圆杆中弹性应力波的傅立叶弥散分析

基于Ｐｏｃｈｈａｍｍｅｒ和Ｃｈｒｅｅ关于无限长圆杆中纵向谐波的三维弹性解析解，得到了关于圆杆中应力波弥散效应的快速傅立叶波谱分析方法和程序（ＦＦＴＤＳＰ），并利用二维轴对称动力学有限元分析程序（ＡＤＩＮＡ），论证了弥散分析方法和程序的有效性。利用这一弥散分析方法和程序（ＦＦＴＤＳＰ），研究了圆杆的物理和几何参数的变化对弹性波在圆杆中传播的弥散效应的影响。     

杆杆型冲击拉伸试验装置的二维轴对称弹塑性有限元分析

对带有哑铃状圆柱形试件的杆杆型冲击拉伸试验装置,建立了含有多个物理和几何间断面的二维轴对称弹塑性有限元模型,采用动态增量非线性有限元程序ＡＤＩ－ＮＡ,进行了数值模拟模拟分析,揭示了应力波在试验系统中的传播规律,在弹性框架内初步论证了杆杆型冲击拉伸试验装置测试原理的有效性。     

圆杆中弹性应力波的傅立叶弥散分析

基于Ｐｏｃｈｈａｍｍｅｒ和Ｃｈｒｅｅ关于无限长圆杆中纵向谐波的三维弹性解析解，得到了关于圆杆中应力波弥散效应的快速傅立叶波谱分析方法和程序（ＦＦＴＤＳＰ），并利用二维轴对称动力学有限元分析程序（ＡＤＩＮＡ），论证了弥散分析方法和程序的有效性。利用这一弥散分析方法和程序（ＦＦＴＤＳＰ），研究了圆杆的物理和几何参数的变化对弹性波在圆杆中传播的弥散效应的影响。     

冲击拉伸实验装置的研制及其试验研究

材料动力学试验技术远比准静态力学中的复杂,为了模拟各种速率的冲击加载过程,试验装置设计就成为关键问题之一.特别是针对材料动态拉伸性能的测试,目前的冲击拉伸装置还没有统一标准,因此本文基于一维弹性应力波原理设计了一套双气室间接杆-杆型冲击拉伸试验装置.该装置采用了双气室对称布置的方式,通过气体转换器实现气路的转换,克服了现有气动式冲击拉伸设备结构复杂、密封要求严格的缺点.本文利用该装置对2A12T4铝合金试件的冲击拉伸性能进行了测试,并数值分析了应力波在杆系和试件中的传播效应.通过试验测试和数值分析论证了该冲击拉伸装置实验的可靠性和设计的合理性.     

波分离技术在混凝土冲击压缩试验中的应用

介绍了SHPB实验中的波分离技术基本原理,该方法利用两相距很近应变计测量信号分离重叠的入射波和反射波。由于两应变计的距离很近,在弹性杆可以忽略应力波传播的弥散。由于应变计的位置可以非常接近试样,减少了实验中因应力波弥散产生的误差。利用该方法对混凝土进行了冲击压缩实验研究,得到了混凝土的动态应力-应变关系。讨论了测量误差导致波分离技术的误差。     

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。     

岩石对冲击波的非线性动态响应

对干燥、饱水、饱泵油大理岩和饱和砂岩进行了SHPB冲击压缩实验,得到了干燥岩石和饱和岩石的应力波衰减规律。在应力波传播过程中,其幅值有较大的衰减,干燥岩石的衰减最大,且孔隙度越大衰减越大,饱和岩石还存在较强的波弥散效应。在小于岩石屈服强度时,多次冲击加载下获得随冲击加载次数的增加,加载模量增大,残余应变减小的压实效应。这一结果可用于大型地震工程和防护工程的设计和建造。     

Mo-ZrC梯度金属陶瓷的冲击响应行为

分层梯度材料特定的梯度变化能有效增强材料性能。为研究梯度结构、冲击方向对分层梯度材料冲击响应的影响，利用分离式霍普金森压杆结合高速摄影技术对Mo-ZrC分层梯度金属陶瓷进行了动态压缩实验，基于数字图像相关技术讨论了梯度结构、冲击方向对金属陶瓷材料破坏模式的影响，利用Mori-Tanaka理论计算得到金属陶瓷等效性质，结合应力波理论研究波在分层梯度复合材料中的传播规律。结果表明：(1)相同加载条件下，梯度结构对材料的强度、韧性和破坏产物的完整性具有重要影响，在冲击过程中，样品响应可以分为压紧阶段、裂纹成核发展阶段和贯穿阶段，对于不同梯度结构和冲击方向，样品在加载过程中呈现出不同的破坏时序和失效模式；(2)利用数字图像相关方法跟踪分层梯度陶瓷的局部变形发展，分析发现局部增量达到临界状态后，局部变形发展转化为微裂纹的形成和累积，最终导致整体性破碎失效；(3)通过分层梯度材料一维应力波传播理论推导得到，改变冲击梯度方向对应力波透反射系数存在一定影响，不同梯度结构设计对改变冲击梯度方向敏感性不同，且存在极值情况。     

杆杆型冲击拉伸试验装置一维试验原理有效性的论证

本文对杆杆型冲击拉伸试验装置建立了简化的含有多个轴向和环向的物理和几何间断面的空间轴对称线弹性动力学系统模型，用二维有限差分法和自编的ＢＢＩＤ－Ⅱ程序进行数值分析，并提出双虚边界法来计算物理间断面上的位移。用多种方法，特别是通过将包含内部界面的非均质变截面二维轴对称圆杆的泊松比退化为零，然后求得其差分数值解，再将此差分数值解与一维等效简化变截面非均质圆杆的解比较的方法，对有限差分方法和有限差分程序ＢＢＩＤ－Ⅱ进行了较充分的考核。数值分析成功地模拟了弹性应力波作用下的冲击拉伸试验过程，在线弹性的框架内论证了杆杆型冲击拉伸试验装置的试验原理成立的基础和条件     

Hopkinson曲杆型双向拉伸加载设计探讨

为了实现对材料或结构的双向高应变率同步拉伸加载,基于曲杆中弹性应力波传播理论和Hopkinson杆原理,首先在对称的人字形曲杆结构中同时产生和传递两路压缩波,再经过接触转接头反射形成沿拉伸加载杆传播的双向拉伸波,实现对试样的双向动态拉伸。同时,为理解人字形曲杆几何构形对弹性压缩波传播的影响规律,对该加载装置进行了动力学分析和ABAQUS有限元模拟。研究发现,理想方波构形的压缩弹性波经过曲杆传播后,方波的平台段随着杆弯曲角度的增大出现前高后低的倾斜现象,同时大曲率杆引起的波形失真更严重。为获取常规方波或梯形波的平台段,也可采用定量优化的锥形撞击杆,产生前低后高的加载波,来抵消曲杆传递中的倾斜失真。最后,为了验证该加载系统的有效性,搭建了小型人字形曲杆高应变率双向拉伸装置进行试验测试。结果表明,该装置实现了脉宽约为54 μs的双向拉伸加载波良好的同步,两路波形起始点时间差可以控制在约2.5 μs以内,幅值差约6×10?6。同时对2024铝合金试样进行了双向拉伸试验,取得良好的试验效果。     

The TSHB technique for material testing at high rates of strain

The material testing technique of Torsional Split Hopkinson Bar (TSHB) is investigated in this paper. It can solve nearly all the problems of Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB). Furthermore, accurate experimental results can be obtained in large deformation condition. In this paper some dynamic stress-strain curves of some engineering materials are also given which are obtained from a TSHB apparatus made by ourselves.Projects Supported by the Science Fund of the Chinese Academia Sinica.     

Thickness Effect of Pulse Shaper on Dynamic Stress Equilibrium and Dynamic Deformation Behavior in the Polycarbonate Using SHPB Technique

0Introduction Thehighstrainratestress strainresponsesofpolymersandpolymericcompositematerialshave receivedincreasedscientificandindustrialattentioninrecentyears.Polymericmaterialsaresubjected todynamicloadingandhighstrainratedeformationinavarietyofimporta…     

脆性颗粒材料的应变率效应机理研究

利用分离式Hopkinson压杆（SHPB）,对干燥石英砂进行了被动围压下的动态压缩实验,发现石英砂表现出了明显应变率效应。通过激光粒度分析测量了动静态压缩后的试件的级配曲线,发现同一应力水平下准静态压缩比动态压缩后的试件的颗粒破碎量更大。而通过拟合相对破碎率与外力功之间的关系,发现准静态压缩在颗粒破碎方面能量利用率更高也即破碎效率更高,而这正是脆性颗粒材料应变率效应的本质原因。     

粘弹性Hopkinson压杆中波的衰减和弥散

研究了线性粘弹性Hopkinson压杆中由于粘性效应和横向惯性效应引起的就力波衰减和弥散。导出计及横向惯性效应的线性粘弹性杆中纵波控制方程和应力解应变解，进而导出表征波衰竭和弥散性质的纵波传播系数的修正公式。这一修正公式计入粘性效应和几何效应，与Bacon公式相比，其形式简单，更便于在实验数据处理中应用。最后利用实验方法测定了有机玻璃杆的传播系数。     

中高应变率下EPS泡沫的冲击压缩实验

用SHPB装置对三种密度的发泡聚苯乙烯(Expanded Polystyrene,EPS)材料进行了从300/s至1400/s共五个中高应变率下的冲击压缩实验。实验中采用波分离技术有效延长应力-应变曲线的测量范围,并简要介绍了其原理和具体实施办法。所有应变率下均获得了含有弹性段、平台屈服段和压实段完整三阶段的应力-应变曲线。曲线的重复性较好,应变率基本恒定。实验结果表明,相同密度EPS泡沫应力-应变曲线的屈服平台段长度随应变率的增加而增加,且趋于平缓。在相近应变率下,随EPS泡沫的密度增加,屈服应力增加,而变形及吸能能力减弱。     

Split Hopkinson Pressure Bar Graphical Analysis Tool

An open-source Split Hopkinson Pressure Bar graphical data analysis tool has been developed. Written in Matlab®, the code can be freely distributed either as an executable binary or editable Matlab files. Beginning with raw voltages from two strain gages along with the incident/transmitted bars’ mechanical and geometrical properties, the user can visually analyze forces and displacements at the bar faces and the stresses and strains in the specimen. Wave dispersion and modulus correction are available in this package. A modest documentation and video tutorials accompany the software.     

带有哑铃状扁平形试件的杆杆型冲击拉伸试验系统的三维弹塑性有限元分析

对带有哑铃状扁平形试件的杆杆型冲击拉伸试验系统,建立了含有个物理和几何间断面（包括内部交界面）的三维弹塑性有限元模型,采用动态增量非线性有限元程序ＡＤＩＮＡ对该模型进行了数值分析。在弹塑性框架内初步论证了杆杆型冲击拉伸试验装置一维测试原理有效性及其近似成立的条件,并与文献「１」进行了比较。     

硬质聚氨酯泡沫塑料本构关系的研究

介绍用大尺寸分离式Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆对四种密度的硬质聚氨酯泡沫塑料进行高应变率实验，完整地给出了这种材料在１０３／ｓ高应变率下的包括弹性区、屈服区和致密区变形全过程的动态应力应变曲线，并提出了包括应力、应变、应变率和密度等参量的本构关系．     

Three-dimensional effects on the dynamic fracture determination of Al 7075-T651 using TPB specimens

Here we present a numerical analysis of three-dimensional effects on the dynamic three-point-bending fracture tests on Al 7075-T651 alloy specimens performed in a modified Split Hopkinson Pressure Bar. Using the Finite Element Method implemented in a commercial code the whole experimental device has been modeled. Different thicknesses and initial crack-to-width ratio specimens are simulated at different impact velocities to study the possible effect on the Crack Mouth Opening Displacement and, using a local stress fracture criterion, in the critical Stress Intensity Factor. The numerical results are compared with experimental results found by the authors.     

Mechanical Properties of Ballistic Gelatin at High Deformation Rates

The characterization of soft or low impedance materials is of increasing importance since these materials are commonly used in impact and energy absorbing applications. The increasing role of numerical modeling in understanding impact events requires high-rate material properties, where the mode of loading is predominantly compressive and large deformations may occur at high rates of deformation. The primary challenge in measuring the mechanical properties of soft materials is balancing the competing effects of material impedance, specimen size, and rate of loading. The traditional Split Hopkinson Pressure Bar approach has been enhanced through the implementation of polymeric bars to allow for improved signal to noise ratios and a longer pulse onset to ensure uniform specimen deformation. The Polymeric Split Hopkinson Pressure Bar approach, including the required viscoelastic bar analysis, has been validated using independent measurement techniques including bar-end displacement measurement and high speed video. High deformation rate characterization of 10% and 20% ballistic gelatin, commonly used as a soft tissue simulant, has been undertaken at nominal strain rates ranging from 1,000 to 4,000/s. The mechanical properties of both formulations of gelatin exhibited significant strain rate dependency. The results for 20% gelatin are in good agreement with previously reported values at lower strain rates, and provide important mechanical properties required for this material.