高温SHPB冲击实验技术及其应用

 为研究高温下材料的动态力学性能,研制了一套适用于分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB）高温冲击实验的温控系统。利用该温控系统和Φ100 mm常规SHPB装置,对混凝土在高温下的动态力学性能进行了实验研究,实验温度分别为20、200、400、600、800和1 000 ℃。结果表明：由管式实时加热装置和箱式预加热炉组成的温控系统操作方便,实验效率高,试件组装方法简便可行;热传导导致的试件温度分布不均匀和压杆局部温升对实验结果产生的影响可以忽略,实验技术可靠;高温下混凝土动态力学性能的温度效应十分明显,相同冲击速率下,随温度升高,平均应变率逐渐增大,动态应力-应变曲线逐渐表现出塑性特性,动态抗压强度随温度升高先增大后减小,动态峰值应变随温度升高不断增大。     

冲击载荷作用下PZT-5压电陶瓷的力电特性

压电陶瓷是压电冲击传感器的核心元件。采用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术研究PZT-5压电陶瓷在冲击载荷作用下的力电特性,进行了4～14 m/s不同速度的实验。实验中为保证试件与压杆绝缘,采用了对试件影响较小的表面溅射Al2N3的工艺,溅射厚度为1～3μm。实验结果表明:在冲击加载过程中,PZT-5压电陶瓷的应变变化表现出黏性性质,其产生的电荷与加载过程中试件的应力、应变均相关;当加载速度超过一定值时,加载过程中压电陶瓷可能产生损伤,不同的损伤程度也影响电荷的产生;PZT-5压电陶瓷的力学和电学性能具有明显的率相关性。     

高温高应变率下混凝土材料的损伤演化方程

采用?74 mm大口径分离式霍普金森压杆(SHPB)对不同温度(20、200、400℃)下的C45混凝土材料进行动态力学性能实验,得到了不同温度、不同应变率下混凝土材料的应力-应变曲线。实验结果表明:在20~400℃温度范围内,混凝土材料具有温度硬化和应变率硬化现象。基于上述实验数据给出了损伤变量关于塑性应变的关系式,并通过相关实验数据确定了不同温度、不同应变率下损伤演化方程的材料参数。将该损伤演化方程应用于混凝土材料的本构关系中,预测结果与实验数据具有较好的一致性,证明了所提出的高温、高应变率下混凝土材料损伤演化方程的合理性。     

某PBX炸药的动态力学性能研究

 PBX炸药作为现代武器的主装药,它的力学行为决定着武器的生存能力。为了研究PBX炸药的动态力学特性,采用分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB）作为加载手段,结合半导体应变片测试技术和压电晶体监测技术,保证了实验数据的有效性。利用SHPB加载波整形技术,实现了材料两端应力平衡和常应变率加载,得到了不同应变率（90~410 s^-1）下材料的应力-应变曲线。根据材料的模量、破坏强度和破坏应变随应变率的变化规律,采用粘性修正的Sargin模型,得到了该PBX炸药在单轴压缩下的唯象本构模型,模拟结果与实验曲线符合较好。     

高温高应变率下ZL101A铝合金的流变应力特征与本构模型

采用分离式霍普金森压杆系统和高温设备对ZL101A铝合金进行了常温和高温下的动态压缩实验,得到了应变率范围为2 900～6 100 s^-1、温度范围为20～600℃的动态压缩应力-应变曲线。实验结果表明：ZL101A铝合金具有应变率硬化效应,并且随着温度的升高,应变率硬化效应减弱;ZL101A铝合金在不同应变率下均存在明显的温度软化效应,且随着温度的升高,塑性变形引起的绝热温升使热软化作用增强。为了得到应变率和温度对材料流变应力的影响,将应变率效应和温度效应进行解耦,得到一种适用于ZL101A铝合金材料的动态本构模型。对比模型预测结果与实验数据发现,建立的本构模型可以很好地描述ZL101A铝合金的流变应力特征。     

PVDF压电计的动态响应特性及其在橡胶材料SHPB实验中的应用

通过夹心式PVDF(Polyvinylide Fluoride)压电计的动态分离式Hopkinson压杆(SHPB)标定实验,系统地讨论了传感器的动态响应特性,其中包括测量电路、PVDF表面应力集中、压电计的材料及结构特性和同一压电计受多次撞击对测试信号的影响,为PVDF压电计的制作工艺研究提供参考。利用标定好的压电计测试了橡胶材料在SHPB实验中的动态应力均匀过程。结果表明:调节并联电阻值可以提高压电计的传感精度;增大压电计的敏感面积可以减小因应力集中所造成的信号失真;材料的热粘塑性性质、摩擦效应等将使信号振荡幅度偏小;多次撞击对信号的加载与卸载段都将产生影响,但当传感器表面未发生明显损伤时,测试的应力平台平均值与真实信号近似相同。     

基于数值模拟的SHPB实验数据处理方法（英文）北大核心CSCD

在分离式霍普金森压杆(SHPB)实验中,可以精确测得加载试件边界上的应力和速度。然而,基于这些测量结果得到一条精确的应力应变曲线有一定难度。根据SHPB实验技术的原理,有3组公式可以处理实验数据,并且3组公式都对波头的选择敏感。由于波动效应的影响以及选择波头的误差,3种方法得到的应力-应变曲线缺乏一致性。为了解决正确对齐波头的问题,编写了三波耦合法的数据处理程序。该方法基于动量守恒,可以得到更可靠的应力-应变曲线。为了证明该方法的正确性,进行SHPB的数值模拟实验。结果显示,利用这种方法可以得到唯一的应力-应变曲线。这种方法可以避免对齐波头时的误差,而传统的两波法或三波法则不能。     

高强度合金钢30CrMnMoRE/30CrMnSi的动态力学性能

针对合金材料在高冲击作用下的力学响应,采用分离式Hopkinson压杆(SHPB)系统确定武器弹药中常用的高强度合金30CrMnMoRE和30CrMnSi在不同应变率下的动态应力-应变关系,得到其动态应力-应变曲线及屈服强度,并结合Johnson-Cook模型对其动态本构进行拟合。结果表明,两种材料的应力-应变关系、强度等参数表现出明显的应变率相关性,随着应变率的提升,材料得到进一步强化,30CrMnMoRE的动态强度提高约79%,30CrMnSi的动态强度提高约50%。     

基于冰颗粒增强的冻土细观动态本构模型

为了直观地描述冻土在冲击加载下的动态力学性能和应力-应变关系,从细观出发,将冻土视为冰颗粒增强的复合材料,建立了基于冰颗粒增强的冻土细观动态本构模型。根据土相在冲击作用下层层破坏的特点,假定冲击层的动模量因冲击损伤而发生变化,在模型中引入了应变率项。利用分离式霍普金森压杆(SHPB)对冻土进行冲击加载实验,通过改变温度和应变率,获得了冻土在不同实验条件下的动态冲击应力-应变曲线。实验结果表明,冻土具有明显的温度效应和应变率效应。模型计算结果与实验结果符合良好,验证了所建立的动态本构模型的合理性和适用性,具有很强的工程应用价值。     

冲击载荷下土的动态力学性能研究

 利用分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB）技术,研究了土体在不同应变率条件下的冲击动态力学性能,发现土体有明显的应变率效应,与静载相比,冲击载荷下土的动强度和动模量均有很大的提高。根据实验曲线的特征,以一根线性弹簧和两个不同松弛时间的Maxwell体并联的粘弹性模型来表达土体的损伤型粘弹性本构模型,两个Maxwell体分别表示土体的低应变率响应和高应变率响应,模型的数值拟合曲线与实测动态本构曲线具有较好的一致性。拟合参数表明,土体对低应变率的响应与混凝土相同,对高应变率的敏感性远远高于混凝土。     

硅橡胶的动态压缩实验和力学性能研究

 对一种改性硅橡胶材料进行了高应变率动态压缩的实验测试。实验结果表明,这种硅橡胶材料具有很强的应变率敏感性;在室温和高应变率下,表现出典型的聚合物粘弹性特性。实验中应用了入射波整形技术保证试样中的应力平衡及常应变率加载。利用石英晶体监测了试样两端的应力平衡,并应用石英测试技术测量了微弱的透射信号。     

金属材料在极高应变率下的力学性能测试

金属材料广泛应用于国防工业和民用工程中,了解金属材料在强动载荷作用下的力学性能对武器和防护结构的设计和评估具有重要意义。通过在二级轻气炮上进行平板撞击实验,测定了93钨合金和921A钢在极高应变率下的动态屈服强度,详细介绍了实验的设计原理和实验数据的分析方法,并利用公式对93钨合金和921A钢的动态屈服强度进行分析。实验结果表明:93钨合金在应变率(冲击压力)分别为1.7×105 s^?1(49.5 GPa)和3.1×105 s^?1(84.1 GPa)下的屈服强度分别为2.10 GPa和2.78 GPa;921A钢在应变率(冲击压力)为3.6×105 s^?1(38.1 GPa)、4.7×105 s^?1(62.4 GPa)和6.2×105 s^?1(90.1 GPa)下的屈服强度分别为2.08、2.67和3.15 GPa;在极高应变率下93钨合金和921A钢的动态增强因子为2~3。     

结构钢中绝热剪切带形成与扩展的光学观测与数值模拟

绝热剪切带(Adiabatic Shear Band,ASB)是许多金属材料在冲击载荷作用下发生破坏的主要原因之一,它是近年来冲击动力学和损伤力学研究的前沿和热点。相关的理论研究主要针对一维剪切条件,分析应力、应变、剪切速度、材料热物理和力学性能、初始缺陷大小之间的关系,得到一个由多个物理量组合而成的量来判别材料出现剪切带的难易。ASB的实验主要利用Hopkinson压杆、扭杆、压剪炮等加载技术,研究钛合金、钨合金、高强结构钢等材料的剪切带特征,包括局部温度和变形分布、剪切带出现的阈值等。但是,对剪切带演化过程的在位观察及其动态实时演化的研究还较少见,妨碍了人们对由于剪切局部化而导致的材料破坏机理的深入认识。针对45钢,在Hopkinson压杆上,开展了不同冲击加载条件下剪切带演化过程的在位观察及可视化研究。利用自行设计的高分辨力的光学观测系统和基于数字相关理论的图像处理软件,捕捉了单一试样在冲击加载条件下ASB逐渐形成和扩展的过程。同时,利用LS-DYNA商业程序对试样的冲击压缩过程进行了数值模拟,所得主要结果与实验观测基本一致。     

长颈管在微型脉冲管制冷机中的应用分析

长径管作为调相器应用于微型脉冲管制冷机系统时存在阻抗不匹配现象,即调相效果好时,往往脉冲管热端阻抗大小,从而使脉冲管中的压力波幅值小,蓄冷器中损失增大,制冷性能降低;用不同管径和长度的长径管作为调相器时,最低制冷温度产生在阻抗匹配区域或热端阻抗最大的区域;对于本实验中的微型脉冲管制冷机,以长颈管作为调相器时最低制冷温度为107.3 K,低于以单纯的小孔阀作为调相器时所获得的最低制冷温度,但还达不到双向进气的水平。     

基于PVDF传感器的单脉冲激光推力加载过程研究

 利用高频响应材料PVDF作为敏感元件，建立了一套单脉冲瞬态推力测试系统，并用37 mm分离式Hopkinson压杆装置对该测试系统进行动态标定。标定结果显示，在0~150 MPa范围内，PVDF传感器（5 mm×5 mm）的压电特性呈线性，动态压电系数经线性拟合后为20 pC/N。用所建推力测试系统获得了单脉冲激光作用下，旋转抛物形激光推力器的推力加载曲线，并对该曲线形成多个峰值的原因进行了分析。实验结果表明，该系统可以捕获激光推力器脉冲推力加载特征。     

A1 and A2 transitions in superfluid 3He in 98% porosity aerogel

Superfluid 3He in high porosity aerogel is the system in which the effects of static impurities on a p-wave superfluid can be investigated in a systematic manner. We performed shear acoustic impedance measurements on this system (98% porosity aerogel) in the presence of magnetic fields up to 15 T at the sample pressures of 28.4 and 33.5 bars. We observed the splitting of the superfluid transition into two transitions in high fields in both bulk and liquid in aerogel. The field dependence of the splitting in aerogel resembles that of the bulk superfluid 3He caused by the presence and growth of the A1 phase. Our results provide the first evidence of the A1 phase in superfluid (3)He/aerogel.     

低密度聚氨酯泡沫压缩行为实验研究

 在室温下，对一种低密度硬质聚氨酯泡沫进行了准静态压缩及应变率在1×10³～5×10³ s^-1范围内的冲击压缩实验。结果表明，所测试的聚氨酯泡沫材料在准静态实验与动态实验之间存在明显的应变率效应，但在纯动态实验中应变率效应不明显。最后，给出了以屈服应力、密度、应变等为参量的动态压缩本构关系，且能较好地与材料的动态压缩曲线吻合。     

单脉冲加载的Hopkinson压杆实验中预留缝隙确定方法的研究

 在传统Hopkinson压杆实验中,反射拉伸波在入射杆的撞击端反射形成压缩波,导致实验过程中对试样进行了多次加载,单脉冲加载的Hopkinson压杆实验技术解决了该问题。详细总结了单脉冲加载的Hopkinson压杆实验技术原理,给出了法兰盘与质量块间预留缝隙的计算方法,分析了预留缝隙不同大小对实验结果的影响。建立了一套单脉冲加载的Hopkinson压杆实验装置,并利用高速摄影验证了实验技术的可靠性。