单轴双向加载分离式霍普金森压杆的数据处理方法

本文中提出单轴双向加载分离式霍普金森压杆（bidirectional-load split Hopkinson compression bar,BSHCB）,即在传统的分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar,SHPB）的基础上增加另一个对称的入射波,两边的入射波同时且对称地对试样进行动态加载。根据一维应力波传播理论,推导出单轴双向加载分离式霍普金森杆的数据处理公式。通过数值模拟分析发现,所推导的数据处理公式可以用于计算单轴双向加载实验中试样的工程应力、工程应变和工程应变率。此外,单轴双向对称加载不仅可缩短试样内部应力均匀化的过程,而且可以提高试样应变率。     

岩石SHPB实验加载过程中应力平衡问题分析

运用一维应力波理论,分析了弹性应力波在分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验中的传播过程,推 导出试件和压杆中应力分布相关计算公式。探讨了有关因素对试件应力平衡时间的影响规律,发现试件应力 平衡时间受试件/压杆广义波阻抗比和入射加载升时的影响显著,而不受试件/压杆截面积比和入射加载应力 幅值的影响。结合岩石SHPB实验,计算分析了不同入射加载应力幅值在不同入射加载升时情况下,试件达 到应力平衡时的应变变化特征,并提出了降低试件在应力平衡时的应变控制方法,使试件在未达到断裂应变 之前达到应力平衡,以保证实验的有效性。得出的结论对岩石类脆性材料SHPB实验方案设计具有一定的 参考意义。     

921A钢纯剪切帽状试件在SHPB实验中的动态变形

应用ANSYS/LS-DYNA软件,开展了一系列基于921A钢纯剪切帽状试件的SHPB数值模拟.结合SHPB系统应力波理论,研究不同加载速率v0(或应力脉冲I(t))下,特别是高应变率(约106 s-1)下的压杆轴向应变波形以及相应的试件动态变形特性,并对高速撞击下压杆中应变波形的适用性作了相关讨论.     

一种用于软材料测试的改进SHPB装置

本文提出了一种新的、用于测试橡胶、高弹体及高聚物软泡沫材料动态力学性能的SHPB改进装置。该装置取消了常见的入射杆而采用长杆弹直接撞击试件从而实现了持续的长时间加载，使得在相当大的应变率范围内试件的最大应变在一个加载过程中即可达到。配合该装置采用了瞬态响应优良、分辨率良好的光电式位移测试系统来测量试件的变形；为记录微弱的应变信号，在透射杆中使用了半导体应变片。本方案克服了传统SHPB在测试软材料时由于子弹长度限制带来的加载幅度不足及由于阻抗失配导致的应变信号微弱的困难；与采用高聚物杆的SHPB改进方案相比，本方案的测试结果也更为可靠。在试验装置中还运用了加载整形技术以改善试件中的应力均匀性。从测试结果看，该装置能有效地实现大变形范围、近似恒应变率持续加载以及相应的微弱应变信号的测量。     

SHPB实验中的端面凹陷修正

提出了一种关于霍普金森压杆(SHPB)实验中压杆端面凹陷的分析方法,并在此基础上提出了修 正该凹陷的数据处理技术。将该技术与其他数据处理技术相结合,可提高SHPB实验中应变的计算精度。 该技术使SHPB可以用于小应变范围测试,并使利用SHPB测得完整的、精度及可靠性可与准静态测试相当 的材料动态应力应变曲线成为可能。     

弹性SHPB试件内部纵向应力波传播及所产生的横向约束应力

采用考虑横向惯性效应的Rayleigh-Love杆理论分析了一个弹性试件在分离式霍普金森压杆(SHPB)加载过程中的内部弹性波传播过程，运用Laplace变换和反变换方法，得到了试件内部各点的变形、速度、应变和应力解析解.通过数值计算，得到梯形入射波加载情况下，纵向应力在试件内部的连续变化过程，以及波传播所伴随的横向附加应力.计算表明：在试件/入射杆界面附近，初次加载所产生的横向附加应力最大，可达入射波平台的12%;在大部分试件区域，纵向应力波传播将造成入射波平台4%～6%的横向附加应力；材料的泊松比越大，或者杆/试件声阻抗比越小，所伴随的横向附加应力越大；梯形波的上升时间和试件长径比对横向附加应力影响不大.     

SHPB测试中的均匀性问题及恒应变率

利用一维应力波理论对霍普金森压杆(SHPB)测试中的均匀性问题作了较为详尽的讨论,对测试中各种加载波形的优缺点及各参数对均匀性的影响进行了分析与评估。给出了测试脆性材料时实现恒应变率加载的加载条件。对在满足应力均匀性要求下SHPB的可测应变率范围作了讨论并修正了前人不完善的结论。讨论了考虑均匀性时应采用的测试数据处理方法。利用图解的方法对弹塑性材料测试时的均匀性问题及相应加载要求作了定性分析,指出对弹塑性材料,测试中的应变不均匀也应予以考虑。     

一种基于电磁霍普金森杆的材料动态包辛格效应测试装置及方法

金属材料在复杂载荷条件下的动态力学行为研究一直备受关注，但受限于实验设备，金属材料的动态包辛格效应响应一直都难以获得。为了探究金属材料的包辛格效应与应变率效应之间的关系，本文中提出一种基于电磁霍普金森杆(electromagnetic split Hopkinson bar，ESHB) 的非同步加载实验技术，为测试金属材料在高应变率加载下的包辛格效应提供了一种有效的实验方法。本文中，首先介绍了非同步加载装置的主要特点，即可以用两列由脉冲发生器产生的应力波对受载试样进行连续的一次动态拉-压循环加载，且加载过程保证了应力波的一致性。分析了应力波对试样加载过程中的波传播历程，确保了加载过程的连续性。随后介绍了动态加载过程，数据处理方法和波形分离手段，并对动态加载过程进行应力平衡性分析，论证了实验装置的可靠性。最后采用该方法测试了5%预应变下6061铝合金动态压缩-动态拉伸的包辛格效应，并与准静态下的实验结果进行对比。实验结果表明，该材料单轴压缩没有明显的应变率效应，但其包辛格效应具有应变率依赖性，高应变率下材料的包辛格应力影响因子由0.07增大至0.17，具有显著的提升，这对传统意义上铝合金材料应变率不敏感的结论提出了挑战。     

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。     

采用改进的SHPB方法对泡沫铝动态力学性能的研究

本文改进了传统的分离式霍布金森压杆(SHPB)技术，采用夹在透射杆中的PVDF压电计直接测量透射杆中的应力时程．同时，采用输入波形整形技术，通过调整加载波形，使试样加载过程中保证均匀变形及应力平衡．利用此改进了的SHPB技术对泡沫铝进行了高应变率下的动态压缩实验．实验结果表明：泡沫铝的动态应力应变曲线具有泡沫材料的应力应变曲线的“三阶段”特征(elastic region，collapse region and densification region)，并且应变率对其力学性能影响明显．     

A split Hopkinson bar technique for low-impedance materials

An experimental technique that modifies the conventional split Hopkinson pressure bar has been developed for measuring the compressive stress-strain responses of materials with low mechanical impedance and low compressive strengths such as elastomers at high strain rates. A high-strength aluminum alloy was used for the bar materials instead of steel, and the transmission bar was hollow. The lower Young's modulus of the aluminum alloy and the smaller cross-sectional area of the hollow bar increased the amplitude of the transmitted strain signal by an order of magnitude as compared to a conventional steel bar. In addition, a pulse shaper lengthened the rise time of the incident pulse to ensure stress equilibrium and homogeneous deformation in the low-impedance specimen. Experimental results show that the high strain rate, compressive stress-strain behavior of an elastomeric material can be determined accurately and reliably using this technique.     

Dynamic characterization of compliant materials using an all-polymeric split Hopkinson bar

The split Hopkinson bar is a reliable experimental technique for measuring high strain rate properties of high-strength materials. Attempts to apply the split Hopkinson bar in measurement on more compliant materials, such as plastics, rubbers and foams, suffer from limitations on the maximum achievable strain and from high noise-to-signal ratios. The present work introduces and all-polymeric split Hopkinson bar (APSHB) experiment, which overcomes these limitations. The proposed method uses polymeric pressure bars to achieve a closer impedance match between the pressure bars and the specimen materials, thus providing both a low noise-to-signal ratio data and a longer input pulse for higher maximum strain. The APSHB requires very careful data reduction procedures because of the viscoelastic behavior of the incident and transmitter pressure bars. High-quality stress-strain data for a variety of compliant materials, such as polycarbonate, polyurethane foam and styrofoam, are presented.     

High-rate Characterization of 304L Stainless Steel at Elevated Temperatures for Recrystallization Investigation

An integrated experimental technique was developed for high-rate mechanical characterization of 304L stainless steel at elevated temperatures by using a modified split Hopkinson pressure bar (SHPB). A sandwich structure consisting of two platens and the specimen in between was heated before mechanical loading while the bars were maintained at room temperature to eliminate the temperature gradient effect on the wave propagation in the bars. Upon contacting the cold bars, temperature gradients form in the platens, leaving the temperature in specimen constant and uniform. Pulse shaping techniques were employed to maintain constant strain-rate deformation and dynamic stress equilibrium in the specimen. Dynamic compressive stress-strain curves at elevated temperatures for the 304L stainless steel were obtained. To relate recrystallization to impact loading, a momentum trapping system was employed to apply a single loading on the specimen during one dynamic experiment. We also controlled the quenching time to study its effect on recrystallization.     

基于Hopkinson压杆的M型试样动态拉伸实验方法研究

采用传统分离式Hopkinson压杆进行M型试样的动态拉伸实验，可避免试样与杆的连接问题，但该方法并未得到发展和验证。本文中，采用有限元数值分析和实验方法，对M型试样动态拉伸实验进行分析和改进。结果表明:（1）改进的封闭M型试样，可以增强试样整体刚度，有效减少试样畸变引起的附加弯矩对拉伸标段的影响，方便通过Hopkinson压杆加载实现一维拉伸变形；（2）采用试样刚度系数修正法，可消除M型试样整体结构的弹性变形对测试的影响，精确获得试样拉伸标段的塑性应变；（3）高加载率下，建议采用波形整器加载，可显著减少试样结构引起的载荷震荡现象、改善两端的应力平衡，获得准确的动态拉伸应力应变曲线，实现5 900 s?1甚至更高应变率下的动态拉伸实验。研究方法可为M型试样拉伸实验设计和应用提供参考。     

A quartz-crystal-embedded split Hopkinson pressure bar for soft materials

A dynamic experimental technique that is three orders of magnitude as sensitive in stress measurement as a conventional split Hopkinson pressure bar (SHPB) has been developed. Experimental results show that this new method is effective and reliable for determining the dynamic compressive stress-strain responses of materials with low mechanical impedance and low compressive strengths, such as elastomeric materials and foams at high strain rates. The technique is based on a conventional SHPB. Instead of a surface strain gage mounted on the transmission bar, a piezoelectric force transducer was embedded in the middle of the transmission bar of a high-strength aluminum alloy to directly measure the weakly transmitted force profile from a soft specimen. In addition, a pulse-shape technique was used for increasing the rise time of the incident pulse to ensure stress equilibrium and homogeneous deformation in the low-impedance and low-strength specimen.     

应力平衡和接触状态在Hopkinson杆测试聚合物动态弹性模量中的影响研究

针对用Hopkinson杆试验能否准确测量聚合物动态弹性模量以及其中主要影响因素的问题,本文基于重构试样初始加载阶段的应力波反射透射过程,分别计算了6个特征时间内的前三次反射波和透射波,得到试样的应力平衡度和试样的应力应变曲线。对于所研究的聚合物材料,通过比较重构的应力应变曲线的弹性模量与输入的材料弹性模量,发现在4个特征时间后,误差仅在3%左右。因此试样变形过程中的应力平衡与否不是材料在Hopkinson杆试验中弹性模量测不准的原因。通过环氧树脂试样试验发现,根据Hopkinson杆理论计算的应变结果要大于试样上应变片实测的结果,误差在11%左右。相应的数值模拟研究发现:试样和杆子端面接触状态直接决定着试样弹性模量测量的精度。关于惯性效应和压痕效应的研究也证实它们的影响是可以忽略的。     

动态拉伸试验中试样应变测试的有效性分析

为了评估将试样通过胶粘连接到加载杆的Hopkinson杆装置所获得试样应变的有效性,对四种强度刚度差异较大的纤维增强复合材料进行了动态拉伸试验。试验时,试样通过环氧胶和杆夹层粘接,试样的应变分别按照Hopkinson杆一维应力波理论计算和试样上应变计直接准确测量得到。结果证明：对小变形碳纤维复合材料,按一维应力波理论计算的应变与试样上直接所测应变值偏差超过100%;对较大变形的GFRP和KFRP层合板,两者偏差小于40%。说明采用Hopkinson杆一维应力波理论计算的试样应变不准确。为修正不准确性,一是通过大量数据分析建立按一维应力波理论计算值与直接测量应变之间的关系式,用此式可使此试验装置获得有效的试样应变;二是借助ABAQUS有限元模拟分析得出粘胶层以及试样过渡弧段的变形,用一维应力波理论计算的应变减去此变形,也可获得有效的试样应变。     

高温下轻质泡沫铝动态力学性能实验

对传统的分离式Hopkinson压杆装置加以改进,设计了一种长杆直接撞击Hopkinson杆的实验方案,检测出低波阻抗材料在高温动态加载下的应力均匀性。对轻质泡沫铝材料的实验表明,在同一撞击速度下,温度越高,试件两端的应力均匀性越差,增加温度与提高撞击速度均会导致泡沫铝材料冲击端与支撑端的应力不均匀性。根据高温下应力均匀性的实验结果,确定高温下试件均匀变形对应的冲击速度,再通过传统的分离式Hopkinson压杆实验得出泡沫铝在高温动态下的力学性能。     

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。