一种摆锤加载中应变率霍布金森压杆试验装置及方法

摘要

一种摆锤加载中应变率霍布金森压杆试验装置及方法，属于岩石动力学技术领域。本发明能够通过调整摆锤的摆角控制锤头的冲击速度，实现中应变率加载条件下相同的动态应力波加载。装置：包括摆锤支架，在摆锤支架上设置摆锤；在摆锤支架一侧设置校准支座，在校准支座上放置入射杆和透射杆，入射杆、透射杆及锤头的轴心在同一直线上；在入射杆和透射杆上设有应变片，应变片通过前置信号放大器与示波记录仪的输入端相连接，示波记录仪的输出端与计算机相连。方法；调整校准支座的高度和位置，保证入射杆、透射杆和摆锤锤头的中心对正；将试样夹在入射杆与透射杆间；按照所需锤头冲击速度，调整摆锤摆角；放开摆锤进行冲击试验，记录和储存试验数据。

说明书

技术领域

本发明属于岩石动力学技术领域，特别是涉及一种摆锤加载中应变率霍布金森压杆试验 装置及方法，适用于研究材料在动态中应变率冲击加载条件下的力学特性。

背景技术

在许多诸如采矿、水利、交通、人防等人类活动以及地震、滑坡等自然灾害现象中都涉 及到岩石或岩体受冲击荷载作用以及与之有关的岩石动力学问题。目前，爆破技术己经广泛 地应用于矿山开采、隧道开挖和水利水电设施建设等岩土工程领域，大规模频繁的爆破作业 对工程围岩和附近的其他非爆破目标造成不同程度上的破坏;同时，这些人类工程不可避免 地面对着地震、滑坡和海啸等自然灾害的威胁。上述岩土工程的动态破坏几乎都与应力波在 岩体中的传播以及冲击荷载作用下的岩体失稳有关。因此，研究岩石在冲击载荷下的损伤和 破坏成为一个热点问题。工程爆破中岩石受到爆破冲击波的作用，岩石加载的应变率在10⁰～ 10⁵s^-1之间;在岩石的破碎圈内，加载的应变率较高，处于10²～10⁴s^-1之间;在破碎圈外加载 的应变率较低，在10⁰～10³S^-1之间。因此，为了认清岩石在不同应变率条件下的力学响应特征， 需要研制相应的试验装置。

分离式霍布金森压杆是目前研究岩石的动态特性的主要试验装置之一，自Kumar将SHPB 装置引入到岩石动态强度的测试，至今己经有40余年，但仍有不少技术问题有待进一步探究。 相对于金属材料而言，岩石类脆性材料的弹性模量和强度都低很多，传统的矩形应力波由于 波形上升历时短，岩石试样在达到应力平衡前就可能破坏失效。因此，采用常规的试验装置 较难获得理想的试验结果。为了解决这些难题，国内外学者进行了广泛地探索，提出了波形 整形器技术和异形冲头技术，这些技术对实现试样中应力平衡和获得恒应变率加载有极大帮 助。

基于这些技术，出现了不同加载方式的SHPB(Split Hopkinson PresSure Bar)试验装置， 由于目前的SHpB试验装置大多采用的是气炮加载，精确控制冲头冲击入射杆的速度比较困难， 目前主要研究应变率处于10²～10⁴s^-1之间的高应变率加载。一般来说，在低应变率区，材料 对应变率不敏感，在高应变率区，材料对应变率很敏感，中应变率区则是材料性能由应变率 不敏感到应变率敏感的转变区，因此，研发适宜于中应变率条件下岩石力学 的试验装置，对于研究岩石在中应变率区的应变率相关性是十分必要和重要的。为了满足岩 石本构关系及其应变率效应测试的要求，新的加载装置要易于控制加载的应力波形，且波形 具有良好的可重复性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种在中应变率加载条件下，加 载应力波易于控制和具有可重复性的摆锤加载中应变率霍布金森压杆试验装置 (Intermediate Strain Rate-SHPB，简称ISR-SHPB)及方法。该装置能够通过调整摆锤的摆 角控制锤头的冲击速度，实现中应变率加载条件下相同的动态应力波加载，得到的波形可重 复性好，并通过更换不同形状的摆锤锤头，可产生所需的不同中等应变率加载波形。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种摆锤加载中应变率霍布金森压杆试 验装置，包括具有指针和刻度盘的摆锤支架，在所述摆锤支架上设置有由锤杆和锤头组成的 摆锤，所述指针与摆锤的锤杆固定连接;在摆锤支架的一侧设置有校准支座，在校准支座上 放置有入射杆和透射杆，所述入射杆、透射杆及静止状态下的摆锤锤头的轴心在同一直线上， 所述静止状态下的摆锤锤头与入射杆的冲击端相对应，入射杆的另一端与透射杆的一端相对 应;在所述摆锤支架上设置具有通孔的导向板，入射杆的冲击端通过导向板的通孔设置在摆 锤支架的下方;在所述入射杆和透射杆上分别设有应变片，应变片通过前置信号放大器与示 波记录仪的输入端相连接，示波记录仪的输出端与计算机相连接。

为了得到中应变率条件下的不同波形，所述摆锤的锤头采用短粗形柱形锤头、长细形柱 形锤头或锥形锤头。

所述锤头的冲击端为弧形。

采用所述的摆锤加载中应变率霍布金森压杆试验装置的试验方法，包括如下步骤:

步骤一:调整校准支座的高度和位置，保证入射杆、透射杆和摆锤锤头的中心对正;

步骤二:将试样夹在入射杆与透射杆之间，并保证试样中心与入射杆和透射杆的中心对 正;

步骤三:按照所需的摆锤锤头的冲击速度，调整摆锤的摆角;

步骤四:放开摆锤进行冲击试验，并通过示波记录仪和计算机进行试验数据的记录和储 存。

在试验过程中，岩石试样是夹在入射杆与透射杆之间的;为了保证入射杆。透射杆与试 样紧密接触和接触面摩擦力较小，要求入射杆、透射杆和岩石试样的接触面平整且光滑。

本发明的加载应力波即入射波是由摆锤对入射杆撞击产生的，摆锤从一定高度摆下，以 一定的速度撞击入射杆，在入射杆端部产生一个压应力波，它的幅值大小取决于摆锤锤头的 冲击速度，该速度由摆锤的摆角决定。这个应力脉冲从入射杆传入岩石试样，在传播过程中 被设置在入射杆上的应变片记录，并在岩石试样与入射杆的交界面发生透反射，反射波在入 射杆上传播并被记录，透射波经过岩石试样进入透射杆，同时再次在岩石试样与透射杆的交 界面发生透反射，进入透射杆的透射波被设置在透射杆上的应变片记录;反射波和透射波的 大小取决于岩石试样、入射杆及透射杆的波阻。应变片记录下的入射波、反射波和透射波信 号经过前置信号放大器放大后被示波记录仪记录，最后经过交换机最终存储在计算机中并进 行数据处理。

本发明的有益效果:

本发明的试验装置能够通过调整摆锤的摆角控制锤头的冲击速度，实现中应变率下相同 的动态应力波加载，得到的波形可重复性好;并通过更换不同形状的摆锤锤头，产生所需的 不同中等应变率加载波形。

附图说明

图1为本发明的摆锤加载中应变率霍布金森压杆试验装置的结构示意图;

图2为三种异型锤头的结构示意图;

(a)为短粗形柱形锤头的结构示意图;

(b)为长细形柱形锤头的结构示意图;

(c)为锥形锤头的结构示意图;

图3为采用三种异型锤头进行冲击试验产生的入射波波形图;

(a)为冲击速度为2.0m/s和2.5m/s时三种异型锤头的入射波波形图;

(b)为冲击速度为3.3m/s和4.2m/s时三种异型锤头的入射波波形图;

图中，1-指针，2一刻度盘，3一摆锤，4一锤杆，5一锤头，6一摆锤支架，7一导向板， 8一校准支座，9一入射杆，10一试样，11一应变片，12一透射杆，13一计算机，14一缓冲挡 板，15一前置信号放大器，16一示波记录仪，17一交换机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种摆锤加载中应变率霍布金森压杆试验装置，包括具有指针1和刻度盘 2的摆锤支架6，在所述摆锤支架6上设置有由锤杆4和锤头5组成的摆锤3，所述指针1与 摆锤3的锤杆4固定连接;在摆锤支架6的一侧设置有校准支座8，在校准支座8上放置有 入射杆9和透射杆12，所述入射杆9、透射杆12及静止状态下的摆锤锤头5的轴心在同一直 线上，所述静止状态下的摆锤锤头5与入射杆9的冲击端相对应，入射杆9的另一端与透射 杆12的一端相对应;在所述摆锤支架6上设置具有通孔的导向板7，入射杆9的冲击端通过 导向板7的通孔设置在摆锤支架6的下方;在所述入射杆9和透射杆12上分别设有应变片 11，应变片11通过前置信号放大器15与示波记录仪16的输入端相连接，示波记录仪16的 输出端与计算机13相连接。

为了得到中应变率条件下的不同波形，所述摆锤3的锤头5采用短粗形柱形锤头、长细 形柱形锤头或锥形锤头。

所述锤头5的冲击端为弧形。

为了防止透射杆12被击打飞出，在所述透射杆12的外侧设置有缓冲挡板14。

在所述示波记录仪16的输出端与计算机13之间还连接有交换机17。

为了使入射杆9和透射杆12满足刚度要求，本实施例的入射杆9和透射杆12采用高强 度合金钢4OCr。

所述示波记录仪16采用的型号为DL750，所述前置信号放大器15采用的型号为NW4-81， 所述交换机17采用的型号为TL-SF1005+，所述应变片11采用的型号为BF350-3AA(ll)N6-X。

所述锤头5可更换为三种不同形状的异型锤头，三种不同形状的异型锤头的结构，如图 2所示，其中，(a)为1#锤头一短粗形柱形锤头，(b)为2#锤头一长细形柱形锤头，(d 为3#锤头一锥形锤头。采用这三种不同形状的锤头进行冲击试验可以产生不同形状的应力 波，为分析应力波在岩石中的传播及岩石的动态特性提供条件。

采用所述的摆锤加载中应变率霍布金森压杆试验装置的试验方法，具体包括如下步骤:

步骤一:调整校准支座8的高度和位置，保证入射杆9、透射杆12和摆锤锤头5的中心 对正;应力波在入射杆9、透射杆12和摆锤锤头5中传播时为一维应力波;

步骤二:将试样10夹在入射杆9与透射杆12之间，并保证试样10中心与入射杆9和透 射杆12的中心对正;

步骤三:按照所需的摆锤锤头5的冲击速度，调整摆锤3的摆角;

步骤四:放开摆锤3进行冲击试验，并通过示波记录仪16和计算机13进行试验数据的 记录和储存。

本发明的试验装置的主要技术参数:

装置尺寸:长×宽×高(600Omm×630mm×l52Omm);

摆锤尺寸:长×宽×高(10OOmm×630mm×l520mm);

摆锤摆角范围:0°～135°;

摆锤锤头冲击速度:0～5.0m/s;

冲击能量:0~70J;

试样尺寸:直径为Ф3Omm，长度为10mm～30mm;

应变率:10⁰～10²s^-1。。

采用本发明的试验装置进行异型锤头冲击试验的试验结果:

利用图2所示的三种不同形状的异型锤头进行冲击试验，测得入射杆上的入射波波形， 如图3所示，

从图3中可以看出:相同的摆锤锤头冲击速度、不同的锤头得到的入射波波形是有差别 的。当锤头冲击速度为2.0m/s和2.5m/s时，1#锤头。2#锤头和3#锤头得到的入射波峰值相 差较大，3#锤头的入射波峰值最大;1#锤头和2#锤头应力达到峰值的时间近似为12Oμs，3# 锤头应力达到峰值的时间为18Oμs和16OμS。当锤头冲击速度为3·3m/s和4·2m/s时，1# 锤头入射波峰值较小，2#锤头和3#锤头的入射波峰值近似相等;锤头冲击速度为4.2m/s时， 三个锤头冲击试验得到的入射波应力达到峰值的时间近似相等。