金属材料SHPB实验数据处理的三波校核法

通过自编程序调整入射波、透射波和反射波的相对位置。当移动波相对位置时,程序界面显示2 幅图:一幅显示入射波、透射波、反射波以及透射波与反射波之差;另一幅显示试样的3条应力应变。这3条 曲线分别由第1幅图中的入射波与透射波、入射波与反射波以及三波法求得。根据SHPB实验的基本假定, 这3条应力应变曲线的塑性段应该一致,同时透射波与入射波之差应等于反射波,把这2个等价的特点作为 正确处理SHPB实验数据标准的方法称为三波校核法。     

基于SHPB波传播系数法试验的衰减弥散修正研究

针对SHPB试验中的波传播衰减弥散问题,基于杆自由端撞击的波传播系数法试验原理,选取Φ100mm PA66尼龙杆为典型Hopkinson压杆,依据SHPB试验中获取试样应力-应变曲线的二波法,对原位测试试验中从加载试样传来的反射波弥散进行修正研究,获得入射杆反射波传播系数;同理,对透射杆获取透射波传播系数。根据修正后的实际反射波和透射波历程,获得试样的应力-应变曲线。通过比较分析,此方法合理可靠。     

波分离技术在混凝土冲击压缩试验中的应用

介绍了SHPB实验中的波分离技术基本原理,该方法利用两相距很近应变计测量信号分离重叠的入射波和反射波。由于两应变计的距离很近,在弹性杆可以忽略应力波传播的弥散。由于应变计的位置可以非常接近试样,减少了实验中因应力波弥散产生的误差。利用该方法对混凝土进行了冲击压缩实验研究,得到了混凝土的动态应力-应变关系。讨论了测量误差导致波分离技术的误差。     

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．     

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。     

PBX炸药本构关系的实验研究

在SHPB装置上开展了某典型PBX炸药的单轴压缩、间接拉伸实验。利用入射波整形技术,结合 半导体应变片和石英晶体联合测试的方法,实现了PBX炸药的应力平衡和恒应变率加载,得到了不同应变率 下某PBX炸药的压缩应力应变曲线,初步建立了该炸药的修正Sargin唯象模型;开展了3种PBX炸药的动 态巴西实验,通过高速摄影获得了炸药的破坏过程,结合数字相关技术,获得了试样裂纹附近的应变场分布, 初步建立了描述3种炸药动态拉伸行为的修正Johnson-Cook模型。模型曲线与实验结果符合较好。     

基于PVDF薄膜传感器的猪肝动态压缩力学性能测试

瞬态冲击载荷作用下肝脏的力学响应是损伤生物力学的重要研究内容。本文提出了一种可用于软组织动态压缩力学特性测试的改进SHPB(分离式霍普金森压杆,Split Hopkinson Pressure Bar)方法。该方法采用PVDF(聚偏氟乙烯,Polyvinylidene Fluor)压电薄膜传感器测量实验过程中试件两端面的受力,以此来计算试件的应力,从而无需测量透射杆上的微弱透射信号。猪肝试样前后端面的PVDF压电信号对比表明,加载过程中试样达到了动态应力平衡状态。试样动态压缩中的惯性效应主要在加载的初始阶段对透射应力信号造成较大影响,在大变形阶段惯性效应引起的轴向应力较小。利用此方法对猪肝组织进行三种高应变率(1800s^-1,2500s^-1,3500s^-1)的动态压缩实验,并采用基于真实应变的惯性效应公式对实验数据进行修正计算。结果表明:猪肝组织在准静态与高应变率时的应力应变曲线都呈现出凹向上的非线性特征,即曲线初始阶段应力增长较缓慢,当应变达到15%后应力值则迅速增大;猪肝组织也具有明显的应变率效应,即随着应变率的增加,应力应变曲线的整体应力值也随之增大。最后,采用黏超弹性本构模型描述了猪肝组织的动态应力应变曲线。     

非均质结构PBX炸药的动态压缩过程模拟

采用离散元方法,构建了考虑PBX炸药晶体颗粒与黏结剂非均匀性的计算模型,通过在炸药试样两端采用相向飞片加载、将原SHPB实验的应力边界替代为速度边界的方法,开展了PBX炸药的动态压缩数值模拟研究,再现了考虑PBX炸药非均质特性的SHPB实验过程,获得了不同加-卸载路径下炸药应力应变曲线以及相应的损伤破坏图像。模拟结果表明:在动态压缩过程中,虽然PBX炸药处于整体应力平衡,由于PBX高度非均质性,内部应力分布并不均匀,晶体间应力以应力桥形式传递;应力曲线为试样整体平均,试样内局部所受真实应力可能高于曲线峰值应力;出现卸载回滞曲线的试样发生局部损伤破坏,而完全软化曲线的试样发生整体失稳破坏。     

Hopkinson压杆实验技术的应用进展

SHPB实验装置是研究各类工程材料动态力学性能的最基本实验手段,它不仅可用于测量金属、高聚物等均匀性好、变形量较大材料的冲击压缩(拉伸、剪切、扭转)应力—应变关系,经改进后还可以用于测量质地软、波阻抗小的泡沫介质材料和质地脆、均匀性差的混凝土类材料的冲击压缩应力-应变关系。此外,SHPB实验装置因加载方式简单,加载波形易测易控制,还可以开展混凝土类材料的层裂强度研究,火工品、引信的安全性、可靠性检测,高G值加速度传感器的标定以及炸药材料的压剪起爆临界点的测定等。     

混凝土SHPB束杆装置冲击实验的数值仿真

利用Ansys/Ls-dyna有限元软件模拟不同打击气压下混凝土SHPB束杆实验,对实验装置模型进行了简化;采用梯形应力脉冲载荷,模拟得到了实验中试件的应力-应变曲线。结果显示:模拟结果与实验结果吻合较好,验证了该方案的可行性;同时试样应力峰值随打击气压增大而增大。对不同幅值梯形应力脉冲加载下的SHPB束杆装置和单杆装置实验进行数值仿真,研究表明:束杆装置中试样应力峰值比单杆装置小一些;随应力脉冲载荷幅值增大,束杆装置中试样应力峰值增长速度要高于单杆装置。     

高聚物SHPB试验中试件早期应力不均匀性的影响

本文详细分析了在高聚物 SHPB 试验中,试件内部早期应力不均匀性的产生过程以及它对获得应力应变曲线的影响,提出消除这种不均匀性的修正方法。对线性粘弹性材料所做的数值模拟为分析提供了依据;采用新方法处理实测数据给出了较满意的结果.     

SHPB实验数据处理的规范化问题讨论

从SHPB实验的一维应力假设出发,确定了入射、反射和透射波的起点位置的判读办法,提高了SHPB实验结果的准确性,并规范了SHPB实验的数据处理。另外,从动量守恒的角度,提出了标准入射波平台高度的判读办法。该方法可以避免弥散振荡对判读入射波平台高度的干扰,并排除人为因素的影响,提高了压杆应变片灵敏系数的标定准确性和标定过程的规范化程度。通过对比理论结果和数值模拟研究的结果,这两种数据处理方法的准确性得到了验证。     

用于高强度材料的SHPB实验添加垫块法

提出了用于高强度材料的改进的SHPB实验方法添加垫块法,运用数值模拟方法,利用有限元程序LS-DYNA3D分析了添加垫块实验方法的合理性和可行性。根据一维应力波理论,给出了数据处理的修正方法。作为应用实例,采用改进的实验方法对高强度的Al2O3陶瓷材料的动态力学性能进行了研究,得到了比常规方法较高的应变率及应力应变范围的动态应力应变曲线,表明Al2O3陶瓷为应变率相关的非线性弹脆性材料。结果表明,添加垫块实验方法可有效地防止实验中压杆端面的变形,提高试件的应力应变及应变率水平。添加垫块实验方法为在SHPB装置上实现高强度材料的动态实验提供了一种方便实用的途径。     

应用高速摄影机对泡沫铝在SHPB实验过程的变形跟踪与分析

SHPB技术虽然能方便地得出材料的动态应力应变关系,但却不能直观地揭示材料在经受冲击荷载时的变形特征,而这恰恰是泡沫金属力学性能研究的重要方面.为此,本文设计了一套SHPB-高速摄影机系统,借此系统对SHPB实验中的泡沫铝试件进行了实时的变形跟踪拍摄,然后应用图像处理软件对泡沫铝试件的动态变形进行分析并提取了位移信息,...     

反分析法在泡沫金属材料动态性能实验中的应用

在实验测试泡沫金属材料的动态性能时，由于其所具有的特殊性能使得传统的SHPB技术的采用遇到较大的困难。为了实验确定泡沫金属材料的初始动力坍塌强度和平台应力，研究其应变率效应，在现有SHPB实验装置的基础上,利用反分析法中的反卷积技术，通过计算机模拟给出了该实验装置的传递函数，完善了SHPB实验的数据处理系统，为实验研究泡沫材料的动态特性提供了一种有效的方法。     

SHPB数据处理中的二波法与三波法

分析了传统的分离式霍普金森压杆测试数据处理方法(二波法)及其他被提出的改进方法的误差及优缺点,给出了传统二波处理方法在不同被测材料情况下所带来的误差。分析结果表明,基于绝对时间下的试件应力及应变计算的三波处理法具有最好的可信度且能最大程度地避免数据处理过程中的人为因素。传统二波法在不同测试情况下均不是优选的方法。对于三波测试无法进行的情况,也提出了一种简化三波处理方法。     

SHPB 实验数据处理的解耦方法

分析了ＳＨＰＢ试验中导致试件早期应力不均匀性的主要因素，指出试件中应力波的波速是与试件材料的应力应变曲线耦合在一起的，提出了考虑应力不均匀性的解耦方法，这种解耦方法具有普遍性，可广泛用于ＳＨＰＢ实验数据处理。     

Dynamic stress equilibration in split Hopkinson pressure bar tests on soft materials

The condition of dynamic stress equilibrium is not satisfied automatically when a split Hopkinson pressure bar (SHPB) is employed to determine the dynamic properties of soft materials. In order to develop guidelines for the proper design of SHPB experiments under valid testing conditions, an integrated experimental/analytical study has been conducted to examine the process of dynamic stress equilibrium in a soft rubber specimen. Dynamic compressive experiments on a RTV 630 and an ethylene-propylene-diene monomer rubber with a SHPB modified for soft material testing were conducted to determine the effects of specimen thickness and loading rate on the stress equilibrating process. An analytical model was employed to analyze the equilibrating processes observed in experiments. It is found that the incident loading rate dominates the initial non-equilibrium stress state, and the specimen thickness mainly affects the dynamic stress equilibrium after the initial stage.     

混凝土类材料动态压缩强度在多维应力状态下的应变率效应

对混凝土类材料动态压缩应变率效应研究的发展及问题进行了概述,对比不同应力状态下混凝土类材料动态压缩应变率效应的表现特征,揭示了不同加载路径下实测动态强度提高系数的显著差异。研究表明,在高应变率下,基于初始一维应力加载路径的试件将因横向惯性效应导致的侧向围压而演化至多维应力状态,传统霍普金森杆技术无法获得高应变率下基于真实一维应力路径的动态强度提高系数,在强度模型中直接应用实测数据将过高估计材料的动态强度。鉴于应变率效应的加载路径依赖性,将仅包含应变率的强度提高系数模型扩展至同时计及应变率和应力状态的多维应力状态模型,并结合Drucker-Prager准则在强度模型中给予了实现。针对具有自由和约束边界试件开展的数值霍普金森杆实验表明,多维应力状态下的应变率效应模型可以考虑应变率效应随应力状态改变的特点,从而准确预测该类材料的动态压缩强度。研究结果可为正确应用霍普金森杆技术确定脆性材料的动态压缩强度提供参考。