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.     

岩石SHPB实验加载过程中应力平衡问题分析

运用一维应力波理论,分析了弹性应力波在分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验中的传播过程,推 导出试件和压杆中应力分布相关计算公式。探讨了有关因素对试件应力平衡时间的影响规律,发现试件应力 平衡时间受试件/压杆广义波阻抗比和入射加载升时的影响显著,而不受试件/压杆截面积比和入射加载应力 幅值的影响。结合岩石SHPB实验,计算分析了不同入射加载应力幅值在不同入射加载升时情况下,试件达 到应力平衡时的应变变化特征,并提出了降低试件在应力平衡时的应变控制方法,使试件在未达到断裂应变 之前达到应力平衡,以保证实验的有效性。得出的结论对岩石类脆性材料SHPB实验方案设计具有一定的 参考意义。     

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。     

SHPB系统圆柱形试件的惯性效应分析

在对分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验系统试件惯性效应分析的基础上,增加了界面摩擦做功对试件惯性效应影响的分析．在理论分析的基础上,就如何减小摩擦效应、惯性效应对实验结果的影响,对SHPB试件尺寸比例的设计以及摩擦系数的选取作了进一步的分析,另外还对SHPB实验过程中,试件两端应力平衡情况做了初步的讨论．     

变形模式对多孔金属材料SHPB实验结果的影响

利用两种改进后的Hopkinson杆实验分别测得多孔金属材料冲击端和支撑端的应力.实验结果及高速摄影表明,随着撞击速度的增加,试件两端的应力均匀性变差,分别对应着泡沫材料的3种变形模式:准静态模式、过渡模式、冲击模式.实验得出在冲击模式下,冲击端与支撑端的应力与试件的厚度无关,但是与试件的密度有关.在多孔金属的高应变率实验中,变形模式对SHPB实验有很大的影响,轴向惯性(波动)效应会导致试件两端的应力不均匀,此时利用SHPB得出的实验结果将会是应变率效应和惯性效应的耦合,不能真实反映材料的动态力学性能(应变率效应).      

研究材料动态本构特性中的重要作用

在材料动态本构关系的研究中，不论是由波传播信息反求材料本构关系，即所谓解第二类反问题，还是利用应力波效应和应变率效应解耦的方法（如SHPB技术），应力波传播实际上都起着关键作用。在一般性讨论的基础上，就SHPB试验技术分析了应力波传播如何影响材料动态本构特性的有效确定。对于应力/应变沿试件长度均匀分布假定以及一维应力波假定，着重进行了分析。     

921A钢纯剪切帽状试件在SHPB实验中的动态变形

应用ANSYS/LS-DYNA软件,开展了一系列基于921A钢纯剪切帽状试件的SHPB数值模拟.结合SHPB系统应力波理论,研究不同加载速率v0(或应力脉冲I(t))下,特别是高应变率(约106 s-1)下的压杆轴向应变波形以及相应的试件动态变形特性,并对高速撞击下压杆中应变波形的适用性作了相关讨论.     

基于HJC模型的UHPC冲击压缩性能数值研究

为准确模拟UHPC在分离式霍普金森压杆(SHPB)作用下的动态力学行为,应用大型有限元程序LS-DYNA,结合UHPC的材料特性,校准了HJC模型中关键参数的取值,建立了基于SHPB试验的UHPC冲击压缩分析模型。在试验验证的基础上,优化了HJC模型中强度参数取值,探讨了强度参数A与参考应变率■之间的相关性,并建立了两者之间的表达式。结果表明:应用校准后的HJC模型计算得到的UHPC试件计算波形与实测波形基本吻合,计算波形能较好地反映反射波整形后上升阶段出现的近似水平加载平台;强度参数A的取值对UHPC动态损伤行为模拟影响较大,当参考应变率■一定时,计算波形和实测波形的吻合程度随强度参数A的增大表现出先提高后下降的趋势;强度参数A的合理取值随着参考应变率■的增大线性递增,基于回归分析建立的强度参数A与参考应变率■之间的表达式能较好地拟合数值分析结果并与试验大致吻合,可为UHPC材料应用HJC模型开展冲击压缩性能模拟提供参考。     

基于PVDF薄膜传感器的猪肝动态压缩力学性能测试

瞬态冲击载荷作用下肝脏的力学响应是损伤生物力学的重要研究内容。本文提出了一种可用于软组织动态压缩力学特性测试的改进SHPB(分离式霍普金森压杆,Split Hopkinson Pressure Bar)方法。该方法采用PVDF(聚偏氟乙烯,Polyvinylidene Fluor)压电薄膜传感器测量实验过程中试件两端面的受力,以此来计算试件的应力,从而无需测量透射杆上的微弱透射信号。猪肝试样前后端面的PVDF压电信号对比表明,加载过程中试样达到了动态应力平衡状态。试样动态压缩中的惯性效应主要在加载的初始阶段对透射应力信号造成较大影响,在大变形阶段惯性效应引起的轴向应力较小。利用此方法对猪肝组织进行三种高应变率(1800s^-1,2500s^-1,3500s^-1)的动态压缩实验,并采用基于真实应变的惯性效应公式对实验数据进行修正计算。结果表明:猪肝组织在准静态与高应变率时的应力应变曲线都呈现出凹向上的非线性特征,即曲线初始阶段应力增长较缓慢,当应变达到15%后应力值则迅速增大;猪肝组织也具有明显的应变率效应,即随着应变率的增加,应力应变曲线的整体应力值也随之增大。最后,采用黏超弹性本构模型描述了猪肝组织的动态应力应变曲线。     

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。     

大直径SHPB弥散效应的二维数值分析

采用轴对称动态有限元HONDO程序对大直径SHPB装置中压杆横向泊松效应引起的应力波弥散进行二维数值分析,并从以下三个方面讨论波形弥散的影响：（1）SHPB装置中压杆直径和杆长对弥散结果（主要是升时）的影响;（2）压杆中的波形弥散对试件应力-应变曲线的影响;（3）弥散对试件应变率的影响。分析表明,在直径SHPB弥散效应对实验结果的影响很大,必须考虑。     

Limiting conditions for compression testing of flat specimens in the split hopkinson pressure bar

The split Hopkinson pressure bar (SHPB) technique is analyzed during the initial stages of loading by means of axisymmetric finite element simulations of dynamic compression tests. Limiting strains as functions of the test parameters such as the specimen diameterd and heighth were found to ensure a one-dimensional stress state and axial stress homogeneity in specimens of elastic-perfectly plastic material. The one-dimensional stress state is necessary and sufficient for accurate test results for flat specimens (h/d≤0.5) and nonflat specimens, respectively, with diameters up to half of the bar diameter. Only very small values of the Coulomb friction constraint (μ≈0.01) seem to be acceptable. The significance of the determined limiting conditions to the more practical case of a rate dependent material is investigated using an elastic-viscoplastic material for the specimen. The stress and strain rate reconstructed from the calculated bar signals (according to the SHPB analysis) are compared with stresses and strain rates averaged over the cross section of the specimen. Well-known inertia corrections improve the results of the SHPB procedure, but errors remain for small strains and highly time dependent strain rates.     

SHPB测试中的均匀性问题及恒应变率

利用一维应力波理论对霍普金森压杆(SHPB)测试中的均匀性问题作了较为详尽的讨论,对测试中各种加载波形的优缺点及各参数对均匀性的影响进行了分析与评估。给出了测试脆性材料时实现恒应变率加载的加载条件。对在满足应力均匀性要求下SHPB的可测应变率范围作了讨论并修正了前人不完善的结论。讨论了考虑均匀性时应采用的测试数据处理方法。利用图解的方法对弹塑性材料测试时的均匀性问题及相应加载要求作了定性分析,指出对弹塑性材料,测试中的应变不均匀也应予以考虑。     

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。     

不同尺寸砂岩动态力学性质和应力平衡性的试验研究

采用大直径分离式霍普金森压杆系统获得的不同尺寸试样的实验冲击动态力学参数有差异,因此在直径100 mm压杆上进行了3种直径（50、75和100 mm）和5种长径比（0.4、0.5、0.6、0.8和1.0）的砂岩试样冲击试验,分析了不同尺寸试样应力-应变曲线和应变率曲线随尺寸的变化,提出了用于比较波形对齐重合度的波形叠加系数,并与应力平衡因子共同构建了动态应力平衡性研究体系,由此确定大直径霍普金森压杆试验的试样建议尺寸。同时,利用高速摄影机监测试样的动态破坏状况。结果表明:当长径比相同时,直径75与100 mm岩石试样的动态抗压强度测试值相近,直径50 mm试样具有更明显的长度效应;随着试样直径的增大,应变率曲线从单峰变为双峰;小尺寸试样更易发生轴向劈裂破坏,大尺寸试样受内部应力波叠加影响产生了较大的拉应力,易发生层裂拉伸和轴向劈裂的复合型破坏;对直径75 mm且长径比0.3~0.4的试样,波形对齐后重合度较高,在起始破坏前拥有充足的应力平衡时间,应变率加载效果较好。获得了砂岩试样冲击压缩试验的尺寸效应,可为大直径岩石试样的尺寸选择提供参考。     

High-rate Characterization of 304L Stainless Steel at Elevated Temperatures for Recrystallization Investigation

An integrated experimental technique was developed for high-rate mechanical characterization of 304L stainless steel at elevated temperatures by using a modified split Hopkinson pressure bar (SHPB). A sandwich structure consisting of two platens and the specimen in between was heated before mechanical loading while the bars were maintained at room temperature to eliminate the temperature gradient effect on the wave propagation in the bars. Upon contacting the cold bars, temperature gradients form in the platens, leaving the temperature in specimen constant and uniform. Pulse shaping techniques were employed to maintain constant strain-rate deformation and dynamic stress equilibrium in the specimen. Dynamic compressive stress-strain curves at elevated temperatures for the 304L stainless steel were obtained. To relate recrystallization to impact loading, a momentum trapping system was employed to apply a single loading on the specimen during one dynamic experiment. We also controlled the quenching time to study its effect on recrystallization.     

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.     

波形整形器在酚醛树脂的霍普金森压杆实验中的应用

利用霍普金森压杆在室温下进行了应变为 10 2 ～ 10 3 s-1的冲击压缩实验 ,同时采用波形整形器使入射波的上升沿变宽 ,更好地满足试件中应力应变均匀分布的条件 ,使实验更接近常应变率加载的条件。结果表明 ,酚醛树脂是一种应变率敏感材料 ,在室温下和高应变率下表现出冲击脆化的特征。