本發(fā)明屬于材料疲勞性能測試實驗，主要涉及一種全電測控的儀器化拉伸式?jīng)_擊疲勞實驗系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、各種裝備和工程結(jié)構(gòu)在使用過程中往往承受著重復(fù)沖擊加載(也稱為沖擊疲勞)，沖擊疲勞意味著每次加載的速度高，材料的變形率高，即沖擊速度可達每秒數(shù)十米，材料的應(yīng)變率可達102/s量級左右。在高加載率下，裝備和工程結(jié)構(gòu)通常在沖擊拉伸下出現(xiàn)裂紋萌生、起裂和擴展，在高應(yīng)變率重復(fù)拉伸下發(fā)展到最終會破壞失效，所以沖擊重復(fù)拉伸實驗加載裝置即沖擊疲勞實驗系統(tǒng)是設(shè)計結(jié)構(gòu)和評價材料性能必不可少的技術(shù)手段。

2、現(xiàn)有技術(shù)中公開了一種對鉚接頭(圓柱狀材料)實現(xiàn)高速加載的方法，該裝置通常稱為“應(yīng)力波鉚接槍”。參照圖1所示，文獻：曹增強，陶華，佘公藩，李志堯，盛熙，大直徑鉚接的應(yīng)力波鉚接，新工藝-新技術(shù)-新設(shè)備，1996.2，27-28[j]。該裝置包括變壓器1、整流硅堆2、電容組3、真空開關(guān)4、緩沖元件5、初級線圈6、次級線圈7、應(yīng)力波調(diào)制器8、鉚釘9。實驗過程中，對鉚釘9施加沖擊壓縮載荷時，先開啟變壓器1對電容組3充電，待電壓達到預(yù)定值，接通真空開關(guān)4，瞬態(tài)大電流經(jīng)初級線圈6時，在次級線圈7產(chǎn)生磁感應(yīng)和渦流，形成洛倫茲力反過來作用初級線圈6，使次級線圈7對應(yīng)力波調(diào)制器8產(chǎn)生增強的應(yīng)力脈沖，作用于鉚釘9并壓縮變形，實現(xiàn)對鉚釘9的沖擊加載。

3、現(xiàn)有技術(shù)中公開了一種電磁hopkinson壓桿加載方法。參照圖2所示，文獻：王禹晨，劉曉艷，黃懿赟，管銳，江加福，霍普金森桿電磁加載系統(tǒng)設(shè)計及實驗，強激光與粒子束，第34卷第7期，2022年7月，075009-1-6[j]。該裝置包括有壓縮試樣10、壓縮入射桿11、壓縮透射桿12、電容組13、有效線圈14、感應(yīng)線圈15、應(yīng)力波放大器16。該方法基于傳統(tǒng)的hopkinson壓桿原理，將撞擊桿加載改造成“應(yīng)力波鉚接槍”加載。實驗過程中，應(yīng)力波放大器16產(chǎn)生增強的應(yīng)力脈沖沿壓縮入射桿11對壓縮試樣10加載，壓縮入射桿11和壓縮透射桿12上貼有應(yīng)變計可獲得沖擊加載歷程信號。

4、現(xiàn)有技術(shù)中公開了一種氣動控制的重復(fù)沖擊壓縮加載裝置系統(tǒng)，可實現(xiàn)對圓柱試樣的重復(fù)沖擊壓縮。參照圖3所示，文獻：m.isakov,cyclic?impact?test?with?thehopkinson?bar:application?to?granite,journal?of?dynamic?behavior?of?materials(2024)10:75–91[j]。該裝置包括有高壓氣筒17、撞擊桿18、變徑桿19、壓縮試樣20、一號應(yīng)變計21、壓縮入射桿22、二號應(yīng)變計23、能量吸收桿24、氣動阻停器25。圖3下的示意圖表示了撞擊桿運動一次加載時各個部分的工作順序，藍色代表低壓，品紅代表中壓，紅色代表高壓。實驗過程為當氣壓進入高壓氣筒17，推動撞擊桿18撞擊變徑桿19，產(chǎn)生沖擊信號作用到壓縮試樣20，一號應(yīng)變計21和二號應(yīng)變計23采集數(shù)據(jù)的同時作為氣動控制信號，高壓氣筒17和氣動阻停器25設(shè)計成不同變徑形式可實現(xiàn)限位和對試樣的單次沖擊單次加載。該系統(tǒng)可采用電磁開關(guān)閥和控制器實現(xiàn)重復(fù)沖擊加載。

5、上述的三種試驗方法，其中圖1這種“應(yīng)力波鉚接槍”可以實現(xiàn)對鉚釘或試樣的沖擊壓縮，但它不能顯示沖擊波構(gòu)型，也不能量化顯示沖擊力大小，不能直接作為材料動態(tài)實驗性能測試的實驗裝置。圖2這種hopkinson桿電磁加載系統(tǒng)基本達到了單次沖擊壓縮加載的實驗裝置要求，但屬于沖擊壓縮模式且沒有構(gòu)成重復(fù)循環(huán)加載。圖3這種循環(huán)沖擊壓縮加載實驗裝置是針對試樣的壓縮重復(fù)沖擊加載，在沖擊加載中，應(yīng)力波脈沖在桿中來回傳遞，由于加載桿的材料彌散和幾何特性，應(yīng)力波來回反復(fù)會不斷衰減，下次加載前必須等待反復(fù)傳遞的應(yīng)力波衰減結(jié)束，因此還要考慮防止后續(xù)反射應(yīng)力波脈沖的二次加載，對試樣達到一次沖擊加載。

6、綜上，為了解決拉伸式的重復(fù)沖擊加載問題、沖擊加載下避免對試樣的多次加載問題和儀器無法自動化的問題，因此需要構(gòu)建一套儀器化的自動實驗系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種全電測控的儀器化拉伸式?jīng)_擊疲勞實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)拉伸式?jīng)_擊疲勞系統(tǒng)的自動化和儀器化。利用hopkinson拉桿系統(tǒng)、應(yīng)力波鉚接槍模塊、絲桿拖動器、綜合檢測與控制器等，實現(xiàn)對試件的單次重復(fù)沖擊加載，解決了解決拉伸式的重復(fù)沖擊加載問題、沖擊加載下避免對試樣的多次加載問題和儀器無法自動化的問題。

2、一種全電測控的儀器化拉伸式?jīng)_擊疲勞實驗系統(tǒng)包括脈沖發(fā)射模塊、試樣加載模塊、絲桿拖動器41和金屬螺桿；所述脈沖發(fā)射模塊包括應(yīng)力波鉚接槍模塊和脈沖發(fā)射控制電路；所述試樣加載模塊為hopkinson壓桿；所述試樣加載模塊包括拉伸入射桿48、拉伸透射桿42、啞鈴狀試樣46和阻尼模塊；所述阻尼模塊包括能量吸收與限位器38和阻尼阻擋器39；所述絲桿拖動器41包括絲杠驅(qū)動電機和lvdt線性位移差動變壓器40；

3、所述應(yīng)力波鉚接槍模塊包括緩沖元件32、初級線圈33、次級線圈34和應(yīng)力波調(diào)制器35；所述緩沖元件32、初級線圈33、次級線圈34均為相同的空心圓柱體；所述應(yīng)力波調(diào)制器35為圓錐體；所述應(yīng)力波調(diào)制器35的底面半徑與次級線圈34的底面半徑相同；所述應(yīng)力波調(diào)制器35沿軸向設(shè)置通孔；所述通孔的半徑與次級線圈34的內(nèi)環(huán)半徑相同；以緩沖元件32的一個底面為基礎(chǔ)，依次設(shè)置初級線圈33、次級線圈34和應(yīng)力波調(diào)制器35；組合緩沖元件32、初級線圈33、次級線圈34和應(yīng)力波調(diào)制器35后，緩沖元件32、初級線圈33、次級線圈34和應(yīng)力波調(diào)制器35共軸；所述通孔與緩沖元件32的內(nèi)環(huán)、初級線圈33的內(nèi)環(huán)、次級線圈34的內(nèi)環(huán)連接組成貫穿孔；所述初級線圈33與脈沖發(fā)射控制電路連接；

4、所述脈沖發(fā)射控制電路包括變壓器26、整流硅堆27、充電電壓檢測器28、真空開關(guān)29、電壓-時間開關(guān)30和電容組31；所述真空開關(guān)29的一端與初級線圈33連接；真空開關(guān)29的另一端與充電電壓檢測器28連接；充電電壓檢測器28的另一端分別連接整流硅堆27一端和電容組31的一端；整流硅堆27的另一端與變壓器26連接；變壓器26的另一端與電壓-時間開關(guān)30連接；電容組31的另一端分別與電壓-時間開關(guān)30和初級線圈33連接；

5、所述拉伸入射桿48水平設(shè)置于貫穿孔內(nèi)；拉伸入射桿48靠近應(yīng)力波調(diào)制器35頂點的端面設(shè)置法蘭36；所述阻尼阻擋器39為圓筒形；所述阻尼阻擋器39固定于實驗架上；所述阻尼阻擋器39內(nèi)設(shè)置能量吸收與限位器38；所述能量吸收與限位器38為金屬桿；法蘭36與能量吸收與限位器38之間的設(shè)置間隙；所述間隙的長度為△；

6、所述拉伸透射桿42的一端與啞鈴狀試樣46連接；拉伸透射桿42的另一端與金屬螺桿的一端固定連接；金屬螺桿的另一端與絲桿拖動器41固定連接；所述lvdt線性位移差動變壓器40和絲桿拖動器41均固定于實驗架上；lvdt線性位移差動變壓器40、絲桿拖動器41和試樣加載模塊安裝后，所述拉伸透射桿42、啞鈴狀試樣46、拉伸入射桿48、金屬螺桿和能量吸收與限位器38共線。

7、更進一步的，所述阻尼阻擋器39內(nèi)設(shè)置螺紋；所述能量吸收與限位器38通過螺紋與阻尼阻擋器39固定連接；所述阻尼阻擋器39內(nèi)設(shè)置能量吸收與限位器38后，阻尼阻擋器39內(nèi)填充吸能材料；所述能量吸收與限位器38共軸。

8、更進一步的，所述拉伸入射桿48與啞鈴狀試樣46試樣連接的端面設(shè)置入射桿梯形凹槽47；所述入射桿梯形凹槽47為四棱臺；入射桿梯形凹槽47面積最小的底面為拉伸入射桿48的端面；入射桿梯形凹槽47面積最小的底面和一個側(cè)面為敞口；入射桿梯形凹槽47內(nèi)設(shè)置啞鈴狀試樣46；啞鈴狀試樣46的一端設(shè)置于入射桿梯形凹槽47內(nèi)；啞鈴狀試樣46的另一端設(shè)置于拉伸透射桿42的透射桿梯形凹槽45內(nèi)；透射桿梯形凹槽45為四棱臺；透射桿梯形凹槽45面積最小的底面為拉伸透射桿42的端面；透射桿梯形凹槽45面積最小的底面和一個側(cè)面為敞口；所述啞鈴狀試樣46的兩個端頭分別放入透射桿梯形凹槽45和入射桿梯形凹槽47后，透射桿梯形凹槽45面積最大的底面與啞鈴狀試樣46的端頭之間設(shè)置試樣間隙，入射桿梯形凹槽47面積最大的底面與啞鈴狀試樣46的端頭之間設(shè)置試樣間隙。

9、更進一步的，所述能量吸收與限位器38的長度大于系統(tǒng)產(chǎn)生應(yīng)力波的波長。

10、更進一步的，所述間隙的長度△根據(jù)拉伸的沖擊波形提前計算獲得。

11、更進一步的，所述間隙正上方設(shè)置間隙光電檢測器37。

12、更進一步的，所述拉伸透射桿42上設(shè)置一號應(yīng)變計43；所述拉伸入射桿48上設(shè)置二號應(yīng)變計49。

13、更進一步的，所述一種全電測控的儀器化拉伸式?jīng)_擊疲勞實驗系統(tǒng)包括自動控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊；所述自動控制模塊包括綜合檢測與控制器50和峰值檢測器53；綜合檢測與控制器50為電腦；綜合檢測與控制器50分別與絲桿拖動器41、電壓-時間開關(guān)30、間隙光電檢測器37、充電電壓檢測器28和真空開關(guān)29連接；所述峰值檢測器53與lvdt線性位移差動變壓器40連接；用于控制實驗系統(tǒng)，通過電信號控制加載后將透射桿和試樣復(fù)位，保證試樣的單次加載；所述數(shù)據(jù)采集模塊包括超動態(tài)應(yīng)變儀54、峰值檢測器53、電壓比較器52和pid調(diào)節(jié)器51；所述一號應(yīng)變計43與超動態(tài)應(yīng)變儀54連接；所述二號應(yīng)變計49與超動態(tài)應(yīng)變儀54；所述超動態(tài)應(yīng)變儀54、峰值檢測器53、電壓比較器52和pid調(diào)節(jié)器51均與綜合檢測與控制器50連接；采集數(shù)據(jù)用于實時采集沖擊力波形、幅值、位移值、沖擊次數(shù)和頻率數(shù)據(jù)；。

14、更進一步的，所述拉伸入射桿48上設(shè)置橡膠套44，用于防止試樣掉落。

15、更進一步的，所述初級線圈33、次級線圈34均為導(dǎo)線繞組；所述應(yīng)力波調(diào)制器35的材料為鋼；所述緩沖元件32材料為高分子材料和鋼，所述高分子材料被包覆于鋼的內(nèi)部；所述吸能材料為橡皮泥或鉛。

16、更進一步的，所述能量吸收與限位器38、拉伸透射桿42和拉伸入射桿48的材料為鈦合金或鋁合金。

17、本發(fā)明的有益效果是：

18、1)本發(fā)明提出一種全電驅(qū)動、檢測和控制的高應(yīng)變率沖擊拉伸式疲勞實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)沖擊拉伸疲勞實驗儀器化和全自動化；

19、2)本發(fā)明采用鉤掛式拉伸試樣，試樣與開槽加載桿的端頭連接，通過能量吸收與限位器38，絲桿拖動器41，實現(xiàn)連續(xù)拉伸沖擊對試樣的單次加載沖擊疲勞功能；

20、3)本發(fā)明設(shè)計了沖擊疲勞的閉環(huán)控制，包括沖擊力和位移的閉環(huán)控制，實現(xiàn)沖擊疲勞過程中沖擊力和位移的幅值穩(wěn)定；

21、4)本發(fā)明采用大電流的電-磁“應(yīng)力波鉚接槍”產(chǎn)生半正弦沖擊拉伸脈沖，沖擊能量高，沖擊力大，通過檢測沖擊疲勞過程中力和位移的電信號，實時顯示和控制試樣加載，達到電測與控制響應(yīng)快、同步性高和穩(wěn)定性好。