梯形应力脉冲在弹性杆中的传播过程和几何弥散

在应力波传播过程中,几何弥散效应往往难以避免.对应力波在弹性杆中传播的几何弥散效应进行解析分析,对于基础波动问题研究以及材料动态力学行为表征等课题,显得至关重要.本文简单说明了弹性杆中考虑横向惯性修正的一维Rayleigh-Love应力波理论,概述了其波动控制方程的变分法推导过程;针对Hopkinson杆实验中常用的梯形应力加载脉冲,建立了相应的偏微分方程初边值问题的求解模型,并运用Laplace变换方法研究了脉冲在杆中传播的几何弥散现象;根据留数定理进行Laplace反变换,给出了杆中不同位置和时刻的应力波的级数形式解析解,分析了计算项数对结果收敛性的影响;将解析计算结果与采用三维有限元数值模拟的计算结果进行对比,两者吻合程度良好,从而证明Rayleigh-Love横向惯性修正理论可以有效地表征典型Hopkinson杆实验中的几何弥散效应.在此基础上围绕梯形加载脉冲的弥散效应进行参数研究,定量描述了传播距离、泊松比、脉冲斜率等参数的影响.本文给出的Rayleigh-Love杆在梯形加载条件下的解析解,揭示了几何弥散效应的本质规律,可以用于实际实验的弥散修正过程.     

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.     

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。     

冲击载荷作用下柱壳链中的弹性波传播简化模型及其解析解

柱壳链能引起波形的弥散,具备操控波形的潜力。建立了柱壳链结构的等效连续介质模型和细观有限元模型,研究了质量块冲击作用下柱壳链中的弹性应力波传播过程及其几何弥散特性。基于考虑横向惯性修正的Rayleigh-Love波动方程,建立了柱壳链在质量块冲击下的控制方程,采用Laplace变换及其逆变换获得了位移场、速度场和应变场的解析解,所得结果与细观有限元模拟结果较好吻合。结果表明,在冲击过程中应变和速度峰值均逐渐减小,应变峰值、振荡幅度和波形前沿宽度与泊松比和惯性半径相关,泊松比和惯性半径越大,应变峰值越小,应变分布振荡越剧烈,波形前沿宽度越宽。     

Laplace变换法研究SHPB实验中试件的黏弹性波传播问题

对分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB) 实验中试件的黏弹性波传播的控制方程组进行Laplace 变换,并结合恰当的初始-边界条件求解,得到变换域的应力、速度、应变等变量的像函数的精确表达式. 采用该方法处理SHPB 实验中涉及黏弹性试件内部应力非均匀性问题,并给出数值反变换解. 作为特例,对于弹性试件分别采用级数展开法和留数定理进行反Laplace 变换,从而给出弹性夹层介质中应力波传播问题的解析解.      

USING LAPLACE TRANSFORM TO SOLVE THE VISCOELASTIC WAVE PROBLEMS IN THE SHPB EXPERIMENTS

对分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB) 实验中试件的黏弹性波传播的控制方程组进行Laplace 变换,并结合恰当的初始-边界条件求解,得到变换域的应力、速度、应变等变量的像函数的精确表达式. 采用该方法处理SHPB 实验中涉及黏弹性试件内部应力非均匀性问题,并给出数值反变换解. 作为特例,对于弹性试件分别采用级数展开法和留数定理进行反Laplace 变换,从而给出弹性夹层介质中应力波传播问题的解析解.     

圆杆中弹性应力波的傅立叶弥散分析

基于Ｐｏｃｈｈａｍｍｅｒ和Ｃｈｒｅｅ关于无限长圆杆中纵向谐波的三维弹性解析解，得到了关于圆杆中应力波弥散效应的快速傅立叶波谱分析方法和程序（ＦＦＴＤＳＰ），并利用二维轴对称动力学有限元分析程序（ＡＤＩＮＡ），论证了弥散分析方法和程序的有效性。利用这一弥散分析方法和程序（ＦＦＴＤＳＰ），研究了圆杆的物理和几何参数的变化对弹性波在圆杆中传播的弥散效应的影响。     

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。     

圆杆中弹性应力波的傅立叶弥散分析

基于Ｐｏｃｈｈａｍｍｅｒ和Ｃｈｒｅｅ关于无限长圆杆中纵向谐波的三维弹性解析解，得到了关于圆杆中应力波弥散效应的快速傅立叶波谱分析方法和程序（ＦＦＴＤＳＰ），并利用二维轴对称动力学有限元分析程序（ＡＤＩＮＡ），论证了弥散分析方法和程序的有效性。利用这一弥散分析方法和程序（ＦＦＴＤＳＰ），研究了圆杆的物理和几何参数的变化对弹性波在圆杆中传播的弥散效应的影响。     

应力脉冲在SHPB实验中弥散效应的数值模拟与频谱分析

在评判不同材料的整形器对加载波形的改进效果的应用背景下,对比研究了不同形态的应力脉冲在霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)中的弥散效应。利用有限元软件LS-DYNA建立了杆件的三维有限元模型,在杆端分别施加矩形、三角形和半正弦形的应力脉冲,分析了波形振荡、前沿升时和应力峰值随传播距离的变化规律,并运用频谱分析的方法进行了理论解释。结果表明:三角应力脉冲和半正弦应力脉冲在各个方面都比传统的矩形应力脉冲表现出了更小的弥散效应;半正弦应力脉冲在传播过程中比三角应力脉冲更能控制其形态,能有效地减少弥散效应,提高Φ100mm SHPB实验精度,是岩石类非均质材料的理想加载波形;频谱分析的方法能从理论方面有效地解释应力脉冲信号在SHPB实验中的弥散现象。由此可见,波形整形设计的理想目标为具有较宽历时的半正弦应力脉冲。     

Wave propagation in an elastic structure modeling a split Hopkinson pressure bar

The Laplace transform with respect to time is used to study the problem of loading wave propagation in a composite elastic structure modeling a split Hopkinson pressure bar. Experiments were performed to compare the theoretical and experimental results. The obtained results can be used as a basis for justifying the split Hopkinson pressure bar technique.     

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。     

SHPB试验中试件的轴向应力均匀性

针对SHPB试验中试件的轴向应力均匀性问题,采用一维弹性波理论,推导了具有任意形状前沿的入射波加载下,试件内应力的时空分布计算公式。以脉冲前沿的上升时间为参数,将矩形、梯形和坡形3种典型的输入脉冲统一表示为梯形波的形式,计算了不同入射波上升时间和不同试件-压杆波阻抗比情况下试件中的应力传播过程,得到了相应的应力均匀度时程曲线以及应力平衡时间。分析了入射波上升时间和试件-压杆波阻抗比对应力平衡时间的影响,得到了一些有意义的认识,为SHPB试验的设计与分析提供了一定的理论依据。     

楔形杆中弹塑性波的一种渐近展开式

据我们所知,楔形杆中弹塑性波尚未有很好的分析方法。对弹性波有文献[1,2]等,其中文献[1]研究了圆锥壳轴向撞击的波动问题,发现楔形杆是其很好的近似,故后者的研究对圆锥壳具有重要意义。文中采用拉氏变换方法求得两种特殊情况下(波阵面和冲击端附近,的渐近解,而一般情形下的解未能得到。也有人用WKB方法讨论了类似问题,但仅限于波长很短的情形,局限性很大。另外,文献[5]用正则摄动法研究了楔形杆的自振问题。 本文针对楔形杆(和圆锥壳)的特点建议了一种渐近展开式,并求解了弹性波和弹塑性波问题,并与其他一些方法及其结果进行了比较。     

Thermally generated stress waves in a dispersive elastic rod

The propagation of thermally generated stress waves in a dispersive elastic rod was investigated both experimentally and analytically. In the experimental investigation, the end of a circular colored-glass rod was heated very rapidly by the deposition of luminous energy from a Q-switched ruby laser. The light from the laser was directed parallel to the axis of the rod and deposited on the polished end of the rod. The depth of deposition was of the same order as the radius of the rod. The length of the energy pulse from the laser was 20 nsec. This results in heating at such a rate that it can be considered as instantaneous when compared to the mechanical response of the material used. The resulting stress wave was measured using a thin quartz crystal in a Hopkinson pressure-bar arrangement. Radial inertia precluded the use of the simple wave equation; Love's modified wave equation was used to describe the motion. The thermoelastic problem was reduced to a homogeneous partial differential equation with appropriate initial and boundary conditions which is solved by the separation of variables technique. The experimental results are in good agreement with Love's theory. The amplitude of the stress waves was found to be directly proportional to the total energy deposited. The very short stress pulses generated by Q-switched laser deposition on the end of the thin rod gave rise to the higher modes of longitudinal wave propagation. The existence of wave propagation in a thin rod at near dilatational velocities was experimentally confirmed. It is concluded that the experimental techniques developed can be used to model stress-wave generation due to electromagnetic-energy depositions. Also, laser deposition provides an efficient means for generating the higher modes of longitudinal wave propagation in thin rods. Paper was presented at 1968 SESA Spring Meeting held in Albany, N. Y., on May 7–10. This work was supported by the U. S. Atomic Energy Commission at University of California, Lawrence Radiation Laboratory, Livermore, Calif.