动态摩擦实验装置及测试材料动态力学性能的方法

摘要

本发明公开了一种动态摩擦实验装置及测试材料动态力学性能的方法，该实验装置包括底座、入射杆、轴压装置及扭矩加载装置，底座上设置有限位结构，入射杆包括同轴设置的至少两段，其中，靠近限位结构设置的一段为第一入射段，与第一入射段相连的为第二入射段，在第一入射段与第二入射段的连接处，沿第二入射段的轴向，第一入射段的横截面的投影位于第二入射段的横截面内，对试样的动态力学性能进行测试时，第一入射段朝向限位结构的一端与试样的第一端面抵接，试样的第二端面与限位结构相抵接，轴压装置用于对第二入射段施加压力，扭矩加载装置用于对第二入射段施加扭矩。该实验装置能够对试样进行瞬时的多次连续的不同幅值的动态扭矩加载。

说明书

技术领域

本申请涉及材料动态力学性能实验设备领域，尤其涉及一种动态摩擦实验装置及测试材料动态力学性能的方法。

背景技术

在航空航天、交通运输、隧道开挖等多领域中，工程结构或者材料通常是处于压缩与扭转的复合作用状态下，并且短时间内可能受到多次的荷载，使得材料在高应变率下的力学参数，如变形状态、强度、加工硬化和韧性等力学特性与静态的单一荷载加载的情况明显不同，因此，了解和认识材料在高应变率下的力学参数，对于工程设计和计算具有重要的意义。而霍普金森扭杆就是一种用于研究材料在动态压-剪复合状态下材料力学的实验装置。

通常霍普金森扭杆包括入射杆、钳紧装置以及加载装置，入射杆的一端与加载装置相连，另一端与材料试样相连，钳紧装置位于试样与加载装置之间，且能够对入射杆进行抱紧锁死。实验时，通常先使用钳紧装置抱死入射杆，使得入射杆靠近加载装置的一段可以随加载装置发生扭转与变形，达到储存能量的目的，当所储存的能量达到预定数值后瞬间解锁钳紧装置的抱死动作，使储存在入射杆中的能量以波的形式传播至试样上，以完成对试样的加载。

但是，霍普金森扭杆的入射杆对试样只能进行瞬时单次加载，而在实际工程中，材料所面临的是复杂的应力环境，通常会受到瞬时的多次加载，致使常规的霍普金森扭杆不能满足要求。

发明内容

针对现有技术中上述不足，本发明提供了一种动态摩擦实验装置及测试材料动态力学性能的方法，能够对试样进行瞬时的多次连续的不同幅值的动态扭矩加载。

为了实现上述目的，第一方面，本发明公开了一种动态摩擦实验装置，包括：

底座，所述底座上设置有限位结构，对试样的动态力学性能进行测试时，所述限位结构与所述试样的第一端面相抵接；

入射杆，所述入射杆与所述限位结构位于所述底座的同一侧，所述入射杆包括同轴设置的至少两段，其中，靠近所述限位结构设置的一段为第一入射段，与所述第一入射段相连的为第二入射段；在所述第一入射段与所述第二入射段的连接处，所述第一入射段的横截面积小于所述第二入射段的横截面积，沿所述第二入射段的轴向，所述第一入射段的横截面的投影位于所述第二入射段的横截面内；对所述试样的动态力学性能进行测试时，所述第一入射段朝向所述限位结构的一端与所述试样的第二端面抵接；

轴压装置，所述轴压装置与所述第二入射段远离所述第一入射段的一端连接，用于对所述第二入射段施加压力；

扭矩加载装置，所述扭矩加载装置与所述第二入射段连接，用于对所述第二入射段施加扭矩。

在本实施例中，对试样的动态力学性能进行测试时，限位结构与试样的第一端面相抵接，第一入射段朝向限位结构的一端与试样的第二端面抵接，第一入射段与第二入射段同轴设置，且轴压装置与第二入射段远离第一入射段的一端连接，扭矩加载装置与第二入射段连接，以使该动态摩擦实验装置在对试样的动态力学性能进行测试时，轴压装置能够对第二入射段施加压力，以使所施加的压力通过第二入射段和第一入射段传导至试样上，扭矩加载装置能够对第二入射段施加扭矩，并能够通过第一入射段和第二入射段将扭矩以扭转波的形式施加至试样上，以使试样能够进行轴压(即沿第二入射段的轴向施加的压力)和扭矩的复合加载，即试样能够处于压缩与扭转的复合作用状态下，从而能够测得试样在该复合载荷作用下的力学参数。

并且，在第一入射段与第二入射段的连接处，第一入射段的横截面积小于第二入射段的横截面积，且沿第二入射段的轴向，第一入射段的横截面的投影位于第二入射段的横截面内，使得第二入射段在朝向第一入射段的端面上形成反射面，以在对试样的动态力学性能进行测试时，扭矩加载装置在对第二入射段施加扭矩，且扭矩以扭转波的形式通过第二入射段和第一入射段传导至试样后，扭转波会有一部分透射出去，同时也会有一部分反射至第一入射段和第二入射段上。此时，反射的扭转波到达至反射面上后，反射面能够将扭转波再次向试样传播并传导至试样上，如此，扭转波可多次在反射面和试样之间传导，以使扭矩加载装置在对第二入射段施加扭矩后，试样能够在短时间内受到多次连续的不同幅值的动态扭矩加载，从而能够使试样在压缩与扭转复合作用下的力学参数更接近于实际，以对工程设计和计算提供重要的数据参考。

在第一方面可能实现的方式中，所述试样为圆环形片状结构，所述第一入射段为圆环形管状结构；其中，所述第一入射段的内径小于所述试样的外径，且所述第一入射段的外径大于所述试样的内径。

在第一方面可能实现的方式中，所述第二入射段也为圆环形管状结构，且所述第二入射段的壁厚大于所述第一入射段的壁厚。

在第一方面可能实现的方式中，所述第一入射段的外径小于所述第二入射段的外径，且所述第一入射段的内径与所述第二入射段的内径相同；

或者，

所述第一入射段的外径与所述第二入射段的外径相同，且所述第一入射段的内径大于所述第二入射段的内径。

在第一方面可能实现的方式中，所述扭矩在所述第一入射段与所述第二入射段的连接处的反射系数为R，R＝1-T，其中，T为所述扭矩在所述第一入射段与所述第二入射段的连接处的透射系数，

且

在第一方面可能实现的方式中，所述第一入射段的内侧壁的半径r

所述第二入射段的内侧壁的半径r

在第一方面可能实现的方式中，所述扭矩加载装置包括相互啮合的齿条和齿轮，所述齿条固定于所述底座上，所述齿轮与所述第二入射段固定连接。

在第一方面可能实现的方式中，所述实验装置还包括：

储能杆，所述储能杆的一端与所述第二入射段固定连接，所述储能杆的另一端与所述轴压装置相抵接，且与所述轴压装置可转动连接，所述齿轮套设于所述储能杆上；

钳紧装置，所述钳紧装置位于所述扭矩加载装置与所述第二入射段之间，所述钳紧装置包括钳紧伺服液压缸、固定板以及相对间隔设置的第一摩擦钳和第二摩擦钳，所述钳紧伺服液压缸和所述第一摩擦钳均固设于所述底座上，所述第二摩擦钳与所述底座滑动连接，所述钳紧伺服液压缸与所述第二摩擦钳连接，所述第一摩擦钳与所述第二摩擦钳远离所述底座的一侧均与所述固定板连接，所述储能杆穿设于所述第一摩擦钳与所述第二摩擦钳之间，且当所述第二摩擦钳通过所述钳紧伺服液压缸向所述第一摩擦钳移动至所述第一摩擦钳和所述第二摩擦钳均与所述储能杆紧密接触时，所述第一摩擦钳和所述第二摩擦钳能够夹紧所述储能杆，当所述固定板拉断时，所述第一摩擦钳与所述第二摩擦钳能够解除对所述储能杆的夹紧限制。

第二方面，本发明还提供了一种测试材料动态力学性能的方法，应用于第一方面中所述的动态摩擦实验装置中，该方法包括：

安装数据采集系统，将所述数据采集系统连接至所述入射杆的外周壁上；

将试样固定于入射杆朝向限位结构的一端上；

开启所述数据采集系统；

通过轴压装置对所述入射杆施加轴压至轴压设定值；

通过扭矩加载装置对所述入射杆施加扭矩至扭矩设定值；

通过所述数据采集系统采集数据并进行分析。

在本实施例中，试样在动态摩擦实验装置上可通过该方法进行动态力学性能的测试，并能够在短时间内进行多次连续的不同幅值的动态扭矩的加载，使得试样根据该方法测得的动态力学性能参数更接近于试样在实际应力环境下的动态力学性能参数。并且，该方法所应用的动态摩擦实验装置是第一方面中的动态摩擦实验装置，因此该测试材料动态力学性能的方法能够产生与上述第一方面中的实验装置相同或者类似的有益效果。

在第二方面可能实现的方式中，所述实验装置还包括钳紧装置和储能杆，所述储能杆的一端与所述入射杆远离所述试样的一端固定连接，所述储能杆的另一端与所述轴压装置相抵接且为可转动连接，所述钳紧装置固设于所述底座上且位于所述扭矩加载装置与所述入射杆之间的位置，所述储能杆穿设于所述钳紧装置中；

在将所述通过所述轴压装置对所述入射杆施加轴压至轴压设定值之后，在将所述通过扭矩加载装置对所述入射杆施加扭矩至扭矩设定值之前，还包括：

通过所述钳紧装置夹紧所述储能杆，以使所述储能杆能够存储所述扭矩加载装置所施加的扭矩。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种动态摩擦实验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种入射杆的剖视图之一；

图3为本发明实施例提供的一种入射杆的剖视图之二；

图4为本发明实施例提供的一种入射杆的剖视图之三；

图5为本发明实施例提供的一种扭矩加载装置的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种第二入射段、储能杆及套筒装配的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种钳紧装置的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种限位块与试样的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的测试试样动态力学性能的方法流程图；

图10为本发明实施例提供的钳紧装置夹紧储能杆的流程图；

图11为本发明实施例提供的钳紧装置解除对储能杆的夹紧限制的流程图。

附图标记说明：

1-底座；2-前挡板；3-轴压装置；4-储能杆；5-扭矩加载装置；51-扭矩伺服液压缸；52-齿条；53-齿轮；6-钳紧装置；61-钳紧伺服液压缸；62-第一摩擦钳；63-第二摩擦钳；64-固定板；7-入射杆；71-第一入射段；72-第二入射段；73-反射面；8-试样；9-限位结构；91-限位块；10-后挡板；11-拉杆；12-套筒；100-实验装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”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。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。

本发明实施例提供了一种动态摩擦实验装置及测试材料动态力学性能的方法，能够对试样进行瞬时的多次连续的不同幅值的动态扭矩加载。

下面通过具体的实施例对该动态摩擦实验装置及测试材料动态力学性能的方法进行详细说明：

实施例一

本申请实施例提供了一种动态摩擦实验装置，如图1-图4所示，包括：底座1、入射杆7、轴压装置3以及扭矩加载装置5，其中，底座1上设置有限位结构9，对试样8的动态力学性能进行测试时，限位结构9与试样8的第一端面相抵接；入射杆7与限位结构9位于底座1的同一侧，入射杆7包括同轴设置的至少两段，其中，靠近限位结构9设置的一段为第一入射段71，与第一入射段71相连的为第二入射段72，在第一入射段71与第二入射段72的连接处，第一入射段71的横截面积小于第二入射段72的横截面积，且沿第二入射段72的轴向，第一入射段71的横截面的投影位于第二入射段72的横截面内，对试样8的动态力学性能进行测试时，第一入射段71朝向限位结构9的一端与试样8的第二端面抵接；轴压装置3与第二入射段72远离第一入射段71的一端连接，用于对第二入射段72施加压力；扭矩加载装置5与第二入射段72连接，用于对第二入射段72施加扭矩。

本申请的动态摩擦实验装置可以是一种霍普金森扭杆实验装置，霍普金森扭杆实验装置是一种用于力学、工程与技术科学基础学科、材料科学以及机械工程领域的物力性能的实验装置，可用于研究工程材料在动态压-剪或者拉-剪复合状态下的力学参数。通常是由底座、入射杆以及扭矩加载装置等零部件组成，并在进行实验时，将数据采集系统与霍普金森扭杆连接来采集、存储数据，以获得材料在高应变率下的力学参数。

在本实施例中，对试样8的动态力学性能进行测试时，限位结构9与试样8的第一端面相抵接，第一入射段71朝向限位结构9的一端与试样8的第二端面抵接，第一入射段71与第二入射段72同轴设置，且轴压装置3与第二入射段72远离第一入射段71的一端连接，扭矩加载装置5与第二入射段72连接，以使该动态摩擦实验装置在对试样8的动态力学性能进行测试时，轴压装置3能够对第二入射段72施加压力，以使所施加的压力通过第二入射段72和第一入射段71传导至试样8上，扭矩加载装置5能够对第二入射段72施加扭矩，并能够通过第一入射段71和第二入射段72将扭矩以扭转波的形式施加至试样8上，以使试样8能够进行轴压(即沿第二入射段72的轴向施加的压力)和扭矩的复合加载，即试样8能够处于压缩与扭转的复合作用状态下，从而能够测得试样8在该复合载荷作用下的力学参数。

并且，在第一入射段71与第二入射段72的连接处，第一入射段71的横截面积小于第二入射段72的横截面积，且沿第二入射段72的轴向，第一入射段71的横截面的投影位于第二入射段72的横截面内，使得第二入射段72在朝向第一入射段71的端面上形成反射面73，以在对试样8的动态力学性能进行测试时，扭矩加载装置5在对第二入射段72施加扭矩，且扭矩以扭转波的形式通过第二入射段72和第一入射段71传导至试样8后，扭转波会有一部分透射出去，同时也会有一部分反射至第一入射段71和第二入射段72上。此时，反射的扭转波到达至反射面73上后，反射面73能够将扭转波再次向试样8传播并传导至试样8上，如此，扭转波可多次在反射面73和试样8之间传导，以使扭矩加载装置5在对第二入射段72施加扭矩后，试样8能够在短时间内受到多次连续的不同幅值的动态扭矩加载，从而能够使试样8在压缩与扭转复合作用下的力学参数更接近于实际，以对工程设计和计算提供重要的数据参考。

另外，上述的限位结构9、入射杆7、轴压装置3以及扭矩加载装置5均位于底座1的同一侧，且限位结构9、轴压装置3以及扭矩加载装置5均固设于底座1上，以使实验装置100的结构较为紧凑，节省了占用空间。

在本实施例中，在对试样8的动态力学性能进行测试时，试样8固定于第一入射段71和限位结构9之间，其中，试样8可固设于第一入射段71的端面上，如可通过胶水将试样8胶接与第一入射段71上，试样8与限位结构9相抵接，且当试样8所受到的扭矩大于试样8与限位结构9之间的最大静摩擦力时，试样8能够相对于限位结构9产生转动，以释放掉试样8所受到的部分扭矩。

另外，沿第一入射段71的轴向，试样8的长度远小于第一入射段71的长度，且试样8的形状可与第一入射段71的端面的形状相对应，即当第一入射段71的端面的形状为圆形时，试样8的形状可以是厚度较薄的圆盘状结构；当第一入射段71的端面的形状为圆环时，试样8的形状可以是厚度较薄的圆环形片状结构，当然也可以是其它相对应的形状，在此并不做限定，只要能够使第一入射段71将试样8固定在端面上，且能够将试样8固定于第一入射段71与限位结构9之间即可。以下将以试样8的形状为厚度较薄的圆环形片状结构，以及第一入射段71的端面的形状为圆环为例进行详细阐述。

试样8为圆环形片状结构，第一入射段71为圆环形管状结构；其中，第一入射段71的内径小于试样8的外径，且第一入射段71的外径大于试样8的内径。由此，既可防止试样8的内径大于第一入射段71的外径，又能够防止试样8的外径小于第一入射段71的内径，避免了第一入射段71不能够直接将试样8固定在端面上，防止了在对试样8的动态力学性能进行测试时不能够将试样8固定于第一入射段71于限位结构9之间的情况。

需要说明的是，上述的第一入射段71为圆形管状结构是指，第一入射段71的任意径向截面上的外径和内径均一致。

具体地，第一入射段71的内径、外径和试样8的内径和外径之间具有多种情况。在第一种可能的情况中，第一入射段71的内径小于试样8的外径，且第一入射段71的外径大于或者等于试样8的外径，此时，试样8的内径大于、小于或者等于第一入射段71的内径均可，且试样8的端面位于第一入射段71的端面内。在第二种可能的情况中，第一入射段71的外径小于试样8的外径，且第一入射段71的外径大于试样8的内径，此时，试样8的内径大于、小于或者等于第一入射段71的内径均可，且试样8的端面会有部分凸出于第一入射段71的周壁之外。以上的情况均能够通过第一入射段71将试样8固定于第一入射段71和限位结构9之间，以保证试样8的动态力学性能测试的顺利进行。

优选地，第一入射段71的内径与试样8的内径相同，第一入射段71的外径与试样8的外径相同，以防止试样8的外径小于第一入射段71的外径而导致部分扭矩加载装置5施加的扭矩和轴压装置3施加的压力作用不到试样8上，对部分施加的载荷造成浪费；同时，还能够防止试样8的外径大于第一入射段71的外径而导致试样8的一部分接收不到扭矩和压力的作用，使得试样8受力不均匀。

如图2-图4所示，第二入射段72也为圆环形管状结构，且第二入射段72的壁厚大于第一入射段71的壁厚。通过设置第二入射段72的壁厚大于第一入射段71的壁厚，可使得在第一入射段71和第二入射段72的连接处，第一入射段71的横截面位于第二入射段72的横截面内，已在第二入射段72朝向第一入射段71的端面上形成反射面73，结构简单易于实现。

需要说明的是，上述的第二入射段72为圆形管状结构是指，第二入射段72的任意径向截面上的外径和内径均一致。

具体地，第二入射段72的壁厚大于第一入射段71的壁厚可以具有多种情况。在第一种可能的情况中，如图2所示，第一入射段71的外径小于第二入射段72的外径，且第一入射段71的内径与第二入射段72的内径相同。即反射面73位于第二入射段72的端面的外边缘的区域内，此时，在对第一入射段71和第二入射段72进行加工制作时，只需对第一入射段71和第二入射段72的外径进行加工，即能够得到反射面73，加工工艺简单。

在第二种可能的情况中，如图3所示，第一入射段71的外径与第二入射段72的外径相同，且第一入射段71的内径大于第二入射段72的内径。即反射面73位于第二入射段72的端面的内边缘的区域内，此时，在对第一入射段71和第二入射段72进行加工制作时，只需对第一入射段71和第二入射段72的内径进行加工，即能够得到反射面73，加工工艺简单。

在第三种可能的情况中，如图4所示，第一入射段71的外径小于第二入射段72的外径，且第一入射段71的内径大于第二入射段72的内径。即在第二入射段72的端面的内边缘的区域内，和第二入射段72的端面的外边缘的区域内，均形成有反射面73。

上述的扭矩在第一入射段71与第二入射段72的连接处的反射系数为T，即扭矩波在反射面73上的反射系数为R，R＝1-T，其中，T为所述扭矩在所述第一入射段与所述第二入射段的连接处的透射系数，

第一入射段71和第二入射段72的密度由第一入射段71和第二入射段72的材质决定，第一入射段71和第二入射段72的质量可通过称量得知，由此，将第一入射段71和第二入射段72的转动惯量带入透射系数T的公式中，可得到透射系数T与第一入射段71的内侧壁的半径、外侧壁的半径以及第二入射段72的内侧壁的半径、外侧壁的半径之间的关系，方便了计算第一入射段71的内侧壁的半径、外侧壁的半径以及第二入射段72的内侧壁的半径、外侧壁的半径的数值以及反射面73的反射系数。

并且，因第一入射段71和第二入射段72均为圆环形管状结构，因此，第一入射段71的内侧壁的半径r

由此，结合R＝1-T，

并且，由于反射面73处的第一入射段71的截面面积和第二入射段72的截面面积的变化、第一入射段71的截面的形状和第二入射段72的截面的形状的变化、以及第一入射段71和第二入射段72的密度的变化过大或者过小，都易造成反射的扭转波在反射面73处的反射失败。

基于此，在本实施例中，第一入射段71和第二入射段72可为同一材料制作，即第一入射段71和第二入射段72的密度相同，且第一入射段71的截面的形状和第二入射段72的截面的形状均为圆环形，因此，当第一入射段71和第二入射段72的长度相同时，反射的扭转波在反射面73的透射系数仅与第一入射段71的内侧壁的半径、外侧壁的半径和第二入射段72的内侧壁的半径、外侧壁的半径有关，可得到透射系数

可选地，第二入射段72的壁厚可为第一入射段71的壁厚的二倍。由此，可在第二入射段72朝向第一入射段71的端面上形成明显的反射面73，以将反射的扭转波能够较为充分的再反射传导至试样8中。

具体地，当第一入射段71的内径与第二入射段72的内径相同时，即当第一入射段71的内侧壁的半径与第二入射段72的内侧壁的半径相同时，第一入射段71的外侧壁的半径与第二入射段72的外侧壁的半径之间的关系是，第二入射段72的外侧壁的半径等于第一入射段71的外侧壁的半径的2倍与第一入射段71的内侧壁的半径的差值，即R

在一些实施例中，轴压装置3可包括轴压伺服液压缸，且轴压伺服液压缸固设于底座1上，轴压伺服液压缸的活塞杆可与第二入射段72远离第一入射段71的一端相抵接，且第二入射段72可相对于轴压伺服液压缸的活塞杆转动。具体，可在第二入射段72远离第一入射段71的一端设置有轴承，以使第二入射段72与轴压伺服液压缸的活塞杆之间在相抵接的同时，还能够相对转动，以使扭矩加载装置5在对第二入射段72施加扭矩的时候不受轴压装置3的限制。

在一些实施例中，如图5所示，扭矩加载装置5包括相互啮合的齿条52和齿轮53，齿条52固定于底座1上，齿轮53与第二入射段72固定连接。通过设置相互啮合的齿条52和齿轮53，使得固定连接于第二入射段72上齿轮53在相对于齿条52转动时，齿轮53能够对第二入射段72施加扭矩。齿轮53的转动速率可调控，方便控制，以保证施加扭矩的安全性和高效性，且结构简单易实现。

具体地，扭矩加载装置5还包括扭矩伺服液压缸51，扭矩伺服液压缸51的输出端与齿条52连接，控制扭矩伺服液压缸51内的压力的变化即可调整扭矩伺服液压缸51的输出端的前后伸缩，以使齿条52上下移动，从而带动齿轮53旋转，以对第二入射段72施加扭矩。

另外，齿轮53与第二入射段72固定连接有多种实现方式，可以是齿轮53与第二入射段72通过键固定连接，即在第二入射段72上设置键，在齿轮53上设置键槽，通过将键嵌设到键槽内以使齿轮53与第二入射段72固定连接。如图6所示，也可以是齿轮53与第二入射段72通过套筒12固定连接，套筒12可焊接与齿轮53上，套筒12套设于第二入射段72上，并通过螺栓将套筒12固定于第二入射段72上，以使齿轮53与第二入射段72固定。

并且，底座1上可固定有固定座，固定座朝向齿轮53的一面与齿条52连接，且齿条52可以相对于固定座移动，齿条52与扭矩伺服液压缸51的活塞杆连接，以使扭矩伺服液压缸51能够推动齿条52上下往复移动。

如图7所示，实验装置100还包括储能杆4和钳紧装置6，其中，储能杆4的一端与第二入射段72固定连接，储能杆4的另一端与轴压装置3相抵接，且与轴压装置3可转动连接，齿轮53套设于储能杆4上。钳紧装置6位于扭矩加载装置5与第二入射段72之间，钳紧装置6包括钳紧伺服液压缸61、固定板64以及相对间隔设置的第一摩擦钳62和第二摩擦钳63，钳紧伺服液压缸61和第一摩擦钳62均固设于底座1上，第二摩擦钳63与底座1滑动连接，钳紧伺服液压缸61与第二摩擦钳63连接，第一摩擦钳62与第二摩擦钳63远离底座1的一侧均与固定板64连接，储能杆4穿设于第一摩擦钳62与第二摩擦钳63之间，且当第二摩擦钳63通过钳紧伺服液压缸61向第一摩擦钳62移动，至第一摩擦钳62和第二摩擦钳63均与储能杆4紧密接触时，第一摩擦钳62和第二摩擦钳63能够夹紧储能杆4，当固定板64被拉断时，第一摩擦钳62与第二摩擦钳63能够解除对储能杆4的夹紧限制。

由此，当扭矩加载装置5对第二入射段72施加扭矩时，扭矩加载装置5可先将扭矩施加于储能杆4上，储能杆4再将扭矩传导至第二入射段72上。并且，此时可通过钳紧装置6将储能杆4夹紧，以使扭矩加载装置5在对储能杆4施加扭矩时，储能杆4靠近第二入射段72的一端不能转动，而储能杆4与轴压装置3相抵接的一端与轴压装置3可转动连接，即储能杆4与轴压装置3相抵接的一端为自由端。因此，位于轴压装置3和钳紧装置6之间的储能杆4部分可发生转动，使储能杆4能够将扭矩能量先存储起来，直至钳紧装置6中的固定板64拉断，钳紧装置6解除对储能杆4的夹紧限制，储能杆4释放出储存的能量，产生扭转波，并能够短时间内沿着第二入射段72和第一入射段71传导至试样8上，以完成对试样8的扭矩的加载，操作步骤简单，易于实施。

另外，扭矩加载装置5先将扭矩施加于储能杆4上，并存储于储能杆4上，由储能杆4将扭矩传导至第二入射段72上，可防止扭矩加载装置5在施加并进行存储扭矩时将第二入射段72扭至变形，避免了因第二入射段72变形而影响试样8的动态力学性能测试。

具体地，储能杆4的一端与第二入射段72固定连接，可以是储能杆4与第二入射段72焊接固定；也可以是通过套筒12将储能杆4与第二入射段72固定，即套筒12的一端套设于储能杆4上，另一端套设于第二入射段72上，且套筒12上设置有固定销，以固定储能杆4和第二入射段72，且便于拆装。

另外，在钳紧装置6中，第一摩擦钳62和第二摩擦钳63相对的面上均设置有半圆形弧口，两个半圆形弧口可形成圆形孔，储能杆4贯穿于圆形孔中，在钳紧伺服液压缸61推动第二摩擦钳63向第一摩擦钳62移动时，两个半圆形弧口能够将储能杆4夹紧，即储能杆4被抱紧锁死，以限制储能杆4靠近第二入射段72的一端的转动。进一步地，圆形孔的内壁上设置有条形齿，以增大半圆形弧口与储能杆4之间的摩擦力。

并且，位于第一摩擦钳62与第二摩擦钳63远离底座1的一侧的固定板64可由脆性材料制成，如可以是较薄的塑料板，也可以是较薄的陶瓷板等。在钳紧伺服液压缸61推动作用下，由于杠杆作用，固定板64可被拉断，以使第一摩擦钳62和第二摩擦钳63能够解除对储能杆4的抱紧锁死限制，从而使储能杆4产生转动，释放储存的能量，产生扭转波。

在该实验装置100中，除包括上述的底座1、入射杆7、扭矩加载装置5和轴压装置3外，还包括支撑座，支撑座固设于底座1上，支撑座顶部设置有支撑孔，入射杆7贯穿于支撑孔中，且支撑座位于第一入射段71和第二入射段72的连接处，以对入射杆7起到支撑固定的作用。

另外，底座1上还设置有前挡板2和后挡板10，前挡板2和后挡板10均固定设置于底座1上，前挡板2与后挡板10之间架设有拉杆11，拉杆11可为螺纹杆，与前挡板2和后挡板10螺纹连接，并采用螺帽固定。且拉杆11可为四根，四根拉杆11两两对称设置于入射杆7的两侧，以提高轴压装置3对第二入射段72施加轴向压力时整个实验装置100的稳定性。并且，轴压装置3固定在前挡板2上，限位结构9固定在后挡板10上，入射杆7、储能杆4、扭矩加载装置5以及钳紧装置6位于前挡板2和后挡板10之间。

如图8所示，上述的限位结构9可以是圆盘状的限位块91，且限位块91作为支挡结构，其直径要远大于入射杆7的外径，比如限位块91的直径可以是入射杆7的外径的8倍，以保证限位块91具有很大的转动惯量，以使当试样8在扭矩的作用下转动时，限位块91能够相对于底座1保持静止。

实施例二

本实施例还提供了一种测试材料动态力学性能的方法，应用于实施例一中的动态摩擦实验装置中，如图9所示，该方法包括：

S10，安装数据采集系统，将数据采集系统连接至入射杆的外周壁上。

S20，将试样固定于入射杆朝向限位结构的一端上。

S30，开启数据采集系统。

S40，通过轴压装置对入射杆施加轴压至轴压设定值。

S50，通过扭矩加载装置对入射杆施加扭矩至扭矩设定值。

S60，通过数据采集系统采集数据并进行分析。

在本实施例中，试样8在动态摩擦实验装置上可通过该方法进行动态力学性能的测试，并能够在短时间内进行多次连续的不同幅值的动态扭矩的加载，使得试样8根据该方法测得的动态力学性能参数更接近于试样8在实际应力环境下的动态力学性能参数。并且，该方法所应用的动态摩擦实验装置是实施例一中的动态摩擦实验装置，因此该测试材料动态力学性能的方法能够产生与上述实施例一中的实验装置100相同或者类似的有益效果，在此不再进行赘述。

具体地，在步骤S10中，数据采集系统可以包括，应变片、桥盒、应变放大仪、示波器以及电脑，其中应变片沿与入射杆7的轴向呈45°的角度粘贴于入射杆7的外周壁上，然后应变片通过桥盒与应变放大仪电连接，应变放大仪与示波器电连接，示波器再电连接至电脑，以将测得的数据在电脑端通过软件进行分析、计算以及存储。且为提高测试的精度，可在入射杆7的同一位置处上下两侧各粘贴一个应变片，应变片在粘贴到入射杆7上后需要等1-2天风干，以使应变片与脉冲信号更好的耦合。优选地，应变片粘贴于第一入射段71上反射面73与试样8之间的中间位置处，以便于后续的数据处理。

步骤S20中，可将圆环形管状结构的试样8通过胶水粘贴在第一入射段71朝向限位结构9的端面上，在试样8在第一入射段71上固定好后，即可对试样8的动态力学性能进行测试。

步骤S30中，将数据采集系统接通电源，并给予入射杆7一定的瞬时载荷，比如轻轻敲击入射杆7，观察数据采集系统采集到的波形，以检验数据采集系统的工作情况，以及是否有干扰信号扰动，若有较强的干扰信号，则尝试消除解决，一切正常后即可开始下一步操作。

步骤S40中，在通过轴压装置3对入射杆7施加轴压之前，还要检查拉杆11两端的螺帽是否拧紧，储能杆4与入射杆7之间的连接是否牢固，钳紧装置6、轴压装置3以及扭矩加载装置5是否正常。在确保试验区域安全后，开启电源，设定轴压值，启动轴压伺服液压缸，使轴压伺服液压缸的活塞杆在油压作用下推动储能杆4移动，以推动入射杆7移动，直至试样8与限位块91紧密接触，此时，轴压伺服液压缸的轴压继续逐渐升高，直至轴压设定值，并保持在该数值。

步骤S50中，开启电源，设定扭矩值，启动扭矩伺服液压缸51，控制齿条52逐渐上升，并带动齿轮53转动，因齿轮53与入射杆7固定连接，入射杆7与试样8固定粘接，试样8与限位块91相抵接，使得试样8与限位块91之间具有静摩擦力，即在施加在入射杆7上的扭矩未大于试样8与限位块91之间的最大静摩擦力之前，入射杆7会处于静止状态，此时入射杆7与轴压装置3相抵接的一端属于自由端，因此，施加于入射杆7上的扭矩能量会先储存于入射杆7上。当入射杆7上的扭矩大于试样8与限位块91之间的最大静摩擦力时，入射杆7会带动试样8一起转动，此时，扭矩伺服液压缸51的轴压继续逐渐升高，直至扭矩设定值，并保持在该数值，入射杆7与试样8会继续转动，并逐渐减缓直至试样8停止转动，并且在施加扭矩直至试样8停止转动的过程中，扭矩会以波的形式传导至试样8上，并在试样8和反射面73之间反复传导。

步骤S60中，扭矩在以波的形式作用于试样8后，扭转波的数据被应变片所采集，并显示在示波器上，然后可根据试验所获得的数据，进一步分析在短时间内多次荷载作用过程中试样8的动态力学性能，如，试样8相对滑动前摩擦面的应力状态，以及滑动过程中的滑移速率、摩擦力、摩擦系数的变化，以得到试样8在扭矩施加前后全摩擦过程的力学行为演化，依次来反演不同应力环境下各种材料失稳前所表现的状况。

最后在完成以上步骤后，首先调整轴压装置3开始泄压，直至轴压伺服液压杆的油压值为零，同样的调整扭矩加载装置5将油压调整为零，将齿条52归位，然后回收试样8，进行后续的研究分析。

在一些实施例中，实验装置100还包括钳紧装置6和储能杆4，储能杆4的一端与入射杆7远离试样8的一端固定连接，储能杆4的另一端与轴压装置3相抵接且为可转动连接，钳紧装置6固设于底座1上且位于扭矩加载装置5与入射杆7之间的位置，储能杆4穿设于钳紧装置6中。

此时，在将通过轴压装置3对入射杆7施加轴压至轴压设定值之后，在将通过扭矩加载装置5对入射杆7施加扭矩至扭矩设定值之前，如图10所示，还可包括以下步骤：

S40a，通过钳紧装置夹紧储能杆，以使储能杆能够存储扭矩加载装置所施加的扭矩。

具体地，首先设定钳紧装置6的压力数值，然后开启钳紧装置6中的钳紧伺服液压缸61，并逐渐向第二摩擦钳63施加压力，直至达到预定压力数值，此时储能杆4受到第一摩擦钳62和第二摩擦钳63的摩擦作用，使得储能杆4位于轴压装置3和钳紧装置6之间的部分发生转动并储存能量。

在通过扭矩加载装置5对入射杆7施加扭矩至扭矩设定值之后，在通过数据采集系统采集数据并进行分析之前，如图11所示，还包括：

S50a，解锁钳紧装置的夹紧，以释放储存于储能杆中的扭矩。

具体地，在扭矩加载达到扭矩设定值时，停止对齿条52的移动，此时钳紧伺服液压缸61继续推动第二摩擦钳63的移动，直至在杠杆作用下拉断固定板64，此时，第一摩擦钳62和第二摩擦钳63会松开对储能杆4的夹紧，储存于储能杆4中的能量得以释放，扭转波沿入射杆7传导并作用于试样8，扭转波在传至试样8后发生透射与反射，反射的扭转波沿入射杆7向远离试样8的方向传导，并到达反射面73发生二次反射，重新将扭转波反射回试样8，如此，扭转波可在试样8和反射面73之间多次反射和传播，使得试样8可在短时间内受到多次连续的不同幅值的动态扭矩加载。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。