張銘豪，曹增強(qiáng),2?，黃新平，袁昕宇，郭映江

(1. 西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院； 2. 陜西大工旭航電磁科技有限公司: 西安 710072;3. 江西省知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)中心， 南昌 330029)

經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展，霍普金森桿技術(shù)已成為測(cè)試材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的重要手段之一[1]，對(duì)在復(fù)雜力學(xué)環(huán)境下承受爆炸與沖擊載荷的材料在高應(yīng)變速率下的塑性流動(dòng)行為研究至關(guān)重要。然而，當(dāng)前霍普金森桿測(cè)試技術(shù)大多采用空氣炮加載，在加載速度、試驗(yàn)的可重復(fù)性、低噪聲和加載裝置小型化等方面有諸多不足[2]。

基于電磁加載的應(yīng)力波鉚接技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于航空航天的裝配連接領(lǐng)域，電磁鉚槍產(chǎn)生的應(yīng)力波是一種可控及性能優(yōu)越的加載波，具有脈沖寬度可調(diào)、加載應(yīng)變率跨度大、脈沖幅值控制精確和穩(wěn)定性高等特點(diǎn)[3-4]，并能實(shí)現(xiàn)多軸、多向同步加載。將電磁鉚槍產(chǎn)生的應(yīng)力波作為入射波，直接作用到霍普金森桿試驗(yàn)的入射桿中，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)入射波的精確加載，大范圍拓展霍普金森桿試驗(yàn)加載應(yīng)變率的跨度，大幅提高霍普金森桿試驗(yàn)的可靠性和可控性，對(duì)材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試具有開(kāi)拓意義[5]。

在實(shí)際的霍普金森桿試驗(yàn)中，為反映真實(shí)情況下試件受沖擊的行為，針對(duì)不同的試驗(yàn)對(duì)象，需獲得不同的加載應(yīng)力波幅值和脈沖寬度作用于試件，以更好地符合現(xiàn)實(shí)情況。本文采用離散化有限元方法建立了多物理場(chǎng)耦合模型，分析系統(tǒng)參數(shù)對(duì)電磁力加載的霍普金森桿入射波幅值和脈沖寬度的影響。

1 基于電磁加載的霍普金森桿原理

采用電磁加載替代空氣炮加載的霍普金森桿試驗(yàn)技術(shù)方案中，其中一種是利用現(xiàn)有的電磁鉚接設(shè)備產(chǎn)生的應(yīng)力波作為入射波，再對(duì)波形進(jìn)行調(diào)整后，直接作用到霍普金森桿的入射桿中，以替代壓縮空氣進(jìn)行加載[6-7]，通過(guò)調(diào)整電磁鉚接設(shè)備的充電電壓及電容，即可獲得不同脈沖寬度和幅值的加載波波形。此外，通過(guò)脈沖整形器還可獲得近似梯形波的波形[5，8]。圖1為電磁鉚槍產(chǎn)生的加載應(yīng)力波，負(fù)值表示壓縮波，正值表示拉伸波。

根據(jù)上述思路研制的基于電磁加載的霍普金森桿基本工作原理如圖2所示。試驗(yàn)時(shí)，充電開(kāi)關(guān)閉合，交流電源380 V經(jīng)升壓變壓器變壓后，再經(jīng)過(guò)二極管整流電路整流，對(duì)電容器組充電，將能量?jī)?chǔ)存起來(lái)。充電電壓達(dá)到設(shè)定電壓后，充電開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，之后根據(jù)需要進(jìn)行放電加載。放電時(shí)，閉合放電開(kāi)關(guān)，電容器組對(duì)放電線(xiàn)圈(又稱(chēng)初級(jí)線(xiàn)圈)瞬間放電，在放電線(xiàn)圈中產(chǎn)生強(qiáng)大的脈沖電流，同時(shí)在周?chē)纬筛邚?qiáng)度的脈沖磁場(chǎng)。感應(yīng)線(xiàn)圈與加載線(xiàn)圈相互貼緊，由于電磁感應(yīng)而產(chǎn)生極強(qiáng)的渦流，二者產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)方向相反，從而產(chǎn)生極強(qiáng)的電磁力。電磁力在應(yīng)力波放大器的輸入端形成一個(gè)微秒級(jí)、高強(qiáng)度的應(yīng)力脈沖，以彈性波的形式在應(yīng)力波放大器中傳播并被放大。應(yīng)力波放大器對(duì)入射桿輸入壓縮應(yīng)力波，對(duì)試樣進(jìn)行加載，桿中的脈沖將以彈性波速無(wú)失真地傳播，這樣粘貼在入射桿和透射桿上的應(yīng)變片就能測(cè)量到作用于桿端的載荷隨時(shí)間的變化歷程。同時(shí)利用動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀來(lái)采集和記錄應(yīng)變信號(hào)。

放電線(xiàn)圈與感應(yīng)線(xiàn)圈之間產(chǎn)生加載的電磁力F(t)可表示為[9]

(1)

當(dāng)t=T/4 (T為放電電流脈沖寬度)時(shí)，電容器產(chǎn)生的放電電流脈沖寬度達(dá)到峰值，加載電磁力的脈沖寬度T0可表示為

(2)

電磁加載力F(t)與加載桿中應(yīng)力波σ(t)的關(guān)系可表示為

F(t)=ASσ(t)

(3)

其中：A為應(yīng)力波放大器對(duì)電磁力的放大倍數(shù)；S為加載桿的橫截面積。

(4)

(5)

(6)

其中：c0為試樣的彈性波速；l0為試樣的原始長(zhǎng)度；Eb為試樣的楊氏模量；Sb為試樣的橫截面積。

2 入射波的參數(shù)控制研究

為研究調(diào)整電磁鉚接設(shè)備加載系統(tǒng)產(chǎn)生的入射波是否能滿(mǎn)足霍普金森桿試驗(yàn)及如何快速通過(guò)調(diào)整設(shè)備的充、放電電壓和電容來(lái)獲得所需的加載波形，本文采用有限元方法進(jìn)行分析驗(yàn)證。通過(guò)分析產(chǎn)生電磁加載力的RLC放電回路，利用ANSYS Maxwell軟件建立了電磁霍普金森桿加載頭的多物理場(chǎng)耦合模型，采用3D瞬態(tài)求解器并添加外電路作為激勵(lì),等效電阻為3 mΩ，等效電容為10 μH。Maxwell求解實(shí)體模型及等效電路模型圖3所示。

2.1 續(xù)流二極管對(duì)入射波波形的影響

電磁鉚接設(shè)備在工作中，僅需生產(chǎn)一次應(yīng)力波即可對(duì)鉚釘完成加載變形，所以在電磁鉚接設(shè)備的RLC放電回路中，電容產(chǎn)生的脈沖大電流對(duì)加載線(xiàn)圈進(jìn)行放電后，為避免線(xiàn)圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電容器形成回路，且對(duì)電容器反向充電，需設(shè)置續(xù)流二極管對(duì)回路進(jìn)行阻斷。

霍普金森桿試驗(yàn)中在加載的初始階段，試樣兩端的應(yīng)力還未達(dá)到均勻分布狀態(tài)，導(dǎo)致計(jì)算的材料特性在彈性階段存在無(wú)效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可信度較差。當(dāng)應(yīng)力波在試樣中來(lái)回反射3～5次后，試樣兩端的應(yīng)力達(dá)到均勻分布，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)才有效[11]。

為將電磁鉚接過(guò)程單次加載的應(yīng)力波調(diào)整為振蕩波形，考慮到霍普金森桿試驗(yàn)所需的電容量一般在2～8 mF，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電磁鉚接設(shè)備的電容(20～50 mF)，產(chǎn)生的反向電流小于電磁鉚接設(shè)備，故可將續(xù)流二極管去掉，以獲得欠阻尼振蕩的加載波形。

有無(wú)續(xù)流二極管時(shí)，脈沖電流I及加載電磁力F隨時(shí)間t的變化關(guān)系如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)：有無(wú)續(xù)流二極管對(duì)產(chǎn)生的電磁力或脈沖電流達(dá)到第一個(gè)波峰的時(shí)間無(wú)影響；當(dāng)有續(xù)流二級(jí)管時(shí)，電磁力波形的脈沖寬度因下降沿的拉長(zhǎng)而無(wú)法用于霍普金森桿實(shí)驗(yàn)中；而沒(méi)有續(xù)流二極管時(shí)，產(chǎn)生了較優(yōu)質(zhì)的欠阻尼狀態(tài)的振蕩波形，且波形的脈沖寬度最大不超過(guò)1 ms，可作為霍普金森桿的入射加載波。

2.2 電壓對(duì)入射波波形的影響

由于波形在欠阻尼狀態(tài)下具有較好的一致性，可取第一個(gè)半正弦波的對(duì)比來(lái)說(shuō)明電壓對(duì)加載波波形的影響。當(dāng)電容為4 mF時(shí)，不同電壓條件下，脈沖電流和加載電磁力隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖5所示。由圖5可見(jiàn)電壓越大，脈沖電流和加載電磁力也越大，且脈沖電流和加載電磁力到達(dá)峰值的時(shí)間相同，脈沖寬度相同，第一個(gè)正弦波的脈沖寬度都只有0.7 ms。故在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中，可通過(guò)調(diào)節(jié)設(shè)備的充放電電壓，在改變?nèi)肷洳ǚ逯荡笮〉耐瑫r(shí)不改變?nèi)肷洳ǖ拿}沖寬度。

2.3 電容對(duì)入射波波形的影響

同樣取第一個(gè)半正弦波的對(duì)比來(lái)說(shuō)明不同電容對(duì)入射波波形的影響。當(dāng)電壓為1 kV時(shí)，不同電容條件下，脈沖電流和加載電磁力隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖6所示。

由圖6可見(jiàn)：隨著電容的增大，脈沖電流和加載電磁力的脈沖寬度也隨之增大，且達(dá)到峰值的時(shí)間也相應(yīng)推遲；同時(shí)，增大電容也能提高脈沖電流與加載電磁力的峰值，這與式(1)相符，但改變電容對(duì)加載電磁力的提升不如調(diào)節(jié)電壓效果明顯，因?yàn)殡妷号c加載電磁力呈平方正比關(guān)系。在實(shí)際使用中，一般通過(guò)改變電容器組的串并聯(lián)關(guān)系來(lái)改變電容，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖寬度的調(diào)節(jié)。

3 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬，驗(yàn)證了將用于電磁鉚接的應(yīng)力波調(diào)整后作為霍普金森桿加載波的可行性，并分析了放電回路中電壓和電容對(duì)脈沖電流和加載電磁力的影響，結(jié)論為：

(1) 電磁力產(chǎn)生的應(yīng)力波是一種可控的、性能優(yōu)越的加載波，可用于霍普金森桿實(shí)驗(yàn)中，具有加載脈沖寬度可調(diào)、加載應(yīng)變率跨度大、脈沖幅值控制精確及穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。

(2) 為獲得欠阻尼狀態(tài)下的振蕩入射波形，與電磁鉚接設(shè)備的一次應(yīng)力波加載成形不同，在放電回路不能使用續(xù)流二極管。

(3) 可通過(guò)改變電壓和電容來(lái)調(diào)節(jié)入射波的幅值。電壓或電容越大，幅值越大，但改變電壓不改變?nèi)肷洳ǖ拿}沖寬度和到達(dá)峰值的時(shí)間；電容越大，入射波的脈沖寬度越寬，到達(dá)峰值的時(shí)間也越長(zhǎng)。