一种应力反转动态拉伸加载试验系统的制作方法

移传感器9，由两个激光位移传感器9记录试件13在拉伸时的位移随时间变化曲线，进 而由激光位移传感器9测得的位移差值获取试件13的动态拉伸位移量，获得拉伸试件的 应变时间历程；由输出杆4上贴设的一号应变片5测得应变得到撞击杆3施加给试件13 的载荷时间历程；根据所述试件13的载荷时间历程和应变时间历程获取材料动态拉伸加 载试验的载荷位移测量。
11.优选地，所述载荷位移记量单元包括应一号应变片5和三维散斑dic高速相机8， 由输出杆4上贴设的一号应变片5测得应变得到撞击杆3施加给试件13的载荷时间历程； 由三维散斑dic高速相机8观测在试件13拉伸时其位移随时间变化曲线，进而获取试 件10的应变时间历程，根据所述试件13的载荷时间历程和应变时间历程获取材料动态 拉伸加载试验的载荷位移测量。
12.优选地，撞击杆发射单元包括轻气炮发射系统发射管1、发射管支座21、撞击杆3 和测速系统2，发射管支座21支撑轻气炮发射系统发射管1，轻气炮发射系统发射管1 发射的撞击杆3水平撞击产生瞬态拉伸载荷；测速系统2用于观测撞击杆3的速度。
13.优选地，试件13采用回转体哑铃型，回转体哑铃型试件两端具有与过渡接头6、应 力反转板12的螺纹孔12-1相匹配的外螺纹。
14.优选地，试件13采用板类哑铃型，板类哑铃型试件通过板类拉伸试件夹具15配套 安装，所述板类拉伸试件夹具15包括楔形压块19和具有锥形内孔的夹具夹头20，板类 哑铃型试件两端分别通过两个楔形压块19设置于夹具夹头20的锥形内孔中，夹具夹头 20具有与过渡接头6、应力反转板12的螺纹孔12-1相匹配的外螺纹。
15.本发明的有益效果：本发明装置满足了材料本构关系及其应变率效应的研究需求，实 现了拉/压一机多用的功能。本发明在霍普金森压杆设备的基础上，采用应力反转的技术， 研制一种应力反转的动态拉伸加载试验系统，实现了材料的中高应变率拉伸加载。一种应 力反转的动态拉伸加载试验系统适用于不同固体类材料的动态拉伸加载-哑铃型回转体试 件和哑铃型板状试件，易于控制应力波的幅值和应变率，具有良好的重复性，可产生所需 的不同中高应变率的加载波形。
附图说明
16.图1是本发明所述一种应力反转动态拉伸加载试验系统的结构示意图；
17.图2是拉伸加载单元的结构示意图；
18.图3是板类哑铃型的结构示意图；
19.图4是图3的局部放大图；
20.图5是回转体哑铃型试件结构示意图；
21.图6是应力反转板的结构示意图，其中(a)为应力反转板剖视图，(b)为应力反转板的 侧视图；
22.图7是过渡接头的结构示意图。
23.1、发射管；2、激光测速系统；3、撞击杆；4、输出杆；5、一号应变片；6、过渡接 头；7、参照板；8、三维散斑dic高速相机；9、激光位移传感器；10、固定卡环；11、 缓冲器；12、应力反转板；13、试件；14、二号应变片；15、板类拉伸试件夹具；16、输 入杆；17、杆支座；18、整形器；19、楔形压块；20、夹具夹头；21、发射管支座。
具体实施方式
24.下面结合附图和具体实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技 术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的 是，只要不构成冲突，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围， 在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落后于本技术所 附权利要求所限定的范围。
25.具体实施方式一：下面结合图1～7说明本实施方式，本实施方式所述一种应力反转 动态拉伸加载试验系统包括撞击杆发射单元、拉伸加载单元和载荷位移记量单元；
26.所述动态拉伸加载单元包括整形器18、入射杆16、应力反转板12、固定卡环10、 试件13、过渡接头6、输出杆4、缓冲器11和杆支座17；所述过渡接头6包括左右两个 螺纹孔，一端螺纹孔与输出杆4端部连接，另一端螺纹孔与试件13的一端连接；
27.输入杆16和输出杆4通过杆支座17安装在平台上，且两个杆上下平行设置，应力 反转板12具有并列的螺纹孔12-1和光孔12-2，应力反转板12的光孔12-2套设在输入 杆16末端并通过固定卡环10固定，应力反转板12通过螺纹孔12-1与试件13另一端螺 纹连接；输入杆16首端设置整形器18，输入杆16末端与缓冲器11进行接触；
28.所述撞击杆发射单元发射的撞击杆通过整形器18撞击输入杆16，通过拉伸加载单 元实现拉伸加载，并由载荷位移记量单元完成材料动态拉伸加载试验的载荷位移测量。
29.本实施方式是在现有设备的基础改进的，现有部分包括轻气炮发射系统发射管1、 发射管支座21、撞击杆3和测速系统2构成的撞击杆发射单元；以及整形器18、入射杆 16、缓冲器11和杆支座17；入射杆16由若干个杆支座17支撑，撞击杆3和入射杆16 同轴心，发射管支座21支撑轻气炮发射系统发射管1，轻气炮发射系统发射管1发射的 撞击杆3水平撞击产生瞬态拉伸载荷；测速系统2用于观测撞击杆3的速度。入射杆16 受撞击后顶压缓冲器11。
30.本实施方式改进部分为加入应力反转动态拉伸特征，具体为：应力反转板12、固定 卡环10、过渡接头6和输出杆4，输出杆4由若干个杆支座17支撑，输出杆4与入射杆 16平行，二者由应力反转板12固定相对位置关系，参见图6，应力反转板12具有并列 的螺纹孔12-1和光孔12-2，应力反转板12的光孔12-2套设在输入杆16末端并通过固 定卡环10固定，应力反转板12通过螺纹孔12-1与试件13一端螺纹连接；试件13另一 端通过过渡接头6与输出杆4螺纹连接，过渡接头6包括左右两个螺纹孔，一端螺纹孔 与输出杆4端部连接，另一端螺纹孔与试件13的一端连接；这两个螺纹孔尺寸根据实际 需要选择。
31.输入杆16受向右撞击后，所受向右的力被应力反转板12传递至上方，应力反转板 12根据输入杆16向右，试件13及输出杆受到该右向力，试件13变形，实现拉伸加载， 并由载荷位移记量单元完成材料动态拉伸加载试验的载荷位移测量。
32.具体实施方式二：下面结合图2～5说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进 一步说明，本实施方式提供试件13的两种实现方案：
33.方案1、试件13采用回转体哑铃型，回转体哑铃型试件两端具有与应力反转板12和 过渡接头15螺纹内孔相匹配的外螺纹，如图2和5所示。
34.方案2、试件13采用板类哑铃型，通过板类拉伸试件夹具15进行连接固定，所述的 板类拉伸试件夹具15包括楔形压块19和具有锥形内孔的夹具夹头20，板类哑铃型试件 两端分别通过两个楔形压块19固定于夹具夹头20的锥形内孔中，夹具夹头20具有与应 力反
转板12和过渡接头15螺纹内孔相匹配的外螺纹，参见图2、3、4所示。夹具夹头20的锥形内孔的角度α为10-15度，而与试件接触的楔形压块19的压齿采用60度角的 等边三角形齿，高度1毫米，保证试件夹持的稳定可靠。
35.具体实施方式三：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步 说明，本实施方式给出载荷位移记量单元的三个实施方案：
36.方案1、所述载荷位移记量单元包括应一号应变片5和二号应变片14，由输出杆4 上贴设的一号应变片5测得应变得到撞击杆3施加给试件13的载荷时间历程；由试件13 上贴设的二号应变片14获得拉伸试件的应变时间历程，根据所述试件13的载荷时间历程 和应变时间历程获取材料动态拉伸加载试验的载荷位移测量。
37.方案2、所述载荷位移记量单元包括应一号应变片5和三维散斑dic高速相机8，由 输出杆4上贴设的一号应变片5测得应变得到撞击杆3施加给试件13的载荷时间历程； 由三维散斑dic高速相机8观测在试件13拉伸时其位移随时间变化曲线，进而获取试件 10的应变时间历程，根据所述试件13的载荷时间历程和应变时间历程获取材料动态拉伸 加载试验的载荷位移测量。
38.方案3、所述载荷位移记量单元包括应一号应变片5、参照板7和激光位移传感器9， 两个参照板7对称安装于试件13的标距段两侧；在两个参照板7外部各设置一个激光位 移传感器9，由两个激光位移传感器9记录试件13在拉伸时的位移随时间变化曲线，进 而由激光位移传感器9测得的位移差值获取试件13的动态拉伸位移量，获得拉伸试件的 应变时间历程；由输出杆4上贴设的一号应变片5测得应变得到撞击杆3施加给试件13 的载荷时间历程；根据所述试件13的载荷时间历程和应变时间历程获取材料动态拉伸加 载试验的载荷位移测量。
39.具体实施方式四：本实施方式通过一个具体实施例来说明试验步骤：
40.s1、试件13选择回转体哑铃型拉伸试件，首先将试件13的一端与输出杆上过渡接 头6的内孔螺纹进行连接，试件13的另一端与到应力反转板12上的螺纹内孔12-1进行 连接。试件13的两端与楔形压块19一起通过专用的工装未示出压入夹具夹头20的锥形 内孔，保证试件可靠夹紧。在夹具夹头20的外表面具有螺纹，可与过渡接头6的内孔螺 纹和应力反转板12上的螺纹内孔12-1进行连接。
41.s2、选择合适的整形器材料和尺寸放置在上输入杆16的前端面中心；将合适的撞击 杆3推入轻气炮发射系统发射管1里面一定的位置；将给定压力的普通氮气充入轻气炮的 气室，等待开展试验。
42.s3、打开测速系统2，让其处于待测状态。
43.s4、将输出杆4上的一号应变片5与超动态应变仪和和数字示波器连接，用于测量 瞬态拉伸载荷的大小；
44.以下三种择一投入实验：
45.第一种、激光位移传感器9与数字示波器连接，测量试件13的形变；
46.第二种、也可将试件13上粘贴的二号应变片14与超动态应变仪与数字示波器连接， 测量试件13的形变；
47.第三种、如果采用三维散斑dic系统相机8也要与计算机连接调整好处于待测状态， 用于监测拉伸过程中试件13的形变时间历程。
48.s5、击发轻气炮系统，撞击杆3沿轻气炮发射系统发射管1经测速系统2测速后高 速飞出，经整形器18与输入杆16撞击，实现对试件13的瞬态拉伸加载。
49.s6、将示波器记录的一号应变片5信号、二号应变片14信号保存、或激光位移传感 器9信号保存、或将三维散斑dic系统相机8记录的图像在计算机上进行保存。
50.s7、根据记录的载荷信号和位移信号构建出试件拉伸加载的应力时程曲线和应变时 程曲线。至此完成一次材料中高应变率的拉伸加载试验，得到材料在该应变率条件下的一 组应力应变曲线数据。
51.按上述过程可完成多次不同撞击杆3长度、不同撞击杆3速度、不同整形器18下的 拉伸加载的应变率实验。

技术特征：
1.一种应力反转动态拉伸加载试验系统，其特征在于，包括撞击杆发射单元、拉伸加载单元和载荷位移记量单元；所述动态拉伸加载单元包括整形器(18)、入射杆(16)、应力反转板(12)、固定卡环(10)、试件(13)、过渡接头(6)、输出杆(4)、缓冲器(11)和杆支座(17)；所述过渡接头(6)包括左右两个螺纹孔，一端螺纹孔与输出杆(4)端部连接，另一端螺纹孔与试件(13)的一端连接；输入杆(16)和输出杆(4)通过杆支座(17)安装在平台上，且两个杆上下平行设置，应力反转板(12)具有并列的螺纹孔(12-1)和光孔(12-2)，应力反转板(12)的光孔(12-2)套设在输入杆(16)末端并通过固定卡环(10)固定，应力反转板(12)通过螺纹孔(12-1)与试件(13)另一端螺纹连接；输入杆(16)首端设置整形器(18)，输入杆(16)末端与缓冲器(11)进行接触；所述撞击杆发射单元发射的撞击杆通过整形器(18)撞击输入杆(16)，通过拉伸加载单元实现拉伸加载，并由载荷位移记量单元完成材料动态拉伸加载试验的载荷位移测量。2.根据权利要求1所述一种应力反转动态拉伸加载试验系统，其特征在于，所述载荷位移记量单元包括应一号应变片(5)和二号应变片(14)，由输出杆(4)上贴设的一号应变片(5)测得应变得到撞击杆(3)施加给试件(13)的载荷时间历程；由试件(13)上贴设的二号应变片(14)获得拉伸试件的应变时间历程，根据所述试件(13)的载荷时间历程和应变时间历程获取材料动态拉伸加载试验的载荷位移测量。3.根据权利要求1所述一种应力反转动态拉伸加载试验系统，其特征在于，所述载荷位移记量单元包括应一号应变片(5)、参照板(7)和激光位移传感器(9)，两个参照板(7)对称安装于试件(13)的标距段两侧；在两个参照板(7)外部各设置一个激光位移传感器(9)，由两个激光位移传感器(9)记录试件(13)在拉伸时的位移随时间变化曲线，进而由激光位移传感器(9)测得的位移差值获取试件(13)的动态拉伸位移量，获得拉伸试件的应变时间历程；由输出杆(4)上贴设的一号应变片(5)测得应变得到撞击杆(3)施加给试件(13)的载荷时间历程；根据所述试件(13)的载荷时间历程和应变时间历程获取材料动态拉伸加载试验的载荷位移测量。4.根据权利要求1所述一种应力反转动态拉伸加载试验系统，其特征在于，所述载荷位移记量单元包括应一号应变片(5)和三维散斑dic高速相机(8)，由输出杆(4)上贴设的一号应变片(5)测得应变得到撞击杆(3)施加给试件(13)的载荷时间历程；由三维散斑dic高速相机(8)观测在试件(13)拉伸时其位移随时间变化曲线，进而获取试件(10)的应变时间历程，根据所述试件(13)的载荷时间历程和应变时间历程获取材料动态拉伸加载试验的载荷位移测量。5.根据权利要求1～4任一权利要求所述一种应力反转动态拉伸加载试验系统，其特征在于，撞击杆发射单元包括轻气炮发射系统发射管(1)、发射管支座(21)、撞击杆(3)和测速系统(2)，发射管支座(21)支撑轻气炮发射系统发射管(1)，轻气炮发射系统发射管(1)发射的撞击杆(3)水平撞击产生瞬态拉伸载荷；测速系统(2)用于观测撞击杆(3)的速度。6.根据权利要求5所述一种应力反转动态拉伸加载试验系统，其特征在于，试件(13)采用回转体哑铃型，回转体哑铃型试件两端具有与过渡接头(6)、应力反转板(12)的螺纹孔(12-1)相匹配的外螺纹。
7.根据权利要求5所述一种应力反转动态拉伸加载试验系统，其特征在于，试件(13)采用板类哑铃型，板类哑铃型试件通过板类拉伸试件夹具(15)配套安装，所述板类拉伸试件夹具(15)包括楔形压块(19)和具有锥形内孔的夹具夹头(20)，板类哑铃型试件两端分别通过两个楔形压块(19)设置于夹具夹头(20)的锥形内孔中，夹具夹头(20)具有与过渡接头(6)、应力反转板(12)的螺纹孔(12-1)相匹配的外螺纹。

技术总结
一种应力反转动态拉伸加载试验系统，属于材料动态力学性能测试技术领域，本发明为解决现有应力拉伸加载实验装置功能单一的问题。本发明包括撞击杆发射单元、拉伸加载单元和载荷位移记量单元；所述动态拉伸加载单元包括整形器、入射杆、应力反转板、固定卡环、试件、过渡接头、输出杆、缓冲器和杆支座；所述过渡接头包括左右两个螺纹孔分别连接输出杆和试件；输入杆和输出杆平行，应力反转板具有并列的螺纹孔和光孔，其光孔套设在输入杆末端并通过固定卡环固定，其螺纹孔与试件另一端螺纹连接；所述撞击杆发射单元发射的撞击杆通过整形器撞击输入杆，通过拉伸加载单元实现拉伸加载，并由载荷位移记量单元完成材料动态拉伸加载试验的载荷位移测量。载荷位移测量。载荷位移测量。


技术研发人员：张伟 魏宏健 姜雄文 徐施佳 李岳 赵庚 冯文举 马兴业
受保护的技术使用者：哈尔滨瞬态加载试验设备技术开发有限公司
技术研发日：2021.11.24
技术公布日：2022/3/8