技术摘要：
一种基于电磁霍普金森杆的脆性材料动态压缩实验方法，采用电磁分离式霍普金森压杆，通过电容对主动线圈放电。放电过程在主动线圈周围产生变化磁场，所述变化磁场将使与主动线圈接触的次级线圈内产生感应涡流，所述感应涡流会在次级线圈周围引起与主动线圈磁场方向相反  全部
背景技术：
目前，测试脆性材料在高应变率范围内的动态压缩力学性能时，使用最广泛的实 验装置是传统的分离式霍普金森压杆(SHPB)。文献(Chen  W  N,Song  B.Split  Hopkinson (Kolsky)bar:design,testing  and  applications[M].Springer  Science  and  Business  Media,2010)指出SHPB装置主要由气炮、子弹、入射杆、透射杆和数据采集系统组成，待测试 样被夹在入射杆和透射杆的端面之间。当进行SHPB实验时，气炮发射子弹撞击入射杆，进而 在入射杆中产生一个弹性应力波，所述应力波沿着入射杆向试样传播，当它到达入射杆与 试样的接触面时，由于入射杆和试样之间的广义波阻抗(质量密度、纵向弹性波速与横截面 积的乘积)不相同，应力波的一部分将反射回入射杆，另一部分则透射进入透射杆。 事实上，利用SHPB装置进行脆性材料的动态力学性能测试存在诸多难点，其中最 典型的问题是应力平衡和恒应变率加载问题，这两个问题是验证测试数据是否有效的决定 性条件。对于传统的SHPB实验，子弹撞击入射杆而产生的弹性应力波为上升时间只有几微 秒的矩形波，若直接使用该矩形波对脆性试样进行加载，试样内部的应力水平和变形速度 将会快速达到峰值，对于破坏应变仅有1～2％的脆性材料来说，试样将会在实现应力平衡 和恒应变率变形之前就发生破坏。因此文献(Frew  D  J ,Forrestal  M  J ,Chen  W .Pulse  shaping  techniques  for  testing  brittle  materials  with  a  split  Hopkinson  pressure  bar[J].Experimental  Mechanics,2002,42:93-106)指出在脆性材料的SHPB实 验中，必须采用脉冲整形技术以延长应力波的上升时间，这样可以减缓试样中的变形速度， 使试样在破坏前能够实现应力平衡和恒应变率变形，但应用脉冲整形技术需要不断地进行 尝试或事先进行复杂的数值计算才能确定合适的整形方案，并没有固定的标准或方法，且 测试不同材料需用不同的整形技术，这给SHPB实验带来了很大的复杂性。 为了能够使脆性试样在破坏前实现应力平衡和恒应变率变形，且避免使用复杂的 脉冲整形技术，本发明将提出一种用于测试脆性材料动态压缩力学性能的全新实验方 法——电磁分离式霍普金森压杆(electromagnetic  split  Hopkinson  pressure  bar , ESHPB)实验方法。本发明采用的电磁分离式霍普金森压杆是现有装置，文献(Nie  H  L,Suo  T,Wu  B  B,et  al.A  versatile  split  Hopkinson  pressure  bar  using  electromagnetic  loading[J].International  Journal  of  Impact  Engineering ,2018,116:94-104)指出 ESHPB的基本结构与原理和传统的SHPB装置类似，唯一的区别就是用电磁应力波发生器取 代了传统SHPB的气炮装置，也就是说ESHPB装置的应力波是通过电磁能量转换技术产生的。 基于ESHPB装置电路的特点，通过这种技术产生的应力波波形是半正弦形的，这种形状的应 力波对于脆性材料的动态压缩实验是非常有利的。 4 CN 111579401 A 说　明　书 2/6 页
技术实现要素：
为了能够使脆性试样较快地实现应力平衡和恒应变率变形，且避免使用复杂的脉 冲整形技术，本发明提出一种基于电磁霍普金森杆的脆性材料动态压缩实验方法。 本发明的具体过程是： 步骤1：安装电磁应力波发生器、入射杆和透射杆： 将电磁应力波发生器、入射杆和透射杆依次同轴顺序安装在实验台上，所述入射 杆和透射杆的横截面积、杨氏模量和纵向弹性波速均相同，且在轴线方向能够自由移动。 所述入射杆的外形尺寸与透射杆的外形尺寸相同，其直径均为25mm，长度均为 3000mm。所述入射杆和透射杆均采用钛合金材料制成。所述钛合金的杨氏模量为123GPa，纵 向弹性波速为5189m/s。各所述电阻应变片的电阻值为1000Ω、灵敏度系数为1.92。 步骤2：粘贴应变片： 将四个电阻应变片平均分为两组，并分别对称地粘贴在入射杆轴向长度的1/2处 和透射杆轴向长度的1/2处。将各所述应变片通过双芯屏蔽线接入数据采集系统中的惠斯 通电桥。 步骤3：测试实验装置的工作状态： 将入射杆的端面与透射杆的端面贴合。启动电磁分离式霍普金森压杆实验装置， 设置电容的充电电压值为300V。对电容充电至300V。通过电容、主动线圈和次级线圈构成的 放电电路进行放电，所述放电过程完成后在入射杆中产生一个半正弦形入射波。当该入射 波到达入射杆与透射杆的接触面时，由于该入射杆与透射杆之间的广义波阻抗相同，根据 一维弹性应力波理论，入射波将完全透射进入透射杆，使数字示波器记录的电压信号中不 存在反射波。本步骤中数字示波器的实测电压信号没有反射波，这说明实验装置的工作状 态正常，能够用于钠钙硅酸盐玻璃的动态单向压缩实验。 步骤4：单向压缩实验： 将玻璃试样装夹在入射杆端面与透射杆端面之间，并使试样与入射杆和透射杆同 轴。设置电容的充电电压为1200V，电容值为4mF，重复步骤3所述的充电--放电过程对玻璃 试样进行加载；加载的持续时间为200μs，在入射杆中产生一个半正弦形的入射波。所述入 射波沿着入射杆的轴向向玻璃试样传播至该入射杆与试样的接触面。所述入射波的一部分 反射回入射杆形成反射波，该入射波的另一部分透射穿过试样进入透射杆形成透射波。根 据一维弹性应力波理论，得到反射波和透射波的具体比例。 对所述玻璃试样进行加载的过程中，通过粘贴在入射杆上的应变片将该入射杆中 的入射波和反射波信号转化为惠斯通电桥桥臂的电压信号；通过粘贴在透射杆上的应变片 将该透射杆中的透射波信号转化为惠斯通电桥桥臂的电压信号。通过数字示波器记录所述 由入射波和反射波信号转化的电压信号和由透射波信号转化的电压信号。 所记录的电压信号中：入射波为半正弦形应力波，其形状与脆性材料的透射波形 状相似；反射波信号中出现了明显的平台段，该平台段表明试样实现了应力平衡和恒应变 率变形。 将所述入射波的电压信号、反射波的电压信号和透射波的电压信号通过公式(1) 分别计算得到与入射波、反射波和透射波电压信号对应的入射应变、反射应变和透射应变： 5 CN 111579401 A 说　明　书 3/6 页 式中，ε为应变信号，U0为惠斯通电桥的供电电压，为30V，k为应变片的灵敏度系 数，ΔU为数字示波器记录的电压信号。 将所述入射波的电压信号代入公式(1)，得到入射应变εI；将所述反射波的电压信 号代入公式(1)，得到反射应变εR；将所述透射波电压信号代入公式(1)，得到透射应变εT。 将得到的反射应变εR和透射应变εT分别代入公式(2)～(4)中，分别得到试样内部 的工程应力、工程应变和工程应变率： 式(2)～(4)中，σs为工程应力；εs为工程应变； 为工程应变率；A为入射杆或透射 杆的横截面积；E为杨氏模量；c0为纵向弹性波速；A0为试样的初始横截面积；L0为试样的初 始长度。 将有关数据带入式(2)～(4)中，得到试样的动态压缩力学性能。 至此，完成了对钠钙硅酸盐玻璃材料的动态单向压缩实验。 本发明所采用的电磁分离式霍普金森压杆为现有装置，主要由电磁应力波发生 器、入射杆、透射杆和数据采集系统组成。所述电磁式应力波发生器主要由电容、晶体二极 管、主动线圈和次级线圈等部分构成，且位于入射杆一端。两组应变片分别粘贴在入射杆和 透射杆轴向长度的1/2处以记录实验过程中的应力波信号，所述应变片通过双芯屏蔽线与 数据采集系统的信号输入端进行连接。 当进行电磁分离式霍普金森压杆实验时，将主动线圈与次级线圈、次级线圈与入 射杆端面充分接触后，启动实验装置，按下实验装置的充电按钮使直流电源对电容进行充 电，所述充电过程完成后，按下实验装置的放电按钮使电容对主动线圈放电，所述放电过程 会在主动线圈周围产生变化磁场，所述变化磁场将使与主动线圈接触的次级线圈内产生感 应涡流，所述感应涡流会在次级线圈周围引起与主动线圈磁场方向相反的磁场，该磁场会 使主动线圈和次级线圈之间产生瞬间强斥力，所述强斥力以应力波的形式在次级线圈内传 播，并通过次级线圈与入射杆端面的接触传入入射杆。 需要指出的是，在电容对主动线圈进行放电的过程中，由于晶体二极管截断了反 向放电电流，因此所采用的电磁分离式霍普金森压杆装置产生的原始入射波形为半正弦 形，对于玻璃这类的脆性材料来说，这种形状的入射波能在不进行脉冲整形的情况下实现 对试样的应力平衡和恒应变率加载。 图1是在钠钙硅酸盐玻璃的电磁分离式霍普金森压杆实验中，数据采集系统记录 的典型原始波形。该图表明电磁分离式霍普金森杆产生的入射波本身具有一个近似线性的 上升沿，其形状与脆性材料的透射波4形状相似，因此无需使用脉冲整形技术就能使反射波 6 CN 111579401 A 说　明　书 4/6 页 信号上出现一个平台段3，所述平台段即意味着试样实现了应力平衡和恒应变率变形。图2 是同一实验的应变率、动态应力平衡系数R(t)和试样应力随时间的变化曲线，当从某一时 刻开始R(t)始终小于5％，就认为试样进入了应力平衡状态(Ravichandran  G ,Subhash  G .Critical  appraisal  of  limiting  strain  rates  for  compression  testing  of  ceramics  in  a  split  Hopkinson  pressure  bar.J  Am  Ceram  Soc,1994,77:263-267)。由 图2可以看出，试样在约125μs开始进入应力平衡状态，并在约100μs达到了近似恒定的应变 率变形。 上述实验结果表明，由于ESHPB装置产生的原始入射波为半正弦形，当使用电磁分 离式霍普金森压杆测试脆性材料的动态压缩力学性能时，能够不使用复杂的脉冲整形技术 而轻松地实现对试样的应力平衡和恒应变率加载，为脆性材料的动态力学性能测试提供了 一种简便、易操作的实验方法。 附图说明 图1是在钠钙硅酸盐玻璃的电磁分离式霍普金森压杆单向压缩实验中，数字示波 器所记录的电压信号，其中，横坐标表示时间，单位为ms，纵坐标表示电压，单位为V。 图2是同一实验的动态应力平衡系数R(t)、应变率和试样应力随时间的变化曲线， 其中，横坐标表示时间，单位是ms，纵坐标分别表示应力，单位为MPa、应变率，单位为s-1和动 态应力平衡系数。 图3是电磁分离式霍普金森压杆单向加载装置的示意图。 图4是本发明的流程图。 图中：1.入射波；2.反射波；3.平台段；4.透射波；5.应变率曲线；6.R(t)曲线；7.试 样应力曲线；8.高功率变压器；9.电子开关；10.晶体二极管；11.电容；12.主动线圈；13.次 级线圈；14.应变片；15.入射杆；16.透射杆；17.玻璃试样；18.数据采集系统。