基于 Hopkinson 压杆的动态压剪复合加载实验研究

本文提出了一种可用于研究压剪复合加载下，材料动态力学性能的实验装置；该装置主要是基于 Hopkinson 压杆，通过添加一个带倾斜端面的垫块，实现压剪复合加载。本文分析了该实验装置的基本数据处理方法，并利用有限元分析验证了此分析方法的可行性；然后利用该装置对常规金属材料进行了相同冲击速度，不同倾斜角度（分别为 0、30、45 度）下的一系列实验。实验结果表明，该装置能实现压剪复合加载，并且能得到材料的动态屈服面，为研究材料在复杂应力状态下的动态力学性能提供了新的实验方法。     

用于软材料的双子弹电磁驱动SHPB系统

软材料的动态力学性能研究一直备受关注，目前分离式Hopkinson压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)技术是其最重要的测试手段，然而在测试超软材料时实验装置设计方面仍存在许多有待改进之处。本文中研制了一套双子弹电磁驱动SHPB系统，使用聚碳酸酯作为杆件材料以克服软材料试件带来的诸多困难，引入了双子弹设计方案解决了电磁驱动方式难以应用于非铁磁材料的问题，并有效保证了子弹速度的准确控制。使用双子弹电磁驱动SHPB系统和传统金属SHPB装置同时对硅胶材料的动态力学性能进行了测试，实验结果的吻合性验证了本套系统的可靠性。应用双子弹电磁驱动SHPB系统开展了聚乙烯醇(polyvinyl alcohols, PVA)水凝胶这种超软材料在高应变率下的实验，成功表征出其动态力学性能。     

基于Hopkinson压杆的动态压剪复合加载实验研究

提出了一种可用于研究压剪复合加载下, 材料动态力学性能的实验装置, 该装置基于Hopkinson压杆, 通过添加一个带倾斜端面的垫块, 实现压剪复合加载.分析了该实验装置的基本数据处理方法, 并利用有限元分析验证了此分析方法的可行性;然后利用该装置对常规金属材料进行了相同冲击速度, 不同倾斜角度(0$^\circ$,30$^\circ$, 45$^\circ$)下的一系列实验. 实验结果表明, 该装置能实现压剪复合加载, 并且能得到材料的动态屈服面, 为研究材料在复杂应力状态下的动态力学性能提供了新的实验方法.      

聚脲材料动态力学性能试验研究

应用低阻抗分离式霍普金森压杆和拉杆试验装置开展了聚脲材料动态力学性能的试验研究。分别开展了聚脲8380材料常温条件(T=18℃)下的动态压缩和动态拉伸试验,以及高温(50、80℃)和低温(-40、-20℃)条件下的动态压缩试验,研究了该种材料的动态压缩和动态拉伸性能,并研究了应变率和温度对材料动态力学性能的影响规律。研究结果表明：在不同温度下,聚脲8380材料的动态力学性能均呈现出显著的应变率效应;随着加载应变率的增大,材料的强度、变形能力和耗能能力均有不同程度的提升;聚脲8380材料的动态力学性能具有明显的温度相关性,高温和低温条件下材料的动态压缩性能呈现出不同的变化规律;高温条件下聚脲8380材料的动态压缩性能发生劣化,其动态抗压强度较常温条件下有较大幅度的降低,随着温度的升高,材料的动态抗压强度降低;低温条件下聚脲8380材料的动态压缩性能有显著的改善与提升,其动态抗压强度和耗能能力较常温条件下有大幅度的提高,随着温度的降低,材料的动态抗压强度提高。     

Comp.B复合炸药动态压缩力学性能和本构关系的研究

本文利用自制的含能材料变温动态压缩实验装置，采用准静态应变速率（１０－４／ｓ）和中等应变速率（３／ｓ），对国产复合炸药Ｃｏｍｐ．Ｂ进行了动态压缩实验。测试了Ｃｏｍｐ．Ｂ在不同温度、不同应变速率条件下的杨氏模量、断裂强度等力学性能参数。实验结果证明，Ｃｏｍｐ．Ｂ具有明显的应变率相关和温度效应。采用Ｊｏｈｎｓｏｎ提出的温度、应变率相关的本构模型，根据实验数据拟合了Ｃｏｍｐ．Ｂ材料的本构关系，分析表明该本构模型可以很好地描述材料的应变率和温度效应。这些基础研究为含能材料动态力学性能的研究和炸药早爆机理的理论分析提供了依据。     

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104s-1以内应变率的动态力学性能.在超过104s-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103~105s-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1400~75000s-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.      

花岗岩动静态压剪复合加载实验研究

岩石为天然含有微裂纹微孔洞等缺陷的复杂介质,其在复杂应力状态,尤其是在压剪应力状态下的性能研究,对工程应用有着十分重要的意义。本文利用双斜面垫块改进现有装置对花岗岩进行了动静态下的压剪复合加载实验,其中静态实验基于MTS材料试验机,动态实验基于分离式Hopkinson压杆（以下简称SHPB）,由此得到不同压剪载荷联合作用下花岗岩的静态和动态力学性能。通过改变倾斜端面的角度就能够得到岩石在不同压剪加载路径下的力学性能,由此可以得到岩石的静动态破坏面。结果表明:花岗岩的破坏强度具有明显的加载速率效应。本研究为探讨岩石在复杂应力状态下的力学性能提供了新的方法。     

水泥砂浆在主动围压下的动态力学性能

水泥砂浆等脆性材料的力学性能与所受围压的大小密切相关。为了研究水泥砂浆在围压下的动态力学性能,研制了适于分立式Hopkinson压杆加载的主动围压装置,最大预加载主动围压大于30 MPa。实验得到了水泥砂浆在不同围压、不同应变率下的轴向应力应变曲线,发现材料在围压作用下抗压强度和韧性大大提高并且整体进入了伪塑性,而材料的应变率效应也是显著的。     

含能材料在低温条件下冲击压缩力学性能的实验研究

采用自制的含能材料动态变温压缩实验装置，在低温环境下，对国产复合炸药Ｃｏｍｐ．Ｂ和单质炸药ＴＮＴ进行了动静态压缩实验，测试了压缩模量、压缩强度等材料性能参数。实验结果表明:在低温条件下，Ｃｏｍｐ，Ｂ和ＴＮＴ材料具有明显的应变率效应和温度效应，复合炸药Ｃｏｍｐ．Ｂ的压缩模量和压缩强度都高于ＴＮＴ炸药，Ｃｏｍｐ．Ｂ对温度效应更为敏感。还讨论了惯性效应对动态实验波形的影响，通过引入柔度系数，使测试波形趋于光滑。所介绍的实验方法为研究含能材料在低温条件下的冲击压缩性能，提供了一套较完整的技术和手段。     

变截面弹丸在分离式Hopkinson压杆中的应用

本文在分离式Hopkinson压杆系统中，探索了应用变截面锥形弹丸实现常应变率力学性能测试的实验方法，以及在较高应变率下实现动态卸载以获取材料的动态弹性模量的可行性。     

高温后钢管活性粉末混凝土的动态力学性能

采用霍普金森压杆装置对高温后钢管活性粉末混凝土(reactive powder concrete-filled steel tube,RPC-FST)进行冲击压缩实验,分析了应变率效应及温度效应对试件动态力学性能的影响。结果表明:高温(200、300 ℃)后RPC-FST仍具有较好的抗冲击能力、延性和完整性;冲击荷载作用下,RPC-FST的应变率效应明显弱于RPC的应变率效应;随着过火温度的提高,RPC-FST的峰值应力逐渐增大,变形能力增强,抗冲击能力提高。动力提高系数随过火温度的提高而增大,说明高温后RPC-FST的应变率效应更显著。     

M-shaped Specimen for the High-strain Rate Tensile Testing Using a Split Hopkinson Pressure Bar Apparatus

An experimental technique is proposed to determine the tensile stress–strain curve of metals at high strain rates. An M-shaped specimen is designed which transforms a compressive loading at its boundaries into tensile loading of its gage section. The specimen can be used in a conventional split Hopkinson pressure bar apparatus, thereby circumventing experimental problems associated with the gripping of tensile specimens under dynamic loading. The M-specimen geometry provides plane strain conditions within its gage section. This feature retards necking and allows for very short gage sections. This new technique is validated both experimentally and numerically for true equivalent plastic strain rates of up to 4,250/s.     

Pulse shaping techniques for testing brittle materials with a split hopkinson pressure bar

We present pulse shaping techniques to obtain compressive stress-strain data for brittle materials with the split Hopkinson pressure bar apparatus. The conventional split Hopkinson pressure bar apparatus is modified by shaping the incident pulse such that the samples are in dynamic stress equilibrium and have nearly constant strain rate over most of the test duration. A thin disk of annealed or hard C11000 copper is placed on the impact surface of the incident bar in order to shape the incident pulse. After impact by the striker bar, the copper disk deforms plastically and spreads the pulse in the incident bar. We present an analytical model and data that show a wide variety of incident strain pulses can be produced by varying the geometry of the copper disks and the length and striking velocity of the striker bar. Model predictions are in good agreement with measurements. In addition, we present data for a machineable glass ceramic material, Macor, that shows pulse shaping is required to obtain dynamic stress equilibrium and a nearly constant strain rate over most of the test duration.     

不同冲击速度下泡沫铝变形和应力的不均匀性

利用常规Hopkinson杆实验装置和改进的Hopkinson杆实验装置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。通过改变冲击速度,观测到了3种不同的变形模式。将得到的高速摄影图像用数字图像相关方法进行分析,讨论了3种模式下全场应变不同的发展过程,并依此讨论应力的不均匀性,为研究不同冲击速度下变形不均匀对泡沫铝动态力学行为的影响提供了新的方法。     

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。     

Pulse shaping techniques for testing elastic-plastic materials with a split Hopkinson pressure bar

We present pulse shaping techniques to obtain compressive stress-strain data for elastic-plastic materials with a split Hopkinson pressure bar. The conventional split Hopkinson pressure bar apparatus is modified by placing a combination of copper and steel pulse shapers on the impact surface of the incident bar. After impact by the striker bar, the copper-steel pulse shaper deforms plastically and spreads the pulse in the incident bar so that the sample is nearly in dynamic stress equilibrium and has a nearly constant strain rate in the plastic response region. We present analytical models and data that show a broad range of incident strain pulses can be obtained by varying the pulse shaper geometry and striking velocity. For an application, we present compressive stress-strain data for 4340 R_c 43 steel.     

周边切口短圆柱试件的杆杆型冲击拉伸试验系统的弹塑性有限元分析

基于一维试验原理提出了用带有周边切口的短金属圆柱试件进行平面应变型弹塑性动态断裂韧度的测试方法；对该复杂的动力学系统进行了轴对称的弹塑性有限元分析，并计算了动态围道^J积分；根据对试件功能转换关系的分析和Rice公式的物理意义，提出了用试件两端平功载荷－两端相对位移曲线（P^-△）推广Rice公式计算试件的远场J积分，由此得到的P^-△曲线基本上消除了与裂纹运动无关的质心运动动能的影响。论证了J积分作为裂端的表征参量，且当切口深度比大于70％时，Rice公式有较高的计算精度，为平面应变型弹塑性动态断裂韧度的表征与测试提供了依据。     

A Re-Configurable Test Apparatus for Complex Nonlinear Dynamic Systems

This paper reports the results of an analytical and experimental study to design, analyze, construct, test, and evaluate a re-configurable test-bed to allow the convenient performance of sophisticated experiments in a laboratory setting for investigating a broad category of important nonlinear, time-varying phenomena that are widely encountered in the applied mechanics field. The essential elements of the test apparatus include an electro-dynamic exciter that drives an oscillating mass whose restoring force is easily adjustable from one resembling a linear SDOF mass-spring-damper system with constant coefficients, to one that can represent systems with nonlinear elastic forces, to one that models systems possessing hysteretic properties with precisely-controlled time-varying characteristics. The apparatus design is economical to fabricate, convenient to manipulate, and it provides results that can be accurately replicated under repeated test combinations of system parameters and dynamic loads. The utility of the apparatus to provide an investigational tool for studying the dynamic response of systems with time-varying dry-friction forces that give rise to hysteretic phenomena is demonstrated. Sophisticated on-line system-identification techniques are used to estimate the parameters of reduced-order models that capture the dominant features of the physical model. It is shown that the apparatus under discussion is a useful research tool for investigators conducting studies in physics-based models of generic nonlinear dynamic systems.