一种基于Hopkinson拉杆实现拉/压冲击疲劳试验的装置及方法

摘要

本发明一种基于Hopkinson拉杆实现拉/压冲击疲劳试验的装置及方法，属于材料冲击疲劳性能测试领域；包括反作用质量块、能量吸收器、能量传递杆、定位销、传递法兰、脉冲发生器、真空回收装置、发射装置、电阻应变片、入射杆、透射杆和能量吸收套筒；能量传递杆、定位销、入射杆和透射杆依次同轴设置，试样安装于入射杆和透射杆之间；能量吸收器安装于反作用质量块和能量传递杆之间，通过回推弹簧与能量传递杆连接，用于吸收能量传递杆内的能量；脉冲发生器和发射装置套装于入射杆上，用于产生入射脉冲；能量吸收套筒套装于透射杆自由端。本发明能够定量的控制与实时测试和显示冲击力和冲击波构形，实现高频次的连续冲击加载等关键技术。

说明书

技术领域

本发明属于材料冲击疲劳性能测试领域，具体涉及一种基于Hopkinson拉杆实现拉/压冲击疲劳试验的装置及方法。

背景技术

在航空航天、交通运输、兵器武装等工程领域中，材料难以避免会面临各种极端力学环境，其中冲击是常见的严重受载方式之一。这种加载方式往往冲击速度高，持续时间短，载荷瞬间从0增加到峰值，到达峰值的时间是微秒到毫秒量级。在冲击加载作用下材料很容易产生损伤，这些微损伤在多次重复冲击下逐渐累积并萌生微裂纹、加速裂纹扩展，最终导致材料破坏。与常规静态加载不同，冲击疲劳需要考虑材料加载过程中的应变率效应，且伴随着绝热温升效应。材料的塑性流动应力，损伤演化，微观结构演化都与加载应变率有关，因此了解材料高应变率下冲击疲劳性能，防止结构件在反复冲击载荷作用下的疲劳损伤和失效成为工程领域研究的热点和难点。

文献1申请公布号为CN110926967A的中国专利公开了一种自由落体式冲击疲劳试验机，具体结构参照图7。该试验装置主要包括圆轮驱动装置28，提升块29，圆轮30，L形板31，砝码33，冲头35等。固定在圆轮30上的提升块29可以在圆轮驱动装置28的电机驱动下进行圆周运动。当提升块29位于圆轮30最底部时可以带动L形板31一起运动，此时和L形板31通过连接杆32紧固的砝码33和冲头35也随之向上提升；提升块29运动到圆轮30最顶部时与L形板31分离，L形板31、砝码33和冲头35在重力作用下自由下落并冲击试样，实现冲击疲劳加载。通过调节冲头35与试样之间的距离或更换不同重量的砝码33虽然可以实现不同冲击能量疲劳加载，但自由落体的方式可实现的冲击加载应变率较低(10

目前Hopkinson杆系统是测试材料高应变率下力学响应最可靠的装置之一，然而传统的Hopkinson杆在一次冲击加载后需要很长时间才能重新加载。材料冲击疲劳性能测试试验中，通常要进行10

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于Hopkinson拉杆实现拉/压冲击疲劳试验的装置及方法，有效解决现有技术冲击加载应变率低，加载方式单一的问题，并能够定量的控制与实时测试和显示冲击力和冲击波构形，实现高频次的连续冲击加载等关键技术。

本发明的技术方案是：一种基于Hopkinson拉杆实现拉/压冲击疲劳试验的装置，其特征在于：包括脉冲发生系统、脉冲传递吸收系统、脉冲发生器回收系统和试样，各系统均同轴设置、并轴向平行固定于实验平台上；

所述脉冲发生系统包括反作用质量块1、炮管11、脉冲发生器12、后端激光传感器13和发射装置16；反作用质量块1和发射装置16通过支座固定于实验平台上，炮管11同轴安装于发射装置16朝向反作用质量块1一侧，脉冲发生器12安装于炮管11中；后端激光传感器13安装于炮管11靠近发射装置16一侧，与发射装置16电路串联；

所述脉冲传递吸收系统包括能量吸收器2、回推弹簧3、限位卡环4、回推顶片5、回推卡环6、能量传递杆7、定位销8、传递法兰9、电阻应变片18、入射杆19、透射杆21和能量吸收套筒22，其中能量吸收器2、能量传递杆7、定位销8、传递法兰9、入射杆19和透射杆21均通过支座同轴安装于实验平台上；入射杆19和透射杆21均为安装有电阻应变片18的等径直杆；入射杆19朝向反作用质量块1的一端同轴设置有第一传递法兰，另一端同轴依次穿过脉冲发生器12和发射装置16、与试样20的一端同轴连接，并能够沿轴向相对脉冲发生器12和发射装置16滑动，入射杆限位卡箍17设置于发射装置16与入射杆19的连接处，用于限制入射杆19沿加载方向的运动；透射杆21的一端与试样20的另一端同轴连接，其另一端同轴设置有第二传递法兰，能量吸收套筒22套装于能量吸收套筒22上、并与第二传递法兰接触；能量传递杆7通过定位销8同轴设置于第一传递法兰的外侧；限位卡环4和回推卡环6同轴套装于能量传递杆7上，用于保证能量传递杆7快速回到撞击前位置、保持能量传递杆7和传递法兰9之间精确的预留距离；回推顶片5安装于限位卡环4和回推卡环6之间；能量吸收器2为一端封闭的套筒结构，开口端朝向能量传递杆7，并通过回推弹簧3与回推顶片5连接，用于吸收能量传递杆7内的能量；

所述脉冲发生器回收系统包括前端激光传感器10和真空回收装置15；前端激光传感器10设置于安装于炮管11上，其发射和接收探头分别置于第一传递法兰上、下两侧，并保证激光不被入射杆19遮挡；真空回收装置15安装于炮管11靠近发射装置16一侧，前端激光传感器10和真空回收装置15电路串联，当激光被脉冲发生器12遮挡时电压会发生改变，继而触发真空回收装置15工作。

本发明的进一步技术方案是：所述第一传递法兰的端面中心处开有销钉孔，用于定位销8的安装。

本发明的进一步技术方案是：所以脉冲发生器12通过改变几何形状获得不同脉冲构形的加载波，所述脉冲构形为三角波、方波、半正弦波或双线性波。

本发明的进一步技术方案是：所述脉冲发生器12能够通过改变速度获得不同脉冲幅值。

本发明的进一步技术方案是：还包括限位销钉14，限位销钉14安装于后端激光发生器13与发射装置16之间，防止高速回收的脉冲发生器12撞坏发射装置16。

本发明的进一步技术方案是：所述试样20为圆柱形或板状，圆柱试样通过螺纹连接方式分别与入射杆19、透射杆21连接，板状试样通过加工销钉孔分别与入射杆19和透射杆21固定连接。

本发明的进一步技术方案是：所述入射杆19外周面距试样20一米的位置对称张贴电阻应变片18，透射杆21中部外周面上也对称张贴电阻应变片18；对称张贴的电阻应变片18采用惠斯通电桥半桥方式接入电路，并通过超动态应变仪和采集器采集脉冲信号。

一种基于Hopkinson拉杆实现拉/压冲击疲劳试验的装置实现拉-拉冲击疲劳加载的方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤一：首先，通过锁紧限位卡箍17将入射杆19沿加载方向固定，再将脉冲发生器12推到发射装置16一端；然后，通过塞规精确控制入射杆19上第一传递法兰和能量传递杆7之间的距离，预留的精确距离将能量传递杆7和入射杆19上的传递法兰9隔开；

步骤二：先后开启前端激光传感器10和后端激光传感器13，在发射装置16的驱动下，脉冲发生器12在设定速度下撞击第一传递法兰，在入射杆19中产生拉伸脉冲向试样20传播，拉伸脉冲完成对试样加载后，部分透射进入透射杆21，部分以压缩波的形式反射回入射杆19；脉冲发生器12产生的整个拉伸脉冲完全进入入射杆19，预留的精确距离就会闭合，能量传递杆7右端部和传递法兰9左端部就发生接触；

步骤三：所述反射压缩波传入能量传递杆7，并在能量传递杆7的自由端反射为拉伸波，由于能量传递杆7与传递法兰9的接触面不能传递拉伸载荷，该反射脉冲被能量传递杆7捕获，使能量传递杆7远离第一传递法兰，进而该反射脉冲被能量吸收器2吸收，至此入射杆19中再无加载脉冲；

同时，经过试样20透射进入透射杆21的脉冲，也在透射杆21的自由端被能量吸收套筒22捕获，不会多次加载试样20；

步骤四：完成上述第一次撞击完成后，能量传递杆7远离第一传递法兰，两者之间的预留距离被回推弹簧3拉回初始位置，当脉冲发生器12遮挡前端激光传感器10，激发真空回收装置15将脉冲发生器12回收到发射装置16端，并开始二次撞击；如此往复式发射与回收脉冲发生器12能够实现拉-拉冲击疲劳加载。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤四中，回推顶片5通过回推弹簧3与能量吸收器2连接；当能量传递杆7远离传递法兰9时，回推弹簧3被压缩，并通过回推顶片5推动回推卡环6将能量传递杆7靠近第一传递法兰；当能量传递杆7和传递法兰9之间距离小于预留间隙，回推弹簧3将会被拉长，限位卡环4在回推弹簧3拉力作用下将能量传递杆7拉回初始位置，能够保证能量传递杆7和传递法兰9始终保持在预留间隙位置，保证重复单次加载。

一种基于Hopkinson拉杆实现拉/压冲击疲劳试验的装置实现拉-压冲击疲劳加载的方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤一：首先，做拉-压冲击疲劳加载时，将能量吸收器2、回推弹簧3、限位卡环4、回推顶片5和回推卡环6去除，

步骤二：将锁紧限位卡箍17将入射杆19沿加载方向固定，将脉冲发生器12推到发射装置16一端；

步骤三：先后开启前端激光传感器10和后端激光传感器13，在发射装置16的驱动下，脉冲发生器12在设定速度下撞击第一传递法兰，产生的部分拉伸脉冲完全通过第一传递法兰进入入射杆19向试样20运动，另一部分压缩脉冲传递到能量传递杆7中向反作用质量块1传播；入射脉冲分为连续的拉伸加载脉冲23和压缩加载脉冲26；

步骤四：当脉冲传递到反作用质量块1处时，将反作用质量块1作为固定边界，压缩脉冲在固定边界上反射仍为压缩波，并沿能量传递杆7进入传递法兰9和入射杆19中，且压缩脉冲26和先产生的拉伸脉冲23除了加载方式不一样外，幅值、脉宽都完全相同；

步骤五：第一次撞击完成后，脉冲发生器12遮挡前端激光传感器10，激发真空回收装置15将脉冲发生器12回收到发射装置16端，并开始二次撞击；如此往复式发射与回收脉冲发生器12可实现拉-压冲击疲劳加载。

有益效果

本发明的有益效果在于：

(1)对于冲击力与冲击波构形控制，通过改变脉冲发生器12的特性来实现——当脉冲发生器12以不同速度撞击第一传递法兰9时，能够对试样实现不同冲击力加载；以不同几何形状的套筒作为脉冲发生器12时，可以产生不同的冲击波构形，如图2所示。同时脉冲发生器12与传递法兰9采用非应力集中设计，以避免冲击导致的损伤与变形影响加载波的几何构形；(2)对于冲击测控性，通过电阻应变片18测试入射杆19和透射杆21上的应变，基于一维应力波理论定量显示冲击力波形、变形位移等；(3)对于高频次连续冲击，将传统的单次发射改为重复发射，增加自动控制系统，通过气动与机电一体化计算机控制高压气体发射装置16和真空回收装置15控制脉冲发生器12发射与回收行程、时间、速度等实现脉冲发生器12的自动吸入和自动发射；(4)对于冲击过程中的单次加载性，通过传递法兰9、定位销8、能量传递杆7和能量吸收器2之间的配合，将反射波捕获从而抑制应力不可控的后续加载波对试样的二次甚至多次重复加载，如图4所示；(5)对于拉-压组合加载，通过传递法兰9、能量传递杆7和反作用质量块1之间的配合，基于应力波在边界处反射和叠加基本规律产生一列先拉伸再压缩的入射脉冲，如图6显示。

相于比背景技术中文献1，本装置基于Hopkinson拉杆通过脉冲发生器12和入射杆19高速冲击方式实现疲劳加载，与传统的自由落体方式相比，冲击加载应变率更高(10

相比于背景技术中文献2，本装置中传递应力波的能量传递杆7、入射杆19和透射杆21均没有复杂的截面变化，不会出现复杂的界面反射可以保证弹性应力波在传播过程中的完整性，；文献2的装置在每次加载过程中，无法抑制不可控的反射波对试样多次加载，在本发明装置通过能量吸收器2、能量传递杆7、定位销8、传递法兰9、脉冲发生器12，入射杆19的单次脉冲加载试验技术(原理如图3所示)可以避免不可控反射波对试样二次甚至多次加载，试验结果如图4所示，可以更可靠的获得材料冲击疲劳性能；文献2的装置只能实现对圆柱试样的压-压冲击疲劳加载，本发明装置利用应力波在端面反射规律，通过反作用质量块1、能量传递杆7、定位销8、传递法兰9、脉冲发生器12和入射杆19(原理如图5所示)调制出不同加载方式的脉冲，试验结果如图6所示。可以用于圆柱、板状试样拉-拉，拉-压冲击疲劳性能测试，拓宽了试样形式和冲击应力状态加载方式。

附图说明

图1是本发明的基于Hopkinson拉杆实现拉/压冲击疲劳的装置结构示意图。

图2是不同脉冲发生器12撞击传递法兰9产生的不同冲击波构形。

图3是本发明装置进行拉-拉冲击疲劳加载的原理图。

图4是利用本发明装置抑制第二个拉伸加载波25，得到的单次拉伸加载入射波23，从而实现拉-拉冲击疲劳性能测试。

图5是本发明装置进行拉-压冲击疲劳加载的原理图。

图6是利用本发明装置得到的一列连续拉伸-压缩加载入射波，从而实现拉-压冲击疲劳性能测试。

图7是参考文献1提出的自由落体式冲击疲劳试验装置示意图。

图8是参考文献2提出的基于Hopkinson压杆实现压-压冲击疲劳试验的装置示意图。

附图标记说明：1-反作用质量块，2-能量吸收器，3-回推弹簧，4-限位卡环，5-回推顶片，6-回推卡环，7-能量传递杆，8-定位销，9-传递法兰，10-前端激光传感器，11-炮管，12-脉冲发生器，13-后端激光传感器，14-限位销钉，15-真空回收装置，16-发射装置，17-锁紧限位卡箍，18-电阻应变片，19-入射杆，20-试样，21-透射杆，22-能量吸收套筒，23-拉伸入射波，24-反射波，25-被抑制的第二次拉伸加载波，26-压缩入射波，27-滚珠丝杠驱动装置，28-圆轮驱动装置，29-提升块，30-圆轮，31-L形板，32-连接杆，33-砝码，34-承重板，35-冲头，36-滚珠丝杠，37-子弹，38-传递杆，39-试样夹具，40-气动夹持装置。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

根据本发明提出的基于Hopkinson拉杆实现拉/压冲击疲劳试验装置用于测试圆柱、板状试样的冲击疲劳性能。本发明装置结构如图1所示，具体可以分为脉冲发生系统，脉冲传递系统，脉冲发生器回收系统和试样四部分。脉冲发生系统主要包括反作用质量块1，能量传递杆7，定位销8，传递法兰9，炮管11，脉冲发生器12，后端激光传感器13，发射装置16，入射杆限位卡箍17等；脉冲传递系统主要包括能量传递杆7，定位销8，传递法兰9，电阻应变片18，入射杆19，透射杆21，能量吸收套筒22；脉冲发生器回收系统由前端激光传感器10，脉冲发生器12，限位销钉14，真空回收装置15组成。

如图1所示，套筒式脉冲发生器12安装在入射杆19上，且在入射杆19上可以自由滑动，根据冲击疲劳性能测试中具体需要的加载脉冲构型，应力幅值、脉宽选择不同材料、长度和形状的脉冲发生器12，图2显示了不同长度、形状脉冲发生器12产生的三角波、方波、半正弦波等加载脉冲。在入射杆19表面距试样20一米左右的位置对称张贴电阻应变片18，两只电阻应变片18通过惠斯通电桥半桥方式与超动态应变仪连接，用于测量入射杆19上的脉冲信号。入射杆19远离试样20端加工传递法兰9，传递法兰9和入射杆19为一个整体，脉冲发生器12在发射装置16的驱动下高速撞击传递法兰9并在入射杆19中产生加载脉冲向试样20传播。传递法兰9左侧安装能量传递杆7，能量传递杆7可用于吸收入射杆19内加载试样20后的剩余能量或用于调制加载脉冲。传递法兰9和能量传递杆7中间通过定位销8连接，定位销8既可以保证传递法兰9和能量传递杆7的同轴度，也可以精确控制传递法兰9和能量传递杆7之间的距离。能量传递杆7左侧安装能量吸收器2以吸收能量传递杆7内的能量，如图3所示通过控制传递法兰9和能量传递杆7之间的距离(该距离可以根据脉冲发生器12的长度和脉冲应力幅值确定)可以使加载完成后从试样20处返回的反射波24传递到能量吸收杆7中，并最终被能量吸收器2吸收，电阻应变片18采集到的脉冲信号如图4所示，被抑制的第二列拉伸波25避免了不可控的反射脉冲对试样20的二次甚至多次加载。能量吸收器2位置可以更换为反作用质量块1来调制脉冲，如图5所示反作用质量块1、能量传递杆7和传递法兰9始终紧密贴合，当脉冲发生器12撞击到传递法兰9上时，一部分脉冲以拉伸波形式23在入射杆19中向试样20传播，另一部分脉冲以压缩波形式由能量传递杆7向左传递并经过反作用质量块1反射后仍以压缩波形式在入射杆19中向试样20传播。经过调制后的入射波分为先拉伸后压缩的形式加载试样，入射杆19上的电阻应变片18采集到的入射脉冲如图6所示。试样20右侧与透射杆21连接，在透射杆21中部粘贴电阻应变片18和入射杆19一致，透射杆21右侧加工传递法兰9，透射杆21外侧安装能量吸收套筒22用于捕获加载试样20后的透射波避免试样20被不可控脉冲二次甚至多次加载。

上面描述了第一个脉冲传递和加载情况，下面具体阐释脉冲发生器12的回收和重加载技术方案，从而实现冲击疲劳加载。当脉冲发生器12撞击到传递法兰9上进行第一次加载时，传递法兰9撞击处的前端激光传感器10被触发，并反馈给真空回收装置15，真空回收装置15开始工作，将脉冲发生器12快速向右移动回到发射位置。在发射装置16前端安装限位销钉14，防止高速运动的脉冲发生器12撞坏发射装置16。脉冲发生器12向右移动到限位销钉14位置时，后端激光传感器13被触发并反馈给发射装置16，发射装置16驱动脉冲发生器12高速撞击传递法兰9，实现第二次冲击加载。这种往复式冲击加载脉冲恒定且间隔时间可控，从而实现冲击疲劳加载。

下面以拉-压冲击疲劳加载为实施例，具体说明本发明具体测试步骤。

步骤1、布置试验设备。

将入射杆19，透射杆21和能量传递杆7安装在实验平台上，保证三杆同轴度；将入射杆19上的传递法兰9、能量传递杆7和反作用质量块1紧密贴合，将透射杆21上的传递法兰9和能量吸收套筒22紧密贴合；根据测试需要的脉冲构型，加载脉宽选择合适的脉冲发生器12，将脉冲发生器12套入入射杆19中保证脉冲发生器12可以自由滑动，并首先将脉冲发生器12置于发射装置16前端限位销钉14处；将圆柱试样20两端通过螺纹连接旋入入射杆19和透射杆21上，或将夹持端带有销钉孔的板状试样20通过销钉和入射杆19和透射杆21连接。

步骤2、设置发射、回收装置参数。

根据冲击疲劳性能测试试验中需要的加载应变率设定发射装置16参数，驱动脉冲发生器12以固定速度撞击传递法兰9，从而获得合适的脉冲应力幅值；根据疲劳加载频率要求，设定真空回收装置15参数以调整脉冲发生器12回收速度。

步骤3、启动脉冲发生系统实现冲击加载。

同时开启前端激光传感器10和后端激光传感器13，后端激光传感器13首先被触发并启动发射装置16驱动脉冲发生器12撞击传递法兰9，一部分脉冲以拉伸波形式23在入射杆19中向试样20传播，另一部分脉冲以压缩波形式向能量传递杆7传播并经反作用质量块1固定端面反射后仍以压缩波形式26在入射杆19中也向试样20传播，经过调制后的一列连续入射波可分为先拉伸后压缩的形式加载试样20，如图6所示；

步骤4、回收及重复加载

当完成第一次撞击加载后，传递法兰9撞击处的前端激光传感器10被触发，并反馈给真空回收装置15将脉冲发生器12快速向右移动回到发射位置；后端激光传感器13被触发并重复步骤3，实现第二次冲击加载。重复步骤3和步骤4，这种往复式冲击加载可以实现材料冲击疲劳性能测试。

步骤5、脉冲信号采集与数据处理。

在入射杆19表面距试样20一米的位置对称张贴电阻应变片18，在透射杆21中部也对称张贴电阻应变片18。对称张贴的电阻应变片18采用惠斯通电桥半桥方式接入电路并通过超动态应变仪和采集器采集脉冲信号。根据一维弹性应力波在杆中传播基本原理和试样沿加载方向应变、应力分布均匀的假设，可以得到试样在每次冲击加载过程中的承受的冲击载荷和相应的变形。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。