本發(fā)明涉及材料的超高溫動態(tài)力學性能測試裝置，具體說是一種基于Hopkinson壓桿的往復式雙同步組裝系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前Hopkinson桿主要用于常溫和較低溫度下對試樣力學性能的測量，而在實際應用中，尤其是航空航天領(lǐng)域，材料的的力學性能以及破壞過程一般都是處于超高溫狀態(tài)下，因此，認識材料在超高溫條件下的力學響應特征就成為相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點。要進行高溫試驗，一種方法是將整個試驗系統(tǒng)置于高溫環(huán)境，另一種方法就是局部加熱。在Hopkinson桿試驗中，要對整個試驗系統(tǒng)進行加熱不僅非常困難，而且也是不合適的，所以必須對試樣進行局部加熱。一般有兩種試驗方案，一種方案是將試樣與一部分壓桿同時進行加熱，但由于入射桿和透射桿都是熱的良導體，這樣在入射桿和透射桿上形成溫度梯度，會對實驗結(jié)果造成影響；另一種方案是將試樣與入射桿和透射桿分離，將試樣加熱到預定溫度，再使加載桿與試樣接觸后立即加載。

專利申請?zhí)枮?3105729.2的專利是一種用于應變率可達10²～10³/s的Hopkinson壓桿上進行材料在高溫和高應變率耦合條件的試驗方法。試驗原理是：通過套在入射桿或者透射桿上的套筒將試樣懸空在加熱系統(tǒng)中，實驗開始前將入射桿和透射桿置于加熱系統(tǒng)外，同時在透射桿上安裝同步組裝系統(tǒng)。實驗時，當Hopkinson壓桿發(fā)射撞擊桿的同時，利用Hopkinson壓桿系統(tǒng)氣室的壓力推動同步組裝系統(tǒng)中與透射桿固連的活塞運動，推動試樣向入射桿運動并與入射桿緊密接觸。這樣當撞擊桿撞擊入射桿，在入射桿中產(chǎn)生的應力波將沿著入射桿傳至入射桿與試樣的界面，對試樣加載。在入射桿及透射桿上貼有應變片可以記錄入射波、反射波及透射波變化，從而確定試樣材料的應力-應變曲線。

李玉龍等在實現(xiàn)高溫動態(tài)加載實驗時，即采用單活塞的的高溫同步加載方式(李玉龍,索濤,郭偉國,胡銳,李金山,傅恒志.確定材料在高溫高應變率下動態(tài)性能的Hopkinson桿系統(tǒng)[J].爆炸與沖擊,2005,06:487-492.)，即只使用后置的透射桿活塞，同步時后置活塞推動透射桿先與試樣接觸，再推動透射桿和試樣一起運動和入射桿接觸。在實驗過程中，試樣通過熱電耦絲將試樣固定于套管上，套管可在入射桿上任意滑動。實驗時，首先將試樣置入環(huán)形電爐內(nèi)對試樣進行局部加熱，試樣達到預定溫度時，加熱控制系統(tǒng)可使爐溫保持在設(shè)定溫度；開啟氣炮，氣室壓力一方面推動子彈運動去撞擊入射桿，另一方面通過同步組裝系統(tǒng)推動透射桿向試樣方向運動。通過調(diào)整驅(qū)動同步組裝系統(tǒng)的氣壓，可使加載應力波到達試樣的同時，透射桿、入射桿和試樣剛好緊密接觸。

但使用這種方式存在一些不足：試樣和透射桿接觸的時間遠長于和入射桿接觸的時間，對試樣及透射桿的溫度影響較大，容易引起實驗誤差；在超高溫實驗中，一般使用較大的加熱爐，此時為保證同步的成功率，需使用很長行程的活塞并加大活塞的運動速度，而使透射桿的動量很大，會對試樣形成沖擊載荷，并且動量過大也會使同步組裝不穩(wěn)定；其次，由于發(fā)射子彈所用的空氣壓力較大，驅(qū)動同步系統(tǒng)時會使透射桿向入射桿運動的速度過快，組裝完成時透射桿往往會反彈，使其與試樣脫離接觸，從而導致實驗失敗；另外，在進行溫度為1600℃的動態(tài)實驗時，這種方案無法實現(xiàn)在長時間加熱條件下的試樣固定，而且極易使加載桿受熱，導致裝置損壞。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的實驗誤差大、易損壞實驗裝置的不足，本發(fā)明提出了一種基于Hopkinson壓桿的往復式雙同步組裝系統(tǒng)。

本發(fā)明包括加熱爐、獨立的同步氣室、三路同步發(fā)射閥、同步手動閥、入射桿同步活塞、入射桿同步活塞推桿、透射桿同步活塞、推動氣管和回拉氣管。其中：同步氣室的輸出端口通過管路與三路同步發(fā)射閥的輸入端口連通。三路同步發(fā)射閥的兩個輸出端口分別與同步手動閥的兩個輸入端口連通。所述同步手動閥的兩個輸出端口分別連接有推動氣管和回拉氣管，其中的推動氣管與透射桿同步活塞的一個輸入端口連通，并且在該推動氣管上通過三通接頭與入射桿同步活塞的一個輸入端口連通；其中的回拉氣管與透射桿同步活塞的另一個輸入端口連通，并且在該回拉氣管上通過三通接頭與入射桿同步活塞的另一個輸入端口連通。所述入射桿一端的加載端和透射桿的一端加載端分別安裝在加熱爐兩側(cè)的通孔上，并使該入射桿與透射桿同軸。

所述透射桿另一端的端面與透射桿同步活塞活塞桿的端面接觸，并通過連接套固定。在所述透射桿上固定套裝有透射桿限位卡環(huán)，通過該透射桿限位卡環(huán)限定所述透射桿水平運動的距離。

所述入射桿上固定套裝有入射桿限位卡環(huán)，亦通過該入射桿限位卡環(huán)限定所述入射桿水平運動的距離。在所述入射桿限位卡環(huán)的外側(cè)由內(nèi)向外依次套裝有套環(huán)和回拉卡環(huán)；其中的套環(huán)與所述入射桿之間間隙配合。

所述套環(huán)與回拉卡環(huán)之間的間距根據(jù)頂片的厚度確定，使該頂片能夠嵌入所述套環(huán)與回拉卡環(huán)之間。所述頂片位于入射桿同步活塞的活塞桿的端頭。

本發(fā)明采用往復式雙活塞，在入射桿和透射桿上同時加裝兩個氣動活塞，并增加一個獨立的同步氣室，通過改變高壓氣體的進氣方式來實現(xiàn)對入射桿和透射桿的同步推進和回拉，在加熱時入射桿和透射桿分別位于爐腔外部，在加載時通過同步控制器，兩個氣動活塞同步推動入射桿和透射桿朝試樣運動并壓住試樣，同時發(fā)射子彈撞擊入射桿。

入射桿的控制原理如圖2所示，回拉卡環(huán)、入射桿限位卡環(huán)和入射桿固定，套環(huán)能在入射桿上活動，當試驗加載時同步手動閥將同步氣室和推動氣管接通，此時入射桿活塞推桿通過頂片推動入射桿前進，由于套環(huán)和桿間以及入射桿限位卡環(huán)和頂片間都存在間隙，因此不會影響應力波的傳播；當加載結(jié)束后上拉同步手動閥將同步氣室和回拉氣管接通，入射桿活塞推桿通過回拉卡環(huán)往回拉，拉動入射桿離開高溫爐。透射桿的控制原理如圖2所示，保證透射桿活塞推桿和透射桿同軸，利用連接套將透射桿活塞推桿頭部和透射桿端部連接，當試驗加載時通過同步手動閥將同步氣室和推動氣管接通，此時透射桿活塞推桿推動透射桿前進；當加載結(jié)束后上拉同步手動閥將同步氣室和回拉氣管接通，此時透射桿活塞推桿通過連接套拉動透射桿離開加熱爐，完成一次同步實驗。

本發(fā)明與公開在申請?zhí)枮?01610517129.9中的基于Hopkinson桿的加熱爐配合使用，使得安裝套管簡便快捷，能夠?qū)崿F(xiàn)不同直徑導桿與試樣的精確對齊及完好接觸。并且能夠?qū)崿F(xiàn)1600℃超高溫及有氧與無氧環(huán)境，具有加熱穩(wěn)定、保溫性能好的特點，并能夠通過加熱爐的觀察窗口獲得高速動態(tài)實驗中的實驗圖像。

本發(fā)明能保證在加載時前后活塞推動入射桿與透射桿同時接觸試樣，避免因為試樣和透射桿接觸的時間遠長于和入射桿接觸的時間而對試樣的溫度產(chǎn)生較大影響；由于增加了獨立的同步氣室，可以有效控制同步氣壓，避免驅(qū)動同步系統(tǒng)后入射桿與透射桿的動量過大而引起的回彈；如圖3所示，通過最高1600℃實驗測量，從加載桿接觸試樣到應力波傳遞到試樣的冷接觸時間(CCT)不超過8ms，且同步效果良好；從試樣加載到前后活塞將加載桿拉出加熱系統(tǒng)用時不超過2s，加載桿溫升低于300℃，符合實驗條件。本發(fā)明無需對Hopkinson桿系統(tǒng)進行大的改動，無需加工特殊的高溫材料壓桿，較好地實現(xiàn)不同桿徑的Hopkinson桿超高溫動態(tài)壓縮力學測試。

附圖說明

圖1是帶有同步組裝系統(tǒng)的高溫Hopkinson桿系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是通過數(shù)據(jù)采集儀得到的實驗同步曲線；

圖4是圖3實驗同步曲線的放大圖。圖中：

1.Hopkinson壓桿系統(tǒng)進氣閥；2.Hopkinson壓桿系統(tǒng)氣室；3.Hopkinson壓桿系統(tǒng)子彈；4.入射桿應變片；5.透射桿應變片；6.超高溫加熱爐；7.試樣；8.數(shù)據(jù)采集儀；9.電腦；10.入射桿固定基座；11.透射桿固定基座；12.同步氣室；13.三路同步發(fā)射閥；14.同步手動閥；15.入射桿；16.入射桿同步活塞；17.入射桿同步活塞推桿；18.頂片；19.回拉卡環(huán)；20.套環(huán)；21.入射桿限位卡環(huán)；22.透射桿；23.透射桿限位卡環(huán)；24.連接套；25.透射桿同步活塞推桿；26.透射桿同步活塞；27.推動氣管；28.回拉氣管；29.加熱爐。

具體實施方式

本實施例是一種基于Hopkinson壓桿的往復式雙同步組裝系統(tǒng)，包括加熱爐29、獨立的同步氣室12、三路同步發(fā)射閥13、同步手動閥14、入射桿同步活塞16、入射桿同步活塞推桿17、頂片18、回拉卡環(huán)19、套環(huán)20、入射桿限位卡環(huán)21、透射桿限位卡環(huán)23、連接套24、透射桿同步活塞推桿25、透射桿同步活塞26、推動氣管27和回拉氣管28。其中：

同步氣室12的輸出端口通過管路與三路同步發(fā)射閥13的輸入端口連通。三路同步發(fā)射閥13的兩個輸出端口分別與同步手動閥14的兩個輸入端口連通。所述同步手動閥的兩個輸出端口分別連接有推動氣管27和回拉氣管28，其中的推動氣管27與透射桿同步活塞26的一個輸入端口連通，并且在該推動氣管上通過三通接頭與入射桿同步活塞16的一個輸入端口連通；其中的回拉氣管28與透射桿同步活塞26的另一個輸入端口連通，并且在該回拉氣管上通過三通接頭與入射桿同步活塞16的另一個輸入端口連通。

所述入射桿15一端的加載端和透射桿22的一端加載端分別安裝在加熱爐29兩側(cè)的通孔上。并使該入射桿15與透射桿22同軸。所述透射桿另一端的端面與透射桿同步活塞活塞桿的端面接觸，并通過連接套固定。在所述透射桿上固定套裝有透射桿限位卡環(huán)23，通過該透射桿限位卡環(huán)限定所述透射桿水平運動的距離。

所述入射桿15上固定套裝有入射桿限位卡環(huán)21，亦通過該入射桿限位卡環(huán)限定所述入射桿水平運動的距離。在所述入射桿限位卡環(huán)的外側(cè)由內(nèi)向外依次套裝有套環(huán)20和回拉卡環(huán)19；其中的套環(huán)與所述入射桿之間間隙配合。所述套環(huán)20與回拉卡環(huán)19之間的間距根據(jù)頂片18的厚度確定，使該頂片能夠嵌入所述套環(huán)與回拉卡環(huán)之間。所述頂片位于入射桿同步活塞16的活塞桿的端頭，當入射桿同步活塞的活塞桿運動時，通過頂片18對套環(huán)20或回拉卡環(huán)19施力，進而推動入射桿15做水平的運動。

所述加熱爐采用申請?zhí)枮?01610517129.9的發(fā)明創(chuàng)造中提出的基于Hopkinson桿的加熱爐。所述的加熱爐包括爐體、視察窗口、保溫層、加熱元件和陶瓷溫度傳感器，其特征在于，保溫層粘貼在爐體的內(nèi)表面。在所述爐體的一個側(cè)表面開有夾心結(jié)構(gòu)的視察窗口；在與所述視察窗口相鄰的兩個爐體的側(cè)表面分別開有入射桿通道和透射桿通道，并且所述入射桿通道和透射桿通道同心。與所述視察窗口相對應的爐體的側(cè)表面有爐體后開門，在所述后開門上開有用于安裝進氣管的通孔。該爐體后開門內(nèi)表面粘貼有保溫層；所述上蓋安裝在該爐體的上表面，在該上蓋上有用于安裝排氣管的通孔。在爐體內(nèi)形成了爐腔。陶瓷溫度傳感器嵌在爐腔的頂部。四個二硅化鉬加熱元件分布在所述爐腔內(nèi)四個側(cè)表面，并嵌裝在各側(cè)表面的保溫層表面。

本實施例中，同步氣室12的一端通過Hopkinson壓桿系統(tǒng)進氣閥1與氣源相連接，另一端與三路同步發(fā)射閥13相連。為保證同步系統(tǒng)和Hopkinson壓桿系統(tǒng)的同步聯(lián)動，本實施例中推動氣管27和回拉氣管28以及Hopkinson壓桿系統(tǒng)的進氣口使用同一個HAND VALVEHV-02三路同步發(fā)射閥13及4R410-15同步手動閥14相連接，以保證Hopkinson壓桿系統(tǒng)子彈3的發(fā)射與同步組裝系統(tǒng)同時啟動。入射桿活塞16及透射桿活塞26均為雙軸可調(diào)行程型鋁合金活塞，并通過推動氣管27和回拉氣管28與同步手動閥14接通，頂片18置于入射桿活塞推桿16的端部兩個螺母之間并旋緊固定?；乩ōh(huán)19、入射桿限位卡環(huán)21、透射桿限位卡環(huán)23均為鋁合金螺旋卡環(huán)，分別旋緊固定在入射桿15及透射桿22上。

實驗時：

1.將超高溫加熱爐6放置于入射桿15和透射桿22之間；

2.將入射桿活塞16通過螺栓固定在入射桿固定基座10上；

3.根據(jù)透射桿活塞26及透射桿22的長度確定透射桿活塞26的位置，并通過螺栓將其固定在透射桿固定基座11上，再利用鋼絲線等連接套24將透射桿活塞26的頭部和透射桿22的端部連接；

4.根據(jù)入射桿活塞推桿17、透射桿活塞推桿25、入射桿15、透射桿22及加熱爐6的長度依次確定回拉卡環(huán)19、入射桿限位卡環(huán)21、透射桿限位卡環(huán)23的位置，要求當入射桿活塞推桿17、透射桿活塞推桿25未被推出時，入射桿15及透射桿22的端部均在加熱爐6外一定距離；當入射桿活塞推桿17、透射桿活塞推桿25被推出時，入射桿15及透射桿22的端部恰好能在爐腔中對試樣7進行同步加載；

5.微調(diào)頂片18以及入射桿限位卡環(huán)21的位置，使更好地達到步驟4中的要求；

6.將入射桿活塞推桿17、透射桿活塞推桿25分別收回入射桿活塞16、透射桿活塞26中，打開超高溫加熱爐6的開關(guān)開始加熱，待顯示加熱溫度達到指定溫度時，若實驗要求在惰性氣氛下進行，則首先通過計算氣體流量確定通氣時間，在加熱爐進氣口通入惰性氣體一定時間后，待惰性氣體充滿爐腔，切入保溫狀態(tài)；若實驗無氧化條件要求，則直接切入保溫狀態(tài)；

7.將試樣7從加熱爐6的入射桿進口方向緩慢推入加熱爐6內(nèi)，在之前標記處停止，試樣7開始在指定溫度加熱；

8.待試樣7達到溫度要求，打開Hopkinson壓桿系統(tǒng)進氣閥1，充入指定加載氣壓及同步氣壓后，準備加載；

9.待氣壓穩(wěn)定，按下同步手動閥14，同時打開三路同步發(fā)射閥13發(fā)射子彈。此時通過同步控制器14將同步氣室12和推動氣管27接通，入射桿活塞推桿17通過頂片18推動入射桿15前進，透射桿活塞推桿25推動透射桿22前進，實現(xiàn)同步加載；加載結(jié)束后立即上拉同步手動閥14，將同步氣室12和回拉氣管28接通，此時入射桿活塞推桿17通過回拉卡環(huán)19將入射桿往回拉，拉動入射桿離開高溫爐6，同時透射桿活塞推桿25通過連接套24拉動透射桿離開高溫爐6，完成單次實驗。

10.加載完成后，通過數(shù)據(jù)采集儀8采集入射桿應變片4和透射桿應變片5反饋的應變電壓信號，如圖3，圖4所示，并通過電腦9處理數(shù)據(jù)，得到試樣應力-應變曲線。