基于Hopkinson杆的材料动态双压剪实验装置

摘要

本发明是一种基于Hopkinson杆的材料动态双压剪实验装置，包括应变片(5)、撞击杆(3)、入射杆(4)和透射杆(7)，其特征在于，入射杆(4)和透射杆(7)相邻的端头中的一个为V形槽或楔形头，另一个为楔形头或V形槽；V形槽和楔形头的斜面与入射杆(4)和透射杆(7)的轴线夹角相同且均在30°至80°之间；两个试样对称的夹在V形槽和楔形头的斜面之间。本发明无需对Hopkinson压杆进行大的改动，只需重新加工一根一端为楔形或V形槽的入射杆(4)和一根一端开有V形槽或楔形头的压杆；采用传统的Hopkinson压杆试样即可对两个试样同时施加压剪组合的冲击载荷。具有设备占地面积小，美观大方，操作简单的特点。

说明书

一、技术领域：

本发明涉及材料的动态力学性能测试装置，具体说是一种基于Hopkinson杆的材料动态双压剪实验装置。

二、背景技术：

在实际应用中，材料的的力学性能以及破坏过程一般都是处于复杂应力状态下，即同时受到法向和切向的作用力，而其中的切向力往往对材料的破坏起着很重要的作用。因此，认识材料在压剪复合加载下的力学响应特征就成为相关领域的研究热点。

目前，就动态压剪实验技术而言，目前主要有三类：

第一类是斜板撞击实验，该技术通过气炮进行飞片平行撞击加载，这种方法的缺点在于实验过程中有冲击波的传播，因此涉及到结构的响应问题，导致很难从实验中直观得到材料的应力应变关系；

第二类是基于Hopkinson扭杆的压扭加载技术，该技术是在现有的Hopkinson扭杆基础上改为压扭复合加载来实现压剪加载，但其缺点在于压、剪应力波很难同时到达，不算是真正意义上的动态压剪加载；

第三类是采用特殊设计的试样，如帽形或其它形状，利用Hopkinson压杆对试样进行压剪动态加载，但这类方法的缺点在于对实现了压剪复合加载，但往往由于试样的改造使得试样的形状复杂、加工困难、应力状态不理想，难以进行定量化的实验测试和分析。

近年来，国防科大的卢芳云等又对传统的Hokinson压杆进行改造，提出了一种新的压剪复合加载技术。他们将Hopkinson压杆的入射杆的后端面由原来的平面改成两个45°角的楔形面，用两根垂直于楔形面安装的透射杆取代了原来的单根透射杆，利用斜面的几何效应和端面摩擦效应实现对试样的平面压剪复合加载。但这种方法的缺点是需要使用两根透射杆，增加了系统的复杂性和占地面积。

三、发明内容

为克服现有技术中存在的实验系统的复杂、占地面积大，以及试样的形状复杂、加工困难、应力状态不理想，难以进行定量化的实验测试和分析的不足，本发明提出了一种基于Hopkinson杆的材料动态双压剪实验装置。

本发明所采用的技术方案是：在Hopkinson杆的材料动态双压剪实验装置上同轴顺序安装有撞击杆、入射杆和透射杆，入射杆和透射杆之间夹有两个相同的试样，数据采集系统通过粘贴在入射杆和透射杆上的应变片采集数据。所述的入射杆和透射杆相邻的端头中，入射杆的端头为V形槽或楔形头，透射杆的端头为楔形头或V形槽，即入射杆V形槽与透射杆的楔形头配合，或者是入射杆的楔形头与透射杆的V形槽配合；V形槽和楔形头的斜面与入射杆和透射杆的轴线夹角相同且在30°至80°之间。两个试样对称的夹在V形槽和楔形头的斜面之间。

本发明的实验装置中，由于入射杆和透射杆相邻的端面由传统的Hopkinson压杆的平面改成两个对称的斜面，而且入射杆和透射杆相邻端的斜面与杆轴向的夹角相等，因此可以将两个相同的试样对称的夹在两根杆的斜面间。实验时，由于斜面的几何效应，当撞击杆撞击入射杆产生的压缩应力波到达入射杆与试样接触的端面时，原来沿杆轴向传播的压缩波将分解为垂直于杆端斜面的压缩波和平行于斜面的剪切波，其中的压缩波分量将对夹在入射杆和透射杆斜面间的试样施加压缩载荷，同时在端面摩擦效应的作用下，剪切波分量也被施加在试样上，实现了同时对试样施加压缩和剪切冲击载荷。

本发明无需对Hopkinson压杆进行大的改动，只需重新加工一根一端为楔形和一根一端开有V形槽的压杆。采用传统的Hopkinson压杆试样即可对两个试样同时施加压剪组合的冲击载荷。设备整个系统占地面积小，美观大方，操作简单。

四、附图说明：

图1是入射杆为V形槽，杆端与轴线夹角为斜面60°的基于Hopkinson杆的材料动态双压剪实验装置的结构示意图；

图2是透射杆为V形槽，杆端与轴线夹角为斜面30°的基于Hopkinson杆的材料动态双压剪实验装置的结构示意图；

图3是入射杆为V形槽，杆端与轴线夹角为斜面80°的基于Hopkinson杆的材料动态双压剪实验装置的结构示意图；

图4是透射杆为V形槽，杆端与轴线夹角为斜面45°的基于Hopkinson杆的材料动态双压剪实验装置的结构示意图。

其中：

1、高压气源   2、撞击杆发射机构  3、撞击杆       4、入射杆      5、应变片

6、试样       7、透射杆          8、数据采集系统

其中：

五、具体实施方式：

实施例一

如图1所示：本实施例包括撞击杆3、入射杆4、透射杆7、两个相同的试样6、撞击杆发射机构2及高压气源1。本实施例中，入射杆4与透射杆7相邻的端头加工成V形槽，而与之相配合的透射杆7的端头为楔形头，并且入射杆4的V形槽和透射杆7楔形头的斜面与杆的轴线夹角均为60°。入射杆4开有V形槽的一端和透射杆7楔形头一端同轴相对安装，两个试样6分别夹在两个斜面中间。入射杆的另一端设有撞击杆3、撞击杆发射机构2及高压气源1。另外有数据采集系统8，其通过粘贴在入射杆4和透射杆7上的应变片5采集数据。

实验时：

1.调整入射杆4和透射杆7的位置，使入射杆4的V形槽与透射杆7的楔形面相对；

2.将两个相同的试样6对称的分别安装在入射杆4的V形槽和透射杆7的楔形面之间；

3.设置好数据采集系统8，等待触发；

4.通过高压气源1向发射机构2充气，并发射撞击杆3；

5.撞击杆3在高压气的驱动下冲击入射杆4，首先在入射杆4中产生压缩应力波，由于斜面的几何效应，该压缩应力波达到入射杆4与试样6接触的端面时将分解为压缩和剪切波，并同时加载到试样6上，并透射入透射杆7，这样就实现了压剪动态联合加载。

6.数据采集系统8通过粘贴在入射杆4和透射杆7上的应变片5来实现数据采集。

实施例二

如图2所示：本实施例包括撞击杆3、入射杆4、透射杆7、两个相同的试样6、撞击杆发射机构2及高压气源1。本实施例中，与实施例一的不同之处在于入射杆4与试样相接触一端被加工成楔形头，而透射杆7与试样接触一端被加工成V形槽，同时入射杆4的楔形头和透射杆7的V形槽的斜面与杆的轴线夹角均为30°。入射杆4的楔形头一端和透射杆7的V形槽一端同轴相对安装，两个试样6分别夹在两个斜面中间。入射杆的另一端设有撞击杆3、撞击杆发射机构2及高压气源1。另外有数据采集系统8，其通过粘贴在入射杆4和透射杆7上的应变片5采集数据。

实验时：

1.调整入射杆4和透射杆7的位置，使入射杆4的V形槽与透射杆7的楔形面相对；

2.将两个相同的试样6对称的分别夹在入射杆4的V形槽和透射杆7的楔形面之间；

3.设置好数据采集系统8，等待触发；

4.通过高压气源1向发射机构2充气，并发射撞击杆3；

5.撞击杆3在高压气的驱动下冲击入射杆4，首先在入射杆4中产生压缩应力波，由于斜面的几何效应，该压缩应力波达到入射杆4与试样6接触的端面时将分解为压缩和剪切波，加载到试样6上，并透射入透射杆7，这样就实现了压剪动态联合加载。

6.同时，数据采集系统8通过粘贴在入射杆4和透射杆7上的应变片5来实现数据采集。

实施例三

如图1所示：本实施例包括撞击杆3、入射杆4、透射杆7、两个相同的试样6、撞击杆发射机构2及高压气源1。本实施例中，入射杆4与透射杆7相邻的端头加工成V形槽，而与之相配合的透射杆7的端头为楔形头，并且入射杆4的V形槽和透射杆7楔形头的斜面与杆的轴线夹角均为80°。入射杆4开有V形槽的一端和透射杆7楔形头一端同轴相对安装，两个试样6分别夹在两个斜面中间。入射杆的另一端设有撞击杆3、撞击杆发射机构2及高压气源1。另外有数据采集系统8，其通过粘贴在入射杆4和透射杆7上的应变片5采集数据。

实验时：

1.调整入射杆4和透射杆7的位置，使入射杆4的V形槽与透射杆7的楔形面相对；

2.将两个相同的试样6对称的分别安装在入射杆4的V形槽和透射杆7的楔形面之间；

3.设置好数据采集系统8，等待触发；

4.通过高压气源1向发射机构2充气，并发射撞击杆3；

5.撞击杆3在高压气的驱动下冲击入射杆4，首先在入射杆4中产生压缩应力波，由于斜面的几何效应，该压缩应力波达到入射杆4与试样6接触的端面时将分解为压缩和剪切波，并同时加载到试样6上，并透射入透射杆7，这样就实现了压剪动态联合加载。

6.数据采集系统8通过粘贴在入射杆4和透射杆7上的应变片5来实现数据采集。

实施例四

如图2所示：本实施例包括撞击杆3、入射杆4、透射杆7、两个相同的试样6、撞击杆发射机构2及高压气源1。本实施例中，与实施例一的不同之处在于入射杆4与试样相接触一端被加工成楔形头，而透射杆7与试样接触一端被加工成V形槽，同时入射杆4的楔形头和透射杆7的V形槽的斜面与杆的轴线夹角均为45°。入射杆4的楔形头一端和透射杆7的V形槽一端同轴相对安装，两个试样6分别夹在两个斜面中间。入射杆的另一端设有撞击杆3、撞击杆发射机构2及高压气源1。另外有数据采集系统8，其通过粘贴在入射杆4和透射杆7上的应变片5采集数据。

实验时：

2.调整入射杆4和透射杆7的位置，使入射杆4的V形槽与透射杆7的楔形面相对；

2.将两个相同的试样6对称的分别夹在入射杆4的V形槽和透射杆7的楔形面之间；

3.设置好数据采集系统8，等待触发；

4.通过高压气源1向发射机构2充气，并发射撞击杆3；

5.撞击杆3在高压气的驱动下冲击入射杆4，首先在入射杆4中产生压缩应力波，由于斜面的几何效应，该压缩应力波达到入射杆4与试样6接触的端面时将分解为压缩和剪切波，加载到试样6上，并透射入透射杆7，这样就实现了压剪动态联合加载。

6.同时，数据采集系统8通过粘贴在入射杆4和透射杆7上的应变片5来实现数据采集。