基于DIHPB技术的高应变率剪切测试方法

在测试材料动态力学性能时,直接撞击式霍布金森压杆（direct impact Hopkinson pressure bar,DIHPB）实验系统相对于分离式霍布金森压杆（split Hopkinson pressure bar,SHPB）,往往能获得更高的应变率。本文中采用一种新型双剪切试样,在DIHPB系统下对603钢进行了动态剪切测试。获得了603钢在应变率1 500～33 000 s⁻¹的剪应力-剪应变曲线,并与SHPB系统下的测试结果进行了对比。结果表明,由两种测试方法获得的流动应力具有较好的一致性,但曲线的上升沿存在明显区别。采用数值模拟对DIHPB方法的准确性进行了验证,并对该实验方法的适用条件进行了分析。采用DIHPB方法,可以观察到603钢的流动应力存在明显的应变率效应,但在较高的加载速度下材料的失效应力随着加载速度的增加而呈降低趋势。

     

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.      

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。     

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.     

Dynamic compressive responses of intact and damaged ceramics from a single split Hopkinson pressure bar experiment

A novel dynamic compressive experimental technique has been developed based on a split Hopkinson pressure bar. This new method dynamically loads the ceramic specimen by two consecutive stress pulses. The first pulse determines the dynamic response of the intact ceramic materiaal and then crushes the specimen, and the second pulse determines the dynamic compressive constitutive behavior of the ceramic rubble. Precise pulse shaping ensures that the specimen deforms at nearly constant strain rates under dynamic stress equilibrium during the loading by both stress pulses. Pulse shaping also controls the amplitudes of loading pulses, the values of strain rates, the maximum strains in the rubble specimens, and the proper separation time between the two loading pulses. The feasibility of the new technique is demonstrated by the experimental results obtained on an AD995 alumina.     

不同应变率下煤岩破坏特征及其本构模型

利用直径50 mm的分离式霍普金森压杆,对煤岩展开20～100 s?1动态应变率下的单轴冲击压缩试验,结合高速摄影分析其变形破坏特征,并建立基于Weibull统计分布和Drucker-Prager破坏准则的煤岩动态强度型统计损伤本构模型。试验结果表明:（1）煤岩动态应力-应变曲线存在明显的非线性特征,随应变率升高,动态抗压强度与弹性模量均呈线性增长且增幅显著,破坏形态由低应变率下的轴向劈裂破坏向高应变率下的压碎破坏过渡;（2）在动态应变率20～100 s?1下,煤岩破坏后碎块具有明显的分形特性,破碎块度分维值为1.9～2.2,且随着应变率的升高,煤岩破碎程度增大,碎块块度减小;（3）基于Weibull分布参数F₀、m和应变率的关系,修正煤岩的本构模型,并与试验结果进行对比,验证该模型的合理性。     

Effect of strain rate,moisture and temperature on the deformation behavior of polymer roll covers

Soft polymer roll covers, which are used in certain positions of paper manufacturing machines, have a vital role in the dynamics of two mating rotating rolls (i.e., nip dynamics). The polymer covers are often used in moist conditions where the loading rates are rather high and temperatures may vary from 45 to 60°C. In this paper, we study the dynamic mechanical behavior of two soft polyurethane composite roll covers under different conditions of temperature, moisture, and loading rate. For the tests in compression, both servohydraulic materials testing machines and the split Hopkinson pressure bar technique were used in the strain rate range of 0.001–1500 s⁻¹. The specimens, which were to be tested under moist conditions, were immersed in paper machine water (pH 4.5) until saturated moisture content was reached. The materials showed remarkable softening as well as decrease in the strain rate sensitivity in moist conditions.     

沙漠砂混凝土动态力学性能实验研究

采用直锥变截面式Φ74mm分离式霍普金森压杆,对不同替代率沙漠砂混凝土进行冲击压缩实验,得到了不同替代率沙漠砂混凝土在不同应变率下的应力应变曲线。分析应变率对沙漠砂混凝土峰值应力、峰值应变和比能量影响,揭示了沙漠砂替代率对沙漠砂混凝土峰值应力影响规律,并对沙漠砂混凝土动态破坏模式进行研究。研究表明:随着应变率增加,沙漠砂混凝土峰值应力、强度增强因子、比能量和峰值应变逐渐增大;在同一应变率下,随着替代率增加,沙漠砂混凝土峰值应力逐渐减小。本文研究结果可为沙漠砂在工程中的应用提供指导和借鉴。     

冲击载荷下混凝土材料的动态本构关系

利用改装的杆径为 74mm的直锥变截面式大尺寸Hopkinson压杆对混凝土材料进行冲击压缩实验 ,系统研究了混凝土的应变率硬化效应 ,采用一种新的方法损伤冻结法对混凝土材料在冲击载荷下的损伤软化效应进行了系统研究 ,给出了冲击载荷下混凝土的损伤演化方程 ;在对数据进行合理分析的基础上 ,结合粘弹性本构理论 ,得到混凝土材料的损伤型线性粘弹性本构关系。     

中心直裂纹平台巴西圆盘复合型动态断裂实验研究

制作了中心直裂纹平台巴西圆盘（cracked straight through flattened Brazilian disc-CSTFBD）试样,利用分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar-SHPB）加载,进行了岩石纯Ⅰ型和复合型（Ⅰ＋Ⅱ型）动态断裂实验。由于加载角（载荷方向与裂纹线的夹角）在制作试样时已经通过裂纹线与试样平台的位置关系确定,因此在实验中可以方便而准确地实施加栽。比较了纯Ⅰ型加载和复合型加载下压杆上记录的入射波、反射波和透射波的波形。采用实验与数值相结合的方法,将实验得到的动态载荷输入有限元程序,得到了纯Ⅰ型试样的动态断裂韧度和复合型试样的两种动态应力强度因子的时间历程。计算了加载角为15°的试样应力强度因子的复合比（KI（t）／KⅡ（t））,此计算值与文献结果吻合较好,验证了实验方法的有效性。     

Dynamic compressive behavior of thick composite materials

The effect of strain rate on the compressive behavior of thick carbon/epoxy composite materials was investigated. Falling weight impact and split Hopkinson pressure bar systems were developed for dynamic characterization of composite materials in compression at strain rates up to 2000 s^–1. Strain rates below 10 s^–1 were generated using a servohydraulic testing machine. Strain rates between 10 s^–1 and 500 s^–1 were generated using the drop tower apparatus. Strain rates above 500 s^–1 were generated using the split Hopkinson pressure bar. Unidirectional carbon/epoxy laminates (IM6G/3501-6) loaded in the longitudinal and transverse directions, and cross-ply laminates were characterized. The 90-deg properties, which are governed by the matrix, show an increase in modulus and strength over the static values but no significant change in ultimate strain. The 0-deg and cross-ply laminates show higher strength and ultimte strain values as the strain rate increases, whereas the modulus increnases only slightly over the static value. The increase in strength and ultimate strain observed may be related to the shear behavior of the composite and the change in failure modes. In all cases, the dynamic stress-strain curves stiffen as the strain rate increases. The stiffening is lowest in the longitudinal direction and highest in the transverse direction.     

较低应变率大应变条件下聚氨脂泡沫材料的态力学性能实验

利用加长型分离式霍普金森压杆(入射杆长6000mm、子弹长800mm)研究聚氨脂泡沫材料在较 低应变率大应变条件一维应力状态下的动态力学性能,获得了约550s的长加载脉冲,得到了该材料在应变 率520s-1、应变0.15条件下的应力应变曲线,对较低应变率条件下,应变率与动态应力平衡之间的关联进行 了讨论。     

冻土动态力学性能的实验研究

利用分离式霍布金森压杆(SHPB)对4种低温下的冻土进行了4种高应变 率的动态压缩实验. 实验结果表明：冻土不仅具有温度效应,还具有应变率效应,两种效应 反映出冻土材料的时温等效性. 另外这种时温等效性在分析冻土材料的破坏过程时还体现在 它的冻脆性和动脆性. 冻土材料动态应力应变曲线的汇聚现象和振荡现象均起源于这种冻脆 性和动脆性.     

纵向冲击压缩下LY12铝合金圆环的塑性失稳

通过对铝合金圆环的纵向冲击压缩研究发现,一定条件下在试件的宏观塑性硬化阶段会出现明显的应力降过程。为揭示此应力降的发生机制,对润滑、细磨、粗磨3种端面粗糙条件下,外径、内径和高度比值为6:3:2的LY12铝合金圆环进行系统的Hopkinson压杆纵向冲击实验。结果表明:应力降主要发生在较大的应变和较高的应变率条件。进一步对实验样品的金相观察发现:应力降产生的内在机制为绝热剪切带的形成和发展,此现象是一种动态塑性失稳的过程。以上结果为金属材料在冲击条件下绝热剪切带产生的研究提供了参考。     

基于Hopkinson杆的材料高应变率拉伸实验技术

分离式霍普金森杆(Split Hopkinson Bar)是测试材料在高应变率加载下力学行为的一种有效的实验手段.本文基于霍普金森杆测试原理,设计和研制了气枪式变截面间接杆杆型高应变率拉伸实验装置.该装置具有完备的、高精度的水平和轴向基准,采用等高的固定支撑,保证了杆-杆型实验系统具有良好的共轴度;入射杆与撞击套筒之间设有导向管,避免了撞击套筒直接与入射杆接触而产生的相互干扰;在导向管内设有支撑圈,以减小入射杆与导向管直接接触而产生的摩擦,并消除入射杆的径向跳动;采用前置金属短杆来获得光滑、平稳且幅值和宽度可调的拉伸入射加载脉冲.对LY12CZ铝合金在两种应变率下初步的验证性实验表明,该高应变率拉伸实验装置的设计是合理的,实验获得的应力—应变结果是可靠、有效的.     

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…     

一种基于电磁霍普金森杆的材料动态包辛格效应测试装置及方法

金属材料在复杂载荷条件下的动态力学行为研究一直备受关注,但受限于实验设备,金属材料的动态包辛格效应响应一直都难以获得。为了探究金属材料的包辛格效应与应变率效应之间的关系,本文中提出一种基于电磁霍普金森杆(electromagnetic split Hopkinson bar,ESHB) 的非同步加载实验技术,为测试金属材料在高应变率加载下的包辛格效应提供了一种有效的实验方法。本文中,首先介绍了非同步加载装置的主要特点,即可以用两列由脉冲发生器产生的应力波对受载试样进行连续的一次动态拉-压循环加载,且加载过程保证了应力波的一致性。分析了应力波对试样加载过程中的波传播历程,确保了加载过程的连续性。随后介绍了动态加载过程,数据处理方法和波形分离手段,并对动态加载过程进行应力平衡性分析,论证了实验装置的可靠性。最后采用该方法测试了5%预应变下6061铝合金动态压缩-动态拉伸的包辛格效应,并与准静态下的实验结果进行对比。实验结果表明,该材料单轴压缩没有明显的应变率效应,但其包辛格效应具有应变率依赖性,高应变率下材料的包辛格应力影响因子由0.07增大至0.17,具有显著的提升,这对传统意义上铝合金材料应变率不敏感的结论提出了挑战。

     

确定材料在高温高应变率下动态性能的Hopkinson杆系统

描述了一种利用Hopkinson杆装置确定在高温（温度可高达1 173 K）、高应变率下材料动态性能的试验方法。在试样加温过程中,试样不与入射杆及透射杆接触。当试样加热到预定温度时,气压驱动同步组装系统,推动透射杆及试样,使得应力波到达入射杆与试样接触面时,入射杆、试样及透射杆紧密接触。利用以上系统,完成了连铸单晶铜及上引法连铸多晶铜从室温到1 085 K范围内的应力应变曲线。测试结果表明,不论是上引法连铸多晶铜还是连铸单晶铜,流动应力随温度的升高而下降,在温度低于585 K时,材料的应变硬化率明显大于在温度高于585 K时的应变硬化率。     

钙质砂的准一维应变压缩试验研究

利用?100 mm的Hopkinson压杆研究了不同预压力条件下,受侧限约束的钙质砂在500～800 s^-1应变率范围、0～200 MPa压力范围内的动态力学特性,并利用HUT106D万能材料试验机研究了相同条件钙质砂在2×10^-3 s^-1应变率、0～120 MPa压力范围内的静态力学特性。研究发现,当再次加载超过一定值后,预压力对钙质砂力学特性的影响不大;Tait物态方程可以描述钙质砂的静态容变关系及高压下的动态容变关系;钙质砂的体积压缩过程存在应变率效应。     

应力波在多层膜状材料中衰减特性的实验研究

脉冲载荷作用下,多层膜状材料衰减应力波的特性及其规律研究在工程结构设计中具有重要意义。本文采用分离式Hopkinson压杆(以下简称SHPB)装置,从实验角度对多层石英布和多层"石英布+聚酯铝膜"两种不同结构类型膜状材料衰减应力波特性进行研究。分析了透射应力波及应力冲量随多层膜状厚度变化的关系。通过对实验数据的拟合,给出了多层膜状衰减应力波能力和材料厚度以及材料结构的数学表征。研究结果表明,两种不同结构的多层膜状材料应力波衰减随厚度的变化关系都遵循指数衰减规律,而具有"多层石英布+聚酯铝膜"叠层结构的材料对应力波的衰减能力略强于单一多层石英布材料。本研究可作为工程应用多层膜状材料衰减应力波的实验依据。