一种基于电磁热力多物理场同步加载的材料考核装置

1.本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种基于电磁热力多物理场同步加载的材料考核装置。


背景技术：

2.电磁轨道在发射的过程中，电枢和导轨将处在数兆安培极大电流，数百万瓦极高功率，数十特斯拉强磁场等电磁热力综合极端环境中，产生电磁、结构、温度多物理场，多相态耦合的复杂情况，其中包括：金属材料导电、导热和力学性能变化，导轨-电枢接触面发射接触性能变化等，从而影响电磁能与动能的转化效率，降低轨道的使用寿命和发射的稳定性。
3.电磁轨道失效机理包含多方面的原因，其中包括转捩、碎裂、槽蚀、刨削等。电磁轨道发射中因热压、磁压、横向摆动冲击、轨道振动等因素诱发刨削，在极高电流密度(108a/m2)、极大温升速率(105℃/s)、极大应变速率(104/s)多物理场耦合情况下，枢轨材料发生质量损失与塑性形变。在如此复杂的多物理场耦合环境中，开展针对电磁能与材料相互作用的细致实验研究较为困难，限制了观测方式的选择，极大限制了研究者对其复杂物理机理的深入认识，故需要用实验室有效的多物理场加载方式来对电磁发射中材料失效机理进行等效，通过采用更加精细的测试手段进行材料研究。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于电磁热力多物理场同步加载的材料考核装置，采用同步加载的方式解决电磁发射过程中多场耦合极端条件下电磁能与材料相互作用等价模拟的问题，为材料研究提供参数可控的多物理场等价加载平台。
5.本发明采用以下技术方案：
6.一种基于电磁热力多物理场同步加载的材料考核装置，其特征在于，包括同步加载平台，同步加载平台分别通过试样-托盘电路和电磁斥力线圈电路与脉冲功率电源连接，脉冲功率电源用于为试样-托盘电路与电磁斥力线圈电路进行放电；脉冲功率电源连接有同步触发装置，同步触发装置用于为脉冲功率电源提供触发信号，控制试样-托盘电路与电磁斥力线圈电路的放电时序，试样-托盘电路用于在同步加载平台进行同步加载过程中，对同步加载平台上设置的试样两端施加高压；电磁斥力线圈电路用于在同步加载平台进行同步加载过程中，将应力波作用在试样上。
7.具体的，同步加载平台包括托盘，试样设置在托盘上，试样的上方通过应力波放大器与相耦合的电磁斥力线圈连接，应力波放大器上承托有斥力盘，斥力盘设置在应力波放大器和电磁斥力线圈之间。
8.进一步的，托盘的一侧设置有托盘电极，电磁斥力线圈的上侧设置有电磁线圈电极，电磁线圈电极和托盘电极分别与脉冲功率电源连接。
9.进一步的，两个电磁线圈电极设置在电磁斥力线圈的上表面中间与轴线一侧。
10.进一步的，电磁斥力线圈为正方形结构，电磁斥力线圈设置在上端盖和下端盖之间，下端盖上开有用于放置斥力盘的圆形槽。
11.进一步的，斥力盘与应力波放大器的上部端面紧密连接，外径与应力波放大器的上端内径相同。
12.进一步的，应力波放大器和电磁斥力线圈通过刚性支架固定连接。
13.更进一步的，刚性支架设置在试样的外侧，采用三级阶梯结构分别固定电磁斥力线圈和应力波放大器。
14.进一步的，应力波放大器的上端开有圆台，圆台的底面连接长导杆，长导杆的下端与试样的中心贴合连接。
15.进一步的，托盘上侧中心处设置有用于放置试样的凹槽，试样与凹槽之间为过盈配合。
16.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
17.本发明一种基于电磁热力多物理场同步加载的材料考核装置，一方面通过减小试样截面积增大试样中通过的电流密度，同时增加试样本体电阻，在焦耳效应作用下达到极高温升速率；另一方面通过电磁斥力机构，显著增加作用在试样上的等效应力，达到极高的应变速率；试样电流与电磁斥力线圈电流可分别加载，故可在电磁场、热场、力场分别加载后，在试样上通过时序进行同步耦合。
18.进一步的，斥力盘与应力波放大器通过增大电磁斥力线圈电流，减小线圈与斥力盘的间距，增加输出冲击力，通过斥力盘压紧应力波放大器，生成冲击输入应力波放大器后，可输出远大于输入的冲击力，作用到试样时可产生数百兆帕等效应力，使试样达到极高应变速率，等价模拟电磁发射装置发射过程中出现刨削现象时枢轨材料的塑性形变。
19.进一步的，采用电磁斥力机构并设定电磁斥力线圈与托盘电极间距极小，可在电磁斥力线圈放电时，于托盘电极上产生快上升沿、大幅值的电磁斥力，为试样上应力加载提供斥力源。
20.进一步的，电磁斥力线圈为正方形结构，电磁斥力线圈设置在上端盖和下端盖之间，下端盖上开有用于放置斥力盘的圆形槽，以便托盘电极探入，极大缩短电磁斥力线圈与托盘电极间距。
21.进一步的，设置斥力盘与应力波放大器的上部端面紧密连接，外径与应力波放大器的上端内径相同，保证斥力盘产生的电磁斥力传输至应力波放大器上，减小端面传输时应力波损失。
22.进一步的，应力波放大器和电磁斥力线圈通过刚性支架固定连接设置，刚性支架固定保证电磁斥力线圈在放电过程中，不因电磁反作用力从设定位置移动，保证放电稳定性、可靠性。
23.进一步的，刚性支架设置在试样的外侧，采用三级阶梯结构分别固定电磁斥力线圈和应力波放大器，可使安装拆分装置过程高效进行，电磁斥力线圈与应力波放大器架于阶梯之上，稳定安置于设定位置，保证多物理场加载稳定进行。
24.进一步的，应力波放大器的上端开有圆台，圆台的底面连接长导杆，长导杆的下端与试样的中心贴合连接，圆台设计为固定安置斥力盘结构，保证斥力盘于与应力波放大器
同心，保证应力不发生偏心、加载均匀；长导杆放大应力波并为应力波传递至试样提供路径，保证应力传递可靠。
25.进一步的，托盘上侧中心处设置有用于放置试样的凹槽，试样与凹槽之间为过盈配合，该设置为保证试样在多物理场同步加载时，材料完整加载电磁热力多物理场全过程，防止出现试样脱离平台、飞溅等不利于实验的现象。
26.综上所述，本发明提供了一种基于电磁热力多物理场的材料考核装置，保证试样材料达到高温、极高温升速率、极高电流密度以及极高应变速率的极端多物理场条件，并通过一系列装置设计保证其在同步加载过程中稳定运行，具备可靠性与可重复性，为电磁能装置材料考核提供一种在实验室开展的装置与可行性方案。
27.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
28.图1为本发明结构示意图；
29.图2为本发明电路原理图；
30.图3为本发明实施例产生电流示意图；
31.图4为本发明实施例斥力盘产生电磁力示意图。
32.其中：1.托盘；2.试样；3.电磁斥力线圈；4.斥力盘；5.应力波放大器；6.刚性支架；7.电磁线圈电极；8.托盘电极；9.第一电源；10.第二电源；11.同步触发装置；12.同步加载平台。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。
34.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”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的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
35.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示
所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
37.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
38.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
39.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
40.本发明提供了一种基于电磁热力多物理场同步加载的材料考核装置，采用脉冲功率技术，按需分别在试样上施加电磁场、热场、结构力场，同步耦合在试样上，等价模拟电磁发射装置极端环境中电磁-热-力多物理场对材料的影响；采用电磁斥力盘通过应力波放大器作用到试品，实现百兆帕以上应力加载，通过调控试品参数，可实现高应变率104每秒，以及绝热剪切带的形成，从而等价极端电磁发射刨削过程；通过调控试品参数，使用大电流驱动，最终实现对极端多物理场环境的等价(电流密度108a/m2、温升速率105℃/s、应变速率104/s)，考核试样等价电磁轨道发射中极端多物理场环境下的材料特性；通过对托盘与试样的设计，以及电磁斥力盘与应力波放大器的设计，等价电磁发射中极端多物理场条件。
41.请参阅图2，本发明一种基于电磁热力多物理场同步加载的材料考核装置，包括脉冲功率电源、同步触发装置11和同步加载平台12，脉冲功率电源分别经试样-托盘电路和电磁斥力线圈电路与同步加载平台12连接，脉冲功率电源用于为试样-托盘电路与电磁斥力线圈电路进行放电；同步触发装置11用于为脉冲功率电源提供触发信号，控制试样-托盘电路与电磁斥力线圈电路的放电时序；同步加载平台12上设置的试样2在受到极高温升速率、极高电流密度和极大应变速率同步加载，等价电磁轨道发射时极端多物理场环境下的材料特性。
42.其中，试样-托盘电路用于在同步加载过程中，对同步加载平台12上设置的试样2两端施加高压，使试样2产生焦耳效应，产生极高温升速率。
43.电磁斥力线圈电路用于在同步加载过程中，在电磁斥力线圈3的两端施加高压，使斥力盘4的空间产生轴向磁场与径向磁场；斥力盘4在电磁斥力线圈产生磁场产生后，沿斥力盘4所在同心圆产生涡流，与磁场相耦合产生向下的洛伦兹力；应力波放大器5在受到斥力盘4向下的力后，向下传输应力波并作用在试样上，产生极大应变速率。
44.脉冲功率电源具有五个单元，可解耦组合后同时产生第一电源9和第二电源10两个脉冲大电流，为试样-托盘电路与电磁斥力线圈电路放电，有利于试样上多物理场同步加载，脉冲功率电源电流幅值最高可达20ka，脉冲宽度可达到2ms。
45.同步加载平台12包括托盘1、电磁斥力线圈3、斥力盘4、与试样2连接的应力波放大器5和刚性支架6。
46.请参阅图1，试样2设置在托盘1上，托盘1的一侧设置有托盘电极8，试样2的上方通
过应力波放大器5与相耦合的电磁斥力线圈3连接，应力波放大器5上承托有斥力盘4，斥力盘4设置在应力波放大器5和电磁斥力线圈3之间，应力波放大器5和电磁斥力线圈3通过刚性支架6固定连接，电磁斥力线圈3的上侧设置有电磁线圈电极7，电磁线圈电极7与脉冲功率电源的第一电源9连接，托盘电极8与脉冲功率电源的第二电源10连接。
47.托盘1上侧中心处设置的凹槽与试样2下端的形状大小相吻合，试样2下端与托盘1凹槽之间采用过盈配合，使试样2在受载荷情况下与托盘1不发生滑移。
48.托盘1与试样2构成应变发生区以及温升区，受到由传动结构传输的应力波，在试样2上发生塑性形变，并在试样2与托盘1之间形成回路，在试样1上有较大的温升速率。
49.电磁斥力线圈3为正方形，上表面中间与轴线一侧开有两个电磁线圈电极7，与刚性支架6上端盖的开孔相吻合，让电源能经上端盖通过电磁线圈电极7连入电磁斥力线圈3。
50.电磁斥力线圈3在四个角附近开有四个固定孔，与刚性支架6上端盖四个开孔配合螺栓固定，将刚性支架6上端盖与电磁斥力线圈3上端面压紧，形成一个压紧平面。
51.电磁斥力线圈3下部和刚性支架6下端盖凹槽完全重合，下端盖最下部开有略大于斥力盘4的圆形槽，将斥力盘4探入，与电磁斥力线圈耦合，产生电磁斥力，构成驱动结构。
52.斥力盘4与应力波放大器5上部端面紧密相接，外径与应力波放大器5上端内径相吻合。
53.应力波放大器5的上端轴线剖面为“山”字形，外环为封闭的环形，中心柱与斥力盘4中心凹槽同心设置，且中心柱外径与斥力盘4中心凹槽内径吻合，斥力盘4外径与应力波放大器5上端外环内径吻合，斥力盘4紧密嵌入应力波放大器5上端。
54.应力波放大器5的上端下侧为底面远小于上表面的圆台，圆台底面连接长导杆，长导杆呈长圆柱形，为保证斥力盘4仅在轴向运动，长导杆的下端贴合在试样2的中心，便于和试样2传递应力，试样2嵌入托盘1的凹槽之中，使应力波放大器5在传输应力波时不产生横向摆动。
55.应力波放大器5的下端中部与刚性支架6的安装盘相接触，安装盘与刚性支架6中支撑柱以螺栓连接，应力波放大器5受安装盘固定，两者之间存在套管增加固定强度。
56.刚性支架6设置在试样2的外侧，刚性支架6采用三级阶梯结构，包括支撑柱、线圈盒和固定盘，线圈盒和固定盘依次设置在支撑柱上，线圈盒用于固定电磁斥力线圈3，固定盘用于固定应力波放大器5，应力波放大器5与刚性支架6中的固定盘构成传动结构，受到驱动结构传输的应力波，向下位移并传输应力波至后续装置。
57.刚性支架6上设有拆装结构，用以嵌入电磁斥力线圈3，嵌入后只承托电磁斥力线圈3外层支撑，露出其下半部分与斥力盘4耦合，利于产生更大电磁斥力。
58.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
59.实施例
60.电源处理单元产生两个脉冲电流，两脉冲电流由同步触发装置控制时序，其中一个为主电路供电，波形近似方波，幅值为20ka，脉宽为2ms，在底面边长为2.5mm，长度为20mm的铝试样上放电，试样因欧姆热温度上升，达到温升速率105℃/s；另一个脉冲电流为电磁斥力线圈电路供电，产生电流如图3所示，斥力盘产生电磁力如图4所示，产生应力波随应力波放大器向下作用到试样，在试样上产生大于500mpa的等效应力，达到电磁轨道发生材料失效时应变速率等价条件。
61.在工作过程中，电源处理单元解耦再组合形成两个脉冲电源模块，通过同步触发装置确认两电路放电顺序，保证多物理场同步加载。
62.电磁斥力线圈两电磁线圈电极与脉冲电源以电缆连接，试样与托盘分别与脉冲电源高压极、地极相连，两脉冲电源同时向同步加载平台注入高压脉冲，致使电磁斥力线圈产生磁场，在斥力盘上产生涡流，电磁斥力线圈产生的磁场与斥力盘上的涡流相互作用，斥力盘上产生向下的电磁斥力，挤压应力波放大器，产生应力波向下传输，应力波到试样上，同时在托盘与试样上施加高压脉冲，对试样进行放电，试样因欧姆效应产生大量的热，温度大幅度上升，温升与应力波同时作用在试样之上，使试样在高温升速率条件下出现超高速应变，材料发生塑性形变。
63.该过程模拟电磁轨道在发射过程中在极高电流密度、极大温升速率、极大应变速率多物理场耦合极端条件，达到等效模拟电磁轨道发生材料失效的条件。
64.综上所述，本发明一种基于电磁热力多物理场同步加载的材料考核装置，保证试样材料达到高温、极高温升速率、极高电流密度以及极高应变速率的极端多物理场条件，达到等效模拟电磁轨道发生材料失效的参数并通过一系列装置设计保证考核装置在同步加载过程中稳定运行，具备可靠性与可重复性，为电磁能装置材料考核提供一种可在实验室开展的装置与可行性方案。
65.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。