一种高速载流应变实验装置的制作方法

1.本发明涉及材料载流应变微观组织演变实验技术领域，具体涉及一种高速载流应变实验装置。


背景技术：

2.一般在对材料进行动载条件下的微观组织演变研究时常用霍普金森拉杆实验装置，霍普金森拉杆实验装置通过撞击杆与入射杆机械碰撞产生应力波从而使试样在一定的应变速率下变形，通过对试样微观组织表征去研究材料微观组织在动载条件下的演变。高铁弓网、电动机电刷以及电磁炮枢轨都属于高速滑动电接触问题，材料表面组织工作时会在载流条件下发生高应变速率应变。此时霍普金森拉杆实验装置就会凸显出两个缺点：
3.1、由于霍普金森拉杆实验装置使材料产生变形是依靠撞击杆与入射杆间机械碰撞产生的应力波，故其只能对试件产生较低的应变速率一般为102～104/s，无法满足高速接触环境下材料微观组织演变研究的需求。
4.2、霍普金森拉杆实验装置在对材料试件施加应变同时无法在试件上引入电流，无法同时对材料在载流以及高应变速率条件下的微观组织演变规律进行研究。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种高速载流应变实验装置，该实验装置利用电能通过电丝产生冲击波轰击试件表面使材料组织产生高应变速率应变，同时给试件接入了电流，为研究高速滑动电接触环境下材料微观组织演变提供了实验平台，解决了目前实验装置对试件能施加的应变速率上限低、无法使材料在高应变速率情况下同时载有电流的技术问题。
6.本发明采用以下具体技术方案：
7.一种高速载流应变实验装置，该高速载流应变实验装置包括底座、保护管以及电丝；
8.所述底座设置有顶部和底部均开口的空腔；
9.所述保护管横跨于所述底座顶部，两端固定安装于所述底座，用于安装试件；
10.所述电丝穿设于所述保护管内，并沿所述保护管的轴心线延伸，两端用于连接电源使所述电丝爆炸且爆炸产生的冲击波均匀轰击试件表面；所述电丝与所述保护管和所述底座之间均绝缘设置；
11.试件包括圆弧部分和两个并排连接于所述圆弧部分两端的长条板；所述圆弧部分用于套接在所述保护管的轴向中部外周面；两个所述长条板之间夹设有绝缘垫，两个所述长条板在背离所述绝缘垫的一侧依次设置有导电块、绝缘块和顶丝；
12.所述顶丝与所述底座螺旋配合，用于通过所述绝缘块和所述导电块将所述长条板压紧于所述绝缘垫；
13.两个所述导电块的底端均伸出所述底座，并形成用于连接电源的接线端，使所述
试件在受到冲击波轰击时载有电流。
14.更进一步地，还包括设置于所述保护管两端的绝缘环、堵头和闭合盖；
15.所述绝缘环设置有圆环形的衬套、固定连接于所述衬套一端的法兰盘、以及沿轴向贯穿所述衬套和所述法兰盘的通孔；
16.所述堵头设置有与所述保护管内径相同的小径端、与所述通孔内径相同的大径端、以及沿轴向贯穿的中心孔；
17.所述底座顶部设置有顶部开口的顶部半圆凹槽和螺纹孔；
18.所述闭合盖设置有与所述顶部半圆凹槽一一对应且底部开口的底部半圆凹槽；
19.所述闭合盖通过与所述螺纹孔螺纹连接的螺钉安装于所述底座的顶部；
20.所述堵头的小径端插接于所述保护管内，大径端过渡配合于所述绝缘环的通孔内；
21.所述电丝的端部穿过所述堵头的中心孔后弯折并固定于所述堵头的大径端的外端面；
22.所述衬套容置于相互对应的所述底部半圆凹槽和所述顶部半圆凹槽内，并由所述闭合盖压接于所述底座。
23.更进一步地，所述电丝的端部通过铜箔固定于所述堵头的大径端的外端面。
24.更进一步地，所述堵头的中心孔由位于小径端内的细孔、位于大径端内的粗孔、以及连接所述细孔和所述粗孔的锥形孔连通构成；
25.所述细孔与所述电丝间隙配合，用于矫正所述电丝与所述保护管轴线的同轴误差；
26.所述粗孔的孔径大于所述细孔的孔径。
27.更进一步地，还包括填充于空腔底部的h形绝缘块；
28.所述h形绝缘块包括相对设置的两个长条形绝缘块和用于连接两个所述长条形绝缘块的中间绝缘块；
29.所述绝缘垫与两个所述长条形绝缘块和所述中间绝缘块固连为一体；
30.在所述绝缘垫的两侧均设置有沿竖直方向贯穿所述中间绝缘块的穿孔；
31.所述导电块从对应侧的穿孔穿过。
32.更进一步地，所述保护管、所述绝缘环、所述绝缘块、所述绝缘垫以及所述h形绝缘块均采用绝缘材料制成。
33.有益效果：
34.与现有霍普金森拉杆实验装置对材料组织在动态加载工况下微观组织演变进行研究的方式相比，本发明的高速载流应变实验装置具有以下特点：
35.1、改变了传统的采用机械碰撞产生应力波对试件施加变形这一方式，而是采用了电丝爆炸产生冲击波对试件形变的方式。在需要调节试件所受到的应变速率时，只需要调整电路的电压，控制简单快捷，并且电丝爆炸产生的冲击波可使试件表层组织在高应变速率下产生应变，应变速率可到104～105/s，超出了一般霍普金森拉杆实验装置的应变速率上限。
36.2、可在试件在产生高应变速率的同时使试件载流，克服了万能电子拉伸试验机、霍普金森拉杆实验装置等传统实验装置不能同时对试件施加104/s量级应变速率形变和电
流的缺点。
37.因此，采用上述高速载流应变实验装置通过电丝爆炸产生的冲击波均匀轰击试件表面，提高了对试件施加的应变速率上限，并使试件在受到冲击波轰击时载有电流，解决了目前实验装置对试件能施加的应变速率上限低、无法使材料在高应变速率情况下同时载有电流的技术问题。
附图说明
38.图1为本发明高速载流应变实验装置的立体结构示意图；
39.图2为图1中高速载流应变实验装置的俯视图；
40.图3为图2中a-a截面剖视图；
41.图4为图2中b-b截面剖视图；
42.图5为堵头的剖面结构示意图；
43.图6为h形绝缘块与绝缘垫的立体结构示意图。
44.其中，1-底座，2-保护管，3-电丝，4-空腔，5-试件，6-绝缘垫，7-导电块，8-绝缘块，9-顶丝，10-绝缘环，11-堵头，12-闭合盖，13-螺钉，14-h形绝缘块，51-圆弧部分，52-长条板，111-小径端，112-大径端，113-中心孔，1131-细孔，1132-粗孔，1133-锥形孔，141-长条形绝缘块，142-中间绝缘块，143-穿孔
具体实施方式
45.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
46.本发明实施例提供了一种高速载流应变实验装置，如图1和图2结构所示，该高速载流应变实验装置包括底座1、保护管2以及电丝3；保护管2采用绝缘材料制成；
47.如图3和图4所示，底座1设置有顶部和底部均开口的空腔4；底座1构成整个高速载流应变实验装置的机架，可以采用内部中空的u型夹块；顶部用于支承保护管2和电丝3；内部空腔4用于安装试件5、导电块7、绝缘块8以及顶丝9；绝缘块8采用绝缘材料制成；
48.如图1和图4所示，保护管2横跨于底座1顶部，两端固定安装于底座1，用于安装试件5；电丝3穿设于保护管2内，并沿保护管2的轴心线延伸，两端用于连接电源使电丝3爆炸且爆炸产生的冲击波均匀轰击试件5表面；电丝3与保护管2和底座1之间均绝缘设置；
49.如图2和图3所示，试件5包括圆弧部分51和两个并排连接于圆弧部分51两端的长条板52；圆弧部分51用于套接在保护管2的轴向中部外周面；两个长条板52之间夹设有绝缘垫6，绝缘垫6采用绝缘材料制成；两个长条板52在背离绝缘垫6的一侧依次设置有导电块7、绝缘块8和顶丝9，顶丝9与底座1螺旋配合，用于通过绝缘块8和导电块7将长条板52压紧于绝缘垫6；两个导电块7的底端均伸出底座1，并形成用于连接电源的接线端，使试件5在受到冲击波轰击时载有电流；试件5的两个长条板52用于在实验时实现通电载流，长条板52之间通过绝缘垫6进行隔开，防止试件5两个引出端接触或电弧击穿，影响试件5上的电流分布；在长条板52的外侧通过导电块7实现试件5与电源的电连接，通过顶丝9挤压绝缘块8对绝缘块8施加压力，使导电块7与试件5之间的缝隙压实，保证了电流传导的效率；通过绝缘块8和绝缘垫6将通向试件5的电流与底座1隔离开来，保证了实验的安全性以及试件5上电流分布的稳定性，保证实验结果的稳定性、一致性。
50.一种具体的实施方式中，如图4所示，上述高速载流应变实验装置还包括设置于保护管2两端的绝缘环10、堵头11和闭合盖12，即，在保护管2的两端均设置有绝缘环10、堵头11和闭合盖12；绝缘环10设置有圆环形的衬套、固定连接于衬套一端的法兰盘、以及沿轴向贯穿衬套和法兰盘的通孔；绝缘环10采用绝缘材料制成，可将底座1与通往电丝3的电流隔离；堵头11设置有与保护管2内径相同的小径端111、与法兰盘的通孔内径相同的大径端112、以及沿轴向贯穿的中心孔113；底座1顶部设置有顶部开口的顶部半圆凹槽和螺纹孔；闭合盖12设置有与顶部半圆凹槽一一对应且底部开口的底部半圆凹槽；闭合盖12通过与螺纹孔螺纹连接的螺钉13安装于底座1的顶部，如图1所示，在底座1的顶部固定安装有两个相对的闭合盖12，在保护管2的两端分别设置有一个闭合盖12，每个闭合盖12均通过两个螺钉13与底座1连为一体；对合在一起的顶部半圆凹槽和底部半圆凹槽形成容置圆环形衬套的空间，衬套容置于相互对应的底部半圆凹槽和顶部半圆凹槽内，并由闭合盖12压接于底座1；堵头11的小径端111插接于保护管2内，大径端112过渡配合于绝缘环10的通孔内，通过堵头11和绝缘环10将保护管2限位支承于底座1和闭合盖12之间；电丝3的端部穿过堵头11的中心孔113后弯折并固定于堵头11的大径端112的外端面，电丝3的端部可以通过铜箔固定于堵头11的大径端112的外端面，堵头11可以采用金属材料制成，电丝3的两端用于连接电源实现电丝3爆炸，电丝3位于堵头11外的两端可以套有绝缘套。
51.更进一步地，如图5所示，堵头11的中心孔113由位于小径端111内的细孔1131、位于大径端112内的粗孔1132、以及连接细孔1131和粗孔1132的锥形孔1133连通构成；细孔1131与电丝3间隙配合，用于矫正电丝3与保护管2轴线的同轴误差；粗孔1132的孔径大于细孔1131的孔径。安装时，堵头11的大径端112朝向底座1外侧设置，小径端111位于底座1的内侧，大径端112的粗孔1132孔径较大，方便朝电丝3穿入，通过锥形孔1133的引导便于电丝3进入小径端111的细孔1131内，由于内侧的细孔1131孔径较小且电丝3与细孔1131间隙配合，通过细孔1131能够矫正电丝3与保护管2轴线的同轴度，保证电丝3各处冲击波到试件5的距离基本相等，提高实验的一致性、稳定性。
52.如图3、图4和图6所示，上述高速载流应变实验装置还包括填充于空腔4底部的h形绝缘块14；h形绝缘块14采用绝缘材料制成，并包括相对设置的两个长条形绝缘块141和用于连接两个长条形绝缘块141的中间绝缘块142，两个长条形绝缘块141的排列方向与电丝3的延伸方向一致，中间绝缘块142固定连接于两个长条形绝缘块141之间；绝缘垫6与两个长条形绝缘块141和中间绝缘块142固连为一体；在绝缘垫6的两侧均设置有沿竖直方向贯穿中间绝缘块142的穿孔143；一个导电块7从绝缘垫6一侧的穿孔143穿过，另一个导电块7从绝缘垫6另一侧的穿孔143穿过。试件5的两个引出端，即，两个长条板52套在中间绝缘块142的两侧；导电块7的引出端依次穿过中间绝缘块142的穿孔143以及底座1的底部开口后伸出底座1外侧，导电块7的上端与试件5的长条板52贴实。
53.通过填充于底座1内空腔4底部的h形绝缘块14能够对夹持在试件5的两个长条板52之间的绝缘垫6进行支承，提高试件5的稳定性和导电的可靠性。
54.与现有霍普金森拉杆实验装置对材料组织在动态加载工况下微观组织演变进行研究的方式相比，上述高速载流应变实验装置具有以下特点：
55.1、上述高速载流应变实验装置在保护管2内安装有同轴心的电丝3，并将电丝3的两端支承于底座1的顶部，改变了传统的采用机械碰撞产生应力波对试件5施加变形这一方
式，而是采用了电丝3爆炸产生冲击波对试件5形变的方式。在需要调节试件5所受到的应变速率时，只需要调整电路的电压，控制简单快捷，并且电丝3爆炸产生的冲击波可使试件5表层组织在高应变速率下产生应变，应变速率可到104～105/s，超出了一般霍普金森拉杆实验装置的应变速率上限。
56.2、上述高速载流应变实验装置在试件5的底端设置有两个长条板52，在两个长条板52之间夹设有绝缘垫6，在长条板52背离绝缘垫6的一侧依次设置有导电块7、绝缘块8和顶丝9，通过顶丝9与底座1的螺旋配合将两侧的绝缘块8、导电块7、长条板52压紧于绝缘垫6，使试件5在产生高应变速率应变的同时载流，克服了万能电子拉伸试验机、霍普金森拉杆实验装置等传统实验装置不能同时对试件5施加104/s量级应变速率形变和电流的缺点。
57.因此，上述高速载流应变实验装置利用电能通过电丝3爆炸产生冲击波轰击试件5表面使材料组织产生高应变速率应变，提高了对试件5施加的应变速率上限，同时通过导电块7使试件5在受到冲击波轰击时载有电流，为研究高速滑动电接触环境下材料微观组织演变提供了实验平台，解决了目前实验装置对试件5能施加的应变速率上限低、无法使材料在高应变速率情况下同时载有电流的技术问题。
58.实验前，首先将两个堵头11分别连接向电丝3供电的电源的正负极，再将两个导电块7的引出端分别与向试件5供电的电源的正负极连接。实验时，同时或根据需求分别接通两路电源，使试件5载流的同时电丝3爆炸，进而使试件5受到冲击产生形变。爆炸过程结束后，将电路断开，更换新的保护管2、试件5以及电丝3进行下一组实验。
59.综上，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。

技术特征：
1.一种高速载流应变实验装置，其特征在于，包括底座、保护管以及电丝；所述底座设置有顶部和底部均开口的空腔；所述保护管横跨于所述底座顶部，两端固定安装于所述底座，用于安装试件；所述电丝穿设于所述保护管内，并沿所述保护管的轴心线延伸，两端用于连接电源使所述电丝爆炸且爆炸产生的冲击波均匀轰击试件表面；所述电丝与所述保护管和所述底座之间均绝缘设置；试件包括圆弧部分和两个并排连接于所述圆弧部分两端的长条板；所述圆弧部分用于套接在所述保护管的轴向中部外周面；两个所述长条板之间夹设有绝缘垫，两个所述长条板在背离所述绝缘垫的一侧依次设置有导电块、绝缘块和顶丝；所述顶丝与所述底座螺旋配合，用于通过所述绝缘块和所述导电块将所述长条板压紧于所述绝缘垫；两个所述导电块的底端均伸出所述底座，并形成用于连接电源的接线端，使所述试件在受到冲击波轰击时载有电流。2.如权利要求1所述的高速载流应变实验装置，其特征在于，还包括设置于所述保护管两端的绝缘环、堵头和闭合盖；所述绝缘环设置有圆环形的衬套、固定连接于所述衬套一端的法兰盘、以及沿轴向贯穿所述衬套和所述法兰盘的通孔；所述堵头设置有与所述保护管内径相同的小径端、与所述通孔内径相同的大径端、以及沿轴向贯穿的中心孔；所述底座顶部设置有顶部开口的顶部半圆凹槽和螺纹孔；所述闭合盖设置有与所述顶部半圆凹槽一一对应且底部开口的底部半圆凹槽；所述闭合盖通过与所述螺纹孔螺纹连接的螺钉安装于所述底座的顶部；所述堵头的小径端插接于所述保护管内，大径端过渡配合于所述绝缘环的通孔内；所述电丝的端部穿过所述堵头的中心孔后弯折并固定于所述堵头的大径端的外端面；所述衬套容置于相互对应的所述底部半圆凹槽和所述顶部半圆凹槽内，并由所述闭合盖压接于所述底座。3.如权利要求2所述的高速载流应变实验装置，其特征在于，所述电丝的端部通过铜箔固定于所述堵头的大径端的外端面。4.如权利要求2所述的高速载流应变实验装置，其特征在于，所述堵头的中心孔由位于小径端内的细孔、位于大径端内的粗孔、以及连接所述细孔和所述粗孔的锥形孔连通构成；所述细孔与所述电丝间隙配合，用于矫正所述电丝与所述保护管轴线的同轴误差；所述粗孔的孔径大于所述细孔的孔径。5.如权利要求2-4任一项所述的高速载流应变实验装置，其特征在于，还包括填充于空腔底部的h形绝缘块；所述h形绝缘块包括相对设置的两个长条形绝缘块和用于连接两个所述长条形绝缘块的中间绝缘块；所述绝缘垫与两个所述长条形绝缘块和所述中间绝缘块固连为一体；在所述绝缘垫的两侧均设置有沿竖直方向贯穿所述中间绝缘块的穿孔；所述导电块从对应侧的穿孔穿过。
6.如权利要求5所述的高速载流应变实验装置，其特征在于，所述保护管、所述绝缘环、所述绝缘块、所述绝缘垫以及所述h形绝缘块均采用绝缘材料制成。

技术总结
本发明公开了一种高速载流应变实验装置，该高速载流应变实验装置包括底座、保护管以及电丝；保护管横跨于底座顶部，两端固定安装于底座；电丝穿设于保护管内，并沿保护管的轴心线延伸；电丝与保护管和底座之间均绝缘设置；试件的圆弧部分用于套接在保护管的轴向中部外周面，两个长条板之间夹设有绝缘垫，两个长条板在背离绝缘垫的一侧依次设置有导电块、绝缘块和顶丝；顶丝与底座螺旋配合，用于将长条板压紧于绝缘垫；两个导电块的底端均伸出底座，并形成用于连接电源的接线端，使试件在受到冲击波轰击时载有电流。上述实验装置解决了目前实验装置对试件能施加的应变速率上限低、无法使材料在高应变速率情况下同时载有电流的问题。的问题。的问题。


技术研发人员：武伟超 郭畅 吴孔炜 潘艾刚 夏柳
受保护的技术使用者：辽沈工业集团有限公司
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/8/1