基于應(yīng)力波原理的沖擊拉伸試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

基于應(yīng)力波原理的沖擊拉伸試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

0高應(yīng)變率沖擊拉伸裝置的設(shè)計(jì)爆炸、高速過載和金屬切割是工程中常見的操作負(fù)荷。這種負(fù)荷的特點(diǎn)是操作時(shí)間短（通常為微秒或納秒），影響強(qiáng)度高（對(duì)材料造成損害）。材料在動(dòng)態(tài)載荷作用下所表現(xiàn)出的力學(xué)性能與在靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)的力學(xué)性能有很大的不同,所以研究材料在沖擊載荷下的力學(xué)性能具有十分重要的工程意義和學(xué)術(shù)價(jià)值。為了模擬各種速率的沖擊加載過程,試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)就成為關(guān)鍵問題之一。有關(guān)材料的動(dòng)態(tài)拉伸性能問題正在成為人們討論、研究的熱點(diǎn),而該種試驗(yàn)裝置還處在不成熟階段,暫時(shí)還沒有形成一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。目前的高應(yīng)變率沖擊拉伸裝置大多按照間接桿-桿型分離式霍普金森拉桿原理進(jìn)行研制。這種裝置的共同點(diǎn)是皆由拉伸桿系、使撞塊加速的動(dòng)力發(fā)生器和信號(hào)記錄系統(tǒng)組成。其關(guān)鍵是動(dòng)力發(fā)生器的設(shè)計(jì),此亦為各個(gè)裝置最大的區(qū)別之處。動(dòng)力發(fā)生器的作用是驅(qū)動(dòng)撞塊并使其具有一定的沖擊速度,已有沖擊拉伸裝置的動(dòng)力發(fā)生器主要可以分為機(jī)械式和氣動(dòng)式兩種。采用機(jī)械式動(dòng)力發(fā)生器的主要有中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的間接桿-桿型旋轉(zhuǎn)圓盤沖擊拉伸試驗(yàn)裝置、擺錘式間接桿-桿型沖擊拉伸裝置。機(jī)械式主要存在的不足在于機(jī)構(gòu)復(fù)雜、沖擊速度可調(diào)范圍小而推廣面較小,故目前的設(shè)計(jì)多采用氣動(dòng)式。已有的氣動(dòng)式裝置主要包括上海大學(xué)研制的氣槍式?jīng)_擊拉伸試驗(yàn)裝置、國(guó)防科大研制的壓拉通用霍普金森桿裝置和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的氣槍式變截面間接桿-桿型拉伸試驗(yàn)裝置等。目前的氣動(dòng)式通常采用高壓氣體作為動(dòng)力源,通過高、低壓氣體的進(jìn)氣、排氣來推動(dòng)氣室內(nèi)部活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)高壓氣體的快速釋放,并以其推動(dòng)撞塊。此裝置的缺點(diǎn)是對(duì)氣室和氣路的密封要求比較嚴(yán)格,在制造上比較困難。本文依據(jù)間接桿-桿型分離式霍普金森拉桿的設(shè)計(jì)思路,采用氣動(dòng)式設(shè)計(jì)了一種新型的沖擊拉伸實(shí)驗(yàn)裝置。該試驗(yàn)裝置的動(dòng)力發(fā)生器采用對(duì)稱布置雙壓氣槍,通過氣體轉(zhuǎn)換器來改變普通壓氣槍發(fā)生氣體的運(yùn)動(dòng)路徑和運(yùn)動(dòng)方式,從而實(shí)現(xiàn)高壓氣體推動(dòng)圓環(huán)形撞塊的高速運(yùn)動(dòng)。利用該沖擊拉伸實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)試了2A12T4鋁合金材料的動(dòng)態(tài)沖擊拉伸性能,驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)裝置的有效性,同時(shí)數(shù)值分析了應(yīng)力波在桿系和試件中的傳播規(guī)律。1試樣動(dòng)態(tài)響應(yīng)的基本原理間接桿-桿型沖擊拉伸試驗(yàn)裝置主要是依據(jù)一維應(yīng)力波原理,基于兩個(gè)假設(shè):1)一維假定(平面假定)。在輸入桿、輸出桿和試件中傳播單向應(yīng)力狀態(tài)的一維應(yīng)力波,忽略輸入桿、輸出桿和試件中質(zhì)點(diǎn)的橫向慣性效應(yīng)。2)均勻化假定。假定試件中應(yīng)力沿軸向均勻,忽略了波在試件中的傳播效應(yīng),從而使細(xì)桿的動(dòng)力學(xué)方程簡(jiǎn)化為一維桿的動(dòng)力學(xué)平衡方程。測(cè)試裝置的示意圖如圖1所示。從圖1可以看出,間接桿-桿型沖擊拉伸裝置基本組成包括輸入桿、輸出桿、金屬短桿、撞塊、擋塊、應(yīng)變片、超動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀和瞬態(tài)波形存儲(chǔ)器。撞塊通常由動(dòng)力發(fā)生器推動(dòng),向著輸入桿左端以一定的速度運(yùn)動(dòng)。當(dāng)撞塊撞擊到擋塊時(shí),擋塊會(huì)拉斷與之連接的金屬短桿。金屬短桿的快速拉斷會(huì)使入射桿的前端產(chǎn)生拉伸脈沖,此拉伸波將會(huì)沿著輸入桿傳播,且在傳播到試件后,一部分反射回輸入桿中形成反射波,一部分拉斷試件并傳入輸出桿中形成透射波。測(cè)試過程中假設(shè)試樣長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于輸入桿和輸出桿長(zhǎng)度,當(dāng)脈沖通過試樣時(shí),由于脈沖傳播時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于試樣中波的傳播時(shí)間,因此脈沖可以在試樣內(nèi)部發(fā)生多次反射,并達(dá)到應(yīng)力平衡。故可略去試樣中波的傳播效應(yīng),并認(rèn)為試樣兩側(cè)軸向力相等,從而可以依據(jù)一維線彈性桿波動(dòng)理論計(jì)算試樣的動(dòng)態(tài)響應(yīng),計(jì)算公式如下:σs=AEAsεt,εs=?2C0l0∫t0εrdt,ε˙s=?2C0l0εr(1)σs=AEAsεt,εs=-2C0l0∫0tεrdt,ε˙s=-2C0l0εr(1)亦可以利用公式εr=εt-εi把上面的公式變換為:?????????????σs=12EAAs(εi+εr+εt)εs=C0l0∫t0(εi?εr?εt)dtε˙s=C0l0(εi?εr?εt)(2){σs=12EAAs(εi+εr+εt)εs=C0l0∫0t(εi-εr-εt)dtε˙s=C0l0(εi-εr-εt)(2)式中,εi,εr,εt分別為測(cè)試記錄的入射波、反射波和透射波;C0是桿中彈性波縱波波速;l0為試件的長(zhǎng)度;E為桿的彈性模量;A為桿的截面積;As為試件的截面積。入射波、反射波和透射波通過粘貼在輸入桿和輸出桿上的應(yīng)變片得到,應(yīng)變信號(hào)通過超動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀進(jìn)行放大傳入瞬態(tài)波形存儲(chǔ)器中,從而記錄并顯示出入射波曲線、反射波曲線和透射波曲線。利用公式(1)或公式(2),即可以通過間接測(cè)量桿上的應(yīng)變來計(jì)算材料的應(yīng)力—應(yīng)變數(shù)據(jù)。2氣體反應(yīng)器內(nèi)管道內(nèi)過濾器設(shè)計(jì)雙氣室間接桿-桿型沖擊拉伸試驗(yàn)裝置的組成如圖2(a)所示,裝置圖如圖2(b)所示。動(dòng)力發(fā)生器的設(shè)計(jì)如圖3(a)所示。以往氣動(dòng)式?jīng)_擊拉伸裝置的設(shè)計(jì)大多是將傳統(tǒng)的壓氣槍中心掏空,形成入射桿穿過通道,即中空壓氣槍裝置,這樣導(dǎo)致氣槍設(shè)計(jì)復(fù)雜、對(duì)氣路密封要求嚴(yán)格。在本設(shè)計(jì)中,采用了傳統(tǒng)氣槍對(duì)稱布置方式,利用氣體轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)氣體轉(zhuǎn)換并形成入射桿的穿過通道。其工作原理是利用氣壓控制臺(tái)控制高壓氣源同時(shí)給左氣槍和右氣槍進(jìn)行充氣和放氣,左、右氣槍釋放的高壓氣體通過氣體轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的連通空腔混合后,推動(dòng)環(huán)形撞塊沿著外套管和內(nèi)套管所組成的圓環(huán)形滑道加速前進(jìn)。環(huán)形撞塊射出動(dòng)力發(fā)生器的外套管時(shí),其速度達(dá)到最大。套管口處安裝有時(shí)間間隔儀,當(dāng)撞塊通過時(shí)間間隔儀時(shí),時(shí)間間隔儀顯示環(huán)形撞塊通過已設(shè)定距離的時(shí)間。應(yīng)力脈沖發(fā)生裝置示意圖如圖3(b)所示,當(dāng)環(huán)形撞塊通過時(shí)間間隔儀后會(huì)繼續(xù)前進(jìn),并撞擊到擋塊上。當(dāng)環(huán)形撞塊撞擊擋塊時(shí),就會(huì)通過連接短桿快速拉伸金屬短桿,拉斷后的金屬短桿、環(huán)形撞塊、擋塊、連接桿和螺母會(huì)飛入到吸收裝置中,而它們撞擊吸收裝置的能量最后會(huì)被混凝土底座吸收。由于金屬短桿受到?jīng)_擊載荷作用,會(huì)產(chǎn)生拉伸脈沖,該脈沖通過連接套作用在輸入桿上,從而使輸入桿中產(chǎn)生拉伸應(yīng)力脈沖。拉伸應(yīng)力波脈沖在輸入桿中傳播,經(jīng)過輸入桿應(yīng)變片時(shí),應(yīng)變片會(huì)記錄入射波脈沖波形并通過導(dǎo)線傳給超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀,超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀將數(shù)據(jù)放大后通過導(dǎo)線傳遞給動(dòng)態(tài)信號(hào)存儲(chǔ)儀記錄入射波數(shù)據(jù)。輸入桿中的入射波繼續(xù)傳播后作用于試件,一部分入射波將作用在試件上并傳播到透射桿中形成透射波,一部分入射波將在界面反射后在入射桿中形成反射波。同樣,透射波和反射波都會(huì)被貼在輸出桿和輸入桿上的應(yīng)變片記錄,并通過導(dǎo)線傳送給超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀,超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀將信號(hào)放大后傳送給動(dòng)態(tài)信號(hào)存儲(chǔ)儀中儲(chǔ)存。通過分析動(dòng)態(tài)信號(hào)存儲(chǔ)儀中記錄的入射波數(shù)據(jù)、反射波數(shù)據(jù)和透射波數(shù)據(jù),將其代入公式(1)或者公式(2)中即可得到試件在高應(yīng)變率下的力學(xué)參數(shù)。沖擊拉伸的試件采用啞鈴型試件,如圖3(c)所示,在輸入桿和輸出桿端部留有缺口,該缺口與試件相配合,試件通過高強(qiáng)粘結(jié)劑與輸入桿和輸出桿相連接。32材料測(cè)試結(jié)果目前的沖擊拉伸試驗(yàn)裝置多采用2A12T4(舊牌號(hào)為L(zhǎng)Y12cz)鋁合金材料的沖擊拉伸試驗(yàn)來驗(yàn)證裝置的可靠性,本文亦采用啞鈴型2A12T4鋁合金試件進(jìn)行沖擊拉伸試驗(yàn)以驗(yàn)證裝置的可靠性。2A12T4鋁合金試件及其尺寸如圖4(a)所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)氣槍內(nèi)的壓強(qiáng)為0.6MPa,時(shí)間間隔儀測(cè)得的子彈通過時(shí)間為3.400ms,平行光管的距離是5cm,因此子彈的速度為14.71m/s。試件被拉斷,其拉斷圖如圖4(b)所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的入射波、反射波和透射波形曲線如圖5(a)所示,其中電壓和應(yīng)變關(guān)系為1V對(duì)應(yīng)480με。將得到的波形數(shù)據(jù)通過公式(1)計(jì)算,可得到材料在測(cè)試過程中的應(yīng)變率-時(shí)間曲線(如圖5(b)所示),以及動(dòng)態(tài)應(yīng)變-應(yīng)力曲線(如圖5(c)所示)。通過圖5(b)可知,本次實(shí)驗(yàn)應(yīng)變率為1300s-1,通過圖5(c)可以看出材料的屈服極限約為450MPa。這與文獻(xiàn)完成的2A12T4在應(yīng)變率為1300s-1時(shí)所得到的結(jié)果一致。因此本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)是可靠的。4材料模型及網(wǎng)格劃分由于沖擊拉伸實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)是應(yīng)力波在桿系與試件中的傳播,而應(yīng)力波動(dòng)態(tài)傳播過程很難在實(shí)驗(yàn)中直接觀察,數(shù)值分析則可以彌補(bǔ)這方面的缺陷。通過數(shù)值分析可以觀察到應(yīng)力波在所研制設(shè)備桿系中的傳播及試件受力情況,從而驗(yàn)證桿系與試件設(shè)計(jì)的合理性,并可以觀察在應(yīng)力波作用下試件的響應(yīng)情況。應(yīng)力波在桿系和試件中的傳播數(shù)值模擬采用ANSYS/LS-DYNA軟件,數(shù)值模型與實(shí)際模型尺寸相同,輸入桿與輸出桿長(zhǎng)均為2m,直徑為16mm,試件尺寸與圖4(a)的試件尺寸一致,2A12T4試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與文獻(xiàn)相同,如圖6所示,輸入桿和輸出桿均為鋼桿,兩種材料參數(shù)見表1。由于桿系是對(duì)稱結(jié)構(gòu),因此采用四分之一模型分析即可。有限元分析的單元類型采用solid164實(shí)體單元,單元?jiǎng)澐植捎?節(jié)點(diǎn)6面體單元,試件試驗(yàn)段單元長(zhǎng)為1mm,寬為0.5mm。厚度方向?yàn)?等分。模型的網(wǎng)格劃分如圖7所示。在設(shè)置桿系的載荷邊界條件時(shí),為了使數(shù)值模擬與實(shí)際情況相接近,在施加載荷時(shí)采用鋁合金試件沖擊拉伸實(shí)驗(yàn)所測(cè)試到的入射波數(shù)據(jù)作為沖擊載荷施加在入射桿的左端,如圖8所示。在輸出桿的右端加固定約束。結(jié)果分析中,選取數(shù)值模型中輸入桿中間處橫截面中心點(diǎn)和外表面點(diǎn)單元,輸出其軸向應(yīng)變-時(shí)間曲線,并與該點(diǎn)利用應(yīng)變片測(cè)試得到的應(yīng)變-時(shí)間曲線繪制在同一圖中,如圖9所示,圖中可以看到中心點(diǎn)單元處應(yīng)變-時(shí)間曲線和外表面點(diǎn)單元的應(yīng)變-時(shí)間曲線幾乎重合,且他們與實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的應(yīng)變曲線誤差很小,說明應(yīng)力波在輸入桿中的傳播符合一維應(yīng)力波假定。應(yīng)力波在t=550με時(shí)作用在試件上的應(yīng)力分布圖如圖10所示?？梢钥闯鲈嚰芰r(shí)其實(shí)驗(yàn)測(cè)試段的應(yīng)力分布均勻,說明試件形狀的選擇是合理的。提取試件試驗(yàn)段中部最大受力時(shí)各方向應(yīng)力數(shù)據(jù)如表2所示(z軸為主方向)。從表2中可以看出,試件在受沖擊載荷時(shí),試件的實(shí)驗(yàn)段主方向應(yīng)力較大,且應(yīng)力均勻,其它方向的力則不明顯。因而可看出在應(yīng)力波傳播過程中,試件的軸向應(yīng)力是主要的,其它應(yīng)力的幅值都比較小,即使是應(yīng)力值較大的σy也只有σz的20%,所以試件的設(shè)計(jì)是合理的。5實(shí)驗(yàn)裝置的完善本文在前人研究的基礎(chǔ)上,研制出了一套能夠?qū)崿F(xiàn)材料沖擊拉伸性能測(cè)試的試驗(yàn)設(shè)備——雙氣室間接桿-桿型沖擊拉伸試驗(yàn)裝置。通過2A12T4鋁合金試件的沖擊拉伸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了沖擊拉