Page 6 - 《爆炸与冲击》2026年第3期

第 46 卷 杜 冰，等： 基于电磁Hopkinson杆系统的恒应力比动态拉伸/压缩-扭转复合试验装置及方法 第 7 期

拉伸/压缩-扭转同步复合加载，具体内容见文献 [23-24]。需要指出的是，在该装置开发初期，ESHB 平台
产生的拉伸/压缩波为正弦波，而扭转波为梯形波。尽管能实现同步加载，但 2 种波形的形态差异使其难
以形成有效的比例加载，从而导致试样在复合响应中的应力比不够稳定。而应力比不稳定会使得获取
的材料在复杂应力状态下的力学性能数据出现偏差，无法准确反映材料的真实性能，影响对材料动态响
应的研究分析。Wang 等 [25] 基于 ESHB 平台和傅里叶变换原理，创造性地提出了一种波形叠加方案，并
成功开发出了基于 ESHB 平台的梯形应力波装置，该装置可以产生梯形拉伸/压缩应力波，为获得稳定应
力比的目标提供了一种解决方案。
基于 ESHB 平台，开发一种可实现单侧同步拉伸/压缩-扭转复合加载的电磁 Hopkinson 杆装置，该装
置可使试样在受载过程中实现稳定的应力比，为研究材料在复杂应力状态下的动态响应提供更清晰、直
观的表征手段。

1 电磁 Hopkinson 杆装置

本文提出的复合加载装置是基于电磁 Hopkinson 杆系统进行的二次开发。该系统经历了多轮改进
和 优 化 ， Nie 等 [ 21 ] 奠 定 了 ESHB 装 置 的 基 础 ； Liu 等 [ 23 ] 在 此 基 础 上 研 制 出 电 磁 Hopkinson 扭 杆
（electromagnetic Hopkinson torsion bar, ESHT B)，并进一步集成为电磁 Hopkinson 拉-扭杆（electromagnetic
or
Hopkinson tension-torsion bar, ESHT-T B），拓展了装置的拉-扭复合加载能力；Wang 等 [25] 则基于傅里叶叠
or
加原理，在 ESHB 平台上实现了梯形拉伸/压缩应力波，为获得稳定应力比提供了关键技术支撑。
1.1 动态拉伸/压缩-扭转联合加载电磁 Hopkinson 杆
在电磁 Hopkinson 杆技术的发展过程中，Liu 等 [23] 与 Huang 等 [19] 提出的加载方案颇具代表性。Liu 等 [23]
的方案采用双侧分别加载实现拉/压-扭复合加载。使用 2 根分离的波导杆，一根主要传递拉/压入射波，
另一根则主要传递扭转波。由于固体介质中的纵波与剪切波传播相互独立 [20] ，负责传递扭转波的波导
杆也可同时承担拉/压透射波的传递。通过精确的延时控制，可确保 2 种载荷同时到达试样，从而实现复
合加载。与之不同，Huang 等 [19] 提出了一种单侧同步产生压缩波与扭转波的方案，但受限于拉伸波与扭
转波的波速差异，二者无法真正实现同步加载。
本文中提出一种基于电磁 Hopkinson 杆的动态同步拉/压-扭复合加载实验装置，其结构如图 1 所示，
主要包括充放电电路、应力波发生器、扭矩机、电磁解锁装置、波导杆及数据采集系统等。本装置的
核心特点是能分别通过独立的子系统产生梯形应力波，拉伸/压缩梯形波由应力波发生器产生，而扭转
梯形波则由电磁扭转系统产生。通过高精度延时控制系统，可将 2 种应力波到达试样的时间差控制
在 5 μs 以内。基于一维应力波理论 [20] ，通过精确计算并设计扭转系统的位置与延迟时间，可确保 2 种
应力波同步作用于试样，实现真正的动态同步拉/压-扭复合加载。如图 1(a) 所示，在应力波发生器与
扭矩机之间为波导杆的自由段，拉伸/压缩波由应力波发生器 [21] 产生。如图 1(b) 所示，波导杆贯穿
扭矩机并与应力波发生器连接，由此可产生脉宽与幅值均可精准调控的拉/压梯形波。该梯形波沿波
导 杆 传 播 并 对 试 样 进 行 加 载 ， 其 具 体 生 成 原 理 将 在 下 文 中 详 述 。 装 置 的 扭 转 波 由 图 1(c) 中 的 扭 矩
机、图 1(d) 中的电磁解锁装置与波导杆的夹持段（位于扭矩机与解锁装置之间）协同产生。其基本工
作原理与传统储能式 Hopkinson 扭杆相似 [13] ，但电磁释放机构显著提升了控制的精确性与实验的重复
性 [23] 。具体过程为：扭矩机通过波导杆上的金属键施加扭矩，同时电磁解锁机构锁紧波导杆的夹持端，
从而在夹持段储存扭转势能。系统接收到触发信号后，解锁机构迅速张开，释放储存的势能，产生扭
转波并使其沿波导杆传播至试样。基于上述设计，入射杆可分别产生并传递拉/压波与扭转波，使其共同
对试样进行复合加载。通过处理粘贴在波导杆表面的应变片所采集的信号，即可获得试样的应力-应变
响应。

071001-3