1.本发明涉及材料动态力学性能实验技术领域，具体涉及一种双向冲击加载的霍普金森压杆实验装置及测试方法。
背景技术：2.kolsky在1949年建立了霍普金森压杆装置的雏形，其试验方案是将圆片形试样放置在两个圆形长钢性杆中间，通过引爆钢性杆一端的雷管产生压力脉冲，使得钢性杆与试样发生强烈碰撞，借助雷管和试样中间的电容器来记录试样的压力，在钢性杆的另一端放置电容器记录试样的位移，进一步得到试样的变形。
3.基于分离式霍普金森杆试验技术可以研究材料在冲击荷载作用下的动态力学特性，动力响应及其应变率效应，在岩体爆破、隧道开挖以及建筑物拆除等工程领域有着广泛的应用。
4.目前霍普金森杆试验测定的应变率大致为100/s～1000/s，随着重大工程建设的需求和国防技术发展的需要，针对测试材料的应变率要求也越来越高，急需发展能够实现高应变率测试的实验装置及测试技术。目前常规的单向霍普金森压杆在冲击加载过程中试样内部应力平衡所需的时间较长，造成应力加载时间过长，导致试样的动态应变率偏低。
技术实现要素：5.(一)解决的技术问题
6.针对现有技术的不足，本发明提供一种双向冲击加载的霍普金森压杆实验装置及测试方法，不增加实验装置成本的基础上，能够实现试样内部应力尽快达到平衡，使测试样品的动态应变率能够进一步提高，通过实现测试应变率的大幅度提高，以解决上述的问题。
7.(二)技术方案
8.为实现上述所述目的，本发明提供如下技术方案：
9.一种双向冲击加载的霍普金森压杆实验装置，包括试样以及气压泵，所述试样的两端均设置有入射杆，所述入射杆内部设置有应变片，所述应变片连接动态应变仪，所述气压泵连接有两个发射管，所述发射管的内部设置有撞击杆，所述发射管的输入端连接口上安装有气动电磁控制阀。两个所述气动电磁控制阀通过控制阀导线连接有计算机，所述计算机与动态应变仪连接。
10.优选的，所述应变片通过应变片导线连接动态应变仪，
11.优选的，所述气压泵通过导气管连接两个发射管，所述导气管上设置有两个气源阀门。
12.优选的，所述入射杆与试样紧密贴合。
13.一种采用前述双向冲击加载的霍普金森压杆实验装置的测试方法，包括以下步骤：
14.第一步：打开电源，检查气压泵、计算机、动态应变仪及气动电磁控制阀的电路，确
保整个装置处于正常工作状态；
15.第二步：放置试样到两根入射杆中间，确保试样与入入射杆紧密贴合；
16.第三步：启动气压泵，打开气源阀门，通过气动电磁控制阀使得发射管内的气压达到实验方案设定值；
17.第四步：待发射管内的气压稳定后，通过计算机对气动电磁控制阀解除限制，撞击杆在发射管中压缩气体的强烈推动下与入射杆发生强烈的碰撞，由于推动两根撞击杆的气压相等，其速度和动能也相同，所以入射杆上产生的应力波大小相等，方向相反；
18.第五步：入射杆上产生的应力波由入射杆上的应变片通过应变片导线传回动态应变仪中；
19.第六步：动态应变仪中的应力波信号传入计算机计算机中，进而开展相关数据的处理和分析；
20.第七步：关闭气源阀门，收集破碎试样，推回撞击杆，准备下一次试验；
21.第八步：进行试样平均应变率的计算。
22.优选的，所述第八步试样平均应变率的计算，包括以下步骤：
23.(81)根据一维应力波理论，常规单向冲击的霍普金森压杆实验中应变率计算表达式为：式中为试样的平均应变率，co为入射杆弹性波波速，εi(t)、ε
t
(t)和εr(t)分别是应变片检测到的入射波、反射波和透射波，ls为试样的长度。
24.(82)根据一维应力波理论，双向冲击加载的霍普金森压杆实验中应变率计算表达式为：式中为试样的平均应变率，co为入射杆弹性波波速，εi(t)、ε
t
(t)和εr(t)分别是应变片检测到的入射波、反射波和透射波，ls为试样的长度。
25.(83)根据应变率计算表达可以看出，即在相同气源动力条件下，试样在双向冲击加载条件下的应变率为单向冲击加载应变率的2倍，实现了相同冲击荷载作用下，测试样品的动态应变率的有效提升。
26.(三)有益效果
27.与现有技术相比，本发明提供的双向冲击加载的霍普金森压杆实验装置及测试方法，具备以下有益效果：
28.1、该双向冲击加载的霍普金森压杆实验装置及测试方法，所采用的双向冲击加载的霍普金森压杆实验技术，可在不增加经济成本的前提下，有效缩短试样内部动态应力平衡所需的时间，大幅度提高试样测试的应变率，满足目前对高应变率动态力学性能测定的强烈需求。
附图说明
29.图1为本发明实施例的实验装置的整体结构及测试方法的原理示意图。
30.图2为本发明实施例的试样在双向冲击加载下应力波传导过程示意图。
31.图中：1、试样；2、应变片；3、入射杆；4、发射管；5、撞击杆；6、气动电磁控制阀；7、控制阀导线；8、应变片导线；9、动态应变仪；10、计算机；11、气源阀门；12、导气管；13、气压泵；
14、应力波。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.实施例：
34.请参阅图1-2，本发明提供的双向冲击加载的霍普金森压杆实验装置，其包括试样1、应变片2、入射杆3、发射管4、撞击杆5、气动电磁控制阀6、控制阀导线7、应变片导线8、动态应变仪9、计算机10、气源阀门11、导气管12、气压泵13及应力波14。
35.所述的导气管12连通气压泵13与发射管4,为撞击杆5的发射提供气源动力。
36.所述的两根发射管4型号相同，其材质和压力室特征一致；所述的两根撞击杆5的材料、直径、长度相等，在相同气压的推动作用后具有相同的初速度。
37.所述的两根入射杆3的材料、直径、长度均一致，受到撞击杆5的作用后,具有相等的撞击速度，两根入射杆同时与试样1发生撞击作用。
38.所述的应变片2分别粘贴于入射杆3上，通过应变片导线8与动态应变仪9相连。所述动态应变仪通过导线与计算机10相连，所述计算机可以及时记录入射杆中的应力波信号14。
39.所述的撞击杆5，入射杆3，试样1直径相同，冲击加载前三者处于共轴状态。
40.本发明实施例提供的采用前述双向冲击加载的霍普金森压杆实验装置的测试方法，包括如下步骤：
41.(1)打开电源，检查气压泵、计算机、动态应变仪及气动电磁控制阀的电路，确保整个装置处于正常工作状态。
42.(2)放置测试样品与两根入射杆3中间，确保试样与入射杆紧密贴合。
43.(3)启动气压泵13，打开气源阀门11，通过气动电磁控制阀6使得发射管4内的气压达到实验方案设定值。
44.(4)待发射管4内的气压稳定后，通过计算机10对气动电磁控制阀6解除限制，撞击杆5在发射管4中压缩气体的强烈推动下与入射杆3发生强烈的碰撞，由于推动两根撞击杆5的气压相等，其速度和动能也相同，所以入射杆3上产生的应力波14大小相等，方向相反。
45.(5)入射杆3上产生的应力波由入射杆上的应变片2通过应变片导线8传回动态应变仪9中。
46.(6)动态应变仪9中的应力波信号传入计算机10中，进而开展相关数据的处理和分析。
47.(7)关闭气源阀门11，收集破碎试样，推回撞击杆5，准备下一次试验。
48.试样平均应变率的计算：
49.(8)根据一维应力波理论，常规单向冲击的霍普金森压杆实验中应变率计算表达式为：式中为试样的平均应变率，co为入射杆弹性波波
速，εi(t)、ε
t
(t)和εr(t)分别是应变片检测到的入射波、反射波和透射波，ls为试样的长度。
50.(9)根据一维应力波理论，双向冲击加载的霍普金森压杆实验中应变率计算表达式为：式中为试样的平均应变率，co为入射杆弹性波波速，εi(t)、ε
t
(t)和εr(t)分别是应变片检测到的入射波、反射波和透射波，ls为试样的长度。
51.(10)根据应变率计算表达可以看出，即在相同气源动力条件下，试样在双向冲击加载条件下的应变率为单向冲击加载应变率的2倍，实现了相同冲击荷载作用下，测试样品的动态应变率的有效提升。
52.本发明上述实施例提供的双向冲击加载的霍普金森压杆实验装置及测试方法，其采用的双向冲击加载的霍普金森压杆实验技术，可在不增加经济成本的前提下，有效缩短试样内部动态应力平衡所需的时间，大幅度提高试样测试的应变率，满足目前对高应变率动态力学性能测定的强烈需求。
53.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
技术特征：1.一种双向冲击加载的霍普金森压杆实验装置，其特征在于：其包括试样(1)以及气压泵(13)，所述试样(1)的两端均设置有入射杆(3)，所述入射杆(3)内部设置有应变片(2)，所述应变片(2)连接动态应变仪(9)，所述气压泵(13)连接有两个发射管(4)，所述发射管(4)的内部设置有撞击杆(5)，所述发射管(4)的输入端连接口上安装有气动电磁控制阀(6)。两个所述气动电磁控制阀(6)通过控制阀导线(7)连接有计算机(10)，所述计算机(10)与动态应变仪(9)连接。2.根据权利要求1所述的双向冲击加载的霍普金森压杆实验装置，其特征在于：所述应变片(2)通过应变片导线(8)连接动态应变仪(9)。3.根据权利要求1所述的双向冲击加载的霍普金森压杆实验装置，其特征在于：所述气压泵(13)通过导气管(12)连接两个发射管(4)，所述导气管(12)上设置有两个气源阀门(11)。4.根据权利要求1所述的双向冲击加载的霍普金森压杆实验装置，其特征在于：所述入射杆(3)与试样(1)紧密贴合。5.一种采用权利要求1-4任一项所述双向冲击加载的霍普金森压杆实验装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：打开电源，检查气压泵(13)、计算机(10)、动态应变仪(9)及气动电磁控制阀(6)的电路；第二步：放置试样(1)到两根入射杆(3)中间，确保试样(1)与入入射杆(3)紧密贴合；第三步：启动气压泵(13)，打开气源阀门(11)，通过气动电磁控制阀(6)使得发射管(4)内的气压达到实验方案设定值；第四步：待发射管(4)内的气压稳定后，通过计算机(10)对气动电磁控制阀(6)解除限制，撞击杆(5)在发射管(4)中压缩气体的强烈推动下与入射杆(3)发生强烈的碰撞；第五步：入射杆(3)上产生的应力波(14)由入射杆(3)上的应变片(2)通过应变片导线(8)传回动态应变仪(9)中；第六步：动态应变仪(9)中的应力波信号传入计算机计算机(10)中，进而开展相关数据的处理和分析；第七步：关闭气源阀门(11)，收集破碎试样(1)，推回撞击杆(5)，准备下一次试验；第八步：进行试样平均应变率的计算。6.根据权利要求5所述的测试方法置，其特征在于：所述第八步的试样平均应变率的计算，包括以下步骤：(81)常规单向冲击的霍普金森压杆实验中应变率计算表达式为：(81)常规单向冲击的霍普金森压杆实验中应变率计算表达式为：式中为试样的平均应变率，co为入射杆弹性波波速，ε
i
(t)、ε
t
(t)和ε
r
(t)分别是应变片检测到的入射波、反射波和透射波，l
s
为试样(1)的长度；(82)双向冲击加载的霍普金森压杆实验中应变率计算表达式为：(82)双向冲击加载的霍普金森压杆实验中应变率计算表达式为：式中为试样的平均应变率，co为入射杆弹性波波速，ε
i
(t)、ε
t
(t)和ε
r
(t)分别是应变片检测到的入射波、反射波和透射波，l
s
为试样(1)的长度；
(83)基于步骤(81)以及步骤(82)，计算得到
技术总结本发明涉及材料动态力学性能实验领域，公开了一种双向冲击加载的霍普金森压杆实验装置及测试方法，该装置包括试样以及气压泵，试样的两端均设置有入射杆，入射杆内部设置有应变片，应变片连接动态应变仪，气压泵连接有两个发射管，发射管的内部设置有撞击杆，发射管的输入端连接口上安装有气动电磁控制阀。两个气动电磁控制阀通过控制阀导线连接有计算机，计算机与动态应变仪连接。本发明提供的双向冲击加载的霍普金森压杆实验装置及测试方法，其采用的双向冲击加载的霍普金森压杆实验技术可在不增加经济成本的前提下，有效缩短试样内部动态应力平衡所需的时间，大幅度提高试样测试的应变率，满足目前对高应变率动态力学性能测定的强烈需求。测定的强烈需求。测定的强烈需求。
技术研发人员：刘鹏飞 黄勤胜 范高 陆志武 刘坚
受保护的技术使用者：广州大学
技术研发日：2022.06.14
技术公布日：2022/11/1
