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用于测试材料在中应变率下的扭转力学性能的测试装置及测试方法

阅读：989发布：2020-09-15

专利汇可以提供用于测试材料在中应变率下的扭转力学性能的测试装置及测试方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供一种用于测试材料在中应变率下的扭转力学性能的测试装置，包括扭转波加载单元、波导杆单元以及数据采集单元，所述波导杆单元包括间隔设置的入射杆和透射杆，所述入射杆接收由所述扭转波加载单元所加载的扭转波，所述数据采集单元包括多对应变片以及数据采集器，多对应变片分别接入所述数据采集器，以通过所述数据采集器采集所述入射杆与所述透射杆的应变信号。本发明所述测试装置以及测试方法实现了使用霍普金森杆实验装置对测试材料样品进行中应变率的加载，从而使得在中应变率下测试各个材料的扭转力学性能成为可能；再者，所述测试装置中的扭转波加载单元所产生的脉宽较长，足以使得测试材料样品在中应变率下获得足够大的应变。，下面是用于测试材料在中应变率下的扭转力学性能的测试装置及测试方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于测试材料在中应变率下的扭转力学性能的测试装置，其特征在于，包括：
扭转波加载单元，用于向波导杆单元加载扭转波；
波导杆单元，包括一对同轴设置的扭转杆，其分别为入射杆(21)以及透射杆(22)，所述入射杆(21)的一端与所述扭转波加载单元相连接，以接收由所述扭转波加载单元所加载的扭转波，所述入射杆(21)的另一端与所述透射杆(22)之间形成有一间隔；以及数据采集单元，包括一对入射杆应变片(31)、一对透射杆应变片(32)以及数据采集器(33)，其中，所述一对入射杆应变片(31)与所述一对透射杆应变片(32)分别粘贴于所述入射杆(21)与所述透射杆(22)的表面，两对应变片分别接入所述数据采集器(33)，以通过所述数据采集器(33)采集所述入射杆(21)与所述透射杆(22)的应变信号。
2.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述扭转波加载单元为电磁驱动霍普金森扭杆加载单元，其包括扭转波加载枪、电源(12)以及分别与所述扭转波加载枪和所述电源(12)连接的电能储存与释放器(13)，所述电能储存与释放器(13)包括多个并联设置的脉冲电容，所述电能储存与释放器(13)由所述电源(12)处获得电能，以为所述多个脉冲电容充电，在充电完成后向所述扭转波加载枪放电，以驱动所述扭转波加载枪向所述波导杆单元加载扭转波；各个所述脉冲电容的充电和放电均由电子开关控制。
3.如权利要求2所述的测试装置，其特征在于，所述电能储存与释放器(13)包括10个并联设置的脉冲电容，所述脉冲电容的额定电压为3000伏，额定电容为4mF；各个所述脉冲电容的充电和放电由电子开关控制。
4.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述入射杆(21)与所述透射杆(22)均呈圆柱形杆；所述入射杆(21)的长度与所述透射杆(22)的长度相同，并且所述入射杆(21)的长度小于经由所述扭转波加载单元所加载的扭转波的脉宽长度与该扭转波波速乘积的四分之一；所述入射杆(21)的直径与所述透射杆(22)的直径相同也相同。
5.如权利要求4所述的测试装置，其特征在于，所述入射杆(21)与所述透射杆(22)分别为长度为50cm，直径为25mm的钛合金杆。
6.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述一对入射杆应变片(31)具有相同的阻值和相同的灵敏系数，其以对称方式粘贴于所述入射杆(21)上，两者以相对设置的方式接入入射杆惠斯通电桥中，该入射杆惠斯通电桥中还包括一对相对设置的且电阻值相同的固定电阻，所述入射杆惠斯通电桥的输出信号被接入所述数据采集器(33)中；所述一对透射杆应变片(32)具有相同的阻值和相同的灵敏系数，其以对称方式粘贴于所述透射杆(22)上，两者以相对设置的方式接入透射杆惠斯通电桥中，该透射杆惠斯通电桥中还包括一对相对设置的且电阻值相同的固定电阻，所述透射杆惠斯通电桥的输出信号被接入所述数据采集器(33)中。
7.如权利要求6所述的测试装置，其特征在于，所述一对入射杆应变片(31)分别粘贴于所述入射杆(21)长度的二分之一处，其设置方向与所述入射杆轴线之间的夹角为45°；所述一对透射杆应变片(32)分别粘贴于所述透射杆(22)长度的二分之一处，其设置方向与所述透射杆轴线之间的夹角为45°。
8.如权利要求7所述的测试装置，其特征在于，所述数据采集单元进一步地包括一对试样应变片(34)，两者的阻值与灵敏系数相同，所述一对试样应变片(34)通过导线接入试样惠斯通电桥中，所述试样惠斯通电桥的输出信号被接入所述数据采集器(33)中。
9.如权利要求7或8所述的测试装置，其特征在于，所述入射杆应变片(31)、所述透射杆应变片(32)以及试样应变片(34)的电阻值均为120欧，其灵敏系数均为2.0。
10.一种使用如权利要求1-9所述的测试装置对材料在中应变率下的扭转力学性能进行测试的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01：将测试材料样品(4)设置于所述入射杆(21)与所述透射杆(22)之间，所述测试材料样品(4)、所述入射杆(21)与所述透射杆(22)同轴设置；
S02：由所述扭转波加载单元向波导杆单元加载扭转波；
S03：经由所述数据采集单元获取材料在中应变率下的扭转力学性能参数；
S04：绘制所述测试材料样品(4)在中应变率下的扭转实验曲线。
11.如权利要求10所述的测试方法，其特征在于，所述测试装置中的扭转波加载单元包括扭转波加载枪、电源(12)以及分别与所述扭转波加载枪和所述电源(12)连接的电能储存与释放器(13)，所述电能储存与释放器(13)包括多个并联设置的脉冲电容，所述步骤S02进一步地包括如下步骤：
S21：利用所述电源(12)对所述电能储存和释放器(13)进行充电；
S22：待所述电能储存与释放器(13)充满电后，由该电能储存与释放器(13)对扭转波加载枪进行放电，以激活所述扭转波加载枪产生扭转波。
12.如权利要求11所述的测试方法，其特征在于，所述步骤S03进一步地包括如下步骤：
S31：将由所述数据采集单元测得的所述入射杆(21)与所述透射杆(22)上的应变信号分别转化为入射杆端的应力σI为入射杆端的应力以及透射杆端的应力σT；
S32：根据公式(2)σS＝Ab(σI+σT)/2AS计算得出所述测试材料样品(4)的内部应力，其中，σI为入射杆端的应力，σT为透射杆端的应力，σs为试样内部的平均应力，Ab为所述入射杆(21)与所述透射杆(22)杆的截面积，As为所述测试材料样品(4)的截面积。
13.如权利要求12所述的测试方法，其特征在于，所述数据采集单元进一步地包括试样应变片(34)，所述试样应变片(34)通过导线与所述数据采集器(33)相连接，所述测试方法中的所述步骤S01进一步地包括将所述试样应变片(34)粘贴于所述测试材料样品(4)的表面，所述测试方法中的所述S03步骤进一步地包括步骤S33)通过所述试样应变片(34)测得所述测试材料样品(4)的应变εS，并将所测得的所述测试材料样品(4)的应变由所述数据采集器(33)记录。
14.如权利要求13所述的测试方法，其特征在于，所述测试方法中的所述S04步骤进一步地包括：
S41：以公式(2)σS＝Ab(σI+σT)/2AS得到的试样内部应力σS为Y轴，所测得的试样的应变信号εs为X轴作图，以得到所述测试材料样品(4)的中应变率扭转应力-应变曲线；
S42：对所测得的测试材料样品(4)的应变εs对时间求导数，以得到该测试材料样品(4)的应变率并将该测试材料样品(4)的应变率作为Y轴，以时间作为X轴作图，以得到所述测试材料样品(4)中应变率扭转应变率-时间曲线。

说明书全文

用于测试材料在中应变率下的扭转力学性能的测试装置及测

试方法

技术领域

[0001] 本发明涉及材料力学性能测试技术领域，特别地涉及一种基于电磁力的应力波发生装置的能够测试材料在中应变率下的扭转力学性能的测试装置及测试方法。

背景技术

[0002] 材料在实际的工程应用中受力状态是十分复杂的，其变形的应变率范围从10-9～107s-1不等，因此就需要掌握材料在各个应变率下的力学特性。其中应变率为10-9～10-5s-1
时，测试材料力学性能的主要方法是使用蠕变试验机；应变率为10-5～100s-1时，采用的测试
3 5 -1
方法是传统的液压试验机；应变率为10 ～10s 时，使用最广泛的实验技术是霍普金森杆
实验技术。除此之外，在应变率为100～103s-1的中低应变率下，传统的实验装置为落锤实验
机、旋转飞轮试验机和凸轮塑性计等；材料在不同的受力状态下的力学表现是不同的，但传
统的中低应变率实验装置对材料施加的载荷状态比较单一，因此目前中低应变率下的测试
方法还是相当不完善的。静态液压试验机和霍普金森杆也由于其装置本身的限制，难以对
试样进行中低应变率的加载。

[0003] 传统的霍普金森杆由于其机械驱动的加载方式，所产生的应力波幅值与脉宽的范围十分有限，因此改进传统霍普金森杆的驱动方式是很有必要的。Hubert A Schmitt等人
对电磁铆接技术进行了研究，并申请了专利(美国专利：3961739,1974年5月7日)，之后
Zieve Peter等人研制了低压电磁铆接技术(欧洲专利：0293257,1988年5月27日)，弥补了
高压电磁铆接在铆接质量和推广应用方面存在的缺陷。在申请号为201420098605.4和
201410161610.X的专利中，分别提出了将电磁铆接装置直接应用于霍普金森压杆装置中的
设备方案和实验方法，但此方法获得的波形具有局限性。在申请号为201410171963.8和
201410171963.8的两个发明创造中中提出了一种基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器
实验装置以及使用方法，但这两种方案结构比较复杂，且传统的波形整形技术无法应用于
拉伸情况。为了改善这种缺陷,随后在申请号为201510956545.4的发明创造中,提出了一种
新的加载枪结构,所述结构既可以产生拉伸波和压缩波,又可以使用传统的整形方式对波
形进行整形。在申请号为201510051071的发明创造中，提出了一种电磁式实验装置的主线
圈结构和使用方法，以提高电磁式实验装置所产生的幅值和脉冲宽度的变化范围。

[0004] 目前而言，若使用霍普金森杆实验装置来进行中应变率实验(应变率范围为100～103s-1)，为了得到可以使试样获得充足变形的应变，霍普金森杆所产生的应力波形状应该
具有低幅值、长脉宽的特点，其中脉宽长度应在1ms～10ms之间。在传统的由气压驱动的霍
普金森杆加载装置中，要达到这么长的脉宽，所需的子弹长度在数米左右。而长脉宽应力波
在霍普金森杆中传播时，为了清晰的记录入射波和反射波的应变信号，所需的入射杆长度
至少为子弹长度的两倍，这就使得整个装置的长度甚至有十几米的长度，这显然是不现实
的。因此，中应变率下霍普金森杆实验的数据采集也是一个重要的问题。

发明内容

[0005] 本发明旨在提出一种基于电磁力的应力波发生装置的能够测试材料在中应变率下的扭转力学性能的测试装置及测试方法。

[0006] 为了达到上述目的，本发明提供了如下的技术方案：

[0007] 本发明所述的用于测试材料在中应变率下的扭转力学性能的测试装置，包括：

[0008] 扭转波加载单元，用于向波导杆单元加载扭转波；

[0009] 波导杆单元，包括一对同轴设置的扭转杆，其分别为入射杆以及透射杆，所述入射杆的一端与所述扭转波加载单元相连接，以接收由所述扭转波加载单元所加载的扭转波，
所述入射杆的另一端与所述透射杆之间形成有一间隔；以及

[0010] 数据采集单元，包括一对入射杆应变片、一对透射杆应变片以及数据采集器，其中，所述一对入射杆应变片与所述一对透射杆应变片分别粘贴于所述入射杆与所述透射杆
的表面，两对应变片分别接入所述数据采集器，以通过所述数据采集器采集所述入射杆与
所述透射杆的应变信号。

[0011] 进一步地，所述扭转波加载单元为电磁驱动霍普金森扭杆加载单元，其包括扭转波加载枪、电源以及分别与所述扭转波加载枪和所述电源连接的电能储存与释放器，所述
电能储存与释放器包括多个并联设置的脉冲电容，所述电能储存与释放器由所述电源处获
得电能，以为所述多个脉冲电容充电，在充电完成后向所述扭转波加载枪放电，以驱动所述
扭转波加载枪向所述波导杆单元加载扭转波；各个所述脉冲电容的充电和放电均由电子开
关控制。

[0012] 进一步地，所述电能储存与释放器包括10个并联设置的脉冲电容，所述脉冲电容的额定电压为3000伏，额定电容为4mF；各个所述脉冲电容的充电和放电由电子开关控制。

[0013] 进一步地，所述入射杆与所述透射杆均呈圆柱形杆；所述入射杆的长度与所述透射杆的长度相同，并且所述入射杆的长度小于经由所述扭转波加载单元所加载的扭转波的
脉宽长度与该扭转波波速乘积的四分之一；所述入射杆的直径与所述透射杆的直径相同也
相同。

[0014] 进一步地，所述入射杆与所述透射杆分别为长度为50cm，直径为25mm的钛合金杆。

[0015] 进一步地，所述一对入射杆应变片具有相同的阻值和相同的灵敏系数，其以对称方式粘贴于所述入射杆上，两者以相对设置的方式接入入射杆惠斯通电桥中，该入射杆惠
斯通电桥中还包括一对相对设置的且电阻值相同的固定电阻，所述入射杆惠斯通电桥的输
出信号被接入所述数据采集器中；所述一对透射杆应变片具有相同的阻值和相同的灵敏系
数，其以对称方式粘贴于所述透射杆上，两者以相对设置的方式接入透射杆惠斯通电桥中，
该透射杆惠斯通电桥中还包括一对相对设置的且电阻值相同的固定电阻，所述透射杆惠斯
通电桥的输出信号被接入所述数据采集器中。

[0016] 进一步地，所述一对入射杆应变片分别粘贴于所述入射杆长度的二分之一处，其设置方向与所述入射杆轴线之间的夹角为45°；所述一对透射杆应变片分别粘贴于所述透
射杆长度的二分之一处，其设置方向与所述透射杆轴线之间的夹角为45°。

[0017] 进一步地，所述数据采集单元进一步地包括一对试样应变片，两者的阻值与灵敏系数相同，所述一对试样应变片通过导线接入试样惠斯通电桥中，所述试样惠斯通电桥的
输出信号被接入所述数据采集器中。

[0018] 进一步地，所述入射杆应变片、所述透射杆应变片以及试样应变片的电阻值均为120欧，其灵敏系数均为2.0。

[0019] 另一方面，本发明还公开了一种使用如上所述的测试装置对材料在中应变率下的扭转力学性能进行测试的测试方法，所述测试方法包括如下步骤：

[0020] S01：将测试材料样品设置于所述入射杆与所述透射杆之间，所述测试材料样品、所述入射杆与所述透射杆同轴设置；

[0021] S02：由所述扭转波加载单元向波导杆单元加载扭转波；

[0022] S03：经由所述数据采集单元获取材料在中应变率下的扭转力学性能参数；

[0023] S04：绘制所述测试材料样品在中应变率下的扭转实验曲线。

[0024] 进一步地，所述测试装置中的扭转波加载单元包括扭转波加载枪、电源以及分别与所述扭转波加载枪和所述电源连接的电能储存与释放器，所述电能储存与释放器包括多
个并联设置的脉冲电容，所述步骤S02进一步地包括如下步骤：

[0025] S21：利用所述电源对所述电能储存和释放器进行充电；

[0026] S22：待所述电能储存与释放器充满电后，由该电能储存与释放器对扭转波加载枪进行放电，以激活所述扭转波加载枪产生扭转波。

[0027] 进一步地，所述步骤S03进一步地包括如下步骤：

[0028] S31：将由所述数据采集单元测得的所述入射杆与所述透射杆上的应变信号分别转化为入射杆端的应力σI为入射杆端的应力以及透射杆端的应力σT；

[0029] S32：根据公式σS＝Ab(σI+σT)/2AS计算得出所述测试材料样品的内部应力，

[0030] 其中，σI为入射杆端的应力，σT为透射杆端的应力，σs为试样内部的平均应力，

[0031] Ab为所述入射杆与所述透射杆杆的截面积，As为所述测试材料样品的截面积。

[0032] 进一步地，所述数据采集单元进一步地包括试样应变片，所述试样应变片通过导线与所述数据采集器相连接，所述测试方法中的所述步骤S01进一步地包括将所述试样应
变片粘贴于所述测试材料样品的表面，所述测试方法中的所述步骤S03进一步地包括步骤
S33通过所述试样应变片测得所述测试材料样品的应变εS，并将所测得的所述测试材料样
品的应变由所述数据采集器记录。

[0033] 进一步地，所述测试方法中的所述步骤S04进一步地包括：

[0034] S41：以公式σS＝Ab(σI+σT)/2AS得到的试样内部应力σS为Y轴，所测得的试样的应变信号εs为X轴作图，以得到所述测试材料样品的中应变率扭转应力-应变曲线；

[0035] S42：对所测得的测试材料样品的应变εs对时间求导数，以得到该测试材料样品的应变率并将该测试材料样品的应变率作为Y轴，以时间作为X轴作图，以得到所述测试
材料样品中应变率扭转应变率-时间曲线。

[0036] 与现有技术相比较，本发明所述的用于测试材料在中应变率下的扭转力学性能的测试装置及测试方法具有以下优点：本发明所述测试装置以及测试方法实现了使用霍普金
森杆实验装置对测试材料样品进行中应变率的加载，从而使得在中应变率下测试各个材料
的扭转力学性能成为可能；再者，本发明所述的测试装置中的扭转波加载单元所产生的脉
宽较长，足以使得测试材料样品在中应变率下获得足够大的应变。
附图说明

[0037] 从对说明本发明的主旨及其使用的优选实施例和附图的以下描述来看，本发明的以上和其它目的、特点和优点将是显而易见的，在附图中：

[0038] 图1示出本发明所述的用于测试材料在中应变率下的扭转力学性能的测试装置的结构示意图。

[0039] 【主要元件符号说明】

[0040] 转波加载枪11

[0041] 转子轴111 壳体盖112

[0042] 加载枪壳体113 定子114

[0043] 转子115 轴承116

[0044] 电源12 电能储存与释放器13

[0045] 入射杆21

[0046] 透射杆22

[0047] 入射杆应变片31 透射杆应变片32

[0048] 数据采集器33 试样应变片34

[0049] 测试材料样品4

具体实施方式

[0050] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明所述的用于测试材料在中应变率下的扭转力学性能的测试装置及测试方法的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显
然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实
施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属
于本发明保护的范围。

[0051] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“纵向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对
本发明保护范围的限制。

[0052] 如图1所示，其示出了本发明所述的用于测试材料在中应变率下的扭转力学性能的测试装置包括电磁式扭转波加载单元、波导杆单元以及数据采集单元，其中，所述电磁式
扭转波加载单元用于在电磁驱动下向所述波导杆单元加载扭转波；所述波导杆单元包括一
对同轴设置的扭转杆，其分别为入射杆21以及透射杆22，所述入射杆21的一端与所述扭转
波加载单元相连接，从而能够接收由所述扭转波加载单元所加载的扭转波，所述入射杆21
的另一端与所述透射杆22之间形成有一间隔，以供用于测试的测试材料样品4设置于该间
隔处；而所述数据采集单元用于获取测试材料在中应变率下的扭转力学性能参数，其包括
一对入射杆应变片31、一对透射杆应变片32以及数据采集器33，其中，所述一对入射杆应变
片31与所述一对透射杆应变片32分别粘贴于所述入射杆21与所述透射杆22的表面，两对应
变片分别经通过导线接入与之相对应的入射杆惠斯通电路与透射杆惠斯通电路中，所述入
射杆惠斯通电路与透射杆惠斯通电路的输出信号分别接入所述数据采集器33的输入端，从
而通过所述数据采集器33采集所述入射杆21与所述透射杆22的应变信号。

[0053] 进一步地，所述扭转波加载单元为电磁驱动霍普金森扭杆加载单元，其包括扭转波加载枪11、电源12以及分别与所述扭转波加载枪11和所述电源12连接的电能储存与释放
器13，所述电能储存与释放器13包括10个并联设置的脉冲电容，其电容值为普通电磁驱动
霍普金森扭杆加载单元的3到5倍，而电容器的充电电压也比普通电磁驱动霍普金森扭杆加
载单元的充电电压小3到5倍；所述电能储存与释放器13自所述电源12处获得电能，以为所
包括的10个脉冲电容充电，并在充电完成后向所述扭转波加载枪放电，以驱动所述扭转波
加载枪向所述波导杆单元加载扭转波；所述10个脉冲电容的充电和放电均由电子开关控
制。

[0054] 优选地，所述脉冲电容的额定电压为3000伏，额定电容为4mF。

[0055] 在如图1所示出的所述扭转波加载枪11的一个优选的实施方式中，所述的扭转波加载单元为电磁驱动霍普金森扭杆加载单元，所述扭转波加载枪11包括加载枪壳体113、壳
体盖112、4个定子114、转子115以及转子轴111，所述壳体盖112盖设于所述加载枪壳体113
的两端，所述转子115设置于所述加载枪壳体113的内部，其两端分别设置有转子轴111，所
述转子轴111从相对应的所述壳体盖112的中心穿出，并由轴承116固定于壳体盖112的中
心，两转子轴111中的其中一个与所述波导杆单元的入射杆21连接，当所述转子115旋转时，
其带动所述转子轴111旋转，从而向所述波导杆单元加载扭转波；所述4个定子114等间隔地
设置于所述加载枪壳体113的内表面，每个定子包括定子线圈，所述定子线圈的方向呈顺时
针方向或逆时针方向，相对设置的两个定子的定子线圈的线圈方向相同，所述定子线圈包
括有一对从所述加载枪壳体113内部穿出的正极接头和负极接头，所述4对正、负电极接头
由导线以串连方式连接，从而将所述4个定子线圈串联以形成线圈组，所述线圈组与所述电
能储存与释放器13经由导线连接；所述转子的外表面等间隔地嵌入有4个永磁铁，相对设置
的2个永磁铁的磁极相同。当所述电能储存与释放器13充电完成后，其能够将所储存的电能
突然释放给4个所述定子线圈，在所述定子线圈内将电能转化为磁场能，从而带动所述转子
转动，以实现电能向磁能，磁能向机械能的转换。

[0056] 进一步地，所述入射杆21与所述透射杆22均为由钛合金材料制成的呈圆柱形的长杆；所述入射杆21的长度与所述透射杆22的长度相同，同时所述入射杆21的长度小于经由
所述扭转波加载单元所加载的扭转波的脉宽长度与该扭转波波速乘积的四分之一；所述入
射杆21的直径与所述透射杆22的直径相同也相同。

[0057] 在本发明所述入射杆21的一个优选的实施方式中，所述入射杆21的长度为50cm，而其直径为25mm；相对应地，所述透射杆22的长度为50cm，而其直径则为25mm。

[0058] 进一步地，本发明所述数据采集单元中所包括的一对入射杆应变片31具有相同的阻值和相同的灵敏系数，由于所述入射杆的横截面为圆形，该对入射杆应变片31以相对于
该圆形横截面的圆心中心对称的方式粘贴于所述入射杆21的外表面，进一步地，两者通过
导线以相对设置的方式接入入射杆惠斯通电桥中，该入射杆惠斯通电桥中还包括另一对相
对设置的且电阻值相同的固定电阻，所述入射杆惠斯通电桥的输出端通过导线接入所述数
据采集器33中，以将该入射杆惠斯通电桥的输出电压传送到所述数据采集器33中；相类似
地，所述数据采集单元中的一对透射杆应变片32也同样具有相同的阻值和相同的灵敏系
数，由于所述透射杆的横截面亦为圆形，该对透射杆应变片32则以相对于该圆形横截面的
圆心中心对称的方式粘贴于所述透射杆21的外表面，进一步地，两者通过导线以相对设置
的方式接入透射杆惠斯通电桥中，该透射杆惠斯通电桥中还包括另一对相对设置的且电阻
值相同的固定电阻，所述透射杆惠斯通电桥的输出端通过导线接入所述数据采集器33中，
以将该透射杆惠斯通电桥的输出电压传送到所述数据采集器33中。

[0059] 优选地，所述入射杆应变片31的电阻值均为120欧，其灵敏系数均为2.0，而组成入射杆惠斯通电桥的另外一对固定电阻的电阻值与所述入射杆应变片31的电阻值相等；所述
透射杆应变片32的电阻值均为120欧，其灵敏系数均为2.0，而组成透射杆惠斯通电桥的另
外一对固定电阻的电阻值与所述透射杆应变片32的电阻值相等。

[0060] 进一步地，由于入射应变片的制作工艺问题，其实际电阻值不可能达到与相应的惠斯通电桥中的固定电阻的电阻值完全相同的要求，在这一情况下，为了便于在未加载所
述应力波时对所述各个惠斯通电桥“调0”，所述惠斯通电桥中还接入有滑动变阻器，在未加
载所述应力波时，若某个惠斯通电桥的输入电压不为0，则可能实操人员根据具体情况调整
相对应的滑动变阻器，以将该惠斯通电桥的输入电压调整为“0”。

[0061] 优选地，所述一对入射杆应变片31分别粘贴于所述入射杆21长度的二分之一处，也就是说，所述一对入射杆应变片31以对称地方式粘贴于所述入射杆的中点上，而其设置
方向则分别地与所述入射杆轴线之间的夹角为45°；相类似地，所述一对透射杆应变片32则
以对称地方式分别地粘贴于所述透射杆的中点上，而其设置方向则分别地与所述入射杆轴
线之间的夹角为45°。

[0062] 在使用本发明所述测试装置测试材料在中应变率下的扭转力学性能时，所述测试材料样品4的应变εS可以使用高速摄像机通过DIC方法测得，也可以由所述数据采集器计算
得出，得该应变εS由所述数据采集器计算得出时，所述测试装置的所述数据采集单元进一
步地包括一对试样应变片34，其中的两个试样应变片34的阻值与灵敏系数均相同，其通过
导线接入试样惠斯通电格桥中，该试样惠斯通电桥中还包括另一对相对设置的且电阻值相
同的固定电阻，所述试样惠斯通电桥的输出端通过导线接入所述数据采集器33中，以将该
试样惠斯通电桥的输出电压传送到所述数据采集器33中。

[0063] 在实际测试过程中，由测试实操人员将所述一对试样应变片34以中心对称的方式粘贴于测试材料样品4的中点位置，其设置方向与所述入射杆轴线之间的夹角为45°。

[0064] 优选地，所述试样应变片34的电阻值均为120欧，其灵敏系数均为2.0。

[0065] 另一方面，本发明还公开了一种使用如上所述的测试装置对材料在中应变率下的扭转力学性能进行测试的测试方法，具体地，所述测试方法包括如下步骤：

[0066] S01：将测试材料样品4粘接于所述入射杆21与所述透射杆22之间(如图1所示)，所述测试材料样品4、所述入射杆21与所述透射杆22同轴设置；

[0067] S02：由所述扭转波加载单元向波导杆单元加载扭转波；

[0068] S03：经由所述数据采集单元获取材料在中应变率下的扭转力学性能参数；

[0069] S04：绘制所述测试材料样品4在中应变率下的扭转实验曲线。

[0070] 进一步地，如图1所示，所述测试装置中的扭转波加载单元包括扭转波加载枪、电源12以及分别与所述扭转波加载枪和所述电源12连接的电能储存与释放器13，所述电能储
存与释放器13包括多个并联设置的脉冲电容，所述步骤S02进一步地包括如下步骤：

[0071] S21：利用所述电源12对所述电能储存和释放器13进行充电；

[0072] S22：待所述电能储存与释放器13充满电后，由该电能储存与释放器13对扭转波加载枪进行放电，以激活所述扭转波加载枪产生扭转波。

[0073] 具体地，在所述步骤S21中，所充电压不应高于电能储存和释放器13所采用电容器的额定电压。

[0074] 在本发明的一个优选的实施例中，所采用的充电电压为500V。

[0075] 在如图1所示出的所述扭转波加载枪11的一个优选的实施方式中，所述的扭转波加载单元为电磁驱动霍普金森扭杆加载单元，所述扭转波加载枪11包括加载枪壳体113、壳
体盖112、4个定子114、转子115以及转子轴111，所述壳体盖112盖设于所述加载枪壳体113
的两端，所述转子115设置于所述加载枪壳体113的内部，其两端分别设置有转子轴111，所
述转子轴111从相对应的所述壳体盖112的中心穿出，并由轴承116固定于壳体盖112的中
心，两转子轴111中的其中一个与所述波导杆单元的入射杆21连接，当所述转子115旋转时，
其带动所述转子轴111旋转，从而向所述波导杆单元加载扭转波；所述4个定子114等间隔地
设置于所述加载枪壳体113的内表面，每个定子包括定子线圈，所述定子线圈的方向呈顺时
针方向或逆时针方向，相对设置的两个定子的定子线圈的线圈方向相同，所述定子线圈包
括有一对从所述加载枪壳体113内部穿出的正极接头和负极接头，所述4对正、负电极接头
由导线以串连方式连接，从而将所述4个定子线圈串联以形成线圈组，所述线圈组与所述电
能储存与释放器13经由导线连接；所述转子的外表面等间隔地嵌入有4个永磁铁，相对设置
的2个永磁铁的磁极相同。

[0076] 待所述电能储存与释放器13充电完成后，其能够将所储存的电能突然释放给4个所述定子线圈，此时转子115上的永磁铁和定子114的定子线圈之间产生电磁斥力，所述电
磁斥力使转子115产生了瞬间扭矩，所述扭矩以扭转波的形式通过转子轴111传播到了入射
杆21上，从而形成了入射波。当该入射波传至入射杆21和测试材料样品4之间的接触面时，
由于波阻抗不匹配，该入射波的一部分被反射，在入射杆21中形成反射波，另一部分则通过
测试材料样品4透射进入透射杆22中形成透射波。由一维弹性应力波传播理论可知，透射波
在传播到透射杆22末端反射后，幅值加倍，所述压缩波达到测试材料样品4与透射杆22的接
触面时，又会对测试材料样品4进行加载，形成新的反射波和透射波。而在入射杆21中，反射
波也会在加载端被重新反射，并再次对测试材料样品4进行加载，所述过程一直重复进行。
而在上述过程中，分别设置于入射杆21表面、透射杆22表面以及测试材料样品4表面的应变
片则会根据相对应的入射杆21、透射杆22以及测试材料样品4所发生应变而发生电阻值的
改变。

[0077] 优选地，为了在测试过程中使所述扭转波加载枪中的转子115能够以最快的响应速度产生扭转波，可在测试开始前调整所述转子115上的永磁铁与设置于所述加载枪壳体
113内表面上的4个定子之间的相对位置，具体地，可由实操人员在粘接所述测试材料样品4
并转动所述转子，从而使所述转子115上具有相同磁极的两个永磁铁之间的连线与所述加
载枪壳体113上绕设方向相同的两个定子线圈之间的连线之间的夹角调整为45°，在这个位
置下，当定子线圈放电时，所述转子115所受到的扭矩最大，从而使得所述转子115能够以最
快的响应速度产生扭转波。

[0078] 进一步地，所述步骤S03进一步地包括如下步骤：

[0079] S31：将由所述数据采集单元测得的所述入射杆21与所述透射杆22上的应变信号分别转化为入射杆端的应力σI为入射杆端的应力以及透射杆端的应力σT；

[0080] S32：根据公式σS＝Ab(σI+σT)/2AS计算得出所述测试材料样品4的内部应力，其中，σI为入射杆端的应力，σT为透射杆端的应力，σs为试样内部的平均应力，Ab为所述入射杆21与所述透射杆22杆的截面积，As为所述测试材料样品4的截面积；

[0081] S33：测得所述测试材料样品4的应变信号εS，并将所测得的所述测试材料样品4的应变由所述数据采集器33记录。

[0082] 具体地，根据由所述数据采集单元所采集到的入射杆惠斯通电路的输出电压信号得到入射杆端的应力σI的步骤如下：

[0083] 首先，将数据采集仪上所采集到的入射杆惠斯通电路的输出电压信号UI转化为入射杆上的应变信号εI，具体公式为：εI＝2UI/k/(U-UI)，其中，εI为入射杆上的应变信号，UI为由所述数据采集单元所采集到的入射杆惠斯通电路的输出电压信号，k为所采用入射杆应
变片的敏感系数，U为惠斯通电桥的供电电压；

[0084] 其次，在得到入射杆上的应变信号εI后，再将该入射杆上的应变信号εI转化为入射杆上的切应变信号γI，具体地，由于此时入射杆处于纯扭转状态，且所述入射杆应变片的
设置方向与入射杆轴线之间的夹角呈45°，根据广义虎克定律可知：γI＝2εI；

[0085] 进而，再根据入射杆上的切应变信号γI得到入射杆中的切应力τI，具体地由于在应力波传递过程中，所述入射杆一直保持弹性状态，因此此时入射杆中的切应力τI为τI＝G
γI，其中，G为入射杆的剪切模量；

[0086] 最后，根据入射杆中的切应力τI得到入射杆端的应力σI，由于所述入射杆处于纯扭转状态，所述入射杆中的切应力τI即为所述入射杆端的应力σI。

[0087] 同理，再根据由所述数据采集单元所采集到的透射杆惠斯通电路的输出电压信号得到透射杆端的应力σT的步骤如下：

[0088] 首先，将数据采集仪上所采集到的透射杆惠斯通电路的输出电压信号UT转化为透射杆上的应变信号εT，具体公式为：εT＝2UT/k/(U-UT)，其中，εT为透射杆上的应变信号，UT为由所述数据采集单元所采集到的透射杆惠斯通电路的输出电压信号，k为所采用的透射杆
应变片的敏感系数，U为透射杆惠斯通电桥的供电电压；

[0089] 其次，在得到透射杆上的应变信号εT后，再将该透射杆上的应变信号εT转化为透射杆上的切应变信号γT，具体地，由于此时透射杆处于纯扭转状态，且所述透射杆应变片的
设置方向与入射杆轴线之间的夹角呈45°，根据广义虎克定律可知：γT＝2εT；

[0090] 进而，再根据透射杆上的切应变信号γT得到入射杆中的切应力τT，具体地由于在应力波传递过程中，所述透射杆一直保持弹性状态，因此此时透射杆中的切应力τT为τT＝G
γT，其中，G为入射杆的剪切模量；

[0091] 最后，根据透射杆中的切应力τT得到透射杆端的应力σT，由于所述透射杆处于纯扭转状态，所述透射杆中的切应力τT即为所述入射杆端的应力σT。

[0092] 而需要具体说明的是，在公式σS＝Ab(σI+σT)/2AS中，测试材料样品4本身分别与入射杆21和透射杆22固连，当得到入射杆21与测试材料样品4连接端的应力σI后，便可得到入
射杆21与测试材料样品4连接端的力AbσI；同理可得透射杆22与测试材料样品4连接端的力
AbσT，将这两个力相加后进行平均，再除以测试材料样品4的截面积AS，就得到了测试材料样
品4的应力。

[0093] 在本发明所述测试方法的一个优选的实施方式中，所述测试材料样品4的应变信号εS是使用高速摄像机通过DIC方法测得。

[0094] 可替换地，本发明所述测试方法的另一个优选的实施方式中，所述测试材料样品4的应变信号εS是由所述数据采集单元根据所采集到的所述试样惠斯通电格桥的输出电压
由获得的，具体地，在该方法所应用的测试装置中，所述数据采集单元进一步地包括试样应
变片34，所述试样应变片34通过导线与所述数据采集器33相连接，这样，所述测试方法中的
所述步骤S01进一步地包括将所述一对试样应变片34以中心对称的方式粘贴于测试材料样
品4的中点位置，其设置方向与所述入射杆轴线之间的夹角为45°，而在所述测试方法的步
骤S33中，所述测试材料样品4的应变信号εS的具体获取方式为：将由数据采集仪上所采集
到的试样惠斯通电格桥的输出电压信号US转化为透射杆上的应变信号εS，具体公式为：εS＝
2US/k/(U-US)，其中，εS为测试材料样品4上的应变信号，US为由所述数据采集单元所采集到
的试样惠斯通电路的输出电压信号，k为所采用的试样应变片的敏感系数，U为试样惠斯通
电桥的供电电压。

[0095] 更进一步地，所述测试方法中的所述步骤S04进一步地包括：

[0096] S41：以公式σS＝Ab(σI+σT)/2AS得到的试样内部应力σS为Y轴，所测得的试样的应变信号εs为X轴作图，得到所述测试材料样品4的中应变率扭转应力-应变曲线；

[0097] S42：对所测得的测试材料样品4的应变εs对时间求导数，以得到该测试材料样品4的应变率并将该测试材料样品4的应变率作为Y轴，以时间作为X轴作图，以得到所述
测试材料样品4中应变率扭转应变率-时间曲线。

[0098] 最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然
可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发
明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

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