专利名称：一种激光冲击双向加载的环向拉伸试验装置和方法
技术领域：
本发明涉及材料动态拉伸力学性能试验技术领域，尤其涉及由激光冲击加载的材 料环向拉伸性能试验方法和装置。
背景技术：
在各类工程技术、军事技术和科学研究等广泛领域的一系列实际问题中，甚至就 在日常生活中，人们都会遇到各种各样的爆炸、冲击载荷问题，并且可以观察到，物体在爆 炸、冲击载荷下的力学响应往往与静载荷下的有显著不同，了解材料在冲击加载条件下的 力学响应必将大大有助于这些材料的工程应用和工程设计。此外，数值模拟已在工程设计 中发挥着重要作用，而进行数值模拟的前提是必须首先建立一个基于材料在各种应变率下 (尤其是在动态应变率下)的精确应力一应变曲线基础上的本构模型。所以，获得一套材料 在高应变率下的应力一应变曲线则成为首要任务。尽管人们已经研制了多种动态实验技 术，但是研制一种方便、高效的、精确的高应变率实验装置是非常重要的。其中，膨胀环技术是一维高应变率拉伸加载测量材料动态性能的重要技术，而膨 胀环技术传统的加载手段主要是通过物块撞击、炸药爆轰和电磁驱动，用炸药爆轰危险性 较大、不易控制且易造成污染，电磁驱动则在对绝缘体材料的测试中极不方便，而且以上方 法使材料产生应变速率相对较低，应变率较难控制，且加载方法过程复杂，影响因素多，计 算复杂，试验费用高，危险性大。基于此，本专利首次提出采用激光高压、高能、超快、超高应变率的方式对靶材进 行冲击加载，以此测量高应变率下的材料动态力学性能参数。

发明内容
本发明目的是克服以上缺点，提供一种由激光冲击加载的环向冲击拉伸试验方法 和装置，它将激光诱导的等离子体爆炸产生的冲击波作为加载载荷，取代了传统的用物块 撞击或炸药爆炸产生冲击波的方法，实现可控应变速率加载和超高应变率加载，是在极端 条件下研究材料和应力波作用的有效加载方法。本发明可以通过调节激光脉宽和激光能量来控制材料在加载时的应变速率。因此 可以激光加载范围内研究不同应变率条件下材料的动态拉伸性能。本发明的特征在于激光 脉冲的脉宽为5 100纳秒可调，波长1064/532纳米可选，能量在广100J可调。本发明利用强激光脉冲诱导的冲击波进行双向加载，激光干涉仪对环形试样的环 向膨胀速度进行测试，记录环形试样环向膨胀速度历史，通过计算获得应力、应变和应变率 之间的关系，从而获得材料冲击拉伸性能。一种由激光冲击加载的冲击拉伸试验方法和装置，包括激光头A，激光头B，激光 脉冲A，激光脉冲B，约束层A，约束层B，吸收层A，吸收层B，加载杆A，圆锥体，环形试样，圆 柱形驱动环，圆锥孔，驱动块A，驱动块B，驱动块C，加载杆B.，激光干涉仪，触发器A，触发器 B,电脑，高功率脉冲激光器；所述加载杆的激光照射端依次贴有吸收层和约束层，冲击波从加载杆的激光照射端依次通过加载杆、圆柱形驱动环，最终作用到环形试样上，激光干涉仪 放置在环形试样的环向膨胀方向适当位置处，触发器分布置于激光脉冲出口处，触发器、激 光干涉仪和高功率脉冲激光器分别与电脑相连。所述圆柱形驱动环由三块相互分离的驱动块A，驱动块B和驱动块C组成；所述圆 柱形驱动环一端顶在加载杆上，另一端设置有圆锥孔，圆锥孔与加载杆的圆锥体相配合。本发明的实施步骤如下
(1)根据试验要求制作环形试样；
(2)在入射杆激光照射面依次贴有吸收层和约束层；
(3)将环形试样安装在圆柱形驱动环上，圆柱形驱动环一端顶在顶杆上，另一端设置有 圆锥孔，圆锥孔与加载杆的圆锥体相配合，加载杆的另一端顶在入射杆上，激光干涉仪放置 在环形试样的环向膨胀方向适当位置处；
(4)调节高功率脉冲激光器参数，使参数满足试验要求，所述高功率脉冲激光器参数包 括激光能量，激光脉宽；
(5)开启触发器和激光干涉仪，电脑准备记录激光干涉仪所测的环形试样的环向膨胀 速度历史；
(6)高功率脉冲激光器工作，发射激光脉冲作用于加载杆端面进而对环形试样进行同 步加载，受载的环形试样发生环向膨胀最终失稳断裂；
(7)通过分析环形试样的环向膨胀速度历史，获得材料应力、应变和应变率的关系，从 而获得材料在高应变率载荷下的力学性能和动态断裂特性。本发明的优点是
(1)可以通过改变激光脉宽和激光能量来控制材料在加载时的应变速率，实现可控应 变速率加载。(2)实现超高应变率加载，加载获得的应变率可高达IO7以上，传统加载方法只能 达到IO4左右。(3)实现双向同步加载，实现应力波的叠加，使膨胀环获得更大的能量和应变率。(4)可以研究激光加载条件下材料的动态拉伸性能，而其他方法加载特性与激光 加载有较大差异。(5)加载过程简单，影响因素少，计算简单，试验费用较低。(6)可以进行不同类型，不同材料的环向拉伸试验，如金属、陶瓷、有机材料等。本发明可以通过调节激光脉宽和激光能量来控制材料在加载时的应变速率。高应 变率条件下材料的力学性能和动态断裂特性的有效手段。


下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。图1为环向拉伸试验装置示意图。图2为激光诱导产生冲击波的示意图。图3为驱动环剖视图。图4为驱动环俯视图。图中，1.激光头A，01激光头B，2.激光脉冲A，02.激光脉冲B，3.约束层A，31.约束层B，4.吸收层A，41.吸收层B，6.加载杆A，61圆锥体，7.环形试样，8.圆柱形驱动环， 81.圆锥孔，82.驱动块A，83.驱动块B，84.驱动块C，9加载杆B.，10.激光干涉仪，11.触 发器A，110.触发器B，12.电脑，13.高功率脉冲激光器，14.等离子体，15.冲击波。
具体实施例方式以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。如图1所示，一种由激光冲击加载的冲击拉伸试验方法和装置，包括1.激光头A， 01激光头B，2.激光脉冲A，02.激光脉冲B，3.约束层A，31.约束层B，4.吸收层A，41.吸 收层B，6.加载杆A，61圆锥体，7.环形试样，8.圆柱形驱动环，81.圆锥孔，82.驱动块A， 83.驱动块B，84.驱动块C，9加载杆B.，10.激光干涉仪，11.触发器A，110.触发器B，12.电 脑，13.高功率脉冲激光器，加载杆6的另一端一体设置有圆锥体61，圆柱形驱动环8由三 块相互分离的驱动块A82，驱动块B83和驱动块C84组成，圆柱形驱动环8的一端的设置有 与圆锥体61相配合的圆锥孔81，圆柱形驱动环8的另一端顶接在加载杆B9的顶面上，圆 柱形驱动环8的外圆周面上一体设置有环形凸台。加载杆A6和加载杆B9的激光照射端依 次贴有吸收层A4和吸收层B41、约束层A3和约束层B31。激光干涉仪10放置在环形试样 7的环向膨胀方向适当位置处。本发明激光冲击加载环向拉伸原理根据所选择的激光参数(波长、脉宽、能量)， 由电脑12控制高功率脉冲激光器13工作，发射激光脉冲A2和激光脉冲B02 (脉宽为纳秒 级，功率密度为吉瓦级)，激光脉冲A2和激光脉冲B02分别与贴于加载杆A6和加载杆B9的 激光照射面的吸收层相互作用产生等离子体15，被约束层束缚的等离子体14爆炸产生冲 击波15，见图2，冲击波15通过加载杆6，加载杆A6的圆锥体61与圆柱形驱动环8的圆锥 孔81配合，同时另一端冲击波通过加载杆B9作用与圆柱形驱动环8的端面，实现双向同步 加载，实现应力波的叠加，使由驱动块A82，驱动块B83和驱动块C84组成的圆柱形驱动环 产生环向膨胀，见图3和图4，从而对试样7进行加载。本发明通过改变高功率脉冲激光器 13中谐振腔抽运功率来改变脉冲激光的脉宽，或通过改变激光器13发射脉冲的能量，从而 控制材料在加载时的应变速率。具体实施过程
(1)根据试验要求制作环形试样7，试样截面形状根据试验要求制作，截面尺寸适当，保 证试验中能将环形试样拉断；
(2)在加载杆A6激光照射面依次贴有吸收层A4和约束层A3，在加载杆B9激光照射面 依次贴有吸收层B41和约束层B31 ；
(3)将环形试样7安装在圆柱形驱动环8上，圆柱形驱动环8一端顶在加载杆B9上，另 一端设置有圆锥孔81，圆锥孔81与加载杆A6的圆锥体61相配合，激光干涉仪10放置在环 形试样7的环向膨胀方向适当位置处；
(4)调节高功率脉冲激光器13参数，使参数满足试验要求，所述高功率脉冲激光器13 主要参数包括激光能量，激光脉宽；
(5)开启触发器All和B110，激光干涉仪10，电脑12准备记录激光干涉仪10所测的环 形试样7的环向膨胀速度历史；
(6)高功率脉冲激光器13工作，发射激光脉冲2作用于加载杆A6端面，同时激光脉冲A02作用于加载杆B9端面，进而对环形试样7进行加载，受载的环形试样7发生环向膨胀最 终失稳断裂；同时，电脑12接收到触发器All和触发器BllO的触发信号，控制激光干涉仪 10工作；
(7)通过分析环形试样7的环向膨胀速度历史，获得材料应力、应变和应变率的关系， 其关系如下环向应力为=塑性应变为C=MiZif0)，应变率为，其中
P为环形试样的密度，鳥和J分别为环形试样初始半径和运动过程中的半径，R为速度，
J为加速度，环形试样的膨胀速度、位移可以直接测量，加速度依靠速度微分获得，从而获 得材料在高应变率载荷下的力学性能和动态断裂特性。 上述实施例中，圆柱形驱动环8的驱动块个数可以是四块或五块等，但不能少于 两块；所述激光干涉仪10可以是一个或多个，均布在环形试样7的环向圆周上。
权利要求
1.一种激光冲击双向加载的环向拉伸试验装置，其特征在于，包括高功率脉冲激光器 (13)，激光头A (1)和激光头B (01)，约束层A (3)和约束层B (31)，吸收层A (4)和吸收层 B (41)，加载杆A (6)和加载杆B (9)，圆柱形驱动环(8)，激光干涉仪(10)，触发器A (11)、 触发器B (110)和电脑(12);所述圆柱形驱动环(8)由三块相互分离的驱动块A (82)，驱动 块B (83)和驱动块C (84)组成，所述驱动块A (82)，驱动块B (83)和驱动块C (84)组合 形成一个含有圆锥状中空圆锥孔(81)的台阶圆柱；所述圆柱形驱动环(8)的圆锥孔(81)的 一端与加载杆A (6)的圆锥体(61)相配合，圆柱形驱动环(8)的另一端顶在加载杆B (9) 上；所述加载杆A (6)和加载杆B (9)的激光照射端依次贴有吸收层A (4)、吸收层B (41) 和约束层A (3)、约束层B (31)，所述激光头A (1)和激光头B (01)分别对准加载杆A (6) 和加载杆B (9)的激光照射端，激光干涉仪(10)放置在环形试样(7)的环向膨胀方向位置 处，触发器A (11)和触发器B (110)分布置于激光脉冲A (2)和激光脉冲B (02)出口处 的一侧，触发器A (11)和触发器B (110)、激光干涉仪(10)和高功率脉冲激光器(13)分别 与电脑(12)相连。
2.一种实现权利要求1所述的激光冲击双向加载的环向拉伸试验装置的方法，其特 征在于，利用强激光脉冲诱导的冲击波对试样进行加载，激光干涉仪(10)测量环形试样的 环向膨胀速度，获得材料在高应变率载荷下的力学性能和动态断裂特性的参数，具体步骤 为(A)根据试验要求制作环形试样(7)；(B)在加载杆A(6)和加载杆B (9)的激光照射面依次贴有吸收层A (4)、吸收层B (41)和约束层A (3)、约束层B (31)；(C)将环形试样(7)安装在圆柱形驱动环(8)上，圆柱形驱动环(8)—端顶在加载杆B (9)上，另一端设置有圆锥孔(81)，圆锥孔(81)与加载杆A (6)的圆锥体(61)相配合，激光 干涉仪(10 )放置在环形试样(7 )的环向膨胀方向位置处；(D)调节高功率脉冲激光器(13)的参数，使参数满足试验要求；(E)开启触发器A(11)、触发器B (110)和激光干涉仪(10)，电脑(12)准备记录激光 干涉仪(10)所测的环形试样(7)的环向膨胀速度历史；(F)高功率脉冲激光器(13)工作，发射激光脉冲A(2)和B (02)分别作用于加载杆A (6 )和加载杆B (9 )端面进而对环形试样(7 )进行加载；(G)通过分析环形试样(7)的环向膨胀速度历史，获得材料应力、应变和应变率的关系， 从而获得材料在高应变率载荷下的力学性能和动态断裂特性。
3.根据权利要求2所述的一种激光冲击双向加载的环向拉伸试验的方法，其特征在 于，所述激光头A (1)和激光头B (01)单向加载或同步双向加载。
4.根据权利要求2所述的一种激光冲击双向加载的环向拉伸试验的方法，其特征在 于，所述激光脉冲的脉宽为5 100纳秒，波长为1064/532纳米，能量为广100J，通过改变激 光脉宽和能量来实现不同应变率加载。
全文摘要
本发明涉及一种材料动态拉伸力学性能试验，涉及材料动态拉伸力学性能试验技术领域，本发明采用强激光脉冲诱导的冲击波作为加载条件，材料应变率高；通过改变激光脉宽和激光能量来实现不同应变率加载。装置包括包括高功率脉冲激光器(13)，激光头A(1)和激光头B(01)，约束层A(3)和约束层B(31)，吸收层A(4)和吸收层B(41)，加载杆A(6)和加载杆B(9)，圆柱形驱动环(8)，激光干涉仪(10)，触发器A(11)、触发器B(110)和电脑(12)。本发明可在不同应变率条件下研究材料的动态拉伸性能，加载过程简单，影响因素少，计算简单，试验费用较低。
文档编号G01N3/313GK102128755SQ20101060397
公开日2011年7月20日 申请日期2010年12月24日 优先权日2010年12月24日
发明者何玉中, 姜文帆, 姜银方, 张永康, 钱晓明, 黄勤 申请人:江苏大学