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。     

用经典Hopkinson杆测试弹性模量的初步探讨

采用一维弹性应力波理论,实现了经典Hopkinson杆试验的计算机模拟,研究了试验"测得"(重构)的应力-应变曲线的精确度,并结合具体试验进行了分析.由于经典Hopkinson杆试验的基本计算公式中引入了"应力均匀性"假设,因此在有限应变范围内,重构的应力-应变曲线总是和输入(真实)曲线差异较大.结果表明,采用经典Hopkinson杆测量的弹性模量是不可靠的,因此实践中应慎用.     

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。     

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。     

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。     

脆性材料中应力波衰减规律与层裂实验设计的数值模拟

对混凝土、岩石类脆性材料的层裂实验进行了有限元模拟,研究了应力波在此类材料中传播的衰减规律,包括两类机制:弹性波因大尺寸试样的几何弥散产生的小幅度线性衰减、与应变率相关的黏塑性波因本构关系导致的指数衰减。在此基础上,提出了包含常数项的指数型应力波峰值拟合公式。建议采用可以忽略应力波衰减影响的细长形试样进行层裂实验。混凝土类脆性材料层裂破坏模拟结果显示,有限元模拟得到的层裂片厚度与一维应力波理论得到的结果非常吻合,验证了按一维应力波理论确定层裂强度的实验方法的有效性。通过对比3种不同入射波形下层裂片的形状和净拉应力波形,发现不对称的入射波形状更有利于实验获得平直的层裂断面和较准确的层裂强度。     

压杆/试样表面接触变形对SHPB实验应变测量的影响

采用SHPB（split Hopkinson pressure bar）实验技术测量了3种不同尺寸纯铁试样的动态压缩应力应变关系,根据实验结果提出一个经验模型,定量分析了SHPB实验中压杆/试样表面接触变形对应变测量的影响。分析表明,在轴向应力平衡条件下,表面的接触变形对弹性段的应变测量影响显著;对塑性段应变测量的影响与试样的强化模量和长度相关,当试样强化模量较大而长度较小时,这种影响将不可忽略,可根据影响量的经验分析模型对应变进行修正。     

三点弯曲试样动态应力强度因子计算研究

利用Hopkinson压杆对三点弯曲试样进行冲击加载,采集了垂直裂纹面距裂尖2mm和与裂纹面成60°距裂尖5mm处的应变信号。根据裂尖附近测试的应变信号计算试样的动态应力强度因子,并与有限元计算结果进行比较,结果表明由于裂尖有一段疲劳裂纹区,通过裂尖附近应变信号来计算动态应力强度因子时,如果裂尖位置确定不准及粘贴应变片位置不够准确对计算结果将带来很大影响。因此利用应变片法计算动态应力强度因子时,为了获得更准确的计算结果,在实验后应对试件裂纹面进行分析测量,重新确定裂尖位置,必要时需对应变片至裂尖距离进行修正后再计算动态应力强度因子值。     

某船用钢动态弹塑性断裂韧性的试验测试

描述了利用Hopkinson压杆技术加载三点弯曲试样测试材料动态弹塑性断裂韧性的试验方法。材料的动态应力－应变行为测试在SHPB装置上进行，试样上的动态载荷历史由Hopkinson压杆直接测得，在此基础上，利用自行编制的ANSYS宏程序计算得到J积分历史；与起裂时间相对应的J积分值，即为动态弹塑性断裂韧性。采用上述方法进行了某船用钢的动态断裂试验，首次获得了该钢的动态弹塑性断裂韧性值，为舰船的抗爆能力计算，防动态断裂设计和安全评定提供了基础数据。     

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。     

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。     

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.     

Full Field Strain Measurement in Compression and Tensile Split Hopkinson Bar Experiments

The 3D image correlation technique is used for full field measurement of strain (and strain rate) in compression and tensile split Hopkinson bar experiments using commercial image correlation software and two digital high-speed cameras that provide a synchronized stereo view of the specimen. Using an array of 128 × 80 (compression tests) and 258 × 48 (tensile tests) pixels, the cameras record about 110,000 frames per second. A random dot pattern is applied to the surface of the specimens. The image correlation algorithm uses the dot pattern to define a field of overlapping virtual gage boxes, and the 3-D coordinates of the center of each gage box are determined at each frame. The coordinates are then used for calculating the strains throughout the surface of the specimen. The strains determined with the image correlation method are compared with those determined from analyzing the elastic waves in the bars, and with strains measured with strain gages placed on the specimens. The system is used to study the response of OFE C10100 copper. In compression tests, the image correlation shows a nearly uniform deformation which agrees with the average strain that is determined from the waves in the bars and the strains measured with strain gages that are placed directly on the specimen. In tensile tests, the specimen geometry and properties affect the outcome from the experiment. The full field strain measurement provides means for examining the validity and accuracy of the tests. In tests where the deforming section of the specimen is well defined and the deformation is uniform, the strains measured with the image correlation technique agree with the average strain that is determined from the split Hopkinson bar wave records. If significant deformation is taking place outside the gage section, and when necking develops, the strains determined from the waves are not valid, but the image correlation method provides the accurate full field strain history.     

Hopkinson拉杆试验的优化与高导无氧铜拉伸本构关系的确定

为有效测量试件中的应力、应变及应变率,Hopkinson拉伸试验(TSHB)必须作优化分析,所进行的数值模拟涉及试件与杆件等连接对于实验结果的影响.为减小上升前沿、惯性效应且使试件处于一维应力及均匀应力与应变状态,优化的试件具有一定的长度与形状要求.对于高导无氧铜,由准静态试验及不同应变率与温度的优化TSHB试验得到一...     

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。     

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。     

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。