本發(fā)明涉及沖擊動(dòng)力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種獲得不同加載速率下半正弦波的shpb裝置及其使用方法。

背景技術(shù)：

半正弦波在shpb(分離式霍普金森壓桿)裝置中傳播時(shí)，不會(huì)像矩形波一樣發(fā)生大的波形彌散現(xiàn)象，能夠較好地滿足一維應(yīng)力波傳播理論，所獲得的試驗(yàn)結(jié)果也會(huì)相應(yīng)更加準(zhǔn)確，能夠?yàn)檠芯款w粒較大的混凝土與巖石類材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能提供可靠的試驗(yàn)條件。因此，對(duì)于大直徑shpb裝置，選用半正弦波進(jìn)行巖石沖擊試驗(yàn)是保證試驗(yàn)成功的一個(gè)必要條件。

在shpb試驗(yàn)中，不同的加載速率主要是通過調(diào)整擺錘的沖擊速度獲得，所獲得的應(yīng)力的波長(zhǎng)與擺錘本身的幾何形狀有關(guān)，不隨沖擊速度的改變而改變。但是，目前的shpb試驗(yàn)中，都是同一擺錘在不同沖擊速度下進(jìn)行，如圖4所示，相同擺錘不同沖擊速度下所獲得的應(yīng)力波的上升沿時(shí)間會(huì)隨著沖擊速度的增大而減小，這就意味著，雖然一個(gè)沖擊能夠在一個(gè)特定速度下獲得半正弦波，但是隨著沖擊速度的改變，波形的形狀也會(huì)改變，從原有的半正弦波變?yōu)橐粋€(gè)非半正弦波。這樣在試驗(yàn)過程中不能保證所有速度下獲得的變形不彌散，因此會(huì)影響所得到的試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

因此需要對(duì)不同速度下的波形進(jìn)行調(diào)整，一般通過單層或者多層不同材料的整形器組合搭配實(shí)現(xiàn)波形整形，但是由于整形器與沖擊桿之間通過凡士林等黏結(jié)物黏結(jié)，黏結(jié)面之間會(huì)存在間隙，加載整形器放置位置的偏差等原因，此類方法存在重復(fù)性不高的缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種獲得不同加載速率下半正弦波的shpb裝置，錘頭的撞擊端面均為弧面并且曲率半徑不同，在不同波長(zhǎng)、不同加載速率的條件下可以獲得彌散性小、重復(fù)性好的的半正弦入射應(yīng)力波，很大程度上提高準(zhǔn)確性。

具體技術(shù)方案如下：

一種獲得不同加載速率下半正弦波的shpb裝置，包括擺錘支架、擺錘、十字激光校準(zhǔn)支座、入射桿和透射桿，所述擺錘支架頂端裝有刻度盤和指針，所述擺錘包含錘桿和錘頭，所述錘桿的一端與擺錘支架的指針固定連接，錘桿可繞固定軸帶動(dòng)指針做圓周運(yùn)動(dòng)，所述錘桿另一端與不同曲率半徑的錘頭通過銷釘連接，所述錘頭的撞擊端面均為弧面；所述擺錘支架一側(cè)設(shè)置有十字激光校準(zhǔn)支座，十字激光校準(zhǔn)支座上設(shè)置可沿軸向移動(dòng)的入射桿和透射桿，所述十字激光校準(zhǔn)支座均設(shè)置十字準(zhǔn)星板，十字準(zhǔn)星板中間均具有十字空隙的圓片，調(diào)整激光同時(shí)穿過各圓片對(duì)正各十字激光校準(zhǔn)支座；入射桿與透射桿之間夾試樣，所述擺錘支架底端連接具有通孔的導(dǎo)向板，入射桿的沖擊端位于擺錘支架下方、通過導(dǎo)向板的通孔與靜止下垂時(shí)的錘頭弧形端自然接觸處，所述入射桿和透射桿上分別設(shè)置應(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通過交換機(jī)與計(jì)算機(jī)連接。

上述獲得不同加載速率下半正弦波的shpb裝置使用方法如下：

(1)入射應(yīng)力波時(shí)長(zhǎng)與錘頭重量的關(guān)系擬合：選取一系列重量的錘頭進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，記錄入射應(yīng)力波時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)入射應(yīng)力波時(shí)長(zhǎng)與錘頭重量的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得出對(duì)應(yīng)關(guān)系；

(2)上升沿時(shí)間與曲率半徑的關(guān)系擬合：選取一系列曲率半徑的錘頭在同一沖擊速度下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，并對(duì)上升沿時(shí)間與曲率半徑數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到該速度下的上升沿時(shí)間和曲率半徑對(duì)應(yīng)關(guān)系；再選取其他不同沖擊速度進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，得出不同沖擊速度下上升沿時(shí)間與曲率半徑的關(guān)系；

(3)選擇擺錘錘頭：預(yù)先設(shè)定入射應(yīng)力波時(shí)長(zhǎng)，并根據(jù)(1)中已擬合出的入射應(yīng)力波時(shí)長(zhǎng)與錘頭重量對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定出錘頭重量；根據(jù)預(yù)先設(shè)定入射應(yīng)力波時(shí)長(zhǎng)確定理論上升沿時(shí)間，理論上升沿時(shí)間為應(yīng)力波時(shí)長(zhǎng)的一半，選擇一個(gè)所需的沖擊速度，由(2)中已得到的不同沖擊速度下上升沿時(shí)間與曲率半徑的關(guān)系確定錘頭的曲率半徑，選擇相應(yīng)錘頭；

(4)安裝：將選定的錘頭安裝在錘桿上，將試樣夾在入射桿與透射桿之間，通過十字激光校準(zhǔn)支座調(diào)整高度和位置，保證入射桿、試樣、透射桿、靜止下垂時(shí)的錘頭中心在同一水平線上對(duì)正；

(5)測(cè)試：根據(jù)(3)中選擇的沖擊速度計(jì)算出擺錘的擺角，并按照擺錘支架上的刻度調(diào)整擺錘擺角；放開擺錘，沖擊入射桿，記錄示波記錄儀和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)。

本方法的優(yōu)點(diǎn)是：

1、本發(fā)明能夠在不同波長(zhǎng)不同加載速率條件下獲得彌散性小、重復(fù)性好的半正弦入射應(yīng)力波，以提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

2、本發(fā)明提出了利用改變擺錘的重量獲得不同入射應(yīng)力波時(shí)長(zhǎng)的方法，并給出了擺錘重量與入射應(yīng)力波時(shí)長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的定量關(guān)系。

3、本發(fā)明提出通過控制擺錘的曲率半徑控制入射波的上升沿時(shí)間，并給出了定量關(guān)系，同時(shí)提出了利用改變擺錘的曲率半徑與沖擊速度獲得不同加載速率的半正弦波的方法。

4、設(shè)計(jì)了十字激光校準(zhǔn)支座，十字激光校準(zhǔn)支座均設(shè)置十字準(zhǔn)星板，十字準(zhǔn)星板中間均具有十字空隙的圓片，調(diào)整激光同時(shí)穿過各圓片對(duì)正各十字激光校準(zhǔn)支座，即可認(rèn)為入射桿與透射桿在一條水平線上。此種對(duì)正方法能夠準(zhǔn)確、快速地對(duì)中入射桿與透射桿，提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，同時(shí)能夠節(jié)約對(duì)正時(shí)間。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置示意圖；

圖2為本發(fā)明裝置中擺錘示意圖；

圖3為本發(fā)明中十字激光校準(zhǔn)支座側(cè)視圖；

圖4為采用同一曲率半徑為130mm的錘頭、在不同沖擊速度下擺錘產(chǎn)生的應(yīng)力波波形；

圖5為本發(fā)明應(yīng)力波時(shí)長(zhǎng)與擺錘重量的線性回歸關(guān)系；

圖6為本發(fā)明應(yīng)力波上升沿時(shí)間與擺錘曲率半徑的關(guān)系；

圖7為擺錘擺角小于90°示意圖；

圖8為擺錘擺角大于90°示意圖；

圖9為本發(fā)明沖擊速度為3.0m/s下產(chǎn)生的應(yīng)力波波形；

圖10為本發(fā)明不同加載速率下產(chǎn)生的半正弦波波形。

圖中，1—擺錘；2—錘頭；3—錘桿；4—十字激光校準(zhǔn)支座；5—入射桿；6—試樣；7—應(yīng)變片；8—透射桿；9—緩沖擋桿；10—地基基礎(chǔ)；11—dl750示波記錄儀；12—交換機(jī)；13—計(jì)算機(jī)；14—前置信號(hào)放大器；15—擺錘支架；16—導(dǎo)向板。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不受實(shí)施例所限。實(shí)施例中所涉及擺錘的材質(zhì)均選用45號(hào)鋼，淬火硬度為hrc45。

如圖1-3所示，本發(fā)明裝置包括擺錘支架15、擺錘1、十字激光校準(zhǔn)支座4、入射桿5和透射桿8，所述擺錘支架15頂端裝有刻度盤和指針，所述擺錘1包含錘桿3和錘頭2，所述錘桿3的一端與擺錘支架15的指針固定連接，錘桿3可繞軸帶動(dòng)指針做圓周運(yùn)動(dòng)，所述錘桿3另一端與錘頭2以銷釘連接，所述錘頭2撞擊端面為弧面且曲率半徑不同；所述擺錘支架15一側(cè)設(shè)置十字激光校準(zhǔn)支座4，十字激光校準(zhǔn)支座4上放置有可沿軸向移動(dòng)的入射桿5和透射桿8，所述十字激光校準(zhǔn)支座4均設(shè)置十字準(zhǔn)星板，十字準(zhǔn)星板中間均具有十字空隙的圓片，調(diào)整激光同時(shí)穿過各圓片對(duì)正各十字激光校準(zhǔn)支座4；入射桿5與透射桿8之間夾有試樣6，所述擺錘支架15底端連接具有通孔的導(dǎo)向板16，入射桿5的沖擊端位于擺錘支架15下方、通過導(dǎo)向板16的通孔與靜止下垂時(shí)的錘頭2自然接觸處，所述入射桿5、試樣6、透射桿8及靜止下垂時(shí)的錘頭2中心在同一水平線上，所述入射桿5和透射桿8上分別設(shè)有應(yīng)變片7，應(yīng)變片7通過前置信號(hào)放大器14與示波記錄儀11的輸入端相連接，示波記錄儀11的輸出端通過交換機(jī)12與計(jì)算機(jī)13連接。

(1)入射應(yīng)力波時(shí)長(zhǎng)與錘頭重量的關(guān)系擬合：選取一系列重量的錘頭進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，記錄入射應(yīng)力波時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)入射應(yīng)力波時(shí)長(zhǎng)t與錘頭重量w的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得出對(duì)應(yīng)關(guān)系；

(2)上升沿時(shí)間與曲率半徑的關(guān)系擬合：選取一系列曲率半徑的錘頭在同一沖擊速度下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，并對(duì)上升沿時(shí)間與曲率半徑數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到該速度下的上升沿時(shí)間、曲率半徑對(duì)應(yīng)關(guān)系；再選取其他不同沖擊速度進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，得出不同沖擊速度下上升沿時(shí)間t與曲率半徑sr的關(guān)系；

(3)選擇擺錘錘頭：預(yù)先設(shè)定入射應(yīng)力波時(shí)長(zhǎng)，并根據(jù)(1)中已擬合出的入射應(yīng)力波時(shí)長(zhǎng)與錘頭重量對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定出錘頭重量；根據(jù)預(yù)先設(shè)定入射應(yīng)力波時(shí)長(zhǎng)確定理論上升沿時(shí)間，理論上升沿時(shí)間為應(yīng)力波時(shí)長(zhǎng)的一半，選擇一個(gè)所需的沖擊速度，由(2)中已得到的不同沖擊速度下上升沿時(shí)間與曲率半徑的關(guān)系確定錘頭的曲率半徑，選擇相應(yīng)錘頭；

(4)安裝：將選定的錘頭安裝在錘桿上，將試樣夾在入射桿與透射桿之間，通過十字激光校準(zhǔn)支座調(diào)整高度和位置，保證入射桿、試樣、透射桿、靜止下垂時(shí)的錘頭中心在同一水平線上對(duì)正；

(5)測(cè)試：根據(jù)(3)中選擇的沖擊速度計(jì)算出擺錘的擺角，并按照擺錘支架上的刻度調(diào)整擺錘擺角；放開擺錘，沖擊入射桿，記錄示波記錄儀和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)，加載速率為入射應(yīng)力波上升沿直線段的斜率。

擺錘擺角的計(jì)算方法如下：

當(dāng)擺角小于90°時(shí)，如圖7所示，

l-h＝l*cosθ

當(dāng)擺角大于90°時(shí)，如圖8所示，

其中l(wèi)為錘柄長(zhǎng)度；h為錘頭下落高度差；m為錘頭質(zhì)量；v為錘頭下落至最低點(diǎn)水平速度；θ為錘頭擺角。

實(shí)施例1

預(yù)先設(shè)定入射應(yīng)力波時(shí)長(zhǎng)t＝300μs,沖擊速度v＝3.0m/s。

(1)入射應(yīng)力波時(shí)長(zhǎng)與錘頭重量的關(guān)系擬合：選擇重量為2.0kg、3.0kg、4.0kg和5.0kg的錘頭進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，記錄入射應(yīng)力波時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)入射應(yīng)力波時(shí)長(zhǎng)與錘頭重量的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得出對(duì)應(yīng)關(guān)系t＝45.77w+132，如圖5所示

(2)上升沿時(shí)間與曲率半徑的關(guān)系擬合：選擇曲率半徑為40mm、70mm、100mm、130mm和160mm的錘頭在沖擊速度v＝3.0m/s的條件下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，并對(duì)上升沿時(shí)間與曲率半徑數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到該速度下的上升沿時(shí)間t和曲率半徑sr的對(duì)應(yīng)關(guān)系t＝-0.0063(sr)²+0.7032(sr)+155.6，如圖6所示；

(3)選擇擺錘錘頭：預(yù)先設(shè)定入射應(yīng)力波時(shí)長(zhǎng)t＝300μs，并根據(jù)(1)中已擬合出的入射應(yīng)力波時(shí)長(zhǎng)與錘頭重量對(duì)應(yīng)關(guān)系t＝45.77w+132，確定出入射應(yīng)力波時(shí)長(zhǎng)為300μs時(shí)的錘頭重量w＝3.7kg；根據(jù)預(yù)先設(shè)定入射應(yīng)力波時(shí)長(zhǎng)確定理論上升沿時(shí)間，理論上升沿時(shí)間為應(yīng)力波時(shí)長(zhǎng)的一半，即t＝150μs,沖擊速度v＝3.0m/s時(shí)，由(2)中已得到的沖擊速度v＝3.0m/s時(shí)理論上升沿時(shí)間t與曲率半徑sr的關(guān)系t＝-0.0063(sr)²+0.7032(sr)+155.6確定錘頭的曲率半徑sr＝110mm,選擇相應(yīng)錘頭；

(4)安裝：將選定的錘頭安裝在錘桿上，將試樣夾在入射桿與透射桿之間，通過十字激光校準(zhǔn)支座調(diào)整高度和位置，保證入射桿、試樣、透射桿、靜止下垂時(shí)的錘頭中心在同一水平線上對(duì)正；

(5)測(cè)試：錘柄長(zhǎng)度l＝62.5cm，在沖擊速度v＝3.0m/s的條件下計(jì)算出擺錘的擺角θ＝80°，并按照擺錘支架上的刻度調(diào)整擺錘擺角為80°；放開擺錘，沖擊入射桿，記錄示波記錄儀和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)。

圖9為本發(fā)明沖擊速度為3.0m/s下產(chǎn)生的應(yīng)力波波形，入射應(yīng)力波的時(shí)長(zhǎng)t＝300μs，實(shí)際上升沿時(shí)間t＝142μs，在1％誤差范圍內(nèi)，已經(jīng)接近半正弦波,相應(yīng)的加載速率為0.629mpa/μs。

實(shí)施例2-4：

預(yù)先設(shè)定入射應(yīng)力波時(shí)長(zhǎng)t＝300μs,沖擊速度v分別取2.5m/s、3.5m/s、4.0m/s，其他條件與實(shí)施例1相同。相關(guān)數(shù)據(jù)表1所示。

表1

圖10為本發(fā)明不同加載速率下產(chǎn)生的半正弦波波形，如圖所示，本發(fā)明分別獲得了加載速率為0.514mpa/μs、0.629mpa/μs、0.908mpa/μs和1.245mpa/μs入射應(yīng)力波。四種入射應(yīng)力波的時(shí)長(zhǎng)t都為300μs，實(shí)際上升沿時(shí)間t分別為143μs、142μs、141μs和143μs，都在1％誤差范圍內(nèi)，已經(jīng)接近半正弦波。由此可見，本發(fā)明方法可以在不同加載速率下獲得接近標(biāo)準(zhǔn)半正弦的半正弦波。