一种基于分离式霍普金森压杆的卧式冲锤实验装置
技术领域
本发明涉及材料冲击动力学技术领域，具体涉及一种基于分离式霍普金森压杆的卧式冲锤实验装置。
背景技术
重力落锤试验是通过重锤下落，和试件碰撞进行冲击加载，适用于10-1～102s-1中-高应变率范围的动力试验，通过改变锤重和高度来调节加载速率和入射能的大小。重力落锤实验装置的加载范围受实验场地的垂直高度制约，在室内实验室实现高速率加载难度较大；对重力落锤施加主动加速，可补足实验室高度的缺陷，但重力落锤在主动载荷和重力共同作用下，落锤撞击试样后易反弹发生二次冲击，需要加装防止二次冲击装置。分离式霍普金森压杆装置也广泛用于材料动态力学测试中，可实现100～103s-1高应变率范围的冲击/爆炸加载，两种设备加载范围存在交集，单机购置成本昂贵。因此，在不改变分离式霍普金森压杆安装座组件的基础上，设计一套既能满足重力落锤实验装置的试验需求，又能补足重力落锤实验装置缺陷的低成本多用卧式冲击动力实验装置成了亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于分离式霍普金森压杆的卧式冲锤实验装置，在不改变分离式霍普金森压杆安装座组件的基础上，以分离式霍普金森压杆安装座组件为平台，采用模块化设计，拆装方便、成本低，既能够满足重力落锤实验装置的试验需求，又能补足重力落锤实验装置的缺陷。
本发明的技术方案为：一种基于分离式霍普金森压杆的卧式冲锤实验装置，包括：分离式霍普金森压杆安装座组件、炮口直径转换器、冲锤模块、滑轨和靶台；
所述炮口直径转换器和靶台依次卧式安装在分离式霍普金森压杆安装座组件上，滑轨可拆卸连接在二者之间，用于为冲锤模块导向；其中，冲锤模块一端安装于炮口直径转换器中，另一端朝向靶台；靶台上设置有试样；所述分离式霍普金森压杆安装座组件中的发射模块与炮口直径转换器对接，用于驱动冲锤模块动作，冲锤模块能够对试样施加设定的冲击载荷。
优选地，所述炮口直径转换器包括：变径炮管、变径炮管夹具和炮口直径转换器支座；
所述炮口直径转换器支座可拆卸连接在发射模块对应端的分离式霍普金森压杆安装座组件上，变径炮管夹具通过螺栓安装在炮口直径转换器支座上，变径炮管为喇叭状结构，其外周固定于变径炮管夹具中，大端与发射模块的炮口端螺纹对接；初始状态时，冲锤模块一端设置于变径炮管的小端内部。
优选地，所述冲锤模块包括：锤头和限位段；所述限位段为圆管结构，锤头与限位段的一端螺纹连接，限位段的另一端设置在所述炮口直径转换器中，限位段外周沿径向设有两个耳板，两个耳板分别与滑轨滑动配合。
优选地，所述冲锤模块还包括：加重段，所述加重段与限位段螺纹连接，且与锤头位于限位段的两相对端，通过调节加重段的质量能够调节冲锤模块的入射能大小。
优选地，所述冲锤模块还包括：空腔段，所述空腔段螺纹连接在限位段和加重段之间，其内搭载有设定功能的传感器，用于采集冲锤模块的飞行数据。
优选地，所述锤头朝向试样的一端采用圆锥或半球或棱锥结构。
优选地，所述靶台包括：支撑轨、T形通槽、吸能沙仓、靶台后支撑座和承接台；
所述靶台后支撑座固定在发射模块相对端的分离式霍普金森压杆安装座组件上，其与冲锤模块相对的端面通过安装其上的肋板与吸能沙仓可拆卸连接，吸能沙仓与冲锤模块相对的端面上预制有三个以上相互平行的T形通槽，承接台和两个支撑轨分别通过其上设置的T形锁钩与吸能沙仓上对应的T形通槽插合，且承接台位于两个支撑轨之下；试样放置在承接台上，并通过支撑轨支撑在吸能沙仓上，吸能沙仓用于吸收多余的冲击能量；
其中，支撑轨为三棱柱形结构，其与试样为线接触，且两个支撑轨分别位于试样上下两端的设定位置处，当发射模块驱动冲锤模块冲击试样时，能够进行三点弯曲试验。
优选地，通过调节所述承接台沿吸能沙仓高度方向的安装位置，能够使试样高度方向的中心与冲锤模块飞行轨迹中心重合。
优选地，所述靶台和试样通过有机玻璃罩与外界隔离。
优选地，所述冲锤模块的材质采用硬质合金。
有益效果：
1、本发明的冲锤实验装置，在不改变分离式霍普金森压杆安装座组件的基础上，以分离式霍普金森压杆安装座组件为平台，采用模块化设计，对实验室垂直空间要求小、装置结构简单、操作组装灵活方便、使用安全、成本低，既能够满足重力落锤实验装置的试验需求，又能补足重力落锤实验装置的缺陷；同时，拆除该冲锤实验装置中分离式霍普金森压杆安装座组件以外的模块，仍能安装对应杆件作为分离式霍普金森压杆使用。
2、本发明中炮口直径转换器的具体设置，能够有效夹持不同直径的冲锤组件。
3、本发明中冲锤组件的具体设置，既能够便于与炮口直径转换器连接，又能够便于在发射模块的驱动下准确冲击试样。
4、本发明冲锤组件中加重段的设置，有利于调节冲锤组件的入射能大小。
5、本发明冲锤组件中空腔段的设置，有利于搭载设定功能的传感器，便于采集冲锤组件的飞行数据。
6、本发明中靶台的具体设置，既能够为试样提供试验台面，又能够吸收多余的冲击能量。
7、本发明中靶台和试样之外罩有玻璃罩，既能够防止试验过程中试样产生的碎片飞射，又能够便于观察试样的破坏过程。
附图说明
图1为本发明卧式冲锤实验装置的结构示意图；
图2为本发明中炮口直径转换器的结构示意图；
图3为本发明中冲锤模块的结构示意图；
图4为本发明中靶台的结构示意图。
其中，1-发射模块、2-炮口直径转换器、3-冲锤模块、4-靶台、21-变径炮管、22-滑轨支架、23-变径炮管夹具、24-炮口直径转换器支座、31-锤头、32-限位段、33-空腔段、34-加重段、35-滑轨、41-试样、42-支撑轨、43-T形通槽、44-吸能沙仓、45-靶台后支撑座、46-承接台、47-锁扣。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供了一种基于分离式霍普金森压杆的卧式冲锤实验装置，以分离式霍普金森压杆安装座组件为平台，采用模块化设计，拆装方便、成本低，既能够满足重力落锤实验装置和分离式霍普金森压杆的试验需求，又能补足重力落锤实验装置的缺陷。
如图1所示，该卧式冲锤实验装置包括：分离式霍普金森压杆安装座组件以及卧式安装在分离式霍普金森压杆安装座组件上的炮口直径转换器2、冲锤模块3、滑轨35和靶台4；其中，分离式霍普金森压杆安装座组件包括：试验平台和通过支架固定于试验平台一端的发射模块1；如图2所示，炮口直径转换器2包括：变径炮管21、滑轨支架22、变径炮管夹具23和炮口直径转换器支座24；如图3所示，冲锤模块3包括：锤头31、限位段32、空腔段33和加重段34；如图4所示，靶台4包括：支撑轨42、T形通槽43、吸能沙仓44、靶台后支撑座45和承接台46；
该卧式冲锤实验装置的连接关系为：炮口直径转换器支座24可拆卸连接在发射模块1对应端的试验平台上，变径炮管夹具23通过螺栓安装在炮口直径转换器支座24上，变径炮管21为喇叭状结构，其外周固定于变径炮管夹具23中，大端与发射模块1的炮口端螺纹对接；初始状态时，冲锤模块3一端设置于变径炮管21的小端内部，并能够在发射模块1的驱动下冲击试样41，变径炮管21的形状设置有利于保证在不更换炮管的前提下能更换多种直径冲锤模块3，从而能够为多种直径冲锤模块3提供瞬间加速；
滑轨35一端通过滑轨支架22与变径炮管夹具23固定连接，另一端与安装在试验平台另一端的靶台4可拆卸连接，并能够通过锁扣47锁定在靶台4上；
其中，靶台后支撑座45固定在试验平台的另一端，其与冲锤模块3相对的端面通过安装其上的肋板与吸能沙仓44可拆卸连接，吸能沙仓44与冲锤模块3相对的端面上预制有三个以上相互平行的T形通槽43，承接台46和两个支撑轨42分别通过其上设置的T形锁钩与吸能沙仓44上对应的T形通槽43插合，实现其与吸能沙仓44的安装配合，且承接台46位于两个支撑轨42之下；试样41放置在承接台46上，并通过支撑轨42支撑在吸能沙仓44上，吸能沙仓44中盛装有细沙，用于吸收多余的冲击能量；其中，支撑轨42为三棱柱形结构，其与试样41为线接触，且两个支撑轨42分别位于试样41上下两端的六分之一位置处；通过调节承接台46沿吸能沙仓44高度方向的安装位置，能够使试样41的中心(高度方向)与冲锤模块3飞行轨迹中心重合，当发射模块1驱动冲锤模块3冲击试样41时，能够进行三点弯曲试验；
滑轨35包括两根相互平行的钢管，限位段32为圆管结构，其一端设有内螺纹，另一端设有外螺纹，其外周沿径向设有两个耳板，限位段32通过其外周的两个耳板分别与滑轨35中的两根钢管滑动配合，滑轨35的具体设置，用于保证设置其上的冲锤模块3的飞行轨迹，使冲锤模块3精准撞击到试样41的设定位置；锤头31通过一端设置的外螺纹与限位段32设置内螺纹的一端螺纹连接；限位段32的另一端螺纹连接有加重段34，用于控制冲锤模块3的撞击入射能；
进一步地，冲锤模块3的材质采用硬质合金；
进一步地，限位段32和加重段34之间螺纹连接有空腔段33，其内可根据需要搭载相应功能的传感器，用于采集冲锤模块3的飞行数据；
进一步地，炮口直径转换器2的材质采用高强度、易加工的、低成本的材料制作而成；
进一步地，锤头31朝向试样41的一端可采用圆锥或半球或棱锥等多种不同形状的结构；
进一步地，试验过程中冲锤模块3的加载速率与入射能大小可以通过调节发射模块1中的气室气压和冲锤模块3的质量来实现，冲锤模块3的质量可以通过调节加重段34的质量来控制；
进一步地，靶台4及试样41通过有机玻璃罩与外界隔离，能够防止试验过程中试样41产生的碎片飞射，也便于观察试样41的破坏过程；
进一步地，炮口直径转换器2和靶台4之间间隔设定距离；
该卧式冲锤实验装置的工作原理为：保持冲锤模块3的质量不变，通过调节发射模块1的气室气压来控制冲锤模块3的冲击速率，能够进行单次冲击和等速/不等速循环冲击；保持发射模块1的气室气压一定，通过改变冲锤模块3的质量能够控制冲锤模块3的冲击入射能；也可以同时调节发射模块1的气室气压和冲锤模块3的质量，来实现对冲击速率/能量的控制。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
