击加载，放电电压控制最大等效撞击速度，放电电容控制冲击脉宽；根据RLC放电回路特征和电磁感应原理，其加载过程中电磁力峰值计算公式为：其中：F_max为电磁力峰值；K为RLC放电回路常数；U₀为放电电压；相应的拉伸短杆(20)中最大加载应力为：其中：σ_max为最大加载应力；M为应力波放大器(1)的倍数；S为感应线圈(2)的面积；由于应力波放大器(1)和拉伸短杆(20)材料和接触面积均相同，其波阻抗一致，根据一维杆撞击响应方程得到最大等效撞击速度计算公式：其中：V_max为最大等效撞击速度；ρ₀为拉伸短杆(20)的密度；C₀为应力波在拉伸短杆(20)内的传播速度；将公式(2)代入公式(3)得到最大等效撞击速度与放电电压关系式：直接加载方法下冲击脉宽与电磁力脉宽相同，其大小等于RLC放电回路半周期，计算公式为：其中：T为电磁力脉宽；L为放电回路等效电感值；C为放电电容(17)的电容量；R为放电回路等效电阻(18)的阻值；直接加载实现长脉宽、中低速冲击测试加载，冲击速度范围为1m·s^‑1～50m·s^‑1，冲击脉宽为0.5ms～6.5ms；直接加载冲击剪切试验具体步骤为：步骤一、安装拉伸夹头；拉伸杆(4)选用拉伸短杆(20)，并依次与放电线圈(3)、感应线圈(2)和应力波放大器(1)间隙配合，拉伸短杆(20)的凸台端面与应力波放大器(1)的小端面贴合，感应线圈(2)与放电线圈(3)贴合；前夹头(6)和后夹头(10)分别选择前拉伸夹头(25)和后拉伸夹头(26)，两个拉伸夹头分别与拉伸短杆(20)和固定轴(12)螺纹端连接；步骤二、安装剪切试件；剪切试件(8)通过前固定销钉(7)和后固定销钉(9)固定于两个拉伸夹头之间并夹紧，旋转固定轴(12)，拉紧拉伸短杆(20)、剪切试件(8)和固定轴(12)；此时，拉伸短杆凸台和应力波放大器小端面紧密贴合，感应线圈和放电线圈紧密贴合；调整前紧固螺母(5)固定前拉伸夹头(25)，调整后紧固螺母(11)固定后拉伸夹头(26)；步骤三、设置放电参数；根据公式(4)设置放电电压，根据公式(5)选择电容；步骤四、对放电电容(17)充电；步骤五、实施冲击；闭合放电开关(19)，放电电容(17)对放电线圈(3)放电激发变化的强磁场，感应线圈(2)感生涡流电场并产生电磁斥力，电磁斥力以应力波的形式通过应力波放大器(1)并放大，放大后的应力波通过拉伸短杆凸台传入拉伸短杆，最后对剪切试件(8)实施冲击加载；同时，高速摄像机记录剪切试件(8)的位移信息，压力传感器(14)记录剪切试件(8)的拉力信息；步骤六、数据处理；对位移和拉力信息进行处理，获得冲击载荷下剪切试件(8)的力‑位移响应曲线；直接加载冲击拉脱试验时，前夹头(6)选择前拉脱夹头(22)，与拉伸短杆(20)螺纹端连接，后夹头(10)选择后拉脱夹头(23)，与固定轴(12)螺纹端连接；拉脱试件(24)通过预紧力固定到前拉脱夹头(22)和后拉脱夹头(23)之间，重复步骤三至步骤六；撞击加载利用电磁冲击力对应力波放大器(1)和感应线圈(2)加速，放电电压控制冲击速度，应力波放大器(1)和感应线圈(2)获得较高速度后撞击拉伸长杆(21)的凸台，对试件实施冲击加载；根据动量守恒定律，冲击速度满足公式：其中：V为冲击速度；m为应力波放大器(1)和感应线圈(2)的总质量；F(t)为电磁力的时间函数；t为时间；电磁力的时间函数满足公式：将公式(7)代入公式(6)并积分得到冲击速度与放电电压关系式：利用高速摄像机测量应力波放大器(1)和感应线圈(2)的实际速度；撞击加载冲击剪切试验具体步骤如下：步骤一、安装拉伸夹头；拉伸杆(4)选择对应的拉伸长杆(21)，依次与放电线圈(3)、感应线圈(2)、应力波放大器(1)间隙配合；拉伸长杆凸台端面距离应力波放大器(1)的小端面200mm，感应线圈(2)与放电线圈(3)贴合；前夹头(6)和后夹头(10)分别选择对应的前拉伸夹头(25)和后拉伸夹头(26)，两个拉伸夹头分别与拉伸长杆(21)和固定轴(12)螺纹端连接；步骤二、设置放电参数；根据所需冲击冲击速度，利用公式(8)对放电电压初步预测，对放电电容(17)充电，闭合放电开关(19)，放电电容(17)对放电线圈(3)放电，利用高速摄像机测量应力波放大器(1)和感应线圈(2)的实际速度；步骤三、安装剪切试件；剪切试件(8)通过前固定销钉(7)和后固定销钉(9)固定于前拉伸夹头(25)和后拉伸夹头(26)之间并夹紧，调整前紧固螺母(5)固定前拉伸夹头(25)，调整后紧固螺母(11)固定后拉伸夹头(26)；移动应力波放大器(1)和感应线圈(2)，使感应线圈(2)与放电线圈(3)紧密贴合；此时，拉伸长杆(21)的凸台端面远离应力波放大器小端面；步骤四、对放电电容(17)充电；步骤五、实施冲击；闭合放电开关(19)，放电电容(17)对放电线圈(3)放电，感应线圈(2)与放电线圈(3)产生电磁斥力，电磁斥力对应力波放大器(1)和感应线圈(2)加速，应力波放大器(1)和感应线圈(2)飞离放电线圈(3)并高速撞击拉伸长杆凸台，拉伸长杆(21)内形成高幅值应力波对剪切试件(8)实施冲击加载；同时，高速摄像机记录撞击速度和剪切试件(8)的位移信息，压力传感器(14)记录剪切试件(8)的拉力信息；步骤六、数据处理；对位移和拉力信息进行处理，获得冲击载荷下剪切试件(8)的力‑位移响应曲线；在进行撞击加载冲击拉脱试验时，前夹头(6)选择前拉脱夹头(22)，与拉伸长杆(21)螺纹端连接，后夹头(10)选择后拉脱夹头(23)，与固定轴(12)螺纹端连接；重复步骤二，通过预紧力将拉脱试件(24)固定到前拉脱夹头(22)和后拉脱夹头(23)之间，重复步骤四至步骤六。