SHPB试验中岩石试件的端面不平行修正

为研究短圆柱体岩石试件端面不平行对岩石动力学特性测试结果的影响，采用有限元分析软件LS-DYNA对9种端面不平行度和5种杨氏模量的岩石试件开展SHPB(split Hopkinson pressure bar)试验数值模拟，对岩石选用HJC(Holmquist-Johnson-Cook)本构模型。数值模拟结果表明，当端面不平行度在0.40%以内时，端面不平行对动态应力测试结果的影响可忽略不计；但对动态应变测试结果的影响较大。当杨氏模量一定时，平均应变率测试误差和峰值应变测试误差随端面不平行度增大呈线性增大；当端面不平行度一定时，平均应变率测试误差和峰值应变测试误差随杨氏模量增大也呈线性增大。对数值模拟得到的平均应变率测试误差和峰值应变测试误差实施二元线性回归分析，提出了SHPB试验中端面不平行岩石试件平均应变率和峰值应变的修正公式。     

岩石压缩过程应力-应变-磁感强度效应的实验研究

为了弄清岩石挤压产生的磁感强度效应,将钕铁硼Nd-Fe-B磁芯分别植入圆柱形大理岩、石灰岩中,在其周围产生磁场.借助断裂使岩石导磁回路与磁强发生的改变,进行挤压过程中应力、应变和磁感强度三变量测试.研究结果表明:岩石裂隙变化能够引起磁感强度的改变,应力-应变-磁强存在一一对应的数值关系；达到最大应力前,大理岩、石灰岩周围磁感强度出现增大异常的破坏预兆；在岩石裂解阶段,应力-应变曲线与磁强-应变曲线的变化规律具有明确的反对称性.最后还建立了分段表达岩石应力-磁感强度拟合关系式.     

反射型云纹法在岩石爆破机理研究中的应用

利用反射型动态云纹实验方法，对爆炸载荷作用下岩石平板试件中应力波传播及裂纹动态扩展进行研究，给出了高速转镜相机记录到的岩石平板爆炸加载实验时的动态云纹图。根据动态云纹图分析了炸药爆炸产生的应变场，并对裂纹的形成及其扩展速度的变化趋势进行了讨论。     

准噶尔盆地火成岩动态冲击破碎特征研究

针对准噶尔盆地石炭系火成岩难钻地层,利用改进的立式霍普金森压杆装置,开展了准噶尔盆地石炭系的安山岩、流纹岩、凝灰岩、玄武岩四种火成岩的动态冲击破碎实验;分析了4种冲击速度及不同应变率下火成岩的动态峰值应力、破碎特征;建立了应变率与分形维数的关系。结果显示:动态峰值应力与应变率呈较好的正相关性线性关系,玄武岩在应变率为286.7s~(-1)时,动态峰值应力达到653MPa;随着冲击速度增大,岩石应变率持续增加,所有试样的破碎程度明显增大;在冲击速度为16m/s时,岩石试样应变率在157.8s~(-1)～296.3s~(-1)之间,破碎岩屑的平均破碎块度在16mm以下。分形维数能较好地描述岩石的破碎特征,随着应变率的增大,碎屑分形维数呈增大趋势;当应变率超过157.8s-1时,火成岩试样破碎岩屑的分形维数显著增大至1.5以上;在所有冲击破碎实验中,火成岩试样碎屑没有出现粉末状态。相同冲击条件下,四种火成岩中玄武岩表现出更高的强度,动态峰值应力更高。     

高应变率下的矿岩特性研究

本文采用霍普金森杆（S.H.P.B.）装置对三种磁铁矿和一种化岗岩在应变率为102～103S-1范围内的力学特性进行了研究。文中给出了矿岩在不同应变率下的动态破坏强度,动态弹性模量、动态应力-应变曲线和分析结论。     

考虑裂纹闭合效应的岩石损伤本构关系

岩石中的预存裂纹只有在一定的法向压应力即裂纹闭合应力的作用下才可能闭合，其闭合过程与其方位和外加应力场有关，并且，即使对于裂纹已经完全闭合的岩石，如果裂纹闭合应力不同，则岩石的应力应交关系也不相同。本文建立了考虑裂纹闭合效应的岩石细观损伤力学模型，分析了裂纹闭合应力对岩石损伤演化过程和应力应变关系的影响。数值结果表明裂纹闭合应力显著地改变岩石的应力应变关系，表现为随裂纹闭合应力的增加，岩石的轴向应变变化较小，侧向应变和体积应变则大为增加。     

基于裂纹扩展脆性岩石动力压缩力学特性研究

动态压缩荷载作用下，脆性岩石内部动态细观裂纹扩展特性，对岩石宏观动态力学特性有着重要的影响。然而，对岩石内部动态细观裂纹扩展与宏观动态力学特性的关系研究较少。基于准静态裂纹扩展作用下的应力-应变本构模型、准静态与动态裂纹扩展断裂韧度关系、裂纹速率与应变率关系模型及应变率与动态断裂韧度关系，提出了一种基于细观力学的动态应力-应变本构模型。其中裂纹速率与应变率关系，是根据裂纹长度与应变关系的时间导数推出；应变率与动态断裂韧度关系，是根据推出的裂纹速率及应变率关系，与裂纹速率及断裂韧度关系相结合而得到。研究了应变率对应力-应变本构关系及动态压缩强度影响。并通过试验结果验证了模型的合理性。讨论了岩石初始损伤、围压、模型中参数m、ε₀和R对应力-应变关系、动态压缩强度和动态弹性模量的影响。研究结果可为动态压缩荷载作用下深部地下工程脆性围岩稳定性分析提供了一定的理论支持。     

岩石对冲击载荷的动态响应

用Split-Hopkinson压力杆方法研究岩石的动态特性时,发现应力波通过破裂岩石试件产生的衰减和岩石动态强度的降低。本文考虑到修正的必要性,根据实验数据给出了一种分析和计算岩石动态强度的新方法,文中也给出了灰色砂岩和石灰岩的动态强度和动态应力应变关系,此外还分析讨论了影响动态强度的一些因素。     

岩石蠕变的应力-应变比分析

对岩石蠕变的应力-应变比分析方法进行了探索。蠕变是岩石重要的力学性质之一。岩石在各个应力水平下的蠕变曲线具有几何相似性。根据岩石蠕变的应力-应变比曲线可以近一步分析得到等时模量曲线。在岩石蠕变本构描述十分复杂、至今没有成熟的理论的情况下,应力-应变比分析方法具有十分重要的现实意义。     

测量土、岩石介质中的动态应力用的压电式应力计

本文介绍一种压电式应力计,它的主要性能是:测量量程为10-1000kgf/cm~2;响应时间小于7μs;线性误差小于士1％;综合应力测量误差小于±10％,该应力计可用于测量土、岩石和混凝土介质中的动态应力,也可用于测量动态力和流体介质中的动态压力。     

基于SHPB的UHPC冲击试验径向惯性效应分析

为探讨UHPC试件惯性效应对SHPB加载过程的影响，采用大型有限元分析软件LS-DYNA从试件直径、长径比以及恒应变率加载等角度出发，开展了相应的数值模拟与分析。通过对软件中Karagozian-Case-Concrete (KCC)损伤模型参数取值进行优化，建立了基于SHPB技术的UHPC材料冲击压缩数值模型并与试验验证。在此基础上，开展不同UHPC试件直径、长径比以及有无整形器下的参数分析，探讨其对SHPB试验中径向惯性效应的影响。结果表明:(1)为实现加载过程中一维应力传播和UHPC试件应力平衡，试件直径建议按0.90～0.95倍杆件直径取值；(2) UHPC试件长径比对试件加载过程中的应力平衡影响较小，但综合试件中钢纤维分布均匀性以及破坏前一维应力传播，建议按0.35～0.45取值；(3)实现恒应变率加载是UHPC材料在SHPB冲击试验中消除径向惯性效应的重要前提。     

DEVELOPMENT OF EXPERIMENTAL METHODS FOR IMPACT TESTING BY COMBINING HOPKINSON PRESSURE BAR WITH OTHER TECHNIQUES

The split Hopkinson pressure bar（SHPB） technique and the wave propagation inverse analysis（WPIA） technique are both extensively used to experimentally investigate the impact behavior of materials, although neither of them alone provides a fully satisfactory analysis. In the present paper, attention is given to new experimental techniques by incorporating a damagemodified constitutive model into the SHPB technique and combining the Hopkinson pressure bar（HPB） technique with WPIA. First, to distinguish the response due to dynamic constitutive behavior and the response due to dynamic damage evolution, the SHPB method incorporating a damage-modified constitutive model is developed, including an explicit damage-modified Zhu–Wang–Tang model and an implicit damage-modified constitutive model. Second, when the SHPB results become invalid, a method of combining new Lagrange inverse analyses with the HPB technique is developed, including cases of the HPB arranged in front of a long specimen and behind the specimen. As examples of these new methods, typical results are given for nonlinear viscoelastic polymers and concretes considering damage evolution, a super-elastic Ti–Ni alloy with phase transformation and an aluminum foam with shock waves propagating within it.     

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.     

SHPB加载下PTFE/Al冲击反应的临界条件

采用分离式霍普金森压杆（SHPB）加载方法和高速摄影技术，对混合压制烧结法制备的铝颗粒增强聚四氟乙烯复合材料（polytetrafluoroethylene/Al，PTFE/Al）的冲击反应临界条件进行研究。实验中采用钢杆、铝杆和不同尺寸的试样，进行不同加载条件下的测试，实验结果表明:PTFE/Al复合材料的冲击反应过程主要可分为变形、碎裂、反应阶段，其冲击反应临界同时关联于应力和应变率。并基于实验获得了PTFE/Al复合材料的冲击反应临界渐进线应力和应变率，通过对实验数据的归纳和分析，初步提出实验条件下关联应力和应变率的PTFE/Al临界反应关系式，获得冲击反应阈值预测曲线。     

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。     

Dynamic stress equilibration in split Hopkinson pressure bar tests on soft materials

The condition of dynamic stress equilibrium is not satisfied automatically when a split Hopkinson pressure bar (SHPB) is employed to determine the dynamic properties of soft materials. In order to develop guidelines for the proper design of SHPB experiments under valid testing conditions, an integrated experimental/analytical study has been conducted to examine the process of dynamic stress equilibrium in a soft rubber specimen. Dynamic compressive experiments on a RTV 630 and an ethylene-propylene-diene monomer rubber with a SHPB modified for soft material testing were conducted to determine the effects of specimen thickness and loading rate on the stress equilibrating process. An analytical model was employed to analyze the equilibrating processes observed in experiments. It is found that the incident loading rate dominates the initial non-equilibrium stress state, and the specimen thickness mainly affects the dynamic stress equilibrium after the initial stage.     

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.     

PVDF压电薄膜在应力波测量中的应用

综合介绍了PVDF压力传感器的测试原理、动态标定实验，并采用定制的PVDF压力传感器测量了不同类型分层介质在冲击载荷作用下的压力衰减，说明了PVDF压力传感器在压力测量中有着很好的前景．     

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。     

基于数字图像相关方法对冲击载荷下泡沫铝全场变形过程的测试

应用分离式霍普金森压杆(以下简称SHPB)和高速摄影装置研究了冲击载荷下泡沫铝试件全场变形的测量方法。使用SHPB对泡沫铝试件进行冲击压缩实验，同时用高速摄影装置对实验过程进行全程跟踪拍摄。将得到的高速摄影图像采用数字图像相关方法进行分析，由此可得到冲击压缩过程中泡沫铝试件全场应变的分布和变化规律。此研究揭示了冲击载荷下泡沫铝试件局部化变形的发展过程，为研究泡沫铝在不同冲击载荷下不同变形模式的内在机制提供了新的可靠的方法。