一种基于磁悬浮原理的霍普金森子弹悬浮装置及实验方法

本发明涉及材料动态力学性能测试设备，特别涉及一种基于磁悬浮原理的霍普金森子弹悬浮装置及实验方法。

背景技术：

1、霍普金森杆试验是一种用于表征材料在高应变率载荷下力学响应的试验方法。试验过程中，冲击体经加速后撞击入射端，以在杆件内形成可用于分析的应力波。冲击体的运动状态直接影响撞击瞬间的载荷传递方向及应力波形质量，尤其在较高发射速度下，冲击体应尽量保持与受撞部件同轴的稳定运动状态。

2、现有装置通常依靠导向通道的内壁对冲击体进行位置约束。受加工同轴度、装配偏差、冲击体外形误差以及推动载荷不均等因素影响，冲击体在加速过程中容易偏离预定运动中心，并与内壁发生摩擦、刮擦或局部碰撞。该接触作用会消耗冲击体动能，并可能改变冲击体到达撞击位置时的姿态和速度；当冲击方向偏离杆件轴线时，撞击载荷中易出现非轴向分量，使应力波传播状态受到干扰，进而影响试验数据的稳定性和可比性。

3、同时，反复发生的摩擦和碰撞会使导向通道内表面产生磨损，内表面状态变化后又会改变后续冲击体的运动条件，导致不同试验批次之间的初始边界条件难以保持一致。因此，如何在高速发射过程中抑制冲击体径向偏移，减少其与导向通道之间的机械接触，并使冲击载荷保持较稳定的轴向传递，成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例提供一种基于磁悬浮原理的霍普金森子弹悬浮装置及实验方法，以解决或缓解现有技术中存在的技术问题。

2、本发明实施例的技术方案是这样实现的：一种基于磁悬浮原理的霍普金森子弹悬浮装置，包括：子弹、子弹发射单元、磁悬浮导向单元及冲击加载单元；

3、所述子弹发射单元具有储气罐、连接管道、手动气阀和发射管道，所述子弹位于所述发射管道内，用于以高压气体推动子弹在所述发射管道内沿轴线方向运动；

4、所述磁悬浮导向单元具有设置于所述发射管道外侧并沿其轴线方向延伸的八字线圈组，所述八字线圈组由多个沿所述发射管道轴线方向依次排列的八字形线圈构成，各所述八字形线圈的中心连线与所述发射管道的轴线重合，所述子弹包括非磁性外壳及嵌设于所述非磁性外壳内且沿所述子弹轴线布置的轴向充磁永磁体，所述子弹外周与所述发射管道内壁之间形成径向间隙；

5、所述冲击加载单元具有与所述发射管道同轴相对设置的入射杆和设于所述入射杆朝向所述发射管道的端部的波形整形器；

6、其中，所述子弹相对所述八字线圈组运动时，所述八字线圈组中产生感应电流，所述感应电流与所述永磁体的磁场相互作用形成对所述子弹的电磁悬浮力和指向所述发射管道轴线的横向恢复力，用于使所述子弹无接触导向运动并抑制径向偏移。

7、作为改进，所述发射管道沿所述子弹的发射方向延伸，并具有相对设置的进气端和出弹端；所述储气罐设置于所述发射管道进气端的一侧，所述连接管道的一端与所述储气罐的出气口连通，另一端与所述发射管道的进气端连通，所述手动气阀设置于所述连接管道上并位于所述储气罐与所述发射管道之间，用于控制所述储气罐内的高压气体进入所述发射管道。

8、作为改进，还包括工作台和支撑底座，所述支撑底座设置于所述工作台上；

9、其中，所述发射管道和入射杆分别固定于所述支撑底座上。

10、作为改进，所述八字线圈组由5～20个八字形线圈沿所述发射管道轴线方向等间距依次排列构成，各所述八字形线圈经非金属支架固定于所述发射管道外侧，各所述八字形线圈与所述发射管道外壁之间的间距为5～15mm。

11、作为改进，所述八字形线圈采用耐温扁平铜线分段绕制，单个所述八字形线圈的绕制匝数为50～200匝，所述耐温扁平铜线的线径为0.8～2.0mm，相邻所述八字形线圈之间设有环氧树脂绝缘隔片，各所述八字形线圈通过插接式接头串联电连接。

12、作为改进，所述子弹呈圆柱形，所述子弹外周与所述发射管道内壁之间的径向间隙为2～5mm；所述非磁性外壳采用奥氏体不锈钢或铝合金制成，所述非磁性外壳的壁厚为3～8mm；所述永磁体呈圆柱形并设置于所述子弹的中心位置，所述永磁体与所述非磁性外壳过盈配合，所述永磁体的轴向长度为所述子弹总长度的1/2～2/3。

13、作为改进，所述永磁体为钕铁硼永磁体，其剩磁不小于1.4t，内禀矫顽力不小于1200ka/m，工作温度范围为-40℃～120℃。

14、作为改进，还包括子弹监测及回收单元，所述子弹监测及回收单元包括：

15、激光位移器，固定于所述发射管道侧方，其探测轴线与所述发射管道轴线垂直并相交，用于获取所述子弹中部外周面在所述探测轴线方向上的距离信息；

16、小型电磁线圈，同轴固定于所述发射管道靠近入射杆的端部，其内径与所述子弹的外径相适配，通电后的磁吸力不小于50n；

17、电流控制器，与所述小型电磁线圈电连接，用于在所述子弹撞击所述波形整形器后向所述小型电磁线圈供电，使所述小型电磁线圈对所述子弹施加磁吸作用。

18、一种基于磁悬浮原理的霍普金森子弹悬浮装置进行霍普金森杆试验的方法，包括如下步骤：

19、s1、将内置轴向充磁永磁体的子弹装入发射管道内，使所述子弹外周与所述发射管道内壁之间保持径向间隙，并使所述子弹轴线与所述发射管道轴线初始对应；

20、s2、调整激光位移器的位置和角度，使其探测轴线与发射管道轴线垂直并相交，且探测区域朝向发射管道内子弹的中部外周面；在子弹轴线与发射管道轴线初始对应时，采集子弹外周面在所述探测轴线方向上的基准距离值；

21、s3、关闭手动气阀，向储气罐内充入高压气体，使所述储气罐内压力达到0.5～2.0mpa；

22、s4、开启手动气阀，使高压气体经连接管道进入发射管道内，推动所述子弹由所述发射管道的进气端向出弹端加速运动，以使所述子弹以10～50m/s的速度进入八字线圈组对应的管段；

23、s5、所述子弹在八字线圈组对应的管段内运动时，其内置永磁体与八字线圈组电磁耦合，使所述八字形线圈中产生感应电流，所述感应电流与所述永磁体的磁场相互作用形成电磁悬浮力和横向恢复力；当所述子弹相对于所述发射管道轴线发生径向偏移时，所述横向恢复力指向所述发射管道轴线，以抑制所述子弹的径向偏移并保持无接触导向运动；

24、s6、所述子弹撞击波形整形器，并经所述波形整形器向入射杆施加载荷；

25、s7、通过电流控制器向小型电磁线圈通入1～5a的直流电流，使所述小型电磁线圈对所述子弹产生磁吸作用并将所述子弹回收至预设位置。

26、本发明与现有技术相比，具有以下优点：

27、本发明通过在发射管道外侧沿轴向设置由多个八字形线圈构成的八字线圈组，并在子弹内部设置轴向充磁永磁体，使子弹高速通过八字线圈组对应管段时形成电磁悬浮力和横向恢复力。子弹发生径向偏移时，横向恢复力朝向发射管道轴线作用，使子弹在发射管道内的径向间隙中向轴线位置恢复，从而降低子弹高速运动过程中偏离预定发射轨迹的可能性。

28、本发明中子弹外周与发射管道内壁之间保持径向间隙，八字线圈组对处于该间隙内的子弹形成无接触导向作用。子弹在发射管道内运动时不依赖管壁摩擦进行位置约束，能够减少子弹与发射管道内壁之间的刮擦及局部碰撞，降低发射过程中的附加能量损失，并减缓发射管道内壁因反复试验产生的磨损。

29、本发明将发射管道和入射杆固定于支撑底座上并保持轴线对应，子弹在八字线圈组作用下沿发射管道轴线接近波形整形器。子弹撞击波形整形器后，冲击载荷经波形整形器传递至入射杆，有利于减小因子弹径向偏移或撞击姿态偏差产生的非轴向载荷，使入射杆所受冲击载荷保持较稳定的轴向传递条件，提高霍普金森杆试验的重复性。

30、本发明通过设置激光位移器对子弹初始位置及运动区域进行监测，并在子弹完成撞击后由电流控制器向小型电磁线圈供电，使小型电磁线圈对内置永磁体的子弹施加磁吸作用。子弹能够回收至预设位置，便于重复装填和连续开展试验，减少试验后人工查找及取回子弹的操作。

31、上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本发明进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。