小型霍普金森杆多级电磁发射系统的优化

根据小型霍普金森杆(Mini-SHB)对发射效率高、体积小、噪声污染小的要求及动态性能测试对高应变率的要求,本文对磁阻式小型霍普金森杆电磁发射系统进行了优化。利用电磁发射原理、电磁仿真计算和控制变量方法,对影响子弹发射速度的五个因素:电容组电容量、电路初始电压、电磁线圈匝数、线圈用漆包线直径、子弹初始位置分别进行了仿真优化。根据仿真得到的各个最优参数研制的电磁发射系统获得了单级16.16m/s、二级21m/s的最高子弹出口速度,达到了微小型试件动态性能测试对高应变率的要求。     

基于多级电磁发射的mini-SHPB装置

由于微小型试件动态力学性能研究的重要性与测试的困难性,以及高应变率动态试验研究的需要,研制了基于磁阻式多级电磁发射的微型霍普金森压杆(mini-SHPB)装置。该装置由新型微型霍普金森压杆系统与磁阻式多级电磁发射系统组成。利用电磁脉冲发射原理,巧妙地设计了简单易行的磁阻式多级线圈发射系统,为微型霍普金森压杆系统的撞击杆提供驱动力。文中详细描述了该系统的各部分组成和原理,整个系统简单紧凑。通过应变率不敏感材料2024铝合金的动态压缩试验验证了该装置的可靠性。     

直撞式霍普金森压杆二次加载技术

利用传统分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）实验技术来实现试件在较低应变率下的大变形时，需要使用超长的压杆系统，杆件的加工和实验空间限制了该技术的推广应用。鉴于此，提出一种直撞式霍普金森压杆二次加载实验技术，利用透射杆中的应力波在其末端的准刚性壁反射实现对试件的二次加载，并分析了准刚性质量块尺寸对二次加载的影响规律；采用二点波分离方法对叠加的应力波进行了有效分离和计算，在总长4 m的压杆系统中实现了1.2 ms的长历时加载，并可以准确获得试件的加载应变率曲线和应力应变关系。建立了直撞式霍普金森压杆二次加载有限元模型，数值仿真结果表明，该实验技术能有效地实现试件的二次加载，与超长SHPB系统获得的仿真结果相比较，两者的试件应力应变关系完全一致。利用该技术对1100铝合金材料进行动态压缩实验，实现了其在102 s?1量级应变率下的大变形动态力学性能测试。     

一种用于材料高应变率剪切性能测试的新型加载技术

高应变率下的冲击剪切实验技术是材料动态力学行为及其微观机理研究的重要基础.采用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar)装置一般可以获得材料在104s-1以内应变率的动态力学性能.在超过104s-1的应变率下对材料进行冲击剪切测试时,通常需要采用高速压剪飞片技术或由气炮发射子弹对试样进行直接加载.本文提出一种可用于传统霍普金森压杆技术的新型双剪切试样,可以在103~105s-1剪应变率范围实现对材料剪切性能的精确测量;同时,可以对材料的变形及失效过程进行直接观测.试样与压杆之间避免了复杂的界面或连接装置,通过转接头可以保证试样与压杆直接接触,提高测试精度,同时可以防止因试样的横向位移而导致的非均匀变形.获得了紫铜在1400~75000s-1应变率下的剪应力-剪应变曲线,并采用计算软件"ABAQUS/Explicit"对双剪切试样的动态加载过程进行了数值模拟和结果验证.分析表明,剪切区的主要区域内剪切成分占主导地位,其应力应变场沿厚度及宽度方向基本呈均匀分布.实验得到的剪应力-剪应变曲线与模拟结果吻合较好,说明所提出的基于分离式霍普金森压杆系统的双剪切试样可以为材料的高应变率力学性能测试提供一种方便有效的加载技术.      

用于Hopkinson压杆装置的电磁驱动技术

为提高分离式Hopkinson压杆装置的测试效率与精度,通过对电磁驱动技术的分析,设计并进行了电磁线圈驱动导体杆的原理性实验。以微型分离式Hopkinson压杆装置为基础,将电磁线圈驱动原理用于撞击杆的驱动。通过单级线圈驱动不同长度撞击杆,获得储能电量与不同长度撞击杆的速度为线性关系。结合对镁合金材料的动态应力应变关系测试结果,证明此系统速度容易控制、重复性好、可靠性高和实用性强、电磁干扰并不影响信号采集。借助此原理,通过提高储能电量或采用多级同轴线圈驱动方法,可以实现各种规格的Hopkinson压杆装置中撞击杆的有效驱动,使Hopkinson杆测试装置简化。     

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。     

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。     

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。     

用于软材料的双子弹电磁驱动SHPB系统

软材料的动态力学性能研究一直备受关注，目前分离式Hopkinson压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)技术是其最重要的测试手段，然而在测试超软材料时实验装置设计方面仍存在许多有待改进之处。本文中研制了一套双子弹电磁驱动SHPB系统，使用聚碳酸酯作为杆件材料以克服软材料试件带来的诸多困难，引入了双子弹设计方案解决了电磁驱动方式难以应用于非铁磁材料的问题，并有效保证了子弹速度的准确控制。使用双子弹电磁驱动SHPB系统和传统金属SHPB装置同时对硅胶材料的动态力学性能进行了测试，实验结果的吻合性验证了本套系统的可靠性。应用双子弹电磁驱动SHPB系统开展了聚乙烯醇(polyvinyl alcohols, PVA)水凝胶这种超软材料在高应变率下的实验，成功表征出其动态力学性能。     

加载速率对40Cr钢Ⅱ型动态断裂特性的影响

采用新型Ⅱ型动态断裂测试技术,对高强钢40Cr在高加载速率下的Ⅱ型动态断裂特性进行了测试研究。基于新设计的Ⅱ型动态断裂试样和分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）技术,通过实验-数值方法确定了裂尖在加载过程中的应力强度因子曲线。采用应变片法确定了试样的起裂时间,最终得到40Cr的Ⅱ型动态断裂韧性值,并对其加载速率相关性和材料的失效机理进行了研究。结果表明,在1.08～5.53 TPa·m1/2/s的加载速率范围内,40Cr的Ⅱ型动态断裂韧性基本表现为与加载速率成正相关的变化趋势。通过对试样断口形貌的分析,确定了材料的失效模式及机理,发现随着加载速率的增加,存在拉伸型失效向绝热剪切型失效模式转变的现象。     

Hopkinson曲杆型双向拉伸加载设计探讨

为了实现对材料或结构的双向高应变率同步拉伸加载,基于曲杆中弹性应力波传播理论和Hopkinson杆原理,首先在对称的人字形曲杆结构中同时产生和传递两路压缩波,再经过接触转接头反射形成沿拉伸加载杆传播的双向拉伸波,实现对试样的双向动态拉伸。同时,为理解人字形曲杆几何构形对弹性压缩波传播的影响规律,对该加载装置进行了动力学分析和ABAQUS有限元模拟。研究发现,理想方波构形的压缩弹性波经过曲杆传播后,方波的平台段随着杆弯曲角度的增大出现前高后低的倾斜现象,同时大曲率杆引起的波形失真更严重。为获取常规方波或梯形波的平台段,也可采用定量优化的锥形撞击杆,产生前低后高的加载波,来抵消曲杆传递中的倾斜失真。最后,为了验证该加载系统的有效性,搭建了小型人字形曲杆高应变率双向拉伸装置进行试验测试。结果表明,该装置实现了脉宽约为54 μs的双向拉伸加载波良好的同步,两路波形起始点时间差可以控制在约2.5 μs以内,幅值差约6×10?6。同时对2024铝合金试样进行了双向拉伸试验,取得良好的试验效果。     

分离式Hopkinson压杆实验技术研究进展

分离式Hopkinson压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)技术是一种广泛应用于研究材料加载应变率在($10^{2}\sim 10^{4}{\rm s}^{- 1}$)范围内力学响应的实验方法. 在详细介绍Hopkinson, Davies和Kolsky的3篇经典论文的基础上, 从基本理论研究、加载波形控制、复合加载方式以及测试系统改进4个方面详细论述SHPB实验技术的研究进展. 通过分析SHPB实验技术在实际应用中存在的问题, 提出SHPB标准化、拓宽应用范围以及广义SHPB技术是SHPB实验技术研究值得深入探索的方向.     

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。     

基于三维Hopkinson杆的混凝土动态力学性能研究

混凝土、岩石类材料在复杂应力状态下的动态力学性能研究一直备受关注,但鉴于动态实验的复杂性,对真三轴应力状态下材料的动态加载一直未曾实现。本文中研制了一套真三轴静载作用下混凝土、岩石类材料的“三维Hopkinson杆”动态力学实验系统,为冲击载荷作用下材料动态各向异性特性的研究提供了一种有效的实验测试技术。该系统采用液压伺服控制对立方体试件施加三向独立的0~100 MPa真三轴静载,再利用分离式Hopkinson压杆对试件施加冲击动载,具体研究了C30混凝土材料在不同真三轴静载条件下的动态压缩性能,得到了不同条件下X、Y、Z方向上的动态应力应变关系。     

一种基于SHPB的冲击膨胀环实验技术

设计了一种基于分离式Hopkinson压杆(SHPB)的冲击膨胀环实验装置,实验装置包括一个液压腔,一侧为驱动活塞,另一侧为圆环试件封闭。对活塞施加轴向冲击,利用液体体积近似不可压缩的特性,通过液压腔截面积的大比例缩小,将较低速度的对活塞冲击转化为圆环试件沿径向的高速膨胀,驱动试件发生拉伸变形直至断(碎)裂。使用这种冲击膨胀装置,获得了LY12铝环在不同撞击速度下碎裂过程的初步结果。实验结果显示,随着撞击速度增大,圆环试件碎裂产生的碎片的尺度减小,试件的表观断裂应变增加。这为研究材料的动态拉伸碎裂问题提供了一种加载方式。     

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。     

40Cr材料动态起裂韧性KId（）的实验测试

描述了利用Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆技术加载三点弯曲试样测试４０Ｃｒ，材料动态起裂韧性ＫＩｄ（）的试验方法。试样上的动态载荷历程由Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ杆直接测得，并分别代入动态有限元程序及近似公式求得动态应力强度因子历史；由贴在试样裂尖附近的应变片确定起裂时间，最终确定起裂时的动态应力强度因子值，即动态起裂韧性ＫＩｄ（）。试验结果表明:利用Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆技术加载三点弯曲试样测试材料动态起裂韧性的方法是可行的，起裂时，动态有限元的位移法、应力法及近似公式法求得的动态应力强度因子值比较吻合；在本文的载荷速率下，４０Ｃｒ材料动态起裂韧性ＫＩｄ（）与准静态裂韧性ＫＩｄ（）相比，降低了约２８％。     

A HYBRID TECHNIQUE FOR COMPRESSION TESTING AT INTERMEDIATE STRAIN RATES

It is difficult to obtain accurate load information at strain rates on the order of 10² s^-1 using a quartz load cell. We have developed a hybrid apparatus which combines the loading capability of a hydraulic test machine with the load-measurement technique of the Hopkinson bar. Tests comparing the output of the Hopkinson bar to the quartz cell clearly demonstrate the increase in resolution obtained with the hybrid technique.     

A tension split Hopkinson bar for investigating the dynamic behavior of sheet metals

The dynamic response of sheet metals at high strain rate is investigated with a tensile split Hopkinson bar test using plate type specimens. The tension split Hopkinson bar inevitably causes some errors in the strain at grips with the plate type specimens, since the grip and specimens disturb the one-dimensional wave propagation in bars. To validate the experiment, the level of error induced from the grips is estimated by comparing the waves acquired from experiments with the Pochhammer-Chree solution. The optimum geometry of the specimen is determined to minimize the loading equilibrium error. High strain rate tensile tests are then performed with auto-body sheet metals in order to construct their appropriate constitutive models for use in crash-worthiness evaluation.