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    重庆时时彩快乐10分: 电磁式应力波发生器的主线圈及充电/放电的方法.pdf

    关 键 词:
    电磁式 应力 发生器 主线 充电 放电 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201510051071.9

    申请日:

    2015.01.30

    公开号:

    CN104677723A

    公开日:

    2015.06.03

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01N 3/02申请日:20150130|||公开
    IPC分类号: G01N3/02 主分类号: G01N3/02
    申请人: 西北工业大学
    发明人: 李玉龙; 聂海亮; 汤忠斌; 郭伟国
    地址: 710072陕西省西安市友谊西路127号
    优先权:
    专利代理机构: 西北工业大学专利中心61204 代理人: 慕安荣
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201510051071.9

    授权公告号:

    104677723B||||||

    法律状态公告日:

    2017.06.13|||2015.07.01|||2015.06.03

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    一种电磁式应力波发生器的主线圈及充电/放电的方法。电磁式应力波发生器的主线圈包括绕线器、导线接头座、多个绝缘线圈和多个子线圈。绕线器的圆周表面有环状的线圈安装槽,子线圈和各绝缘线圈依次交替套装入所述线圈安装槽内。在绕线器一端端面的一侧开有正极导线孔和负极导线孔。线接头座粘接在所述绕线器有导线孔一端表面,并使该导线接头座上的两排导线孔分别与所述绕线器端面的正极导线孔和负极导线孔一一对应。本发明使电磁式应力波发生器既可以产生短脉冲,高幅值的应力波,又可以产生宽脉冲,低幅值的应力波。所以本发明提出的电磁式应力波发生器的主线圈结构及实验方法可以同时满足低应变率和高应变率的材料实验。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种电磁式应力波发生器的主线圈,其特征在于,包括绕线器、导线接头座、多个 绝缘线圈和多个子线圈;所述绕线器的圆周表面有环状的线圈安装槽,所述各子线 圈和各绝缘线圈依次交替套装入所述线圈安装槽内,并且最底层为子线圈,最外层 为绝缘线圈;在所述绕线器一端端面的一侧开有两排通孔,分别为正极导线孔和负 极导线孔;所述导线接头座粘接在所述绕线器有导线孔一端表面,并使该导线接头 座上的两排导线孔分别与所述绕线器端面的正极导线孔和负极导线孔一一对应。

    2.  如权利要求1所述电磁式应力波发生器的主线圈,其特征在于,所述的正极导线孔 的中心线和负极导线孔的中心线均与所述绕线器的中心线平行,并使所述的正极导 线孔和负极导线孔均与位于线圈安装槽内的子线圈的表面一一对应。

    3.  如权利要求1所述电磁式应力波发生器的主线圈,其特征在于,所述各子线圈逐一 按要求套装在所述绕线器圆周表面的线圈安装槽内后,各子线圈端面的正极接头和 负极接头分别与导线连接,并且各导线分别穿过绕线器和导线接头上的导线孔,分 别与加载枪的各电容充电器的正极导线接头和负极导线接头连接。

    4.  如权利要求3所述电磁式应力波发生器的主线圈,其特征在于,所述各电容充电器 分别与铆接装置的电源连接;所述各电容充电器中的各电子开关分别与多路同步触 发器的各路接头连接。

    5.  一种权利要求1所述电磁式应力波发生器的主线圈的充电/放电的方法,其特征在 于,所述的充电/放电的方法包括短脉冲、高幅值应力脉冲的主线圈充电/放电和长 脉冲、低幅值应力脉冲的主线圈充电/放电;
    Ⅰ所述短脉冲、高幅值应力脉冲的主线圈充电/放电的过程分别是:
    所述主线圈充电过程与现有技术相同;
    所述主线圈放电过程是:充电完成后,控制多路同步触发器向各电容充电器的电子 开关同时发出触发信号,使所述各电容充电器的电子开关按照设定的时间接通,使 对应的放电可控硅导通,储能电容器中储存的能量经过放电可控硅和子线圈形成的 路电容放电电路释放出来,从而产生时间周期短400us、幅值35000A的正弦放电 电流;
    放电可控硅导通后,放电电流流经主线圈的每一个子线圈,在其周围形成高强度的 脉冲磁场,所述磁场的强度沿主线圈的半径由内向外分布呈高斯分布,即在主线圈 半径的一半处磁场强度最强,由主线圈半径的一半处向两边呈衰减分布;在加载枪 中,主线圈与次级线圈相互贴紧,由于电磁感应而在所述次级线圈中产生涡流, 该述涡流的电流强度随时间呈正弦变化,电流周期与主线圈的放电周期一样,所述 涡流的电流在次级线圈靠近主线圈的端面上沿半径方向呈高斯分布,在半径的一半 处电流最大,幅值为为5A,在次级线圈的厚度方向,涡流强度随着测量平面距主 线圈端面的距离而衰减;所述主线圈和次级线圈产生的脉冲磁场方向相反,从而产 生极强的电磁斥力;所述电磁斥力在次级线圈中形成一个历时很短的、强度很高的 应力脉冲,所述应力脉冲经过放大器锥面的反射放大后由放大器的小端输出,形成 脉冲宽度400us,幅值600Mpa的正弦形应力脉冲,所述应力脉冲经过整形后即可 作为应变率为3000s-1的霍普金森压杆实验的加载应力波;
    由于是通过多个电容充电器同时对相应子线圈放电,在主线圈中的安匝数是多个子 线圈的安匝数之和,这使得主线圈的磁场由于多个子线圈磁场的叠加而增强,而磁 场的持续时间是一个子线圈的放电时间,所以这种方式产生的应力波是短脉冲,高 幅值的应力脉冲,可用于材料的高应变率实验;
    Ⅱ所述长脉冲、低幅值应力脉冲的主线圈充电/放电的过程分别是:
    所述主线圈充电过程与现有技术相同;
    所述主线圈放电过程是:充电完成后,控制多路同步触发器向各电容充电器的电子 开关同时发出触发信号,使所述各电容充电器的电子开关按照设定的时间间隔依次 接通,使对应的放电可控硅导通,电容器组中储存的能量经过放电可控硅和子线圈 形成的放电电路释放出来,从而产生宽度800us、幅值32000A的正弦放电电流, 多个子线圈依次放电使主线圈的放电电流持续时间变长;所述各电容充电器的电子 开依次接通的时间间隔为50~100us;
    放电可控硅导通后,放电电流流经主线圈的每一个子线圈的周围形成高强度的脉冲 磁场,多个子线圈依次放电使主线圈的磁场持续时间变长;所述磁场的强度沿主线 圈的半径由内向外分布呈高斯分布;在加载枪中,主线圈与次级线圈相互贴紧,由 于电磁感应而在所述次级线圈中产生涡流,由数值模拟可知,所述涡流的电流强度 随时间呈正弦变化,电流周期与主线圈的放电周期一样,所述涡流的电流在次级线 圈靠近主线圈的端面上沿半径方向呈高斯分布,在半径的一半处电流最大,幅值为 3A,在次级线圈的厚度方向,涡流强度随着测量平面距主线圈端面的距离而衰减; 所述主线圈和次级线圈产生的脉冲磁场方向相反,从而产生极强的电磁斥力;所述 电磁斥力在次级线圈中形成一个历时很短的、强度很高的应力脉冲,所述应力脉冲 经过放大器锥面的反射放大后由放大器的小端输出,形成脉冲宽度800us,幅值 200Mpa的正弦形应力脉冲,所述应力脉冲经过整形后即可作为应变率为500s-1左 右的霍普金森压杆实验的加载应力波;
    通过多个电容充电器分时对相应子线圈放电时,在主线圈中每一时刻的安匝数是一 个子线圈的安匝数,使得主线圈的磁场强度变小,磁场的持续时间由于多个子线圈 放电时间的叠加而变长,产生长脉冲、低幅值的应力波脉冲。

    6.  如权利要求5所述电磁式应力波发生器的主线圈的充电/放电的方法,其特征在于, 所述短脉冲是指脉冲宽度为100~400us的应力波脉冲,所述高幅值是指正弦形应 力脉冲的幅值为400~1500Mpa;所述短脉冲、高幅值应力脉冲的主线圈充电/放电 的过程适于应变率大于2000s-1的材料实验;
    所述长脉冲是指脉冲宽度为400~1000us的应力波脉冲,所述低幅值是指正弦形应 力脉冲的幅值为100~400Mpa;所述长脉冲低幅值应力脉冲的主线圈充电/放电的 过程适于应变率500s-1的材料实验。

    说明书

    说明书电磁式应力波发生器的主线圈及充电/放电的方法
    技术领域
    本发明涉及材料的动态力学性能测试的应力波发生装置的一个部件结构及实验方 法,具体说是一种电磁式应力波发生器的主线圈结构及实验方法。
    背景技术
    目前,在材料科学领域中测量材料在高应变率下的力学性能时使用最广泛的就是 分离式霍普金森压杆技术和拉杆技术。这一方法的基本原理是:将短试样置于两根拉 杆或压杆之间,通过某种方式对入射杆输入拉伸应力波或者压缩应力波,对试样进行 加载。同时利用粘在拉杆或压杆上并距杆端部一定距离的应变片来记录脉冲信号。如 果拉杆或压杆保持弹性状态,那么杆中的脉冲将以弹性波速无失真地传播。这样粘贴 在拉杆或压杆上的应变片就能够测量到作用于杆端的载荷随时间的变化历程。
    对于霍普金森压杆,产生入射波的普遍方式是通过气枪将撞击杆高速发射,与入 射杆同轴撞击产生入射脉冲。这种方法的缺点在于:由于每次发射时撞击杆在气枪中 的安装位置不尽相同,且撞击速度与气压的对应关系很难确定,因此无法准确地控制 入射波的幅值,所以需要尝试多次实验才能得到所需的应变率。其次,对于应变率跨 度过大的实验,由于气枪气压的限制,需要更换撞击杆的长度来得到不同的应变率, 应变率越高,所用撞击杆越短,实验中产生的应力波宽度越短,这就限制了实验所得 到的应变范围,而且操作繁琐。更重要的是,由于撞击杆的发射速度有一个下限,一 些更低的应变率在实际试验中无法用传统霍普金森压杆得到,比如10s-1的应变率。由 于不同的实验系统参数也不同,使得分离式霍普金森压杆实验技术的规范化一直是一 个国际性的难题。
    对于霍普金森拉杆,目前所采用的普遍加载技术是:将拉杆的撞击杆做成空心圆 管,通过气枪将撞击管高速发射,当它运动到达入射杆端时,撞击管与入射杆端的凸 台碰撞产生一列压缩波向入射杆凸台端传播,并在自由端反射成拉伸波,该拉伸波通 过入射杆对试样进行加载。但是这种设计方法有很多的缺点:1,由于撞击杆是从入 射杆一端发射到另一端,所以在入射杆上的凸台到气枪的那一段,入射杆处于无支撑 的自由状态这使得入射杆容易弯曲;2,这种设计限制了撞击筒的长度在500mm左右, 所以产生的入射波长度为0.2ms左右,但是对于延展性材料和低应变率实验,需要更 长的入射波;3,撞击筒的更换很不方便;4,由于撞击筒的筒壁厚度限制,需要很高 的气压来加速撞击筒。也有很多学者提出了不同的设计思路:1,在撞击筒的一端加一 个凸台来提高撞击筒的发射速度,但是这种方式产生的波形受凸台影响而不再正规;2, 使用空的入射杆,撞击杆从入射杆里面穿过,这种方式使得波形整形变得困难。
    由于撞击杆的形状不同,气枪的位置不同,传统的霍普金森压杆和拉杆的加载系 统无法在同一装置上实现。
    20世纪60年代美国波音公司为解决普通铆接存在的问题,由Huber A Schmitt等 人率先开始研究电磁铆接技术,并于1968年申请了强冲击电磁铆接装置的专利。1986 年Zieve Peter研制成功低压电磁铆接,解决了高压铆接在铆接质量及推广应用方面存 在的问题,从而使电磁铆接技术得到较快发展。电磁铆接技术已在波音、空客系列飞 机制造中得到应用。如今,低压电磁铆接技术已经发展成熟,铆接力的大小和持续时 间可以得到比较精确的控制。电磁铆枪的技术原理是:在放电线圈和工件之间增加了 一个线圈和应力波放大器。放电开关闭合的瞬间,主线圈中通过快速变化的冲击电流, 在线圈周围产生强磁场。与主线圈耦合的次级线圈在强磁场作用下产生感应电流,进 而产生涡流磁场,两磁场相互作用产生涡流斥力,并通过放大器传至铆钉,使铆钉成 形。涡流力的频率极高,在放大器和铆钉中以应力波的形式传播,故电磁铆接也称应 力波铆接。西北工业大学在申请号为201410161610.X的发明专利中提出一种将电磁铆 枪与霍普金森压杆结合起来进行材料试验的装置及试验方法,在申请号为 201410173843.1和201410171963.8的专利中,提出了两种产生拉伸和压缩应力波的装 置及实验方法,所述三个发明创造成功解决了霍普金森杆实验技术的规范问题以及拉 压装置一体化的问题。
    但是所述发明创造中提出的应力波发生装置存在局限性,要提高传入入射杆中的 应力波幅值,需要提高电路中的电容值和充电电压,但是电容值增大会加宽放电时间, 从而使得到的应力波脉冲宽度增大,经过计算和数值模拟,如果要在入射杆中得到满 足要求的入射波幅值,增大电容值和充电电压,会使入射脉冲的宽度达到1ms左右。 而要缩短应力脉冲宽度到100至数百微秒,则要减小电路中的电容值,这样又会降低 所得到的应力波幅值。而对于材料的霍普金森杆实验,高应变率所需的入射波脉冲短, 幅值高,而低应变率实验所需的入射脉冲宽,幅值相对低。这些要求在上述发明创造 中是一对矛盾,无法同时满足。
    发明目的
    为克服现有技术中存在的入射波幅值过低和宽度过长,无法同时满足高应变率试 验和低应变率试验的不足,本发明提出了一种电磁式应力波发生器的主线圈及充电/ 放电的方法。
    所述的电磁式应力波发生器的主线圈,包括绕线器、导线接头座、多个绝缘线圈 和多个子线圈。所述绕线器的圆周表面有环状的线圈安装槽,所述各子线圈和各绝缘 线圈依次交替套装入所述线圈安装槽内,并且最底层为子线圈,最外层为绝缘线圈。 在所述绕线器一端端面的一侧开有两排通孔,分别为正极导线孔和负极导线孔。所述 导线接头座粘接在所述绕线器有导线孔一端表面,并使该导线接头座上的两排导线孔 分别与所述绕线器端面的正极导线孔和负极导线孔一一对应。
    所述的正极导线孔的中心线和负极导线孔的中心线均与所述绕线器的中心线平 行,并使所述的正极导线孔和负极导线孔均与位于线圈安装槽内的子线圈的表面一一 对应。
    所述各子线圈逐一按要求套装在所述绕线器圆周表面的线圈安装槽内后,各子线 圈端面的正极接头和负极接头分别与导线连接,并且各导线分别穿过绕线器和导线接 头上的导线孔,分别与加载枪的各电容充电器的正极导线接头和负极导线接头连接。
    所述各电容充电器分别与铆接装置的电源连接。所述各电容充电器中的各电子开 关分别与多路同步触发器的各路接头连接。
    所述的充电/放电的方法包括短脉冲、高幅值应力脉冲的主线圈充电/放电和长脉 冲、低幅值应力脉冲的主线圈充电/放电。
    利用所述电磁式应力波发生器的主线圈的充电/放电的过程分别是:
    Ⅰ所述短脉冲、高幅值应力脉冲的主线圈充电/放电的过程是:
    所述短脉冲是指脉冲宽度为100~400us的应力波脉冲,所述高幅值是指正弦形应 力脉冲的幅值为400~1500Mpa。
    所述短脉冲、高幅值应力脉冲的主线圈充电/放电的过程适于应变率大于2000s-1的材料实验。
    所述主线圈充电过程与现有技术相同。
    所述主线圈放电过程是:充电完成后,控制多路同步触发器向各电容充电器的电 子开关同时发出触发信号,使所述各电容充电器的电子开关按照设定的时间接通,使 对应的放电可控硅导通,储能电容器中储存的能量经过放电可控硅和子线圈形成的路 电容放电电路释放出来,从而产生时间周期短400us、幅值35000A的正弦放电电流。
    放电可控硅导通后,放电电流流经主线圈的每一个子线圈,在其周围形成高强度 的脉冲磁场,所述磁场的强度沿主线圈的半径由内向外分布呈高斯分布,即在主线圈 半径的一半处磁场强度最强,由主线圈半径的一半处向两边呈衰减分布。在加载枪中, 主线圈与次级线圈相互贴紧,由于电磁感应而在所述次级线圈中产生涡流,该述涡流 的电流强度随时间呈正弦变化,电流周期与主线圈的放电周期一样,所述涡流的电流 在次级线圈靠近主线圈的端面上沿半径方向呈高斯分布,在半径的一半处电流最大, 幅值为为5A,在次级线圈的厚度方向,涡流强度随着测量平面距主线圈端面的距离而 衰减。所述主线圈和次级线圈产生的脉冲磁场方向相反,从而产生极强的电磁斥力; 所述电磁斥力在次级线圈中形成一个历时很短的、强度很高的应力脉冲,所述应力脉 冲经过放大器锥面的反射放大后由放大器的小端输出,形成脉冲宽度400us,幅值 600Mpa的正弦形应力脉冲,所述应力脉冲经过整形后即可作为应变率为3000s-1的霍 普金森压杆实验的加载应力波。
    由于是通过多个电容充电器同时对相应子线圈放电,在主线圈中的安匝数是多个 子线圈的安匝数之和,这使得主线圈的磁场由于多个子线圈磁场的叠加而增强,而磁 场的持续时间是一个子线圈的放电时间,所以这种方式产生的应力波是短脉冲,高幅 值的应力脉冲,可用于材料的高应变率实验。
    Ⅱ所述长脉冲、低幅值应力脉冲的主线圈充电/放电的过程分别是:
    所述长脉冲是指脉冲宽度为400~1000us的应力波脉冲,所述低幅值是指正弦形 应力脉冲的幅值为100~400Mpa。
    所述长脉冲低幅值应力脉冲的主线圈充电/放电的过程适于应变率500s-1的材料实 验。
    所述主线圈充电过程与现有技术相同。
    所述主线圈放电过程是:充电完成后,控制多路同步触发器向各电容充电器的电 子开关同时发出触发信号,使所述各电容充电器的电子开关按照设定的时间间隔依次 接通,使对应的放电可控硅导通,电容器组中储存的能量经过放电可控硅和子线圈形 成的放电电路释放出来,从而产生宽度800us、幅值32000A的正弦放电电流,多个子 线圈依次放电使主线圈的放电电流持续时间变长;所述各电容充电器的电子开依次接 通的时间间隔为50~100us。
    放电可控硅导通后,放电电流流经主线圈的每一个子线圈的周围形成高强度的脉 冲磁场,多个子线圈依次放电使主线圈的磁场持续时间变长。所述磁场的强度沿主线 圈的半径由内向外分布呈高斯分布。在加载枪中,主线圈与次级线圈相互贴紧,由于 电磁感应而在所述次级线圈中产生涡流,由数值模拟可知,所述涡流的电流强度随时 间呈正弦变化,电流周期与主线圈的放电周期一样,所述涡流的电流在次级线圈靠近 主线圈的端面上沿半径方向呈高斯分布,在半径的一半处电流最大,幅值为3A,在次 级线圈的厚度方向,涡流强度随着测量平面距主线圈端面的距离而衰减。所述主线圈 和次级线圈产生的脉冲磁场方向相反,从而产生极强的电磁斥力;所述电磁斥力在次 级线圈中形成一个历时很短的、强度很高的应力脉冲,所述应力脉冲经过放大器锥面 的反射放大后由放大器的小端输出,形成脉冲宽度800us,幅值200Mpa的正弦形应力 脉冲,所述应力脉冲经过整形后即可作为应变率为500s-1左右的霍普金森压杆实验的 加载应力波。
    通过多个电容充电器分时对相应子线圈放电时,在主线圈中每一时刻的安匝数是 一个子线圈的安匝数,使得主线圈的磁场强度变小,磁场的持续时间由于多个子线圈 放电时间的叠加而变长,产生的长脉冲,低幅值的应力波脉冲。
    本发明有效解决了上述专利所存在的应力脉冲宽度和幅值之间的矛盾,使电磁式 应力波发生器既可以产生短脉冲,高幅值的应力波,又可以产生宽脉冲,低幅值的应 力波。所以本发明提出的电磁式应力波发生器的主线圈结构及实验方法可以同时满足 低应变率和高应变率的材料实验。
    本发明所提出的主线圈结构基于以下原理:为了使电磁式应力波发生装置能够产 生短脉冲,则电路中的电容值确定时,只能减小主线圈的电感,即减小主线圈的匝数。 而主线圈的匝数减小,必然会导致主线圈所产生的磁场减弱,无法达到高幅值的效果, 而如果将主线圈做成多个匝数较少的线圈,使各线圈之间互相独立,将每个线圈分别 接入一个独立的放电电路。这样,当所有线圈同时放电时,每个线圈所产生的放电时 间都会缩短,但是所有线圈的磁场互相叠加,又会增强主线圈所产生的磁场强度,这 样就可以产生短脉宽,高幅值的应力波;如果将所有子线圈进行合理分组,使每组线 圈都同时放电,而各组线圈的开始放电时间互相错开,当一组线圈放电时间即将结束 时,另一组线圈会接着放电,当所有线圈放电结束时,就会产生持续时间较长的磁场, 从而实现脉宽较宽的应力脉冲。
    基于上述原理,本发明所提出的电磁式应力波发生器的主线圈中,多个子线圈互 相嵌套,彼此同轴,相互之间独立工作,子线圈的具体数量视实际需要而定。具体的 结构主要包括绕线器,子线圈,绝缘圈和导线接头。其中,绕线器由绝缘材料制成, 形状为工字型空心回转体,中间小直径段用于将各子线圈同轴固定,两端的大直径段 用于将主线圈与电磁式应力波发生器的加载枪壳体相连接。各子线圈均由粗导线制成, 与绕线器同轴缠绕,所有子线圈的绕制方向均相同,子线圈直径依次增大,在绕线器 的小直径段由内而外互相嵌套,每两个相邻子线圈之间由绝缘圈隔开,绝缘圈由绝缘 材料制成。绕线器的一个大直径段在每个子线圈对应的半径处开出两个圆形孔,用于 各子线圈的线头穿出绕线器并接入相邻的导线接头。导线接头连接在绕线器的一个大 直径端,所述接头上装有每个子线圈的正极和负极接口,将每个子线圈的正极线和负 极线分别与对应的正极和负极接口连接。
    装配时,将主线圈安装在加载枪的一端,主线圈与加载枪壳体固接,将放大器大 端外侧与次级线圈贴合固定,放大器的定位轴穿过主线圈的通孔,并且两者之间间隙 配合,使次级线圈的外端面与主线圈的外端面自由贴合。主线圈的每一个子线圈分别 接入一个独立的电容充电器中,所述电容充电器采用现有电磁铆接设备的供电部分, 并将所述电容充电器的正极输出线与对应线圈的正极接口相接,负极输出线与对应线 圈的负极接口相接。为了能够同时控制多个电容充电器的放电时间,需要将一个多路 同步触发器与多个电容充电器的电子开关开关用导线并行连接,所述同步触发器的作 用是,当按下同步触发器的按钮时,同步触发器会通过导线同时给多个电容充电器的 电子开关一个触发信号,使所述电子开关开始工作,并按照事先设定的延迟时间将对 应的电容充电器的放电电路导通,实现多个电容充电器对多个子线圈的放电。
    由于所采取的技术方案,是本发明取得以下有益效果:
    在本发明中,将主线圈设计成多个子线圈互相嵌套,并且将每个子线圈分别接入 独立的电容充电器中,这样使得在减小每个子线圈的匝数的同时,保证主线圈产生的 磁场强度不至于过小,又可以缩短主线圈的放电时间,从而产生短脉冲,高幅值的应 力波;而对于需要宽脉冲、低幅值的材料低应变率实验,又可以将主线圈的各子线圈 分成若干组,使各组子线圈放电时间相互错开,这样就可以加长磁场的持续时间,从 而产生宽脉冲、低幅值的应力波。所以本发明所提出的主线圈结构和使用方法,完全 满足不同应变率下的霍普金森杆实验的应力波需求。
    本发明中实际产生的应力波幅值可以通过电磁铆接装置的充电电压进行控制,实 际产生的应力波宽度除了使主线圈的各子线圈在不同时刻放电之外,还可以通过调整 电磁铆接装置的电容值进行控制。
    本发明所提出的电磁式应力波发生器的主线圈结构,完全解决了电磁式应力波发 生器所产生的应力波在幅值和脉宽之间的矛盾,既可以实现短脉冲、高幅值的应力波, 又可以实现宽脉冲、低幅值的应力波。附图5为用ansys模拟所得到的两种电磁式应 力波发生器所产生的应力脉冲的对比,其中横轴表示时间,单位为秒,纵轴表示应力, 单位为Mpa。黑色的曲线为采用本发明提出的主线圈结构的应力波发生器所产生的应 力脉冲,所述主线圈采用多个子线圈,并且同时放电;灰色的曲线为采用传统的单线 圈的应力波发生器所产生的应力脉冲。两种主线圈的充电电压和所接电容充电器的电 容值均相同。由附图5可以看出,本发明所提出的主线圈结构在产生短脉冲、高幅值 的应力波方面由于传统线圈结构。
    附图说明
    图1是本发明的主视图;
    图2是图1的左视图;
    图3是主线圈在加载枪中的装配图;
    图4是采用本发明的主线圈的电磁式应力波发生器的整体结构示意图;
    图5是单线圈放电和本发明中的多线圈放电所产生的应力脉冲的对比图。其中:
    1.绕线器;2.导线接头座;3.绝缘线圈;4.子线圈;5.加载枪壳体;6.主线圈;7. 次级线圈;8.放大器;9.电源;10.电容充电器;11.加载枪;12.正极导线孔;13.负极导 线孔;14.多路同步触发器。
    具体实施方式
    实施例一
    本实施例是一种电磁式应力波发生器的主线圈6,包括绕线器1、导线接头座2、 绝缘线圈3和子线圈4。
    所述绕线器1为中空回转体,在该绕线器1的圆周表面有环状的凹槽,该凹槽为 线圈安装槽,用于安装子线圈4和绝缘线圈3。在所述绕线器1一端端面的一侧开有 两排通孔作为导线孔,其中一排通孔为正极导线孔12,另一排为负极导线孔13。所述 的正极导线孔的中心线和负极导线孔的中心线均与所述绕线器的中心线平行,并使所 述的正极导线孔和负极导线孔均与位于线圈安装槽内的子线圈4的表面一一对应。所 述导线接头座2粘接在所述绕线器有导线孔一端表面,并使该导线接头座2上的两排 导线孔分别与所述绕线器1端面的两排导线孔一一对应。
    所述子线圈4和绝缘线圈3的数量相等,分别为2~10个,实施例中,所述子线 圈4和绝缘线圈3的数量分别为四个。各子线圈4和各绝缘线圈3按照一层子线圈4、 一层绝缘线圈3的方式依次交替套装入所述线圈安装槽内,并且最底层为子线圈4, 最外层为绝缘线圈3。
    所述子线圈4采用宽15mm,厚1mm的铜带绕制而成,在所述铜带的外面包一层厚 0.5mm的玻璃纸以使匝与匝之间绝缘。每个子线圈匝数为4匝,绕制方向均为顺时针 方向,其中直径最小的子线圈的内径为20mm。在所述子线圈的一个端面上分别固定有 一个正极接头和一个负极接头。并使所述的正极接头和负极接头的位置分别与绕线器 1端面的一个正极导线孔12和一个负极导线孔13的位置对应。当四个子线圈逐一按 要求套装在所述绕线器圆周表面的线圈安装槽内后,四个端面的正极接头和负极接头 分别与所述位置的绕线器端面的正极导线孔和负极导线孔对应。
    所述绝缘线圈3采用绝缘胶带绕制而成,每个绝缘线圈宽度与子线圈的宽度相同, 绝缘线圈的厚度为2mm。
    所述绕线器1用尼龙制成。该绕线器中心通孔的内径略大于放大器8的定位轴的 外径,当所述绕线器套装在该放大器定位轴上后,两者之间间隙配合。本实施例中, 所述绕线器1中心孔的孔径为18mm。所述绕线器的外表面与加载枪壳体的内表面之 间过盈配合。
    所述导线接头2为块状,采用塑料制成。在所述导线接头上有两排贯通的导线孔, 分别为正极导线孔和负极导线孔。
    使用时,将主线圈6安装在加载枪壳体5内的一端,并使所述主线圈的绕线器的 外表面与所述加载枪壳体5的内表面过盈配合。将放大器8大直径端的端面与加载枪 11的次级线圈7的一个端面贴合固定。次级线圈7的另一个端面与主线圈6的一个端 面自由贴合。所述放大器的定位轴穿过主线圈6的中心孔,并且所述定位轴与所述放 大器的中心孔间隙配合。
    主线圈6中的每一个子线圈4上的正极接头和负极接头分别与导线连接,并且各 导线分别穿过绕线器和导线接头上的导线孔,分别与加载枪11的各电容充电器10的 正极导线接头和负极导线接头连接。所述各电容充电器10分别与铆接装置的电源9 连接。所述各电容充电器中的各电子开关分别与多路同步触发器14的各路接头连接。
    本实施例中的4套电容充电器10均采用采用现有电磁铆接设备的供电部分,所述 电磁铆接设备的供电部分公布在专利号为200520079179的专利中的电磁铆接设备的 供电部分。所述电磁铆接的供电部分包括电容器箱和控制箱。在本实施例中,电容器 箱中包含电容器组和电子开关,所述电容充电器的电容器部分由4个脉冲电容器并联 组成电容器组,每个脉冲电容器的额定电压为5000V,电容值为4mF,所述电容器组与 电子开关安装于电容充电器10的电容器箱中,通过电子开关控制电容器组的放电。所 述控制箱主要包含PLC及其控制系统??刂葡低持饕赡D饪刂撇糠?、数字控制部分 以及数字显示部分组成。其中模拟控制部分采用SIEMENS公司的TCA785芯片。数字控 制部分由西门子的S7-200系列CPU224及西门子模拟输入输出扩展??镋M235组成。 充电电压控制主要是通过电压环和电流环的PID控制方式实现。数字显示部分主要是 通过S7-200系列文本显示器TD200组成。
    电源9采用380V的工业交流电。
    对于采用所述主线圈结构的电磁式应力波发生器,本发明也提出了主线圈的充电/ 放电方法,包括短脉冲、高幅值应力脉冲的主线圈充电/放电和长脉冲、低幅值应力脉 冲的主线圈充电/放电。
    Ⅰ获得短脉冲、高幅值应力脉冲的主线圈充电/放电。
    所述短脉冲是指脉冲宽度为100~400us的应力波脉冲,所述高幅值是指正弦形应 力脉冲的幅值为400~1500Mpa。本实施例中,应力波脉冲的脉冲宽度为400us,正弦 形应力脉冲的幅值为600Mpa。
    当进行大于2000s-1的高应变率材料实验时,需要短脉冲、高幅值的应力波,短脉 冲用来控制材料的变形程度,高幅值用来使材料变形达到所需应变率。对于一般材料, 所需的应力波幅值在400Mpa以上,需要使4个电容充电器10同时对相接的子线圈4 进行放电,故通过每个电容充电器的人机交互界面,设置4个电容充电器电子开关同 时闭合。用商业软件ansys电磁??槎员臼凳├械闹飨呷峁菇蟹诺绻痰氖?模拟,模拟结果显示,本实施例中的主线圈尺寸在充电电压为2000V时即可达到 2200Mpa,完全满足材料的高应变率实验,而本实施例中电容充电器所采用的电容值 可得到400us的脉冲宽度。
    进行大于2000s-1的高应变率材料实验的过程是:将4个电容充电器10的充电电 压设置为600~3000V,本实施例中,充电电压设定为1000V。点击充电按钮,在电容 充电器10的控制电路中,PLC输出控制信号至储能可控硅,使对应的储能可控硅导 通,之后,变压器将工业380V交流电升压到1000V交流电,整流桥对1000V交流电 进行整流,使其变换为1000V直流电后对电容器组进行充电。充电完成后,PLC通过 储能触发器输出控制信号使储能可控硅断开。
    充电完成后,按动多路同步触发器14的开关按钮,所述多路同步触发器向4个电 容充电器10的电子开关同时发出触发信号,使所述4个电容充电器的电子开关同时开 始工作,于是所述4个电容充电器的电子开关按照设定的时间接通,使对应的放电可 控硅导通,储能电容器10中储存的能量经过放电可控硅和子线圈4形成的路电容放电 电路释放出来,从而产生时间周期短400us、幅值35000A的正弦放电电流。
    放电可控硅导通后,放电电流流经主线圈6的每一个子线圈4,在其周围形成高 强度的脉冲磁场,所述磁场的强度沿主线圈6的半径由内向外分布呈高斯分布,即在 主线圈半径的一半处磁场强度最强,由主线圈6半径的一半处向两边呈衰减分布。在 加载枪11中,主线圈6与次级线圈7相互贴紧,由于电磁感应而在所述次级线圈7 中产生涡流,由数值模拟可知,所述涡流的电流强度随时间呈正弦变化,电流周期与 主线圈6的放电周期一样,所述涡流的电流在次级线圈7靠近主线圈6的端面上沿半 径方向呈高斯分布,在半径的一半处电流最大,幅值为约为5A,在次级线圈7的厚度 方向,涡流强度随着测量平面距主线圈6端面的距离而衰减,在次级线圈7远离主线 圈的端面上,几乎没有涡流产生。所述主线圈6和次级线圈7产生的脉冲磁场方向相 反,从而产生极强的电磁斥力;所述电磁斥力在次级线圈7中形成一个历时很短的、 强度很高的应力脉冲,所述应力脉冲经过放大器8锥面的反射放大后由放大器的小端 输出,形成脉冲宽度400us,幅值600Mpa的正弦形应力脉冲,所述应力脉冲经过整形 后即可作为应变率为3000s-1左右的霍普金森压杆实验的加载应力波。
    由于是通过4个电容充电器10同时对相应子线圈4放电,在主线圈6中的安匝数 是4个子线圈4的安匝数之和,这使得主线圈6的磁场由于4个子线圈4磁场的叠加 而增强,而磁场的持续时间是一个子线圈4的放电时间,所以这种方式产生的应力波 是短脉冲,高幅值的应力脉冲,可用于材料的高应变率实验。
    Ⅱ获得长脉冲、低幅值应力脉冲的主线圈充电/放电。
    所述长脉冲是指脉冲宽度为400~1000us的应力波脉冲,所述低幅值是指正弦形 应力脉冲的幅值为100~400Mpa。本实施例中,应力波脉冲的脉冲宽度为800us,正 弦形应力脉冲的幅值为200Mpa。
    当进行材料低应变率实验时,需要长脉冲、低幅值的应力波,长脉冲用来增加材 料的变形程度,低幅值用来控制材料的应变率。需要使4个电容充电器10分时放电, 以增加主线圈6所产生磁场的持续时间。用商业软件ansys电磁??槎员臼凳├械?主线圈结构进行放电过程的数值模拟,模拟结果显示,随着所加电压在3000V以内变 化,通过4个子线圈分时放电可得到周期为800us,幅值为几十~400Mpa的应力脉冲。 在本实施例中,将4个电容充电器10分为4组,按所述电容充电器所连接子线圈4 的直径由大到小依次为第1组~第4组,通过每个电容充电器10的人机交互界面,设 置4个电容充电器10的电子开关闭合时间间隔为100us。
    将4个电容充电器10的充电电压设置为600~3000V,本实施例中,充电电压设 定为1000V。点击充电按钮,电容充电器10的控制电路中,PLC输出控制信号至储能 可控硅,使对应的储能可控硅导通,之后,变压器将工业380V交流电升压到1000V 交流电,整流桥对1000V交流电进行整流,使其变换为1000V直流电后对储能电容器 进行充电。充电完成后,PLC通过储能触发器输出控制信号使储能可控硅断开。
    充电完成后,按动多路同步触发器14的开关按钮,所述多路同步触发器向4个电 容充电器10的电子开关同时发出触发信号,使所述4个电容充电器的电子开关同时开 始工作,于是所述4个电容充电器的电子开关按照设定的时间间隔依次接通,使对应 的放电可控硅导通,电容器组中储存的能量经过放电可控硅和子线圈4形成的路电容 放电电路释放出来,从而产生宽度800us、幅值32000A的正弦放电电流,4个子线圈 依次放电使主线圈的放电电流持续时间变长。
    放电可控硅导通后,放电电流流经主线圈6的每一个子线圈4,在其周围形成高 强度的脉冲磁场,4个子线圈依次放电使主线圈的磁场持续时间变长。所述磁场的强 度沿主线圈6的半径由内向外分布呈高斯分布,即在主线圈半径的一半处磁场强度最 强,由主线圈6半径的一半处向两边呈衰减分布。在加载枪11中,主线圈6与次级线 圈7相互贴紧,由于电磁感应而在所述次级线圈7中产生涡流,由数值模拟可知,所 述涡流的电流强度随时间呈正弦变化,电流周期与主线圈6的放电周期一样,所述涡 流的电流在次级线圈7靠近主线圈6的端面上沿半径方向呈高斯分布,在半径的一半 处电流最大,幅值为约为3A,在次级线圈7的厚度方向,涡流强度随着测量平面距主 线圈6端面的距离而衰减,在次级线圈7远离主线圈的端面上,几乎没有涡流产生。 所述主线圈6和次级线圈7产生的脉冲磁场方向相反,从而产生极强的电磁斥力;所 述电磁斥力在次级线圈7中形成一个历时很短的、强度很高的应力脉冲,所述应力脉 冲经过放大器8锥面的反射放大后由放大器的小端输出,形成脉冲宽度800us,幅值 200Mpa的正弦形应力脉冲,所述应力脉冲经过整形后即可作为应变率为500s-1左右的 霍普金森压杆实验的加载应力波。
    由于是通过4个电容充电器10分时对相应子线圈放电,在主线圈6中每一时刻的 安匝数是一个子线圈的安匝数,这使得主线圈6的磁场强度变小,但是磁场的持续时 间却由于了4个子线圈放电时间的叠加而变长,所以这种方式产生的应力波是长脉冲, 低幅值的应力脉冲,可用于材料的500s-1左右应变率的实验。

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