一种基于数控驱动的高低温同步耦合Hopkinson压杆试验系统论文和设计-刘家贵

全文摘要

本实用新型公开了一种基于数控驱动的高低温同步耦合Hopkinson压杆试验系统，系统包括高压气室、炮管、入射杆、应变片、入射杆驱动控制系统、温控炉、透射杆驱动控制系统、透射杆、吸能装置、总控制箱以及应变采集模块，高压气室通过一电磁阀连接炮管，炮管、入射杆、温控炉、透射杆以及吸能装置按指定方向依次同轴排列，入射杆和透射杆的表面均贴设有应变片，应变采集模块通过导线与应变片连接；入射杆驱动控制系统装设在入射杆旁，透射杆驱动控制系统装设在透射杆旁；总控制箱通过导线分别连接电磁阀、入射杆驱动控制系统和透射杆驱动控制系统；炮管内腔装有子弹，温控炉的轴心位置还放置有一试样；本实用新型实现了Hopkinson压杆试验中入射杆、试样和透射杆的自动同步组装。

主设计要求

1.一种基于数控驱动的高低温同步耦合Hopkinson压杆试验系统，其特征在于，所述系统包括高压气室、炮管、入射杆、应变片、入射杆驱动控制系统、温控炉、透射杆驱动控制系统、透射杆、吸能装置、总控制箱以及应变采集模块，所述高压气室通过一电磁阀连接所述炮管，所述炮管、所述入射杆、温控炉、透射杆以及所述吸能装置按指定方向依次同轴排列并分离设置，且所述入射杆和透射杆在各自表面同一截面上对称贴设有一对所述应变片；所述应变采集模块通过导线与所述应变片连接，用于将所述入射杆和透射杆上的应变信号转换为电信号并采集存储；所述入射杆驱动控制系统装设在所述入射杆旁，所述透射杆驱动控制系统装设在所述透射杆旁，所述总控制箱通过导线分别连接所述电磁阀、入射杆驱动控制系统和透射杆驱动控制系统；其中，所述炮管内部还装设有子弹；所述温控炉中预定位置处还放置有一试样，所述试样与入射杆和透射杆同轴设置；所述总控制箱用于设定所述入射杆驱动控制系统、透射杆驱动控制系统和所述电磁阀的工作参数，所述入射杆驱动控制系统用于调节所述入射杆与所述试样之间的位置关系，所述透射杆驱动控制系统用于调节所述透射杆与所述试样之间的位置关系，所述电磁阀用于控制所述高压气室开启和关闭。

设计方案

所述总控制箱用于设定所述入射杆驱动控制系统、透射杆驱动控制系统和所述电磁阀的工作参数，所述入射杆驱动控制系统用于调节所述入射杆与所述试样之间的位置关系，所述透射杆驱动控制系统用于调节所述透射杆与所述试样之间的位置关系，所述电磁阀用于控制所述高压气室开启和关闭。

2.根据权利要求1所述的基于数控驱动的高低温同步耦合Hopkinson压杆试验系统，其特征在于，所述入射杆驱动控制系统包括第一步进电机和一与所述第一步进电机连接的第一圆盘组，且所述第一圆盘组贴合所述入射杆设置，所述第一步进电机连接所述总控制箱，所述第一圆盘组用于加紧和释放所述入射杆设置，所述总控制箱用于控制所述第一步进电机启动和闭合。

3.根据权利要求2所述的基于数控驱动的高低温同步耦合Hopkinson压杆试验系统，其特征在于，所述透射杆驱动控制系统包括第二步进电机和一与所述第二步进电机连接的第二圆盘组，且所述第一圆盘组贴合所述入射杆设置，所述第二步进电机连接所述总控制箱，所述第二圆盘组用于加紧和释放所述透射杆设置，所述总控制箱用于控制所述第二步进电机的启动和闭合。

4.根据权利要求1所述的基于数控驱动的高低温同步耦合Hopkinson压杆试验系统，其特征在于，所述系统还包括一计算机，所述计算机与所述应变采集模块、所述总控制箱连接，所述计算机用于修改所述总控制箱的控制参数，并用于存储所述电信号。

5.根据权利要求4所述的基于数控驱动的高低温同步耦合Hopkinson压杆试验系统，其特征在于，所述应变采集模块包括一应变仪和一数据采集设备，所述应变仪与所述数据采集设备相连，且所述应变仪连接所述应变片，所述数据采集设备连接所述计算机，所述应变仪用于将所述应变片采集得到的所述入射杆或所述透射杆上的应变信号转换为电信号，所述数据采集设备用于采集所述电信号并存储至所述计算机。

6.根据权利要求1~5任一项所述的基于数控驱动的高低温同步耦合Hopkinson压杆试验系统，其特征在于，所述子弹、入射杆和透射杆均为实心金属圆柱。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于工程技术领域，尤其涉及一种基于数控驱动的高低温同步耦合Hopkinson压杆试验系统。

背景技术

目前Hopkinson压杆主要用于常温和较低温度下对试样力学性能的测量，而在实际应用中，尤其是航空航天领域，材料的的力学性能以及破坏过程一般都是处于超高温状态下，因此，认识材料在超高温条件下的力学响应特征就成为相关领域的研究热点。要进行高温试验，一种方法是将整个试验系统置于高温环境，另一种方法就是局部加热。在Hopkinson压杆试验中，要对整个试验系统进行加热不仅非常困难，而且也是不合适的，所以必须对试样进行局部加热。一般有两种试验方案，一种方案是将试样与一部分压杆同时进行加热，但由于入射杆和透射杆都是热的良导体，这样在入射杆和透射杆上形成温度梯度，会对实验结果造成影响；另一种方案是将试样与入射杆和透射杆分离，将试样加热到预定温度，再使加载杆与试样接触后立即加载。现有的同步组装方式主要有滑块导轨定位试样式（CN103674738B）和高压气体驱动压杆式（CN 106248496 A和CN 188851A）。滑块定位式通过将试样加热到指定问题后，沿滑块将试样释放到预设位置，并通过高压气泵将入射杆和透射杆推到与试样接触，这种方式冷接触时间相对长，主要针对热传导率低的材料，如岩石、混凝土等。高压气体驱动压杆式，可以实现较短的冷接触时间，但是稳定性相对差，并且驱动装置驱动压杆的速度与气体压力是非线性的，不利于系统的调试和参数的设置；另外，压杆与试样接触时为撞击方式，反弹现象明显。

实用新型内容

针对上述现有技术中的问题，本实用新型于提出一种基于数控驱动的高低温同步耦合Hopkinson压杆试验系统，用以解决Hopkinson压杆实验中，同步组装入射杆、试样和透射杆，以实现试样与杆在极短的冷接触时间内冲击加载即可完成，具体技术方案如下：

一种基于数控驱动的高低温同步耦合Hopkinson压杆试验系统，所述系统包括高压气室、炮管、入射杆、应变片、入射杆驱动控制系统、温控炉、透射杆驱动控制系统、透射杆、吸能装置、总控制箱以及应变采集模块，所述高压气室通过一电磁阀连接所述炮管，所述炮管、所述入射杆、温控炉、透射杆以及所述吸能装置按指定方向依次同轴排列并分离设置，且所述入射杆和透射杆在各自表面同一截面上对称贴设有一对所述应变片；所述应变采集模块通过导线与所述应变片连接，用于将所述入射杆和透射杆上的应变信号转换为电信号并采集存储；所述入射杆驱动控制系统装设在所述入射杆旁，所述透射杆驱动控制系统装设在所述透射杆旁，所述总控制箱通过导线分别连接所述电磁阀、入射杆驱动控制系统和透射杆驱动控制系统；其中，所述炮管内部还装设有子弹；所述温控炉中预定位置处还放置有一试样，所述试样与入射杆和透射杆同轴设置；

进一步的，所述入射杆驱动控制系统包括第一步进电机和一与所述第一步进电机连接的第一圆盘组，且所述第一圆盘组贴合所述入射杆设置，所述第一步进电机连接所述总控制箱，所述第一圆盘组用于加紧和释放所述入射杆设置，所述总控制箱用于控制所述第一步进电机启动和闭合。

进一步的，所述透射杆驱动控制系统包括第二步进电机和一与所述第二步进电机连接的第二圆盘组，且所述第一圆盘组贴合所述入射杆设置，所述第二步进电机连接所述总控制箱，所述第二圆盘组用于加紧和释放所述透射杆设置，所述总控制箱用于控制所述第二步进电机的启动和闭合。

进一步的，所述系统还包括一计算机，所述计算机与所述应变采集模块、所述总控制箱连接，所述计算机用于修改所述总控制箱的控制参数，并用于存储所述电信号。

进一步的，所述应变采集模块包括一应变仪和一数据采集设备，所述应变仪与所述数据采集设备相连，且所述应变仪连接所述应变片，所述数据采集设备连接所述计算机，所述应变仪用于将所述应变片采集得到的所述入射杆或所述透射杆上的应变信号转换为电信号，所述数据采集设备用于采集所述电信号并存储至所述计算机。

进一步的，所述子弹、入射杆和透射杆均为实心金属圆柱。

本实用新型的基于数控驱动的高低温同步耦合Hopkinson压杆试验系统，通过在高压气室与炮管的连接处装设一电磁阀，在入射杆旁装设入射杆驱动控制系统，在透射杆旁装设透射杆驱动控制系统，并将电磁阀、入射杆驱动控制系统和透射杆驱动控制系统与一总控制箱连接，总控制箱与一计算机连接，通过计算机设置总控制箱来中控制入射杆驱动控制系统和透射杆驱动控制系统以及电磁阀的开启时间的相关参数，以保证在试验过程中入射杆、试样和透射杆的同步自动组装；并且在入射杆和透射杆贴装有应变片，通过应变片来采集实验过程中入射杆和透射杆的应变信号并转换为电信号，电信号通过数据采集设备采集后存储至计算机中；与现有技术相比，本实用新型可保证Hopkinson压杆试验系统入射杆、试样和透射杆的同步组装，以实现试样与杆在极短的冷接触时间内冲击加载即可完成。

附图说明

图1为本实用新型实施例所述基于数控驱动的高低温同步耦合Hopkinson压杆试验系统的结构俯视图和正视图示意；

图2为本实用新型实施例中所述入射杆驱动控制系统的结构图示意；

图3为使用本实用新型所述所述基于数控驱动的高低温同步耦合Hopkinson压杆试验系统进行试验得到的冷却时间示意图。

标识说明：1-高压气室、2-电磁阀、3-炮管、4-子弹、5-入射杆、6-应变片、7-入射杆驱动控制系统、8-温控炉、9-试样、10-透射杆驱动控制系统、11-透射杆、12-吸能装置、13-总控制箱、14-计算机、15-应变采集模块；16-步进电机、17-高压气源、18-气动开关。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参阅图1，在本实用新型实施例中，提供了一种基于数控驱动的高低温同步耦合Hopkinson压杆试验系统，所述系统包括高压气室1、炮管3、入射杆5、应变片6、入射杆驱动控制系统7、温控炉8、透射杆驱动控制系统10、透射杆11、吸能装置12、总控制箱13和应变采集模块15以及与应变采集模块15连接的计算机14，高压气室1通过一电磁阀2连接炮管3，炮管3、入射杆5、温控炉8、透射杆11以及吸能装置12按指定方向依次同轴并排并分离设置，本实施例中所述指定方向为从左至右，但是在其他实施例中，可根据实际情况进行设定，本实用新型实施例对此并不进行限制和固定；此外，入射杆5和透射杆11在各自表面均贴有应变片6，用于采集实验过程中入射杆5和透射杆11的应变信号；应变采集模块15通过导线与应变片6连接，用于将所述应变信号转换成电信号并采集存储至计算机14；入射杆驱动控制系统7装设在入射杆5旁，透射杆驱动控制系统10装设在透射杆11旁；总控制箱13通过导线分别连接电磁阀2、入射杆驱动控制系统7和透射杆驱动控制系统10；通过计算机来设置总控制箱对应电磁阀2、入射杆驱动控制系统7和透射杆驱动控制系统10的工作参数，这样，就可以在实验过程中实现通过总控制箱13来控制电磁阀2、入射杆驱动控制系统7和透射杆驱动控制系统10 的具体运作；同时，还在炮管3的内腔中装设有子弹4，在温控炉8的轴心位置处装设试样9；基于Hopkinson压杆的基本原理就可以实现，在实际使用本实用新型的基于数控驱动的高低温同步耦合Hopkinson压杆试验系统进行试验的过程中，通过高压气室1产生气体冲击子弹4在炮管3中加速后，与入射杆5同轴碰撞，并在入射杆5中产生压缩波，并对实验进行加载；此时，应变片6采集加载过程中的入射波和发射波的应变信号，并通过应变采集模块转换成电信号后采集存储至计算机14中。

结合图2，本实用新型实施例中，入射杆驱动控制系统7包括第一圆盘组71、高压气泵72、第一步进电机73，高压气泵72和第一步进电机73均通过轴承连接第一圆盘组71，其中，高压气泵72连接第一圆盘组71中的从动圆盘，第一步进电机73连接第一圆盘组72中的主动圆盘；同时为了实现对高压气泵72的控制，在高压气泵72的进气口处设置有启动开关（图未示），用以控制气泵轴承的往复运动，这样，就可以对从动圆盘和主动圆盘之间的加紧和释放动作，即通过第一圆盘组71来实现对入射杆5的加紧和释放；而为了通过入射驱动控制系统7对入射杆5的位置调节，由第一步进电机73通过轴承连接主动圆盘，在第一步进电机73工作时，通过转轴来带动主动圆盘转动，通过主动圆盘与入射杆5之间的摩擦力来移动入射杆5，起到入射杆5的位置调节功能，即调节入射杆5与试样9之间的距离；同样的，透射杆驱动控制系统10与入射杆驱动控制系统7具有相同的结构和功能，以实现对透射杆11的加紧和释放操作，以及调节透射杆11位置的功能，即调节透射杆11与试样9之间的距离。

优选的，本实用新型实施例中，第一圆盘组加紧或释放动作不限于由高压气泵往复充放气实现，此仅为优选实施例，具体可根据实际情况进行选择。

在本实用新型实施例中，应变采集模块15包括一应变仪和一数据采集设备，应变仪与数据采集设备相连，且应变仪连接应变片6，数据采集设备连接计算机14，应变仪用于将应变片6采集得到的入射杆5或透射杆11上的应变信号转换为电信号，数据采集设备用于采集电信号并存储至计算机14。

优选的，在本实用新型实施例中，子弹4、入射杆5和透射杆11均为实心金属圆柱。

本实用新型的基于数控驱动的高低温同步耦合Hopkinson压杆试验系统的原理为：首先，总控制箱13按照设定的参数控制入射杆驱动控制系统7加紧入射杆5，并驱动入射杆5由初始位置往试样9的轴心运动，并在入射杆5与试样9接触后释放入射杆5；同样的，通过总控制箱13按照设定的参数控制透射杆驱动系统10加紧透射杆11，并驱动透射杆11由初始位置往试样9的轴心运动，并在透射杆11与试样9接触后释放透射杆11；然后，通过总控制箱13控制电磁阀2的开启，由高压气室1产生的气体对子弹4在炮管3内进行加速后撞击入射杆5，在入射杆5中产生压缩波，并对实验进行加载；加载过程中的入射波、反射波被贴在入射杆表面的应变片6和与应变片6连接的应变采集模块15采集记录，透射波被贴在透射杆11表面的应变片6和与之连接的应变采集模块15采集记录，即完成一次实验；最后，再次通过总控制箱13控制入射杆驱动控制系统7夹紧入射杆5，并将入射杆5移动至初始位置后释放；总控制箱13控制透射杆驱动控制系统10夹紧透射杆11，并将透射杆11移动至初始位置后释放，保证了入射杆5和透射杆11不被长时间高温加热。

优选的，本实用新型通过计算机14设置总控制箱13控制电磁阀2、入射杆驱动控制系统7和透射杆驱动控制系统10的工作参数，由总控制箱13来精确控制入射杆5和透射杆11的运动速度，以及实验过程中两者与试样9之间间距，以实现入射杆5和透射杆11在实验过程中与试样9的低速或者零速度接触，避免了传统的系统由于入射杆5或透射杆11与试样9撞击而产生的反弹脱离试样9。

优选的，本实用新型中的温控炉8温度控制范围在-40°C~1200°C之间。

参阅图3，图示为采用本实用新型的基于数控驱动的高低温同步耦合Hopkinson压杆试验系统的实验结果数据图示意，数据由分析高速相机拍摄的入射杆和透射杆运动得到，从中可以得到，采用本实用新型的系统进行试验的冷却接触时间为10.5ms；并且在多次重复试验情况下，本实用新型系统的冷却接触时间均可控制在10ms~15ms；由此可知，本实用新型可有效减少入射杆和和透射杆之间的冷却接触时间。

以上仅为本实用新型的较佳实施例，但并不限制本实用新型的专利范围，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本实用新型说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本实用新型专利保护范围之内。

设计图

一种基于数控驱动的高低温同步耦合Hopkinson压杆试验系统论文和设计

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