分离式霍普金森压杆试验台液压加载系统的研究

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　　材料在冲击载荷下的力学响应往往与静载荷下的力学响应有显著不同,因此研究材料在各种冲击载荷下的力学行为已经成为相关设计部门日益关注的问题。分离式霍普金森压杆( SplitHopkinson PressureBar, SHPB)实验技术自1949年由Kolsky[1]发明至今已有50多年的历史,已成为测量材料动态力学性能的主要手段之一[2]。宁波大学工学院宋力等人曾提出了一种恒应变率加载波形设计方法,可以使试验中试件内的应力及应变具有良好的均匀性[3];中国工程物理研究所结构力学研究所陶俊林等也曾提出用双试件SHPB方法和将圆柱形子弹改变成柱锥形子弹的SHPB方法,实现对试件的恒应变率加载[4]。通常的SHPB装置实验过程中,试件只承受输入杆轴向的冲击载荷,而在其他两个方向不承受负载。然而在实际工作中,材料往往在一个方向承受冲击载荷的同时,其他两个方向也承受着静载荷,因此传统SHPB实验台加载方式已经不能满足SHPB压杆试验中检测其他方向承受载荷材料的力学性能的需求。

　　作者研制了一种在一般分离式霍普金森压杆(SHPB)装置基础上施加两自由度负载的新型SHPB试验台液压加载系统,提出密封固体粉末的新型加载方式,实现了对试件其他两个方向的恒定压力加载。

　　1 液压加载系统设计

　　1.1 机械加载方式设计

　　传统的对试件的加载方法有刚性加载、橡胶衬垫加载和密封液体加载。刚性加载是加载装置直接通过刚性材料与试件接触,将加载装置的加载力施加到试件上,但冲击过程中试件的变形将受到限制。橡胶衬垫加载是在加载装置与试件间放一个橡胶衬垫,这样加载缸的硬度对试件变形影响较小,但橡胶衬垫在加载压力较大时常常被挤碎。密封液体加载是将试件的四个面用密封的液压油包裹起来,通过改变液压油的压力实现加载,但液体的完全密封是很难实现的。作者采用密封粉体加载,即在液压缸与试件间放入密封的固体粉末,选用延展性较好的铝粉或铜粉,这样既保证将加载力完全传递给试件,又不至于影响试件的变形。如图1所示。

　　1.2 液压加载系统的设计

　　该系统由4个液压回路组成,由1个液压泵提供油液的压力能,当系统开始工作时,上下左右4个相互对称的液压缸活塞杆实现同步往复运动,对试件进行两自由度的加载,分析如下:

　　(1)每一个子系统由压力控制主回路和位移控制同步回路两部分组成。由电液比例溢流阀控制液压缸压力,由电液比例方向流量阀控制液压缸位移。

　　(2)上下两子系统中均采用单项顺序阀的平衡回路,其作用是防止垂直放置的液压缸因自重而下落。以右侧液压回路为例说明加载系统工作过程,另外3个液压回路均与此类似。当液压泵2由电动机带动旋转后,从油箱1中吸取油液,液压油经过电液比例方向流量阀4进入液压缸右腔,推动液压缸14活塞向左移动,直到夹紧试件,液压缸活塞停止运动;随着液压缸右腔压力不断增大,液压缸活塞也不断给试件施加载荷;当液压缸压强大于电液比例溢流阀10的调定压力时,其阀口溢流,使被控制系统或回路的压力维持稳定。