Page 8 - 《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

升复合加载过程中应力比例的稳定性，从而更准确地表征材料在复杂动态载荷下的力学行为。
1.3 同步加载方案与波传播分析

装置的电路系统由拉伸/压缩电路、扭转电路及同步控制系统组成，其结构如图 2 所示，其中 L 、
d
C 和 R 分别为 RLC 电路的电感、电容和电阻，I 为电路中的电流，t 和 0 t 分别为初始触发时刻和延迟时
间，拉伸/压缩梯形波由应力波发生器电路产生。扭转波由扭矩机-夹持段-电磁解锁装置构成的电路系统
共同产生，其工作机制可参考文献 [23]。拉伸/压缩波的脉宽与幅值分别由电路中的电容与充电电压控
制，而扭转波的脉宽取决于夹持段的长度，其幅值由夹持段预存的扭矩大小决定。此外，电磁解锁机构
的 动 作 速 度 决 定 了 扭 转 波 上 升 沿 的 宽 度 ， 而 该 速 度 受 其 驱 动 电 路 的 电 容 和 电 压 调 控 。 基 于 电 磁

Hopkinson 杆的基本原理 [21] ，各电路在完成储能后，一旦接收到触发信号即可迅速放电并产生相应应力
波。本装置采用数字延时发生器来产生高精度触发信号，该器件可按预设时序依次触发不同电路，使装
置生成所需的应力波，其时间控制精度优于 0.1 μs。下面重点分析如何协调上述两列应力波，以实现其
对试样的同步加载。

Pulses Torque E-release
generator pulley clamp
Tension discharge circuit C 3 I 3 SCR3 t 0 +Δt Control t 0 C SCR Torsion discharge circuit

SCR2
I 2
system
C 2
SCR1
I 1
Multichannel
C 1
high-voltage R
R pulses trigger
Digital
Tension charge circuit Ld PLC Ld Torsion charge circuit
delay
generator

~380 V
~380 V

图 2 电路同步方法示意图
Fig. 2 Schematic diagram of the synchronized method in T-T or SHB
根据应力波理论 [20] ，波导杆中的压缩/拉伸波波速 v e 和扭转波波速 v s 分别为：

E
v e = (1)
ρ

G
v s = (2)
ρ
ρ 为材料密度。
式中： E 和 G 分别为材料的弹性模量和剪切模量，
根据材料力学理论 [26] ， E 和 G 满足如下关系：
E
G = (3)
2(1+ν)
ν = 0.33 。
式中： ν 为材料的泊松比，本文中取

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