基于电磁力的盘式霍普金森扭杆加载装置及实验方法
阅读：3发布：2022-11-17
专利汇可以提供基于电磁力的盘式霍普金森扭杆加载装置及实验方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种基于电磁 力 的盘式霍普金森扭杆加载装置及实验方法。所述加载装置中，电源的正极和负极分别与 电能 储存与释放器的正极输入端和负极输入端通过 导线 连接；所述电能储存与释放器的正极输出端和负极输出端分别通过导线与扭转枪的正极输入端和负极输入端连接。本 发明 利用电磁能‑机械能装换原理，通过电控制方式产生瞬间电磁 扭矩 ，并通过机械结构将扭矩转换为扭转波，用于霍普金森扭杆的实验。由于采用电控制的方式，电磁式霍普金森扭杆杆的 应力 波产生时间上表现出独有的优越性，通过 电子 开关 ，能够严格控制应力波的产生时间，解决了在复杂加载方式下的同步性问题。，下面是基于电磁力的盘式霍普金森扭杆加载装置及实验方法专利的具体信息内容。
1.一种基于电磁力的盘式霍普金森扭杆加载装置，包括电源、电能储存与释放器和扭转枪，其特征在于，所述电源的正极和负极分别与电能储存与释放器的正极输入端和负极输入端通过导线连接；所述电能储存与释放器的正极输出端和负极输出端分别通过导线与扭转枪的正极输入端和负极输入端连接；
所述扭转枪包括转子、n个定子和壳体；所述转子中的转盘安装在壳体内；转子轴安装在所述转盘的中心孔内；转子套装在所述转子轴上；n个定子分别卡装在所述壳体圆周的环表面上，并使所述各定子的两个侧边分别与该壳体上各开口的侧边贴合，同时使转子的边缘嵌入各定子的线圈芯上的梯形缺口中；转子的边缘与各定子的线圈芯上的梯形缺口内壁之间有间隙；在所述各定子的线圈芯上缠绕的线圈组的正极接头和负极接头分别与电能储存与释放器的正极输出线和负极输出线相接；所述转子中的n块扇形的永磁铁分别嵌装在转盘圆周上的永磁铁安装槽内；将n个定子按定子线圈缠绕方向均分为两组，在卡装所述n个定子时，须使顺时针缠绕的定子与逆时针缠绕的定子间隔卡装；所述n为偶数；
所述扭转枪中的壳体的圆周上均布有n对轴向矩形的开口；所述的每对开口均是从该壳体的两端向壳体的中部延伸，从而在该壳体圆周表面的中部形成了环带；所述开口的周向宽度与定子上的线圈芯的宽度相同；在所述壳体一端的端面均布有用于固定壳体盖的螺孔；
所述转子轴中间一段为施力段，并且该施力段的直径最大，与转盘上的中心孔之间自由配合，在所述施力段上开有连接转盘上的键槽；所述转子轴两端均为轴承安装段；在所述施力段与轴承安装段之间是过渡段；在转子轴两端端面均加工有用于连接扭转入射杆内螺纹的盲孔；转子轴与转盘通过键连接在一起。
2.如权利要求1所述基于电磁力的盘式霍普金森扭杆加载装置，其特征在于，所述各定子的上部有矩形槽，该矩形槽贯通该定子的两侧表面；在所述矩形槽下表面有向该定子下表面方向开的梯形槽；所述梯形槽的上开口的宽度与所述壳体中部的环带的轴向长度相等，所述梯形槽的两个斜面与转盘两端端面平行。
3.如权利要求1所述基于电磁力的盘式霍普金森扭杆加载装置，其特征在于，定子线圈缠绕在由各定子上的梯形槽的两侧壁形成的线圈芯上；将n个定子均分为2组，其中一组线圈的正极接头到负极接头顺时针缠绕，另一组线圈的正极接头到负极接头逆时针缠绕。
4.如权利要求1所述基于电磁力的盘式霍普金森扭杆加载装置，其特征在于，所述壳体盖的直径与壳体的外径相同，在圆盘中心开有安装轴承的轴承孔，在所述壳体盖外边缘处加工有螺纹通孔，所述螺纹通孔与壳体上的螺纹孔位置和尺寸相互对应，用于壳体与壳体盖的定位安装。
5.如权利要求1所述基于电磁力的盘式霍普金森扭杆加载装置，其特征在于，所述转子包括转盘、永磁铁和转子轴：在该转盘的圆周表面均布有n个梯形槽，并且所述的n为偶数；
所述各梯形槽的外形与尺寸均与永磁铁的外形与尺寸相同；在所述转盘的中心开有转子轴的安装孔。
6.一种利用权利要求1所述基于电磁力的盘式霍普金森扭杆加载装置进行实验的方法，其特征在于，具体过程是：
步骤1.排布器材：将扭转枪、入射杆和透射杆按常规方法同轴顺序安装在实验台上，并使所述入射杆和透射杆能够自由旋转；扭转枪的前转子轴的内螺纹段与入射杆的入射端通过螺纹连接；将一个试样按常规方法安装在入射杆和透射杆之间，并且使试样与入射杆及透射杆同轴；将转子转动，使转子上永磁铁与相邻的同磁极的定子之间的夹角α＝180°/n；
步骤2.粘贴应变片：在入射杆和透射杆中段圆周表面分别粘贴1个剪切应变片，并将应变片引线接入数据采集系统；
步骤3.对电能储存与释放器的储能电容器进行充电：在电能储存与释放器1的人机交互界面上点击充电电压设置，将充电电压设置到所需的值；点击充电按钮，PLC输出控制信号至储能可控硅，使所述储能可控硅导通；之后，变压器将380V工业交流电升压到所设定的交流电压，整流桥对所述交流电进行整流，使其变换为相应电压值的直流电后对电能储存与释放器中的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；
步骤4.加载实验及数据采集：充电完成后，在电能储存与释放器的人机交互界面上点击放电按钮，PLC输出控制信号至放电可控硅，使所述放电可控硅导通，储能电容器中储存的能量经过放电可控硅、定子线圈形成的回路释放出来，从而产生时间周期短、幅值较高的放电电流；
所述放电电流在定子线圈中产生瞬间电磁场，使转子上的永磁铁和定子线圈之间产生电磁斥力，所述电磁斥力使转子产生瞬间扭矩，所述扭矩以扭转波的形式传入霍普金森扭杆的入射杆，当该入射波传至入射杆与试样接触面时，由于波阻抗不匹配，该入射波的一部分被反射，在入射杆中形成反射波，另一部分则通过试样透射入透射杆中，形成透射波；数据采集系统通过粘贴在入射杆上的应变片记录入射波和反射波信号，通过粘贴在透射杆上的应变片将透射波的信号记录下来；通过一波法得到试样的动态扭转应力应变曲线。
基于电磁力的盘式霍普金森扭杆加载装置及实验方法
技术领域
[0001] 本发明涉及材料的动态扭转力学性能测试的加载装置及实验方法，具体说是一种基于电磁力的盘式式霍普金森扭杆加载装置，所述装置可以作为分离式霍普金森扭杆实验的加载装置。
背景技术
[0002] 虽然霍普金森拉伸、压缩设备已广泛用于测量高应变率下材料压缩、拉伸时的力学性质。但是压杆和拉杆都是采用轴向加载方法，压缩和拉伸纵波在传播时，波导杆伴有径向变形，产生横向惯性效应，产生波的弥散和试样端面的摩擦，影响精度；而扭转霍普金森实验设备无三维问题，无横向惯性影响，不存在试样端面的摩擦效应。因此扭转霍普金森实验越来越受重视。
[0003] 扭转霍普金森设备的加载方式有：1.存储应变能突然释放方式；2.气动加载方式；3.爆炸加载方式。贝克(Baker)等人在Journal of Applied Mechanics的1996年第33期中发表的Strain-rate effects in the propagation of torsion plastic waves一文中提出的扭转霍普金森设备，其夹钳机构由滑块组成，气枪子弹打击滑块时，夹钳放松，产生的扭矩脉冲前沿升时和应变率分别为30us和103s-1；坎贝尔(Campbell)等人在Journal of Applied Mechanics的1971年37期中发表的On the use of a torsional split Hopkinson bar to study rate effects in 1100-0 aluminum一文中提出的扭转霍普金森设备，夹钳结构由两个半圆桥瓦和钢丝组成，钢丝拉断时，夹钳放松，其前沿升时和应变率分别为50us和102s-1。此外，还有一些学者尝试使用爆炸方式和气动加载方式进行扭转加载。目前，在扭转霍普金森杆实验技术方面，最成熟的技术还是储能式加载方式，这种加载方式的缺点在于扭转应力波的产生时间无法有效控制，并且所产生的扭转波长受入射杆的长度限制。
[0004] 传统的霍普金森扭杆加载方式都是机械加载，扭转波的产生时间很难控制。在材料的动态力学性能测试中，有时需要测试材料在扭转和拉伸或者扭转和压缩的复合加载下的力学性能。这两种复合加载方式要求扭转波和拉伸波或者扭转波和压缩波同时到达试样的端面，这要求能够严格控制扭转波和拉伸波或者扭转波和压缩波的开始传播时间。而传统的霍普金森杆的机械加载方式是无法严格控制应力波的产生和传播时间的。由于这个原因，复合加载的霍普金森杆系统一直很难研制出来。
[0005] 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，并申请了电磁铆接装置的专利(美国专利：3961739,1974年5月7日)。后来美国研制成功低压电磁铆接(欧洲专利：0293257,1988年5月27日)，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。如果将电磁铆枪的原理应用到分离式霍普金森压杆中代替传统分离式霍普金森压杆中的气枪和撞击杆，通过电磁斥力产生直接产生应力波，将会使分离式霍普金森压杆实验技术的规范化成为可能。并且可以以足够长的应力脉冲对试样进行低应变率加载，实现一些传统霍普金森杆无法实现的低应变率。2014年西北工业大学在专利号为ZL
201420198611.7的实用新型专利中提出了一种基于电磁力加载的分离式霍普金森压杆装置，在申请号为201410161610.X的发明专利中提出了一种改进的基于电磁力加载的分离式霍普金森压杆装置。西北工业大学在申请号分别为201410173843.1和201410171963.8的发明创造中提出了两种基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器及实验方法，所述实验装置通过将电磁铆枪产生应力波的原理直接应用于霍普金森压杆实验装置从而实现对试样的动态压缩加载，并且应力波产生的时间可以精确控制。在申请号为201510257557.8的专利中，申请人提出了一种筒状结构的基于电磁力的霍普金森扭转装置，但是所述结构转动惯量较大，导致所产生的扭转波上升沿过长，能够应用的扭转试验范围有限。在本发明中，申请者在上述筒状霍普金森扭转装置的基础上，发明了一种盘式的霍普金森扭转装置，改进了筒状霍普金森扭转装置转动惯量大，扭转波上升沿时间长的不足。
201420198611.7的实用新型专利中提出了一种基于电磁力加载的分离式霍普金森压杆装置，在申请号为201410161610.X的发明专利中提出了一种改进的基于电磁力加载的分离式霍普金森压杆装置。西北工业大学在申请号分别为201410173843.1和201410171963.8的发明创造中提出了两种基于电磁力的拉伸及压缩应力波发生器及实验方法，所述实验装置通过将电磁铆枪产生应力波的原理直接应用于霍普金森压杆实验装置从而实现对试样的动态压缩加载，并且应力波产生的时间可以精确控制。在申请号为201510257557.8的专利中，申请人提出了一种筒状结构的基于电磁力的霍普金森扭转装置，但是所述结构转动惯量较大，导致所产生的扭转波上升沿过长，能够应用的扭转试验范围有限。在本发明中，申请者在上述筒状霍普金森扭转装置的基础上，发明了一种盘式的霍普金森扭转装置，改进了筒状霍普金森扭转装置转动惯量大，扭转波上升沿时间长的不足。
发明内容
[0006] 为克服现有技术中存在的转动惯量大，扭转波上升时间长的不足，本发明提出了一种基于电磁力的盘式霍普金森扭杆加载装置及实验方法。
[0007] 本发明包括电源、电能储存与释放器和扭转枪，其特征在于，所述电源的正极和负极分别与电能储存与释放器的正极输入端和负极输入端通过导线连接；所述电能储存与释放器的正极输出端和负极输出端分别通过导线与扭转枪的正极输入端和负极输入端连接。
[0008] 所述扭转枪包括转子、n个定子和壳体。所述转子中的转盘安装在壳体内；转子轴安装在所述转盘的中心孔内。转子套装在所述转子轴上。n个定子分别卡装在所述壳体圆周的环表面上，并使所述各定子的两个侧边分别与该壳体上各开口的侧边贴合，同时使转子的边缘嵌入各定子的线圈芯上的梯形缺口中。转子的边缘与各定子的线圈芯上的梯形缺口内壁之间有间隙。在所述各定子的线圈芯上缠绕的线圈组的正极接头和负极接头分别与电能储存与释放器的正极输出线和负极输出线相接。所述转子中的n块扇形的永磁铁分别嵌装在转盘圆周上的永磁铁安装槽内。将n个定子按定子线圈缠绕方向均分为两组，在卡装所述n个定子时，须使顺时针缠绕的定子与逆时针缠绕的定子间隔卡装。所述n为偶数。
[0009] 所述扭转枪中的壳体的圆周上均布有n对轴向矩形的开口。所述的每对开口均是从该壳体的两端向壳体的中部延伸，从而在该壳体圆周表面的中部形成了环带。所述开口的周向宽度与定子上的线圈芯的宽度相同。在所述壳体一端的端面均布有用于固定壳体盖的螺孔。
[0010] 所述各定子的上部有矩形槽，该矩形槽贯通该定子的两侧表面。在所述矩形槽下表面有向该定子下表面方向开的梯形槽。所述梯形槽的上开口的宽度与所述壳体中部的环带的轴向长度相等，所述梯形槽的两个斜面与转盘两端端面平行。
[0011] 定子线圈缠绕在由各定子上的梯形槽的两侧壁形成的线圈芯上；将n个定子均分为2组，其中一组线圈的正极接头到负极接头顺时针缠绕，另一组线圈的正极接头到负极接头逆时针缠绕。
[0013] 所述转子包括转盘、永磁铁和转子轴：在该转盘的圆周表面均布有n个梯形槽，并且所述的n为偶数。所述各梯形槽的外形与尺寸均与永磁铁的外形与尺寸相同；在所述转盘的中心开有转子轴的安装孔。
[0014] 所述转子轴中间一段为施力段，并且该施力段的直径最大，与转盘上的中心孔之间自由配合，在所述施力段上开有连接转盘上的键槽。所述转子轴两端均为轴承安装段。在所述施力段与轴承安装段之间是过渡段。在转子轴两端端面均加工有用于连接扭转入射杆内螺纹的盲孔。转子轴与转盘通过键连接在一起。
[0015] 所述基于电磁力的盘式霍普金森扭杆加载装置进行实验的具体过程是：
[0016] 步骤1.排布器材。将扭转枪、入射杆和透射杆按常规方法同轴顺序安装在实验台上，并使所述入射杆和透射杆能够自由旋转。扭转枪的前转子轴的内螺纹段与入射杆的入射端通过螺纹连接。将一个试样按常规方法安装在入射杆和透射杆之间，并且使试样与入射杆及透射杆同轴。将转子转动，使转子上永磁铁与相邻的同磁极的定子之间的夹角α＝180°/n；
[0018] 步骤3.对电能储存与释放器的储能电容器进行充电。在电能储存与释放器1的人机交互界面上点击充电电压设置，将充电电压设置到所需的值。点击充电按钮，PLC输出控制信号至储能可控硅，使所述储能可控硅导通。之后，变压器将380V工业交流电升压到所设定的交流电压，整流桥对所述交流电进行整流，使其变换为相应电压值的直流电后对电能储存与释放器中的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。
[0019] 步骤4.加载实验及数据采集。充电完成后，在电能储存与释放器的人机交互界面上点击放电按钮，PLC输出控制信号至放电可控硅，使所述放电可控硅导通，储能电容器中储存的能量经过放电可控硅、定子线圈形成的回路释放出来，从而产生时间周期短、幅值较高的放电电流。
[0020] 所述放电电流在定子线圈中产生瞬间电磁场，使转子上的永磁铁和定子线圈之间产生电磁斥力，所述电磁斥力使转子产生瞬间扭矩，所述扭矩以扭转波的形式传入霍普金森扭杆的入射杆，当该入射波传至入射杆与试样接触面时，由于波阻抗不匹配，该入射波的一部分被反射，在入射杆中形成反射波，另一部分则通过试样透射入透射杆中，形成透射波。数据采集系统通过粘贴在入射杆上的应变片记录入射波和反射波信号，通过粘贴在透射杆上的应变片将透射波的信号记录下来。通过一波法得到试样的动态扭转应力应变曲线。
[0021] 本发明通过电磁力产生瞬间扭转力矩用于霍普金森扭杆的加载。由于是通过电的方式加载，扭转波的产生时间可以严格控制。能够解决复杂加载时的同步性问题。
[0022] 电能储存与释放器采用1套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主要组成部分为LC电路，其中C为电容器组，L为外接的线圈，在电磁铆枪中即为铆枪的主线圈，其原理为：当电容器满电后，电容器通过线圈放电，会在线圈中产生瞬间的强变化磁场。本发明中，将电磁铆接设备的铆枪去掉，替换成本发明设计的扭转枪。先将n个定子线圈串联形成串联线圈组或并联形成的并联线圈组，将所述电能储存与释放器的正极输出线和负极输出线分别与对应的串联定子线圈组上的正极接头和负极接头通过导线相连接。将n个定子线圈串联或并联形成的线圈组通过导线连接在所述电能储存与释放器的电路中。所述电能储存与释放器的主要功能是通过电源储存电能，然后将所储存的电能突然释放给n个定子线圈，在所述定子线圈内将电能转化为磁场能，从而带动转子转动，实现电能向磁能，磁能向机械能的转换。
[0023] 使用时，在完成充电后，通过PLC输出控制信号至放电可控硅，使所述放电可控硅导通，储能电容器中储存的能量经过放电可控硅、定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、幅值较高的放电电流。
[0024] 所述放电电流在定子线圈中产生瞬间电磁场，使转子上的永磁铁和定子线圈之间产生电磁斥力，所述电磁斥力使转子产生瞬间扭矩，所述扭矩以扭转波的形式传入霍普金森扭杆的入射杆，当该入射波传至入射杆与试样接触面时，由于波阻抗不匹配，该入射波的一部分被反射，在入射杆中形成反射波，另一部分则通过试样透射入透射杆中，形成透射波。所述反射波和透射波的形状和幅值是由试样材料性质决定的。数据采集系统通过粘贴在入射杆上的应变片将入射波和反射波信号记录下来，通过粘贴在透射杆上的应变片将透射波的信号记录下来。利用数据采集系统记录的反射波和透射波信号，通过一波法得到试样的动态扭转应力应变曲线。
[0025] 本发明利用电磁能-机械能装换原理，通过电控制方式产生瞬间电磁扭矩，并通过机械结构将扭矩转换为扭转波，用于霍普金森扭杆的实验。由于采用电控制的方式，电磁式霍普金森扭杆杆的应力波产生时间上表现出独有的优越性，通过电子开关，可以严格控制应力波的产生时间。这就解决了在复杂加载方式下的同步性问题。
[0026] 在本发明中，电磁式霍普金森杆扭转装置由扭转枪和电能储存释放器组成。电能储存释放器用来给扭转枪的定子线圈提供瞬时的强电流，从而使定子线圈对转子上的永磁铁产生电磁力，使转子旋转产生瞬时扭矩。扭转枪由转子和定子组成，用来产生瞬时扭矩，并将瞬时扭矩转换成扭转波，通过转子轴输出给霍普金森扭杆。
[0027] 通过电能储存与释放器中电能的放电为转子线圈提供瞬时强电源，由于电容器放电时间比较短，放电电流强，可以使转子上的永磁铁和定子线圈之间产生瞬间的强电磁力，从而产生强的扭转力矩，所述扭转力矩以扭转波的形式从转子轴中传出。至于电能储存与释放器的控制系统，目前在电磁铆接设备中该技术已经非常成熟，可以直接应用。
[0028] 本发明中实际产生的扭转应力波幅值可以通过电能储存与释放器的充电电压进行控制，实际产生的扭转应力波宽度可以通过调整电能储存与释放器的电容值进行控制。
[0029] 本发明在原理上将电磁力与电容器放电相结合，以代替传统分离式霍普金森扭杆系统中的储能加载装置。采用传统的霍普金森扭杆试样，即可对材料进行预期脉冲幅值和脉冲宽度下的扭转加载，并且整个系统操作简单，可控性强。由于是通过电磁方式对扭转应力波进行控制的，当电能储存与释放器中的电容值不变时，同一个电压对应的输出扭转应力波幅值也不变，当充电电压不变时，同一个电容值对应的扭转应力波宽度也不变，所以能够实现对扭转应力波的精确控制，实验的重复性好；其次，由于是通过电磁加载产生的扭转应力波，应力脉冲的产生时间可以精确控制，这使得复杂应力状态的加载方式在同步性方面的问题迎刃而解。本发明中，转子采用盘式结构，有效减小了转子的转动惯量。由于以上优点，本发明装置和方法可以实现传统分离式霍普金森杆实验无法达到的控制精度，使霍普金森扭杆实验技术规范化；此外，将本发明与电磁式拉压杆装置相结合，能够实现复合加载。附图说明
[0030] 图1是本发明的组成示意图；
[0031] 图2是扭转枪的结构示意图；
[0032] 图3是转子轴的结构示意图，其中图3a是主视图，图3b是图3a的侧视图；
[0033] 图4是转盘的结构示意图；
[0034] 图5是永磁铁的结构示意图，其中图5a是主视图，图5b是图5a的侧视图；
[0035] 图6是壳体的结构示意图；
[0036] 图7是壳体盖的结构示意图；
[0037] 图8是定子的结构示意图；
[0038] 图9是转子的装配示意图；
[0039] 图10是扭转枪的结构示意图，其中图10a是主视图，图10b是图10a的侧视图；
[0040] 图11是扭转枪的轴向剖视图；
[0041] 图12是扭转试验示意图。图中：
[0042] 1.电能储存与释放器；2.扭转枪；3.电源；4.壳体；5.定子；6.转盘；7.永磁铁；8.转子轴；9.壳体盖；10.定子线圈；11.线圈芯；12.正极接头；13.转子；14.入射杆；15.试样；16.透射杆；17.应变片；18.数据采集系统，19.负极接头。
具体实施方式
[0043] 本实施例是基于电磁力的盘式霍普金森扭杆加载装置。本实施例给出了一种定子线圈10的串联接法，定子线圈10串联能够产生应力脉冲宽度相对长的扭转波。
[0044] 所述基于电磁力的盘式霍普金森扭杆加载装置包括电源3、电能储存与释放器1和扭转枪2。其中，电源3的正极和负极分别与电能储存与释放器1的正极输入端和负极输入端通过导线连接；所述电能储存与释放器1的正极输出端和负极输出端分别通过导线与扭转枪2的正极输入端和负极输入端连接。所述扭转枪包括转子13、n个子5和壳体4。所述转子中的转盘6安装在壳体4内；转子轴8安装在所述转盘的中心孔内。转子13套装在所述转子轴上。n定子5分别卡装在所述壳体4圆周的环表面上，并使所述各定子的两个侧边分别与该壳体上各开口的侧边贴合，使各定子的线圈芯11与该壳体圆周环接触，同时使转子13的边缘嵌入各定子5的线圈芯上的梯形缺口中。转子13的边缘与各定子的线圈芯上的梯形缺口内壁之间有2mm的间隙。在所述各定子的线圈芯上缠绕有线圈组，该线圈组的正极接头和负极接头分别与电能储存与释放器1的正极输出线和负极输出线相接。所述转子中的n块扇形的永磁铁7分别嵌装在转盘6圆周上的永磁铁安装槽内。在卡装所述各时，须使定子线圈顺时针缠绕的两个定子与定子线圈逆时针缠绕的两个定子间隔卡装。
[0045] 所述定子的数量与所述永磁铁的数量相等并且均为偶数。本实施例中，n＝4。
[0046] 本实施例中，电能储存与释放器1采用公布在专利号为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，所述电能储存与释放器的电容器部分由10个脉冲电容器并联组，所述脉冲电容器的额定电压为10000V，电容值为4mF，所述电容器组与电子开关安装于电能储存与释放器的电容器箱中，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。控制系统主要由模拟控制部分、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模块EM235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。
[0047] 如图10所示。所述扭转枪2中的壳体4为筒形件。在该壳体的圆周上均布有四对轴向矩形的开口。所述的每对开口均是从该壳体的两端向壳体的中部延伸，从而在该壳体圆周表面的中部形成了环带。所述开口的周向宽度与定子上的线圈芯的宽度相同。在所述壳体一端的端面均布有用于固定壳体盖的螺孔。本实施例中所述壳体外径200mm，内径180mm，轴向长度为200mm，用Ly12制成。
[0048] 所述各定子5呈块状。各定子的上部有矩形槽，该矩形槽贯通各定子的两侧表面。在所述矩形槽下表面有向该定子下表面方向开的梯形槽。所述梯形槽的上开口的宽度与所述壳体中部的环带的轴向长度相等，所述梯形槽的两个斜面与转盘6两端端面平行，并且当该转盘两端端面嵌入所述梯形槽内后，该梯形槽的各斜面与转盘的端面之间分别有2mm的间隙；所述梯形槽角度为15°。在各定子上的梯形槽的两侧壁形成了各定子的线圈芯11。定子线圈10缠绕在所述的线圈芯11上。所述定子线圈10由带绝缘壳的粗铜线绕制在线圈芯的绕线段而形成，本实施例中所用铜线直径为5mm，在线圈的两个端头上分别接有正极接头12和负极接头19。定子线圈在线圈芯上的分布通过强力胶固定。本实施例中的4个定子线圈中，2个定子线圈的绕制方向为顺时针，即由线圈的正极接头到负极接头为顺时针；反之，另
2个定子线圈的绕制方向为逆时针，即由线圈的正极接头到负极接头为逆时针。
2个定子线圈的绕制方向为逆时针，即由线圈的正极接头到负极接头为逆时针。
[0049] 缠绕时，线圈的一端以一侧的梯形槽槽口的侧壁处为起点，从内向外的顺时针或逆时针在该侧的侧壁上缠绕至所述位于定子上部的矩形槽槽壁处，并沿该矩形槽槽壁延伸至另一侧的梯形槽侧壁的外端处，继续从外向内的顺时针或逆时针在该另一侧的侧壁上缠绕至梯形槽槽口的侧壁处停止缠绕；所述线圈的两端分别为正极和负极。在所述各定子的侧表面分别有壳体盖的安装孔。
[0050] 所述各定子中的定子线圈的缠绕方法相同，不同之处在于其中1/2的定子顺时针缠绕，另1/2的定子逆时针缠绕。
[0051] 所述壳体盖9有两个，形状和尺寸完全相同，所述壳体盖为圆盘状，直径与壳体的外径相同，在圆盘中心开有安装轴承的轴承孔，在所述壳体盖外边缘处加工有螺纹通孔，所述螺纹通孔与壳体上的螺纹孔位置和尺寸相互对应，用于壳体4与壳体盖9的定位安装。
[0052] 转子13包括转盘6、扇形的永磁铁7和转子轴8：其中所述转盘6为圆盘状，在该转盘6的圆周表面均布有n个梯形槽，所述的n为偶数并与定子的数量相同。所述各梯形槽的外形与尺寸均与永磁铁7的外形与尺寸相同；所述各梯形槽的两个斜边与定子线圈上的梯形槽的两个斜边平行并形成间隙，本实施例中所述间隙为2mm，以减小转子的转动惯量。在所述转盘的盘面上，在所述转盘的中心开有通孔，通孔内表面有键槽，用于转子轴8的安装。
[0053] 本实施例中，转盘6材料为ly12。所述扇形永磁铁7的形状和尺寸与转盘6上的扇形开口相互对应，S极和N极分别分布在扇形永磁铁7的两侧扇面上，所述扇形永磁铁7用强力胶嵌装粘贴在转盘6上的扇形开口，粘贴时，相邻扇形永磁铁7的磁极反向排列。
[0054] 所述转子轴8为圆柱阶梯轴，共分为5段，中间一段为施力段，并且该施力段的直径最大，与转盘上的中心孔之间自由配合，在所述施力段上开有与转盘6上的键槽相互配套的键槽，用于施力段与转盘6的键连接，所述施力段的作用是将转子13上的转矩转换为转子轴8的转矩。所述转子轴两端的直径最小，均为轴承安装段。在所述施力段与轴承安装段之间是过渡段。在转子轴两端端面均加工有内螺纹的盲孔，用于螺纹连接扭转入射杆14。转子轴
8跟转盘6通过键连接在一起。
8跟转盘6通过键连接在一起。
[0055] 装配时，先将转子13装在壳体4中间，转子轴8上的轴承段分别通过轴承穿过前后壳体盖9的轴承孔，将壳体4与前后壳体盖9分别用螺栓固定连接起来。4个定子5分别穿过壳体4上的一对缺口装入壳体4内，并用螺栓将4个定子5与前后壳体盖9固定连接。定子5装入壳体时，相邻两个定子线圈10的绕制方向相反。
[0056] 本发明将通过电磁力产生瞬间扭转力矩用于霍普金森扭杆的加载。由于是通过电的方式加载，扭转波的产生时间可以严格控制。能够解决复杂加载时的同步性问题。
[0057] 电能储存与释放器1采用1套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主要组成部分为LC电路，其中C为电容器组，L为外接的线圈，在电磁铆枪中即为铆枪的主线圈，其原理为：当电容器满电后，电容器通过线圈放电，会在线圈中产生瞬间的强变化磁场。本发明中，将电磁铆接设备的铆枪去掉，替换成本发明设计的扭转枪2。连接时，先将各定子线圈10串联或并联形成线圈组，将所述电能储存与释放器1的正极输出线和负极输出线分别与对应的定子线圈组上的正极接头12和负极接头19通过导线相连接。将所述的线圈组通过导线连接在所述电能储存与释放器1的电路中。所述电能储存与释放器1的主要功能是通过电源储存电能，然后将所储存的电能突然释放给4个定子线圈10，在所述定子线圈10内将电能转化为磁场能，从而带动转子13转动，实现电能向磁能，磁能向机械能的转换。本实施例中，各定子线圈10采用串联的方式连接为线圈组。
[0058] 使用时，将扭转抢2的转子轴8与霍普金森扭杆的入射杆14通过螺纹同轴连接。在完成充电后，通过PLC输出控制信号至放电可控硅，使所述放电可控硅导通，储能电容器中储存的能量经过放电可控硅、定子线圈10形成的电容放电电路释放出来，从而产生时间周期短、幅值较高的放电电流。
[0059] 所述放电电流在定子线圈10中产生瞬间电磁场，使转子13上的扇形永磁铁7和定子线圈10之间产生电磁斥力，所述电磁斥力使转子13产生瞬间扭矩，所述扭矩以扭转波的形式传入霍普金森扭杆的入射杆14，当该入射波传至入射杆14与试样15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14中形成反射波，另一部分则通过试样15透射入透射杆16中，形成透射波。所述反射波和透射波的形状和幅值是由试样15材料性质决定的。数据采集系统18通过粘贴在入射杆14上的应变片17将入射波和反射波信号记录下来，通过粘贴在透射杆16上的应变片17将透射波的信号记录下来。利用数据采集系统记录的反射波和透射波信号，通过公式处理可得到试样15的动态扭转应力应变曲线。
[0060] 在本发明中，电磁式霍普金森杆扭转装置由扭转枪2和电能储存释放器1组成。电能储存释放器1用来给扭转枪2的定子线圈10提供瞬时的强电流，从而使定子线圈10对转子13上的扇形永磁铁7产生电磁力，使转子13旋转产生瞬时扭矩。扭转枪2由转子13和定子5组成，用来产生瞬时扭矩，并将瞬时扭矩转换成扭转波，通过转子轴8输出给霍普金森扭杆。
[0061] 通过电能储存与释放器1中电能的放电为定子线圈10提供瞬时强电源，由于电容器放电时间比较短，放电电流强，可以使转子13上的扇形永磁铁7和定子线圈10之间产生瞬间的强电磁力，从而产生强的扭转力矩，所述扭转力矩以扭转波的形式从转子轴8中传出。至于电能储存与释放器1的控制系统，目前在电磁铆接设备中该技术已经非常成熟，能够直接应用。
[0062] 本发明还提出一种利用所述电磁力的盘式霍普金森扭杆加载装置的实验方法，具体实验过程是：
[0063] 步骤1.排布器材。
[0064] 将扭转枪2、入射杆14和透射杆16按常规方法同轴顺序安装在实验台上，并使所述入射杆和透射杆能够自由旋转。扭转枪2的前转子轴8的内螺纹段与入射杆14的入射端通过螺纹连接。将一个试样15按常规方法安装在入射杆14和透射杆16之间，并且使试样15与入射杆14及透射杆16同轴。将转子13转动，使转子上永磁铁与相邻的同磁极的定子之间的夹角α＝180°/n。本实施例中所述角度为45度，在该位置，当定子线圈10放电时，转子13所受到的扭矩最大，转子能够以最快的响应速度产生扭转波。实验时根据实际所需的扭转应变调节转子13的扇形永磁铁7连线与定子5上相同磁极方向的定子线圈10的连线所呈的夹角，例如所需的试样15最大的扭转角度为α，则使所述角度为α。
[0065] 步骤2.粘贴应变片。
[0066] 采用常规方法在入射杆14和透射杆16中段圆周表面分别粘贴1个剪切应变片，并将应变片引线接入数据采集系统18。
[0067] 步骤3.对电能储存与释放器的储能电容器进行充电。
[0068] 当进行霍普金森扭转实验时，在电能储存与释放器1的人机交互界面上点击充电电压设置，将充电电压设置到所需的值，本实施例中设置充电电压为3000V。点击充电按钮，PLC输出控制信号至储能可控硅，使所述储能可控硅导通。之后，变压器将380V工业交流电升压到所设定的交流电压，整流桥对所述交流电进行整流，使其变换为相应电压值的直流电后对电能储存与释放器中的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。
[0069] 步骤4.加载实验及数据采集。
[0070] 充电完成后，在电能储存与释放器1的人机交互界面上点击放电按钮，PLC输出控制信号至放电可控硅，使所述放电可控硅导通，储能电容器中储存的能量经过放电可控硅、定子线圈10形成的路电容放电电路释放出来，从而产生时间周期短、幅值较高的放电电流。
[0071] 所述放电电流在定子线圈10中产生瞬间电磁场，使转子13上的永磁铁8和定子线圈10之间产生电磁斥力，所述电磁斥力使转子13产生瞬间扭矩，所述扭矩以扭转波的形式传入霍普金森扭杆的入射杆14，当该入射波传至入射杆14与试样15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14中形成反射波，另一部分则通过试样15透射入透射杆16中，形成透射波。所述反射波和透射波的形状和幅值是由试样15的材料性质决定的。数据采集系统18通过粘贴在入射杆14上的应变片将入射波和反射波信号记录下来，通过粘贴在透射杆16上的应变片将透射波的信号记录下来。利用数据采集系统18记录的反射波和透射波信号，通过一波法得到试样的动态扭转应力应变曲线。
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