大直径SHPB装置的数值模拟及实验误差分析

介绍了用于混凝土冲击试验的Φ100SHPB装置。利用数值模拟和应变测试相结合的方法讨论了应力波在该装置中的传播特性。二维效应导致应力波在大直径SHPB装置传播过程的弥散现象。同时在实验的大部分时间内大尺寸试样的应力(应变)存在不均匀性。因此大直径SHPB装置进行混凝土冲击压缩应力-应变曲线的实验研究会产生误差。利用数值模拟分析了误差影响程度,同时验证了用混凝土试样应变和透射杆应力得到应力-应变曲线初始段的可行性。     

PVDF应力测量技术及在混凝土冲击实验中的应用

介绍了使用PVDF(polyvinylidene fluoride,聚偏二氟乙烯)应力计的应力直接测量技术。在SHPB装置上进行自制PVDF应力计动态压电系数的标定实验,分析了应力集中、横向泊松效应、摩擦效应对PVDF应力计信号及动态压电系数的影响。用PVDF应力计进行了混凝土的冲击压缩实验。利用混凝土前后端面PVDF应力计信号分析了实验过程中混凝土试样的应力均匀性。与应变计直测应变技术相结合得到了混凝土的动态应力-应变关系。     

浇铸类炸药应力应变曲线的SHPB测量

浇铸类炸药由于质地软、波阻抗及波速都很低，通过传统SHPB实验方法无法得到准确的应力应变数据。透射杆信号幅值过低、试样应力平衡均匀性不高以及大应变加载引起的入射波反射波重叠失效，是进行浇铸类炸药SHPB实验的难点所在。本文中对传统SHPB实验方法进行改进，在试样两端面加装石英晶体应力计，引入石英计所获得的应力数据与应变片测得数据共同对试样应力应变状态进行计算。该方法可以提高透射信号幅值，提供试样大应变加载，避免了入射波反射波重叠导致的信号失效问题，修正了SHPB实验过程中的应力时空不均匀性的影响，提高了实验结果的可靠性。利用改进后的实验方法对典型浇铸类炸药进行了实验研究，得到了较准确的应力应变曲线。     

高强混凝土动态压缩试验分析

准确测量混凝土动态压缩性能及其应变率强化效应一直是冲击动力学研究领域的重点和难点之一。针对混凝土大口径SHPB实验，分析探讨了其中几个主要问题:应力均匀性问题、恒应变率问题和端面接触问题。研究表明:对于此次试验中混凝土试件而言，应力均匀性假设限制试验最大应变率小于166 s?1；杆和试件端面接触不平和接触不良使得测算出的杨氏模量和屈服强度明显小于实际值；在此基础上，给出了五步测试法和预应力法；利用复合整形技术实现了近似恒应变率加载。利用以上所发展和改进的技术得到了C110混凝土动静态应力应变曲线，结果显示，在试验范围内混凝土杨氏模量并没有应变率效应，其单轴压缩屈服强度与应变率对数呈线性正比关系，其唯象应变率强化因子为0.10。理论分析表明，大口径SHPB试验所得混凝土应变率效应是一种唯象效应，对于混凝土类压力敏感屈服材料而言，应该根据其屈服面方程对其进行校正，从而得到其本构方程中材料的应变率强化因子，分别利用Tresca屈服准则和K&C本构中屈服面方程对其进行校正，得到C110材料的真实应变率强化因子分别为0.015和0.038。     

大尺寸Hopkinson压杆及其应用

本文介绍了国内最大尺寸的SHPB装置;讨论了在大尺寸SHPB装置上测量混凝土类材料动态力学性能将会出现的几个问题;采取了在入射杆的打击端加设波形整形器,在试件与杆件之间加设万向头及在试件上直接测量应变等新的实验技术及采用新的数据处理方法,提高了试验结果的精确度和可信度;简要介绍了利用ф100 SHPB装置对四种体积含量(0,2%,4%和6%)钢纤维高强混凝土进行三种应变率(10~20/s,35~45/s和75~85/s)的冲击压缩实验。实验结果表明,钢纤维高强混凝土具有较强的应变率效应,其破坏应力、峰值应变随应变率增加而显著增加,弹性模量也随应变率增加而增加。另外,钢纤维含量对混凝土具有增韧效应,随着钢纤维含量的增加,其韧性增大,脆性降低。     

混凝土类材料SHPB实验中确定应变率的方法

由于混凝土类材料在SHPB实验中很难实现恒应变率加载，为了确定非恒应变率加载下的实验数据所对应的应变率，本文中针对不同强度（C20，C45，C70）和不同钢纤维含量（0%，0.75%，1.50%，4.50%）的混凝土进行了SHPB实验。对实验得到的30组恒应变率加载下的数据进行了分析总结，结果表明:实验数据所对应的恒应变率与全段平均应变率之间存在一定的比值关系，从而混凝土类材料SHPB实验数据所对应的应变率可以采用全段平均应变率的1.38倍来表征。通过对比非恒应变率加载和恒应变率加载下得到的应力应变曲线，验证了该确定应变率方法的合理性，并指出较短恒应变率加载下实验数据对应的应变率直接采用短平台段对应的应变率来表征是不合理的。     

大直径SHPB实验中的高温加载技术及其应用

为研究材料的高温动态力学行为，提出一套由自主设计的温控系统和100 mm SHPB装置组成的高温SHPB实验系统，采用ANSYS软件对界面热传导及其对实验结果的影响进行了计算分析，论证了该实验技术的可靠性，并对混凝土的高温动态力学性能进行了研究。结果表明:在大直径合金钢材质SHPB装置上对混凝土等热惰性材料进行高温冲击实验，冷接触时间临界值为1.00 s，本文中提出的高温加载技术可将冷接触时间控制在0.50 s以内，实验技术可靠；同一加载速率下，随着温度从常温升到1 000 ℃，高温混凝土的动态应力应变曲线呈现出塑性变化趋势，动态抗压强度先提高后降低，动态峰值应变则不断增大。     

实现材料高应变率拉伸加载的爆炸膨胀环技术

设计了新型的爆炸膨胀环实验加载装置，加载装置中采用爆炸丝线起爆方式，避免了传统装置中对碰爆轰波加载时的应力不均匀性。利用新型的爆炸膨胀环实验技术研究了无氧铜材料的动态性能，利用激光位移干涉仪测量了试样环的径向速度历史，处理数据获得了无氧铜材料的流动应力-塑性应变-应变率的关系，为进一步利用爆炸膨胀环实验技术研究材料在高应变率拉伸加载时的本构关系奠定了基础。     

一种用于软材料测试的改进SHPB装置

本文提出了一种新的、用于测试橡胶、高弹体及高聚物软泡沫材料动态力学性能的SHPB改进装置。该装置取消了常见的入射杆而采用长杆弹直接撞击试件从而实现了持续的长时间加载，使得在相当大的应变率范围内试件的最大应变在一个加载过程中即可达到。配合该装置采用了瞬态响应优良、分辨率良好的光电式位移测试系统来测量试件的变形；为记录微弱的应变信号，在透射杆中使用了半导体应变片。本方案克服了传统SHPB在测试软材料时由于子弹长度限制带来的加载幅度不足及由于阻抗失配导致的应变信号微弱的困难；与采用高聚物杆的SHPB改进方案相比，本方案的测试结果也更为可靠。在试验装置中还运用了加载整形技术以改善试件中的应力均匀性。从测试结果看，该装置能有效地实现大变形范围、近似恒应变率持续加载以及相应的微弱应变信号的测量。     

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．     

Loading and unloading split hopkinson pressure bar pulse-shaping techniques for dynamic hysteretic loops

Pulse-shaping techniques are developed for both the loading and unloading paths of a split Hopkinson pressure bar (SHPB) experiment to obtain valid dynamic stress-strain loops for engineering materials. Front and rear pulse-shapers, in association with a momentum trap, are used to precisely control the profiles of the loading and unloading portions of the incident pulse. The modifications, ensure that the specimen deforms at the same constant strain rate under dynamic stress equilibrium during both loading and unloading stages of an experiment so that dynamic stress-strain loops can be accurately determined. Dynamic stress-strain loops with a constant strain rate for a nickel-titanium shape memory alloy and polymethyl methacrylate are determined using the modified SHPB. The modified momentum trap prevents repeated loading on a specimen without affecting the amplitude of the desired loading pulse and without damaging the bar at high stress levels.     

干燥和饱和混凝土动态力学特性及其机理

采用分离式Hopkinson杆装置，对混凝土进行干燥和饱和状态下的SHPB实验，并与准静态实验进行对比。结果表明:干燥和饱和混凝土均具有明显的应变率效应，中等应变率条件下的应力应变曲线上升段比准静态的曲线陡；饱和混凝土动态强度提高的幅度接近干燥混凝土的2倍，具有更强的应变率敏感性；存在一个应变率临界值，仅当应变率大于临界值时，饱和混凝土的动态强度才大于干燥混凝土的的动态强度；基于实验结果，给出了不同饱和度混凝土强度与应变率的关系。     

粗骨料粒径对混凝土动态压缩行为的影响研究

粗骨料作为混凝土材料组成最主要的部分,对混凝土力学性能和破坏模式有着很重要的影响。为了研究粗骨料平均粒径对混凝土动态力学性能的影响规律,针对不同平均粗骨料平均粒径（6、12、24 mm）的混凝土和砂浆材料进行了一系列SHPB试验,得到了不同应变率下各试件的应力-应变曲线,并对每种材料的动态增长因子（dynamic increase factor,DIF）与应变率的对数进行了线性拟合。结果表明:砂浆和混凝土材料的抗压强度具有明显的应变率效应,其动态抗压强度随着应变率的增加而逐渐增大,应力-应变曲线呈现相似的变化趋势;在相同的动态应变率条件下,平均粗骨料粒径为12 mm的混凝土的动态抗压强度最大,这与准静态条件下砂浆抗压强度最大截然不同;不同粗骨料粒径混凝土材料的应变率强化系数均大于砂浆材料,且随着粗骨料无量纲尺寸的增大,混凝土材料的应变率强化因子呈现先增大后减小的趋势。     

Comparison of Low Impedance Split-Hopkinson Pressure Bar Techniques in the Characterization of Polyurea

The split-Hopkinson pressure bar (SHPB) technique has been widely employed for over fifty years in characterizing the high strain-rate properties of many common engineering materials. Historically, however, this technique has had limited success in characterizing soft materials, since their low mechanical impedances can increase delays in attaining dynamic equilibrium and result in transmission pulses with extremely low signal-to-noise ratios. Due to interest in improving characterization of soft materials at high strain rates, numerous modifications to the traditional SHPB technique have been proposed. These include: using more sensitive piezoelectric gauges, employing hollow transmission bars, utilizing lower impedance polymeric pressure bars, and the use of pulse shaping techniques. To date, there has been no comparative studies or consensus within the SHPB community as to which approach is most advantageous. The goal of this investigation is to compare a number of these techniques, specifically the use of PMMA pressure bars and a hollow aluminum transmission bar (both with and without pulse shaping), alongside more traditional solid aluminum pressure bars in the characterization of polyurea, a common low impedance polymer. The advantages and disadvantages of each technique in generating high strain-rate stress-strain curves are discussed.     

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10~4s~(-1)以内应变率的动态力学性能.在超过10~4s~(-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103～10~5s~(-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1 400～75 000 s~(-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.     

粉末烧结钨合金材料的绝热剪切研究

在分离式霍普金森压杆装置上对斜圆柱粉末烧结钨合金试件进行了冲击实验,由于斜圆柱结构中剪切分量在冲击压缩中的持续作用,实验中观察到了宏观破断现象。利用光学显微镜和扫描电子显微镜分别对试件断面和试件的纵截面进行了分析,观察到了贯通钨颗粒的绝热剪切带这一变形局部化现象。对粉末烧结钨合金绝热剪切破坏机制进行了分析。     

炮钢材料等离子淬火后动态力学性能研究

为提高炮钢材料在较高冲击作用下的动态力学性能,采用等离子淬火技术对炮钢材料进行表面处理,并使用分离式霍普金森压杆(SHPB)系统对原始炮钢材料与等离子淬火后的炮钢材料进行对比分析,方法为对两种试样在试验前后的长度压缩量以及二者在不同应变率下的动态应力-应变曲线进行比较。结果表明,随着应变率的增加两种试样的应力-应变关系、屈服强度都有不同程度的强化效应,都表现出一定的应变率敏感性;在相同气压下两种试样在长度方向上都产生了一定的塑性变形,但淬火试样的压缩量明显小于原始试样。并且气压相同时试样经过等离子淬火后其抗冲击性能有显著提升,具体表现为应变与应变率降低,屈服强度与极限强度升高。