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1、第25卷第6期实验力学Vol.25No.62010年12月JOURNALOFEXPERIMENTALMECHANICSDec.2010文章编号:1001-4888(2010)06-0682-08*用于Hopkinson压杆装置的电磁驱动技术郭伟国,赵融,魏腾飞,姚爽(西北工业大学航空学院,西安710072)摘要:为提高分离式Hopkinson压杆装置的测试效率与精度,通过对电磁驱动技术的分析,设计并进行了电磁线圈驱动导体杆的原理性实验。以微型分离式Hopkinson压杆装置为基础,将电磁线圈驱动原理用于撞击杆的驱动。通过单
2、级线圈驱动不同长度撞击杆,获得储能电量与不同长度撞击杆的速度为线性关系。结合对镁合金材料的动态应力应变关系测试结果,证明此系统速度容易控制、重复性好、可靠性高和实用性强、电磁干扰并不影响信号采集。借助此原理,通过提高储能电量或采用多级同轴线圈驱动方法,可以实现各种规格的Hopkinson压杆装置中撞击杆的有效驱动,使Hopkinson杆测试装置简化。关键词:电磁驱动;Hopkinson杆;应变率;速度中图分类号:O346.1文献标识码:A0引言测试各种材料在高应变率下的性能是力学与材料学者极为关心的课题。由于常规的机械或液压
3、式24-1试验机仅可以实现应变率在1/s以下的材料力学性能试验。在10~10s应变率范围内,分离式[1]Hopkinson杆技术是当今应用最广泛的研究金属和非金属材料动态行为的手段。近数十年来,有关Hopkinson杆技术、试验方法以及相关研究有大量的文献报道。通过对Hopkinson杆测试中的假设和其基本工作原理分析得知,撞击杆的可靠与精确发射是Hopkinson杆测试技术的关键之一。从原理上来说只要让撞击杆以所需速度撞击入射杆就行,所以研究者们采用弹道火药驱动、飞轮带动、预紧弹簧、[2]电磁阀释放高压气体和同源气推气驱动机构等方
4、法均可以实现撞击杆的发射。近年来电磁发射作为一种高效环保新技术吸引了研究者的极大关注。电磁驱动实际上是利用电流磁场所产生的作用力驱动[3][4]运动体的一种先进技术,它具有无污染、无噪声、无烟和有效空间小等特点。Fortov等已经将重3g[5]的弹丸通过电磁驱动加速到5.5km/s,高顺受等利用三级线圈将重1kg的弹体加速到60m/s。电磁驱动技术的理论基础是电磁运动定律,电磁能以光速传播,只要有足够的动力提供强大的电流,产生足够大的电磁力,就可以使弹体达到所需的速度。本文通过对电磁驱动原理的分析并进行原理性试验,试图将此技术用于H
5、opkinson压杆装置的撞击杆驱动。首先,使用单级线圈驱动小型撞击杆,获得储能器电量与撞击杆速度的关系;然后将此技术与微型Hopkinson压杆集成,组成了电磁驱动的微型Hopkinson压杆系统,通过对镁合金的动态应力应变曲线测试,验证了此系统的可靠性和实用性,并对原理、方案和试验结果进行了分析讨论。1同轴线圈驱动基本原理[6]根据组成方式不同,电磁驱动的电磁炮可分为电磁轨道炮、同轴线圈炮和磁力线重接炮三种。从*收稿日期:2010-04-26;修订日期:2010-06-05基金项目:国家大学生创新性实验计划(07GZ1602)
6、;国家自然科学基金(10872169);国家安全重大基础研究(973项目)(613116)通讯作者:郭伟国,男,教授,博士生导师,主要研究领域:结构动力学及动态破坏分析。E-mail:weiguo@nwpu.edu.cn第6期郭伟国等:用于Hopkinson压杆装置的电磁驱动技术683理论和实践的角度分析,接近于应用的主要是电磁轨道炮和同轴线圈炮。参见图1所示,同轴线圈炮由固定的环绕加速线圈A和B(根据需要可为多级,多级之间由同步开关连接)与环绕于弹体的线圈C构成,利用加速线圈与弹体线圈之间互感时产生的电磁力作为弹体的加速力。当加速
7、线圈通入交变电流时,产生的交变磁场就会使弹体线圈中产生感应电流。感应电流的磁场与加速线圈电流的磁场互相作[7]用,产生洛仑兹力,使弹体线圈加速运动并发射出去。这种原理的简化方式如图2所示,若弹体为金属导体,在没有环绕线圈情况下,弹体杆也可以在加速线圈瞬间互感作用下运动。通常,同轴线圈的电流愈大,半径愈小,线圈匝数愈多,则线圈中心处的磁场强度愈大。通电瞬间,在线圈内部形成方向相同[8]呈直线的磁力线,在线圈两端磁力线则渐向外弯曲。由电磁极性知识分析,一边为N极另一边为S极(极性取决于线圈电流方向),这时置于线圈端部附近的金属导体杆被磁
8、化并与加速线圈之间产生引力进而得到加速运动,其详细的工作原理可参见文献[9]。驱动线圈从储能器获得大电流并在线圈周围形成强磁场,此变化磁场使导体杆或线圈弹上感应电流,产生洛伦兹力最终推动弹体运动。所以,对具有一定质量的导体杆或线圈弹,
