纤维增强复合材料高应变率拉伸实验技术研究

本文对基于分离Hopkinson杆的反射式纤维增强复合材料动态拉伸实验技术进行了研究讨论。对加载杆中可能影响拉伸应力波波形实验分析的所有干扰波进行了较系统地定量分析研究,认为产生于试样端头与加载杆界面处的两主要干扰波对希望得到的应力波的测量和判别具有严重的不利影响,因此拉伸实验设计必须避开该主干扰波的重叠影响。文中对动态拉伸实验装置、实验要求及信号采集等作了分析。根据对试验结果的分析,针对复合材料动态拉伸实验技术的若干问题提出了一些处理方法和建议,诸如干扰波的规避、冲击信号合理测点的选取、加载杆长度匹配、复合材料拉伸试样的设计要求以及加载连接等问题。这些方法和建议包括在加载杆特定段上贴应变片,考虑到实验的准确性一般不用反射波进行数据计算处理,尽量缩短试样标距等。     

基于平台圆环试样的无机玻璃动态拉伸性能研究

无机玻璃的拉伸强度往往远小于压缩强度，服役过程中玻璃大多会发生拉伸断裂.论文采用平台圆环(flattened circular ring, FCR)试样测试钠钙硅酸盐玻璃的拉伸性能.分别利用电子万能试验机和电磁分离式Hopkinson压杆(electromagnetic split Hopkinson pressure bar, ESHPB)开展准静态、动态单轴单向和单轴双向实验，加载过程中采用高速相机对试样的破坏过程进行观测.结果显示，该材料试样强度具有明显的正加载速率相关性.动态单轴双向加载可比单向加载更快实现应力平衡，但两种应力波加载方式下试样的动态拉伸强度大致相同.高速摄像与动态加载同步分析表明，这是因为试样的裂纹产生时刻与应力峰值时刻几乎同时产生.对三种形式的拉伸实验结果进行对比，发现拉伸强度受试样形状影响，这与试样断裂路径上的拉伸应力分布有关.     

大理岩动态拉伸强度及弹性模量的SHPB实验研究

提出了获取脆性材料动态拉伸强度及弹性模量的实验步骤及相关记录数据的分析方法。利用直径为100mm的分离式Hopkinson压杆径向冲击巴西圆盘和平台巴西圆盘试样,测试了大理岩在高应变率加载下的动态力学性能。应力波加载下动态劈裂拉伸圆盘在试样中心产生了约45/s的拉伸应变率。分析了实验的有效性并考虑了试样两个端面应力波波形差异的影响以提高实验结果的精度。结果表明准静态下的公式可适用于动态劈裂拉伸实验;大理岩的动态拉伸强度及弹性模量比静态时有明显的增加。     

高温高应变率下材料拉伸性能测试的一种新方法

为了实现高温环境下材料高应变率动态拉伸实验技术,将分离式Hopkinson杆直接拉伸装置中试样与拉杆的螺纹连接形式变成楔形连接形式,并加装了气动同步装置系统。这样,在对试样加高温时,能使靠近试样的入射和透射杆端处于较低温度。当撞击管向传递法兰运动时,气动同步装置瞬间拖动透射杆和试样,使两者之间的间隙为零,此时沿入射杆传递的入射波同时对试样拉伸加载。经实验验证,此方法可以有效实现材料高温高应变率拉伸加载。     

一种新的高应变率复合压剪实验技术

提出了一种新的基于Hopkinson杆实验技术的在102~103s-1高应变率下实现压剪复合加载的实验装置,并给出了相应的理论分析和数值模拟。为了获取材料在复杂应力下的本构关系,借助斜飞片冲击实验的思想,对Hopkinson杆进行改造,将入射杆的末端改进为截锥形,以便在试样中同时产生压缩和剪切应力。利用有限元分析软件LS-DYNA对试样中的应力波传播进行模拟计算,并利用改进装置进行了初步实验。计算和分析结果表明,利用所设计的装置可以实现对试样的动态压剪复合加载,获得材料在高应变率复杂应力加载下的本构响应,进而建立材料在复杂应力状态下本构行为的描述。     

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。     

材料超高温动态拉伸SHTB实验方法的有效性分析

针对高温拉伸分离式Hopkinson杆实验技术,通过数值模拟、实验验证以及几种典型材料的高温动态拉伸性能测试相结合的方法,对此实验技术中存在的几个关键问题进行了深入研究。结果表明:对于平板状钩挂式拉伸试样,通过标距段尺寸优化后,应力分布均匀,流动应力曲线与螺纹拉伸试样一致,且应力上升段后没有剧烈跳动;通过精确气动控制,在加载脉冲到来同时,可实现有效的试样快速同步组装和加载;当试样温度为1 200 ℃时,在冷加载杆与高温试样接触以及应力波加载试样的整个过程中,试样平均温度下降约1.3%,而加载杆端温升低于180 ℃。为了验证此实验技术,对3D打印TC4、镍基单晶高温合金DD6进行了最高温度约1 200 ℃时的高温动态拉伸力学性能实验测试。     

高温分离式Hopkinson压杆技术及其应用

本文介绍了在分离式Hopkinson压杆装置上通过使用一种气动同步机构,实现对试样进行高温高应变率加载的技术。利用此技术仅对试样加高温度而保持入射杆和透射杆与试样脱离且处在较低温度,到预定温度时,借助气动同步机构使入射杆、透射杆与试样接触并同时实现对试样加载。利用波形抑制技术,仅对试样实现一次加载,入射杆中的后续二次加载波通过反作用质量块吸收。通过这些技术的结合,1)可以进行材料在高温高应变率下应力应变测试;2)可以测试材料在高应变率不同温度下的等温曲线;3)可以间接对材料的塑性功热转换系数进行测试;4)可以进行不同温度高应变率下的中断跳跃试验等。在文中给出了一些典型的试验曲线和结果,并对测试方法和结果进行了分析讨论。     

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。     

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 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.     

电磁霍普金森杆实验技术及研究进展

电磁霍普金森(E-Hopkinson)杆实验技术是利用电磁驱动的方式替代了传统霍普金森杆中子弹撞击加载杆来产生应力波, 是电磁驱动技术与霍普金森杆实验技术相结合而发展起来的一种新的动态加载技术. 本文综述了E-Hopkinson杆实验技术在单轴单向/双向及动态双轴对称压缩/拉伸、复合材料的层间断裂、金属动态包辛格效应等领域的应用现状, 涵盖了实验研究, 理论分析及数值模拟等, 最后对该实验技术未来发展方向进行了展望.      

Mechanical behavior of metals under tension- compression loading at high strain rate

By using a new technique based on a split Hopkinson pressure bar method, a sequenced reverse test (quasi-static tensile prestress, followed by dynamic compression and then followed by dynamic tension) at high strain rate was performed and tension-compression stress-strain relations were derived by using one-dimensional stress wave analysis. Three materials, 2017 aluminium alloy, 0.45% carbon steel, and pure aluminium, were investigated at low and high strain rates, and the strain rate effect on the reverse loading stress-strain curves was compared to that on the loading stress-strain curves. It was found that reduction of yield stress is always associated with load reversals, and the strain rate effect on the reverse loading (tension) is almost the same as that during loading (compression) at higher values of reverse deformation.     

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。     

石英玻璃杆Taylor撞击实验的数值模拟

采用离散元方法模拟石英玻璃杆Taylor撞击问题,再现了其破坏过程:在撞击端,杆以压缩失效波的形式破坏;在自由端,出现了密集的拉伸层裂破坏. 分析表明:层裂是失效波阵面应力快速下降引起的追赶卸载波,与弹性压缩前驱波在自由端反射引起的迎面卸载波相互作用的结果;随着撞击速度的增大,撞击端失效波造成的压缩破坏区域损伤程度增大,反射端层裂破坏损伤区域减小. 进一步对失效波阵面的结构变化及其波速问题进行了研究,发现失效区域随着扩张变成一段裂纹逐渐由密到稀的区段,将此区段分为高损伤区和低损伤区,研究发现由稀疏微裂纹组成的低损伤区的前端面传播速度和弹性前驱波速基本相同,为固定值;而高损伤区前端面的裂纹密度随着传播距离的增加变稀,直至过渡为低损伤区,其传播具有显著的速度衰减、端面模糊直至停止的过程. 高损伤前端面的平均速度随着撞击速度的增大而增大,并逐渐趋近于弹性波速. 最后与已有实验做了对比,发现实验中高速摄影观察到的玻璃中"失效波"阵面实际上是高损伤前端面,而稀疏的低损伤微裂纹很难捕捉.      

薄壁管预扭冲击拉伸实验装置的研制

材料在复合应力下的拉压或扭转行为常常与单轴拉压或者单轴扭转应力下不同,拉压以及扭转常体现出相互影响的特点。而复合应力下的塑性波可以有效地反映材料在复合应力下的本构行为特点。本文通过对霍普金森压杆进行改造,建立了一套薄壁管预扭冲击拉伸的实验装置,可以在薄壁管内产生拉扭耦合塑性波,并对率相关材料304不锈钢进行了薄壁管预扭拉伸实验研究,得到了该材料的拉扭耦合塑性波。结果表明,304不锈钢薄壁管的拉扭耦合塑性波具有明显的耦合快波和耦合慢波的双波结构,并且快波慢波之间没有恒值区间隔。同时也表明,该装置可以实现预期效果,并且可以有效避免薄壁管屈曲的产生。     

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.