专利名称：一种Hopkinson杆冲击剪切实验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于材料性能测试技术领域，涉及材料动态力学性能试验技术，特别涉及Hopkinson杆冲击剪切试验技术。
背景技术：
冲击过载失效和高速冲击侵彻破坏，是兵器防护材料、结构部件在服役中所面对的主要威胁之一，冲击剪切失效破坏则是材料部件所要抵御的关键破坏形式。装甲抗侵彻、抗冲击侵彻失稳与破坏，很大程度上是由法向冲击压应カ和冲击剪应カ的压剪复合加载所造成的。准确可靠的实现高应变率下材料冲击剪切性能的试验与表征，获得冲击剪切下材料动态性能參数，对防护结构设计、抗侵彻过载计算模拟和安全评估都是十分重要的。获得材料动态剪切性能的方法多种多样，如飞片冲击压剪试验技术、Hopkinson·扭杆试验技术、Hopkinson压剪冲击试验技术等。基于一维分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验技术，改造建立的分离式冲击剪切杆系统(Split Hopkinson Bar Punch Shear,简称SHBPS)是进行材料动态剪切性能表征的有效方法，其设计和实现出现了多种形式。梅叶尔(压缩载荷下低合金钢的绝热剪切強度，冲击波和高应变率现象在合金领域的应用，梅叶尔编辑，纽约，1986:657-647.)利用轴向冲击压缩来实现剪切加载的帽形结构试样,通过试样自剪切的设计来测定材料局部位置的冲击剪切破坏强度。该方法所需试样结构复杂，制备难度大，特别是对复合材料等各向异性材料则较难实现，试样本身的复杂性也使得试验和数据处理更加复杂和困难。哈丁 (“高应变率下的力学性能”，国际物理会议47，布里斯托尔&伦敦，1979，318页)提出的杆-管式冲剪加载装置，其特征在于冲剪结构由输入杆I和输出管2组成，试样3置于输入杆I和输出管2之间，其结构示意图如附图I。实验过程中，此种结构容易出现输入杆I和输出管3跳动及剪切带不均匀等问题，从而影响了试验结果的有效性和可靠性。“高应变率下双缺ロ铀试样的力学性能测试”(高应变率下力学性能的第二次国际会议，哈丁编辑，物理协会，伦敦，1979:49-61)中提出的杆-管槽ロ式剪切装置，其特征在于冲剪结构由输入杆I和输出管2组成,在输入杆I和输出管2上留有槽ロ，试样置于槽口中进行试验，其结构示意图见附图2。杆(管)端槽型结构设计，会导致应カ波传播复杂化，干扰杂波的出现增加了数据处理的难度。另外，双槽冲击加载剪切方式存在切应カ易导致输入杆与输出杆(管)的相对转动，在剪应变增大时，试样不再以纯剪形式破坏。此种结构还存在有效剪切面积有限、试样尺寸设计受约束，易增大试验结果的分散性等问题。
发明内容本实用新型的目的在于提供ー种Hopkinson杆式冲击剪切实验装置，提高材料动态剪切力学性能测试结果的可靠性和准确性，应用于材料动态剪切力学性能表征。本实用新型的目的是这样实现的，冲击剪切采用杆-管式结构设计，输入杆与输出管广义波阻抗相同，采用定位对中导向器实现输入杆和输出管的定位和对中，消除冲击过程中输入杆和输出管的跳动问题，以保证冲击剪切过程中输入杆和输出管稳定对中和剪切带的均匀化；在输出管中设置能量吸收杆，吸收输入杆冲击试样后的的残余动能，以有效保护实验装置。本实用新型涉及的Hopkinson杆式冲击剪切实验装置，包括输入杆I和输出管2，其特征在于输入杆I和输出管2由定位对中导向器4定位、对中和导向，结构如附图3所
/Jn ο本实用新型涉及的Hopkinson杆式冲击剪切实验装置，包括输入杆I和输出管2，其特征在于输入杆I和输出管2由定位对中导向器4定位对中和导向,在输出管2中设置能量吸收杆5,结构如附图4所示。 本实用新型涉及的Hopkinson杆冲击剪切实验装置，包括输入杆I和输出管2，其特征在于输入杆I和输出管2由定位对中导向器4定位对中和导向，定位对中导向器4为同心变内径套筒，中间开设试样槽7，两端分别为输入杆定位导向孔6和输出管定位孔8，结构如附图5所示。本实用新型涉及的Hopkinson杆式冲击剪切实验装置，包括输入杆I和输出管2，其特征在于输入杆I和输出管2由定位对中导向器4定位对中和导向，定位对中导向器4为同心变内径套筒，中间开设试样槽7,试样槽7垂直于定位对中导向器4轴线方向的最小尺寸大于定位孔8的内径，结构如附图5。本实用新型涉及的Hopkinson杆式冲击剪切实验装置，包括输入杆I和输出管2，其特征在于输入杆I与输入杆定位导向孔6为基轴制G7/h6配合。本实用新型涉及的Hopkinson杆式冲击剪切实验装置，包括输入杆I和输出管2，其特征在于输出管2与输出管定位孔8为基轴制H7/h6配合。本实用新型涉及的Hopkinson杆式冲击剪切实验装置，包括输入杆I和输出管2，其特征在于输出管2与能量吸收杆5为基孔制H9/d9配合。本实用新型涉及的Hopkinson杆式冲击剪切实验装置，包括输入杆I和输出管2，其特征在于输入杆I和输出管2截面积相等，输入杆I与输出管2之间预置剪切间隙0. 2mm 0. .imnin本实用新型涉及的Hopkinson杆式冲击剪切实验装置，包括输入杆I和输出管2，其特征在于能量吸收杆5端面与输出管冲击端面的距离介于5mm IOmm之间。本实用新型涉及的Hopkinson杆式冲击剪切实验装置,基于ー维Hopkinson杆的“杆-管”冲剪技木，结构简単，实用可靠，便于操控，使实验所需试样易于设计和制备。本实用新型涉及的Hopkinson杆式冲击剪切实验装置，采用定位对中导向器结构，有利于实现输入杆的准确定位及输入杆与输出管的同轴对中，可避免因冲击杆跳动引起输入杆和输出管端面撞击损坏，并保证剪切带的均一化，降低了因实验技术导致的结果分散性大等问题，适用于材料动态力学性能试验和表征，特别适用于试样加工难度大的材料如复合材料的动态力学性能的试验和表征。

图I哈丁提出的杆-管式冲剪加载装置示意图[0021]图2哈丁提出的槽ロ杆-管式装置示意图图3本实用新型涉及的Hopkinson杆式冲击剪切实验装置示意图图4本实用新型涉及的Hopkinson杆式冲击剪切实验装置示意图图5本实用新型涉及的定位对中导向器结构示意图图6本实用新型涉及的定位对中导向器样品槽剖面结构示意图图7本实用新型涉及的14. 5mmSHPB冲击剪切实验系统图8采用本实用新型的SHPB系统得出的碳纤复合材料动态剪切试验数据 图9采用本实用新型的SHPB系统得出的玻纤复合材料动态剪切试验数据图10采用哈丁提出的杆-管式SHPB系统得出的碳纤复合材料动态剪切试验数据图11采用哈丁提出的杆-管式SHPB系统得出的玻纤复合材料动态剪切试验数据其中1-输入杆,2-输出管,3-试样,4-定位对中导向器,5-能量吸收杆,6-输入杆定位导向孔，7-试样槽，8-输出管定位导向孔，9-子弹杆，10-应变片，11-数据采集及处理系统，12-缓冲器
具体实施方式
下面以直径为14. 5mm的Hopkinson杆冲击剪切实验系统为例对本实用新型涉及的技术方案进行详细说明，但不作为对本实用新型涉及技术方案的限制。任何基于本实用新型涉及技术方案设计的试验装置均构成本实用新型的一部分。ー种直径为14. 5mm的Hopkinson杆式冲击剪切实验装置(结构如附图4所示)，输入杆、输出管、能量吸收杆采用马氏体失效钢加工，定位对中导向器采用2024铝加工，表面光洁度均为0. 8。输入杆I直径为14. 5mm,长度为600mm ;输出管2内径和外径分别为15mm和21mm,长度为450mm ;能量吸收杆5直径为20mm,长度为500mm ;定位对中导向器4的长度100mm,外径为35. 8mm,输入杆定位导向孔6的长度为50mm,内径为14. 7mm,输出管定位孔8的长度为40mm,内径为21. Imm,试样槽7垂直于定位对中导向器4轴线方向的长度为24mm,平行于定位对中导向器4轴线方向的长度为IOmm,按附图4方式连接和安装,输入杆I置于定位对中导向器4的输入杆定位导向孔6中，输出管2置于定位对中导向器4的输出管定位孔8中,试样3置于试样槽7中,保证试样3两个表面分别与输入杆I和输出管2的端面紧密接触。能量吸收杆5置于输出管2中，与试样3之间预留6_间隙，得到本实用新型的冲击剪切实验装置。测试试样为矩形薄片，试样宽度和厚度分别不大于23. 5_和5mm ο测试前，将冲击剪切实验装置平置在Hopkinson杆式冲击试样平台上，子弹杆9、输入杆I、输出管2和缓冲器12调整在同一直线上,试样居中装入试样槽中；在输入杆I和输出管2上分別安装与数据采集和处理系统连接的应变片10。测试时,子弹杆9以某ー速度撞击输入杆1，输入杆I中产生入射应カ波，入射应カ波传到输入杆I与试样3的界面时,入射应カ波发生反射和透射,分别在输入杆I和输出管2中产生反射应カ波和透射应カ波，同时完成对试样的剪切作用，输入杆I继续运动与能量吸收杆5发生碰撞，能量吸收杆5吸收输入杆I的残余动能后而撞击缓冲器12停止。通过应变片和数据采集和处理系统记录入射应カ波、反射应カ波和透射应カ波信号，并进行数据的采集、处理和分析，得到应カ位移曲线。[0036]图7和图8是采用本例实验装置对碳纤复合材料和玻纤复合材料式样的冲击剪切性能四组平行试验结构结果，试样为50mmX23. 5mmX 2mm的矩形试样,子弹杆冲击速度为20m/s。对比例针对相同的碳纤复合材料和玻纤复合材料试样，采用哈丁提出的杆-管式冲剪加载装置(图I)进行实验，得出试验结果分别如图9和图10所示。对于碳纤复合材料，通过比较采用本实用新型的SHPBS系统得出的试验结果(图7)与采用哈丁提出的杆-管式冲剪加载SHPBS系统得出的试验结果(图9)，可以看出，图7中应カ-位移曲线的分散性明显小于图9中应力-位移曲线的分散性。下面以最大动态剪切应カτ为例，比较结果数据的分散性。采用本实用新型的SHPB系统进行4次试验的动态剪切屈服应カτ分别为229. 6MPa, 229. 4MPa, 229. 7MPa, 223. IMPa,该组数据的相对标准偏差RSDl=L 42%。采用哈丁提出的杆-管式冲剪加载SHPB系统进行4次试验的最大动态剪切应カτ分别为229. IMPa，227. OMPa, 208. IMPa, 193. 5MPa,该组数据的相对标准偏差 RSD2=7. 86%。RSDl ^ 1/5RSD2,所以，采用本实用新型的SHPBS系统得出的试验结果的分散性较小。
权利要求1.ー种Hopkinson杆冲击剪切实验装置，包括输入杆(I)和输出管(2)，其特征在于输入杆(I)和输出管(2)由定位对中导向器(4)定位、对中和导向。
2.权利要求I涉及的Hopkinson杆冲击剪切实验装置，其特征在于输入杆(I)和输出管(2)由定位对中导向器(4)定位对中和导 向，在输出管(2)中设置能量吸收杆(5)。
3.权利要求I或2涉及的Hopkinson杆冲击剪切实验装置，其特征在于输入杆(I)和输出管(2)由定位对中导向器(4)定位对中和导向，定位对中导向器(4)为同心变内径套筒，中间开设试样槽(7)，两端分别为输入杆定位导向孔(6)和输出管定位孔(8)。
4.权利要求3涉及的Hopkinson杆冲击剪切实验装置，其特征在于试样槽(7)垂直于定位对中导向器(4)轴线方向的最小尺寸大于输出管(2)外径。
5.权利要求3涉及的Hopkinson杆冲击剪切实验装置，其特征在于输入杆(I)与输入杆定位导向孔(6)为基轴制G7/h6配合。
6.权利要求3涉及的Hopkinson杆冲击剪切实验装置，其特征在于输出管(2)与输出管定位孔(8)为基轴制H7/h6配合。
7.权利要求2涉及的Hopkinson杆冲击剪切实验装置，其特征在于输出管(2)与能量吸收杆(5)为基孔制H9/d9配合。
8.权利要求I或2涉及的Hopkinson杆冲击剪切实验装置，其特征在于输入杆(I)和输出管(2)截面积相等，输入杆(I)与输出管(2)之间预置剪切间隙O. 2 mm O. 3mm。
9.权利要求2涉及的Hopkinson杆冲击剪切实验装置，其特征在于能量吸收杆(5)端面与输出管冲击端面的距离介于5mm IOmm之间。
专利摘要本实用新型属于材料性能测试技术领域，基于一维Hopkinson杆的“杆-管”冲剪技术，采用杆-管式冲击剪切结构设计，采用定位对中导向器实现输入杆和输出管的定位和对中，消除冲击过程中输入杆和输出管的跳动问题；在输出管中设置能量吸收杆，吸收输入杆冲击试样后的的残余动能。本实用新型涉及的Hopkinson杆式冲击剪切实验装置，由输入杆(1)、输出管(2)和定位对中导向器(4)组成，输入杆和输出管通过定位对中导向器定位、对中和导向，实现输入杆的准确定位及输入杆与输出管的同轴对中，保证剪切带的均一化，提高测试结果重复性。该装置实用可靠，便于操控，适用于材料动态力学性能试验和表征，特别适用于试样加工难度大的材料如复合材料的动态力学性能的试验和表征。
文档编号G01N3/30GK202676558SQ201120493448
公开日2013年1月16日 申请日期2011年12月1日 优先权日2011年12月1日
发明者彭刚, 冯家臣, 刘原栋, 王绪财, 李树虎 申请人:中国兵器工业集团第五三研究所