一種擺錘加載中應(yīng)變率霍布金森壓桿試驗(yàn)裝置及方法制造方法及圖紙

一種擺錘加載中應(yīng)變率霍布金森壓桿試驗(yàn)裝置及方法，屬于巖石動(dòng)力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明專利技術(shù)能夠通過調(diào)整擺錘的擺角控制錘頭的沖擊速度，實(shí)現(xiàn)中應(yīng)變率加載條件下相同的動(dòng)態(tài)應(yīng)力波加載。裝置：包括擺錘支架，在擺錘支架上設(shè)置擺錘；在擺錘支架一側(cè)設(shè)置校準(zhǔn)支座，在校準(zhǔn)支座上放置入射桿和透射桿，入射桿、透射桿及錘頭的軸心在同一直線上；在入射桿和透射桿上設(shè)有應(yīng)變片，應(yīng)變片通過前置信號(hào)放大器與示波記錄儀的輸入端相連接，示波記錄儀的輸出端與計(jì)算機(jī)相連。方法；調(diào)整校準(zhǔn)支座的高度和位置，保證入射桿、透射桿和擺錘錘頭的中心對(duì)正；將試樣夾在入射桿與透射桿間；按照所需錘頭沖擊速度，調(diào)整擺錘擺角；放開擺錘進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，記錄和儲(chǔ)存試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于巖石動(dòng)力學(xué)
，特別是涉及，適用于研究材料在動(dòng)態(tài)中應(yīng)變率沖擊加載條件下的力學(xué)特性。
技術(shù)介紹
在許多諸如采礦、水利、交通、人防等人類活動(dòng)以及地震、滑坡等自然災(zāi)害現(xiàn)象中都涉及到巖石或巖體受沖擊荷載作用以及與之有關(guān)的巖石動(dòng)力學(xué)問題。目前，爆破技術(shù)己經(jīng)廣泛地應(yīng)用于礦山開采、隧道開挖和水利水電設(shè)施建設(shè)等巖土工程領(lǐng)域，大規(guī)模頻繁的爆破作業(yè)對(duì)工程圍巖和附近的其他非爆破目標(biāo)造成不同程度上的破壞；同時(shí)，這些人類工程不可避免地面對(duì)著地震、滑坡和海嘯等自然災(zāi)害的威脅。上述巖土工程的動(dòng)態(tài)破壞幾乎都與應(yīng)力波在巖體中的傳播以及沖擊荷載作用下的巖體失穩(wěn)有關(guān)。因此，研究巖石在沖擊載荷下的損傷和破壞成為一個(gè)熱點(diǎn)問題。工程爆破中巖石受到爆破沖擊波的作用，巖石加載的應(yīng)變率在10° IO5iT1之間；在巖石的破碎圈內(nèi)，加載的應(yīng)變率較高，處于IO2 IO4iT1之間；在破碎圈外加載的應(yīng)變率較低，在10° IO3S-1之間。因此，為了認(rèn)清巖石在不同應(yīng)變率條件下的力學(xué)響應(yīng)特征，需要研制相應(yīng)的試驗(yàn)裝置。分離式霍布金森壓桿是目前研究巖石的動(dòng)態(tài)特性的主要試驗(yàn)裝置之一，自Kumar將SHPB裝置引入到巖石動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的測試，至今己經(jīng)有40余年，但仍有不少技術(shù)問題有待進(jìn)一步探究。相對(duì)于金屬材料而言，巖石類脆性材料的彈性模量和強(qiáng)度都低很多，傳統(tǒng)的矩形應(yīng)力波由于波形上升歷時(shí)短，巖石試樣在達(dá)到應(yīng)力平衡前就可能破壞失效。因此，采用常規(guī)的試驗(yàn)裝置較難獲得理想的試驗(yàn)結(jié)果。為了解決這些難題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛地探索，提出了波形整形器技術(shù)和異形沖頭技術(shù)，這些技術(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)試樣中應(yīng)力平衡和獲得恒應(yīng)變率加載有極大幫助。基于這些技術(shù)，出現(xiàn)了不同加載方式的SHPB(Split Hopkinson PresSure Bar)試驗(yàn)裝置，由于目前的SHpB試驗(yàn)裝置大多采用的是氣炮加載，精確控制沖頭沖擊入射桿的速度比較困難，目前主要研究應(yīng)變率處于IO2 IO4iT1之間的高應(yīng)變率加載。一般來說，在低應(yīng)變率區(qū)，材料對(duì)應(yīng)變率不敏感，在高應(yīng)變率區(qū)，材料對(duì)應(yīng)變率很敏感，中應(yīng)變率區(qū)則是材料性能由應(yīng)變率不敏感到應(yīng)變率敏感的轉(zhuǎn)變區(qū)，因此，研發(fā)適宜于中應(yīng)變率(10° < <102)條件下巖石力學(xué)的試驗(yàn)裝置，對(duì)于研究巖石在中應(yīng)變率區(qū)的應(yīng)變率相關(guān)性是十分必要和重要的。為了滿足巖石本構(gòu)關(guān)系及其應(yīng)變率效應(yīng)測試的要求，新的加載裝置要易于控制加載的應(yīng)力波形，且波形具有良好的可重復(fù)性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本專利技術(shù)提供一種在中應(yīng)變率U0(W<102)加載條件下，加載應(yīng)力波易于控制和具有可重復(fù)性的擺錘加載中應(yīng)變率霍布金森壓桿試驗(yàn)裝置(Intermediate Strain Rate-SHPB，簡稱ISR-SHPB)及方法。該裝置能夠通過調(diào)整擺錘的擺角控制錘頭的沖 擊速度，實(shí)現(xiàn)中應(yīng)變率加載條件下相同的動(dòng)態(tài)應(yīng)力波加載，得到的波形可重復(fù)性好，并通過更換不同形狀的擺錘錘頭，可產(chǎn)生所需的不同中等應(yīng)變率加載波形。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采用如下技術(shù)方案，一種擺錘加載中應(yīng)變率霍布金森壓桿試驗(yàn)裝置，包括具有指針和刻度盤的擺錘支架，在所述擺錘支架上設(shè)置有由錘桿和錘頭組成的擺錘，所述指針與擺錘的錘桿固定連接；在擺錘支架的一側(cè)設(shè)置有校準(zhǔn)支座，在校準(zhǔn)支座上放置有入射桿和透射桿，所述入射桿、透射桿及靜止?fàn)顟B(tài)下的擺錘錘頭的軸心在同一直線上，所述靜止?fàn)顟B(tài)下的擺錘錘頭與入射桿的沖擊端相對(duì)應(yīng)，入射桿的另一端與透射桿的一端相對(duì)應(yīng)；在所述擺錘支架上設(shè)置具有通孔的導(dǎo)向板，入射桿的沖擊端通過導(dǎo)向板的通孔設(shè)置在擺錘支架的下方；在所述入射桿和透射桿上分別設(shè)有應(yīng)變片，應(yīng)變片通過前置信號(hào)放大器與示波記錄儀的輸入端相連接，示波記錄儀的輸出端與計(jì)算機(jī)相連接。 為了得到中應(yīng)變率條件下的不同波形，所述擺錘的錘頭采用短粗形柱形錘頭、長細(xì)形柱形錘頭或錐形錘頭。所述錘頭的沖擊端為弧形。采用所述的擺錘加載中應(yīng)變率霍布金森壓桿試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，包括如下步驟:步驟一:調(diào)整校準(zhǔn)支座的高度和位置，保證入射桿、透射桿和擺錘錘頭的中心對(duì)正；步驟二:將試樣夾在入射桿與透射桿之間，并保證試樣中心與入射桿和透射桿的中心對(duì)正；步驟三:按照所需的擺錘錘頭的沖擊速度，調(diào)整擺錘的擺角；步驟四:放開擺錘進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，并通過示波記錄儀和計(jì)算機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄和儲(chǔ)存。在試驗(yàn)過程中，巖石試樣是夾在入射桿與透射桿之間的；為了保證入射桿。透射桿與試樣緊密接觸和接觸面摩擦力較小，要求入射桿、透射桿和巖石試樣的接觸面平整且光滑。本專利技術(shù)的加載應(yīng)力波即入射波是由擺錘對(duì)入射桿撞擊產(chǎn)生的，擺錘從一定高度擺下，以一定的速度撞擊入射桿，在入射桿端部產(chǎn)生一個(gè)壓應(yīng)力波，它的幅值大小取決于擺錘錘頭的沖擊速度，該速度由擺錘的擺角決定。這個(gè)應(yīng)力脈沖從入射桿傳入巖石試樣，在傳播過程中被設(shè)置在入射桿上的應(yīng)變片記錄，并在巖石試樣與入射桿的交界面發(fā)生透反射，反射波在入射桿上傳播并被記錄，透射波經(jīng)過巖石試樣進(jìn)入透射桿，同時(shí)再次在巖石試樣與透射桿的交界面發(fā)生透反射，進(jìn)入透射桿的透射波被設(shè)置在透射桿上的應(yīng)變片記錄；反射波和透射波的大小取決于巖石試樣、入射桿及透射桿的波阻。應(yīng)變片記錄下的入射波、反射波和透射波信號(hào)經(jīng)過前置信號(hào)放大器放大后被示波記錄儀記錄，最后經(jīng)過交換機(jī)最終存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。本專利技術(shù)的有益效果:本專利技術(shù)的試驗(yàn)裝置能夠通過調(diào)整擺錘的擺角控制錘頭的沖擊速度，實(shí)現(xiàn)中應(yīng)變率下相同的動(dòng)態(tài)應(yīng)力波加載，得到的波形可重復(fù)性好；并通過更換不同形狀的擺錘錘頭，產(chǎn)生所需的不同中等應(yīng)變率加載波形。附圖說明圖1為本專利技術(shù)的擺錘加載中應(yīng)變率霍布金森壓桿試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為三種異型錘頭的結(jié)構(gòu)示意圖；(a)為短粗形柱形錘頭的結(jié)構(gòu)示意圖；(b)為長細(xì)形柱形錘頭的結(jié)構(gòu)示意圖；(c)為錐形錘頭的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為采用三種異型錘頭進(jìn)行沖擊試驗(yàn)產(chǎn)生的入射波波形圖；(a)為沖擊速度為2.0m/s和2.5m/s時(shí)三種異型錘頭的入射波波形圖；(b)為沖擊速度為3.3m/s和4.2m/s時(shí)三種異型錘頭的入射波波形圖；圖中，1-指針，2 一刻度盤，3 一擺錘，4 一錘桿，5 一錘頭，6 —擺錘支架，7 一導(dǎo)向板，8 一校準(zhǔn)支座，9 一入射桿，10 一試樣，11 一應(yīng)變片，12 一透射桿，13 一計(jì)算機(jī)，14 一緩沖擋板，15 一前置信號(hào)放大器，16 一示波記錄儀，17 一交換機(jī)。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本專利技術(shù)做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。如圖1所示,一種擺錘加載中應(yīng)變率霍布金森壓桿試驗(yàn)裝置,包括具有指針I(yè)和刻度盤2的擺錘支架6，在所述擺錘支架6上設(shè)置有由錘桿4和錘頭5組成的擺錘3，所述指針I(yè)與擺錘3的錘桿4固定連接；在擺錘支架6的一側(cè)設(shè)置有校準(zhǔn)支座8，在校準(zhǔn)支座8上放置有入射桿9和透射桿12，所述入射桿9、透射桿12及靜止?fàn)顟B(tài)下的擺錘錘頭5的軸心在同一直線上，所述靜止?fàn)顟B(tài)下的擺錘錘頭5與入射桿9的沖擊端相對(duì)應(yīng)，入射桿9的另一端與透射桿12的一端相對(duì)應(yīng)；在所述 擺錘支架6上設(shè)置具有通孔的導(dǎo)向板7，入射桿9的沖擊端通過導(dǎo)向板7的通孔設(shè)置在擺錘支架6的下方；在所述入射桿9和透射桿12上分別設(shè)有應(yīng)變片11，應(yīng)變片11通過前置信號(hào)放大器15與示波記錄儀16的輸入端相連接，示波記錄儀16的輸出端與計(jì)算機(jī)13相連接。為了得到中應(yīng)變率條本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種擺錘加載中應(yīng)變率霍布金森壓桿試驗(yàn)裝置，其特征在于包括具有指針和刻度盤的擺錘支架，在所述擺錘支架上設(shè)置有由錘桿和錘頭組成的擺錘，所述指針與擺錘的錘桿固定連接；在擺錘支架的一側(cè)設(shè)置有校準(zhǔn)支座，在校準(zhǔn)支座上放置有入射桿和透射桿，所述入射桿、透射桿及靜止?fàn)顟B(tài)下的擺錘錘頭的軸心在同一直線上，所述靜止?fàn)顟B(tài)下的擺錘錘頭與入射桿的沖擊端相對(duì)應(yīng)，入射桿的另一端與透射桿的一端相對(duì)應(yīng)；在所述擺錘支架上設(shè)置具有通孔的導(dǎo)向板，入射桿的沖擊端通過導(dǎo)向板的通孔設(shè)置在擺錘支架的下方；在所述入射桿和透射桿上分別設(shè)有應(yīng)變片，應(yīng)變片通過前置信號(hào)放大器與示波記錄儀的輸入端相連接，示波記錄儀的輸出端與計(jì)算機(jī)相連接。

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：朱萬成，牛雷雷，徐曾和，蓋迪，魏晨慧，李帥，徐繼濤，趙勇，覃健，
申請(專利權(quán))人：東北大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：