晶体压杆式压力传感器的理论分析和实验研究

一般晶体压杆传感器的可测时间间隔均受压杆长度限制,为了解决这一根本问题,本文对晶体压杆的动力特性,特别是应力波在晶体压杆中的传输规律进行了理论分析和实验研究。研究结果表明,就晶体片与压杆的匹配问题而言,单纯考虑声阻抗匹配与否是不够的。为了获得正确的压力波形,就必须把晶体与压杆看作两个弹性振动系统,来研究它们的相互作用。根据这一分析,我们提出了晶体压杆传感器的设计原则和改善传感器性能的几种方法。给出了性能较好的传感器设计:上升前沿小于2微秒,噪声比为±5%,测量范围0.1公斤/厘米~2至数百个大气压,其最大优点在于测量时间间隔不受压杆长度限制。      

高g值加速度传感器的标定

利用Hopkinson压杆装置,采用石英晶体片压力传感器对高g值加速度传感器进行了标定,并给出了加速度传感器灵敏度系数的标定公式。实验结果表明,本文中研制的利用石英晶体片压力传感器对高g值加速度传感器进行标定的实验装置可满足标定的精度要求,而且整个校准系统结构简单,易于操作。     

强脉冲激光在空气中诱导的激波压力的测量——KL-Ⅰ型传感器的一个应用

力学研究所最近研制成功了一种新型的瞬态空压传感器.关于用晶体压杆作瞬态空压传感器的历史情况,以及我所对此项研制工作的贡献已在文献[1]中概述. ...     

含刚性段复合压杆的稳定性分析

压杆稳定性实验是材料力学中一个重要实验内容。然而,压杆稳定性实验中压杆两端的约束往往需要附加刚性的夹持件来实现。为了讨论压杆端部夹持件对测试结果的影响,本文基于弹性系统的稳定性理论,采用欧拉方法,分析了两端包含刚性段的复合压杆的稳定性,并通过数值求解讨论了刚性段不同占比情形下压杆的临界载荷。同时,采用有限元数值模拟方法验证了理论分析的结果。本文结论将为压杆稳定性实验教学提供参考。     

封装材料对压阻式加速度传感器性能的影响

通过实验测试的方法研究分析封装材料对压阻式高量程加速度传感器性能的影响。对使用陶瓷 材料和不锈钢材料封装的加速度传感器,利用拉曼光谱仪测试研究封装前后传感器结构中残余应力和压敏 电阻阻值的变化,采用落锤、Hopkinson杆测试分析传感器的灵敏度、高过载能力,并在实弹环境中测试不同 封装传感器的测试精度的差别。实验结果显示,与陶瓷材料封装的压阻式加速度传感器相比,不锈钢材料封 装的压阻式加速度传感器在封装后结构的残余应力和压敏电阻阻值的变化更大,但不锈钢封装传感器的灵 敏度更大、高过载能力更强,同时实弹环境中可靠性和测试精度更高。     

THE DETERMINATION OF BUCKLING POINT AND CRITICAL LOAD OF COMPRESSIVE MEMBER

为了分析压杆失稳的临界力与失稳后杆件屈服形态的关系,在理论推导和试验研究的基础上,提出了通过捕捉细长压杆失稳时的失稳点来确定压杆临界力的分析方法,通过测量细长压杆失稳时微弯状态下杆端的纵向位移,求得临界压力的大小. 文中将该方法的实验结果与直接用欧拉公式计算的临界压力进行了比较,结果表明,考虑细长压杆微弯状态时杆端的纵向位移所得到的失稳的临界压力值大于利用欧拉公式计算的临界压力值.     

应变式压杆压力传感器在冲击波载荷测试中的应用

在近区爆炸冲击波载荷测量中,压电式压力传感器因上升时间短且强度高的高频压力脉冲作用而可能产生疲劳和过载失效。本文根据应力波在细长圆柱弹性杆中的传播特性,设计了一种应变式压杆压力传感器,当圆柱杆的一端受到压力波作用时,产生的弹性应力波沿杆轴向传播,通过测量杆的轴向应变可计算出杆中传播的应力波,从而得到作用在杆端的压力波。为了检验压杆压力传感器的性能,采用一个厚壁圆柱形爆炸容器,并将传感器安装在容器壁面不同位置上,测量中心装药产生的爆炸冲击波载荷,经反复试验,结果表明这种传感器性能是稳定可靠的。     

局部削弱压杆的稳定性实验研究

因为缺乏相关的理论和实验研究,局部削弱压杆的临界载荷通常按无削弱压杆处理.工程中,局部削弱压杆的使用极为普遍.对局部削弱压杆的稳定性的定量研究结果,无论是工程中,还是材料力学教学中都是迫切需要的.本文在前人理论研究的基础上,对局部削弱压杆的临界载荷作了定量的实验研究.试验结果表明,对细长压杆,即使削弱部分的刚度下降达到38.9%,对失稳临界载荷的影响仍可忽略;试验结果与黄玉珊提出的对局部削弱压杆稳定性的定量计算方法也比较接近.研究结果对部分工程问题和材料力学教学都具有一定的指导意义.     

测量压杆临界压力的理论与实验

从细长压杆临界压力的定义出发，分析了实验测定压杆临界压力的困难，阐述了用振动方法测量细长压杆临界压力的理论，介绍了在轴向拉力和压力状态下用振动方法测量压杆临界压力的实验，并与材料力学中通常的压杆稳定实验------测量压溃载荷的实验进行了比较,得出结论：用振动方法可以比较准确地测得细长压杆的临界压力.     

标准霍普金森压杆配置下的应力波分离及无时限实验数据处理

在经典一维应力波理论基础上以及试件受力平衡假定成立的条件下,提出了一种在标准霍普金森压杆实验配置下实现杆中左、右行应力波分离的新方法,可简单有效地解决常规霍普金森压杆在长时实验时左、右行波信号重叠的问题,从而保证实验中的全部应变测试数据都可以加以利用,显著提高了霍普金森压杆的测试能力。给出了新的基于杆中左、右行应力波信号的实验数据处理公式。作为霍普金森压杆实验中经典数据处理公式的扩展,在测试信号不需要进行波分离处理的情况下,新的数据处理公式等同于经典公式。利用ABAQUS有限元软件对霍普金森压杆实验进行了数值模拟,采用虚拟实验的方式,利用模拟测试点的应变信号进行了多种实验条件下的数据处理,对该应力波分离方法的有效性及误差进行了验证与评价。数值模拟结果表明,该应力波分离方法可以给出很好的数据处理结果。在标准霍普金森压杆上进行了部分实验并利用新的波分离方法及公式对数据进行处理,所得结果令人满意。     

考虑轴向均布载荷时压杆的稳定性计算

为了求得压杆同时承受轴向均布载荷和集中载荷时,临界载荷的计算公式,首先对仅承受轴向均布载荷的压杆,用初参数法,导出了临界载荷特征方程,由软件分析特征方程发现, "固支--定向"、"固支--自由"、"铰支--定向"支承的压杆,轴向均布载荷对其稳定性有明显影响,并求得了临界载荷的近似解;其次采用载荷换算与叠加的方法,求得了压杆同时承受轴向均布载荷和集中载荷时,临界载荷计算的经验公式;最后就"固支--自由"支承的压杆,与其他一些研究结果进行了比较,本文结果与"平均结果"较吻合.     

粘弹性Hopkinson压杆中波的衰减和弥散

研究了线性粘弹性Hopkinson压杆中由于粘性效应和横向惯性效应引起的就力波衰减和弥散。导出计及横向惯性效应的线性粘弹性杆中纵波控制方程和应力解应变解，进而导出表征波衰竭和弥散性质的纵波传播系数的修正公式。这一修正公式计入粘性效应和几何效应，与Bacon公式相比，其形式简单，更便于在实验数据处理中应用。最后利用实验方法测定了有机玻璃杆的传播系数。     

SHPB实验中试件内早期应力平衡分析

分析了影响SHPB实验试件中早期应力平衡的外部因素,如光滑入射波及其上升时间、压杆波阻抗及压杆与试件横截面积之比等。研究结果表明,当用传统的SHPB装置产生的入射波加载试件时,宜采用与试件波阻抗接近的压杆;在相同的试验条件下,直径较大的试件,其内部应力达到均匀分分布的状态快于小直径的试件,最后给出了改善试件早期应力均匀性的方法。     

水泥砂浆在主动围压下的动态力学性能

水泥砂浆等脆性材料的力学性能与所受围压的大小密切相关。为了研究水泥砂浆在围压下的动态力学性能,研制了适于分立式Hopkinson压杆加载的主动围压装置,最大预加载主动围压大于30 MPa。实验得到了水泥砂浆在不同围压、不同应变率下的轴向应力应变曲线,发现材料在围压作用下抗压强度和韧性大大提高并且整体进入了伪塑性,而材料的应变率效应也是显著的。     

PVDF压力传感器的冲击压电特性研究

PVDF薄膜是一种新型的聚合物压电材料.为了研究PVDF薄膜在低压和一维应变下的压电特性,利用立式Hopkinson压杆和一级轻气炮标定了自研制PVDF压力传感器的压电曲线,实验表明该应力传感器频响高,波形稳定,线性度良好,拟合灵敏度系数K值在0～20MPa和100～450MPa压力范围分别为14.96pC/N和11.9pC/N,可以基本满足动态冲击应力测试的要求.但由于PVDF薄膜的系数K受多方面的影响,定量分析有相当难度,建议使用跟实际工作状况相近的标定K值.     

用于脆性材料的Hopkinson压杆动态实验新方法

岩石、陶瓷或混凝土等脆性材料,在用Hopkinson压杆对其实施高应变率加载实验时,由于其破坏应变很小,试件通常在加载入射波的波头部分（含初始上升沿和较大的弥散振荡部分）就已破坏失效,因此采用常规的实验或数据处理方法很难得到精确有效的实验结果,本文提出的Hopkinson压杆装置预留间隙实验法能使加载入射波波幅振荡明显减且初始上升时间为零,有效地减小了弹性波弥散带来的误差,使贴于压杆中部的应变片测得的信号经处理后很大程度上直接反映的是试件端面的实际受力状态,且由于避免了试件在加载波上升沿段的稳定受力而使应变率历史曲线更趋于恒定,这为提高Hopkinson压杆装置的实验精度,特别是为脆性材料提供了一种实施高应变率实验的实用可行的途径。     

含锥形变截面压杆稳定计算的传递矩阵法

本文从压杆的微分方程出发，推得了锥形压杆的传递矩阵，用传递矩阵法对复杂的变截面压杆进行了一系列的稳定计算。计算结果表明，本文的公式正确。该方法具有精确度高、力学概念清晰及简便易行的优点，适于工程技术人员在微机上应用     

绞合式光纤应变传感器

研究了一种可用于工程结构状态监测的本征型强度调制光纤应变传感器,由两根以上多模光纤相互绞合形成,分析了该传感器的应变传感原理,得到其既能测量拉应变,又有测定压应变的结论,传感器对应变的响应具有良好的线性和重复性、灵敏度高、无迟滞现象,对钢筋拉应变、混凝土压就矿业的实验结果与理论分析一致,表明该传感器是适合土木工程测量、结构状态监测等方面的较为理想的光纤传感器。     

细长压杆屈曲实验平台设计及其在实验教学中的应用

实验教学是培养工科大学生实践和创新能力的重要手段,如何在有限的实验条件下开展丰富的教学实验、关联更多的理论知识点是力学实验亟需解决的问题。本文以材料力学中常见的压杆屈曲问题为例,构建了压杆屈曲实验平台,主要包括压杆屈曲实验和力学仿真两个模块,通过压杆屈曲实验案例展示了该平台用于开展教学实验的过程。结果表明,该实验装置可操作性强,学生能够直观地观察到压杆由稳定到正弦屈曲再到螺旋屈曲的全过程,同时能够测试压杆径向位移、应变等多个参数,仿真实验能够在不受时空、设备限制下更直观地实现实验过程的再现和拓展。本实验具有一定的趣味性和专业性,利用教学实验能够激发学生对材料力学的学习兴趣,加强学生对多个关联知识的理解,也能够锻炼学生的动手实践能力。     

用于测量材料高温动态力学性能的SHPB技术

讨论了高温下分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验的两种方案:单独加热试样并快速对杆与同时加热试样和杆再修正温度梯度的影响。前者避免了杆被加热但是操作复杂,后者简单稳定。为了分析后者温度梯度的影响设计了一个简化模型,采用数值计算进行修正,提出了精度适当的假设,并且进行了实验验证。测量了试件和杆一起加热时杆上的温度分布,证实计算采用的温度分布是合理的。据此得到的专用于材料高温动态力学性能测试的SHPB数据处理公式简单实用,便于推广使用。