SHPB系统高温实验自动组装技术

在进行SHPB系统高温实验时,波导杆常常与试件被同时加温,从而在波导杆中产生温度梯度。为了消除波导杆中温度梯度的影响,有研究人员利用传热学原理来对测量波形进行修正。本文利用一套自动组装装置,实验前对试件加热并自动保温,波导杆则置于加热炉外,实验时进行瞬态组装,由此避免了导杆温度梯度对波形的影响。本文介绍了自动组装原理和过程,比较了在200℃时导杆和试件同时加热,与采用自动组装所产生的透射波形的差异。同时应用ABQUS进行了接触热传导分析,比较了“冷接触时间”在40ms～500ms时试件上的温度分布,计算结果表明:自动组装条件下“冷接触时间”在400ms以内,试件温度不均匀可控制在10%以内。     

隔热涂层应用于高温SHPB实验的可行性分析

在分离式Hopkinson压杆(SHPB)高温实验中,对弹性杆端和试样的温度进行控制,避免弹性杆端的过大温升和试样温度的过度下降,是保证实验结果准确性的关键。基于傅里叶导热定律,本文提出在试样与弹性杆间插入特定结构的隔热涂层来降低弹性杆与试样、高温炉之间的热交换效率,从而将弹性杆端和试样的温度控制在允许范围内。从理论分析着手,设计了一种可用于高温SHPB实验的隔热涂层,并通过数值模拟和实验对该方法进行了验证。结果表明：此隔热涂层在高温下强度大幅退化,在400℃以上时,可将其近似看作试样与弹性杆间的一段空隙,忽略其对试样加载的影响。在600℃实验环境下,弹性杆端温度最高达到167℃,试样平均温度下降2.24%。在400℃和600℃下分别采用本文实验方法和高温同步快速组装法对45钢进行加载,所得结果具有良好的一致性,表明本文方法合理可行。     

压杆/试样表面接触变形对SHPB实验应变测量的影响

采用SHPB（split Hopkinson pressure bar）实验技术测量了3种不同尺寸纯铁试样的动态压缩应力应变关系,根据实验结果提出一个经验模型,定量分析了SHPB实验中压杆/试样表面接触变形对应变测量的影响。分析表明,在轴向应力平衡条件下,表面的接触变形对弹性段的应变测量影响显著;对塑性段应变测量的影响与试样的强化模量和长度相关,当试样强化模量较大而长度较小时,这种影响将不可忽略,可根据影响量的经验分析模型对应变进行修正。     

浇铸类炸药应力应变曲线的SHPB测量

浇铸类炸药由于质地软、波阻抗及波速都很低,通过传统SHPB实验方法无法得到准确的应力应变数据。透射杆信号幅值过低、试样应力平衡均匀性不高以及大应变加载引起的入射波反射波重叠失效,是进行浇铸类炸药SHPB实验的难点所在。本文中对传统SHPB实验方法进行改进,在试样两端面加装石英晶体应力计,引入石英计所获得的应力数据与应变片测得数据共同对试样应力应变状态进行计算。该方法可以提高透射信号幅值,提供试样大应变加载,避免了入射波反射波重叠导致的信号失效问题,修正了SHPB实验过程中的应力时空不均匀性的影响,提高了实验结果的可靠性。利用改进后的实验方法对典型浇铸类炸药进行了实验研究,得到了较准确的应力应变曲线。     

高温SHPB实验技术及其应用

介绍了高温分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验方法,建立了一套高温SHPB实验系统,利用该系统研究了温度对某种抗氢钢动态压缩力学性能的影响,实验温度最高达到1000 ℃,应变率为500～1000 s-1。仅对试件进行加温,并利用一套气动装置在加载前快速完成系统的组装,以尽量减小试件中温度分布的不均匀性。研究结果表明:该气动装置可以将加载前杆端与试件的完全接触时间控制在500 ms内;该抗氢钢的温度软化效应很明显,且温度敏感性随温度升高而下降。     

温度梯度对位伸SHB试验误差的数值分析

利用动态有限元法对分离式拉伸Hopkinson杆高温试验中的误差进行了分析。着重考虑了由输入和输出杆上的温度梯度引入的误差。分析结果表明 ,试件的最终加热温度越高 ,加热速度越慢 ,误差就越大。     

温度梯度对位伸SHB试验误差的数值分析

利用动态有限元法对分离式拉伸Hopkinson杆高温试验中的误差进行了分析.着重考虑了由输入和输出杆上的温度梯度引入的误差.分析结果表明,试件的最终加热温度越高,加热速度越慢,误差就越大.     

LY12铝小尺寸试样的SHPB实验探讨

材料在高应变率下的力学行为是工程中关心的问题.在SHPB实验中通过减小试样尺寸可以提高应变率,但这有可能引入二维效应从而影响实验精度.本文结合数值模拟和系列尺寸LY12铝合金试样的SHPB试验对小尺寸(相对于压杆直径,下同)试样SHPB实验的准确性进行了分析和探讨.结果表明在试样长径比%l/d%≥0.5且端面摩擦效应很小时,小尺寸试样SHPB实验是可行的,并采用小尺寸试样获得了LY12铝104s-1高应变率的实验数据.此外,本文还对小尺寸试样试验中可能存在的偏心压缩问题进行了研究,研究结果偏心压缩带来的弯曲效应通过对称位置上的信号平均可以很好地消除.     

基于SHPB波传播系数法试验的衰减弥散修正研究

针对SHPB试验中的波传播衰减弥散问题,基于杆自由端撞击的波传播系数法试验原理,选取Φ100mm PA66尼龙杆为典型Hopkinson压杆,依据SHPB试验中获取试样应力-应变曲线的二波法,对原位测试试验中从加载试样传来的反射波弥散进行修正研究,获得入射杆反射波传播系数;同理,对透射杆获取透射波传播系数。根据修正后的实际反射波和透射波历程,获得试样的应力-应变曲线。通过比较分析,此方法合理可靠。     

材料超高温动态拉伸SHTB实验方法的有效性分析

针对高温拉伸分离式Hopkinson杆实验技术,通过数值模拟、实验验证以及几种典型材料的高温动态拉伸性能测试相结合的方法,对此实验技术中存在的几个关键问题进行了深入研究。结果表明:对于平板状钩挂式拉伸试样,通过标距段尺寸优化后,应力分布均匀,流动应力曲线与螺纹拉伸试样一致,且应力上升段后没有剧烈跳动;通过精确气动控制,在加载脉冲到来同时,可实现有效的试样快速同步组装和加载;当试样温度为1 200 ℃时,在冷加载杆与高温试样接触以及应力波加载试样的整个过程中,试样平均温度下降约1.3%,而加载杆端温升低于180 ℃。为了验证此实验技术,对3D打印TC4、镍基单晶高温合金DD6进行了最高温度约1 200 ℃时的高温动态拉伸力学性能实验测试。     

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.     

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.     

921A 钢纯剪切帽状试件绝热剪切变形的数值模拟

结合相关实验,通过一系列基于921A 钢纯剪切帽状试件的SHPB数值模拟,研究试件的绝热剪 切行为,分析试件内绝热剪切带(ASB)的产生、发展以及相应的试件温度场分布。研究发现:ASB是通过剪 切区两端高温高应变的不稳定区域的扩展而形成;ASB的扩展速率与加载速率相关;在本文加载速率范围 内,ASB带宽无明显变化,均为约70m,基本与所设计的试件剪切区宽度一致;且对应所有加载速率,ASB 均为形变带。     

SHPB装置应用于测量高温动态力学性能的研究

ＳＨＰＢ（分离式Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆）装置由于具有结构简单、操作方便等优点，为人们普遍采用；但作测量材料的动态高温力学性能方面还存在诸多不便之处。本文研究了附有恒温加热炉的ＳＨＰＢ装置，利用一维应力波传播理论和传热学原理，修正了温度梯度场对波形测量的影响，从而使ＳＨＰＢ装置用于高温动态力学测量更为准确可靠；并实际测量了３０ＣｒＭｎＳｉＡ钢从室温到高温（６００℃）的动态（１．５～４．０×１０３ｓ－１）应力应变曲线。     

混凝土高温动态压缩力学性能实验

利用一种新的快速加热混凝土的方法和SHPB实验系统对自制混凝土进行了不同温度下的动态 压缩初步实验,发现了混凝土在高温下的动态压缩力学性能的规律性:在高温动态压缩条件下,温度变化是影 响混凝土力学性能的主要因素,应变率的影响是次要因素。另外,该混凝土高温动态压缩破坏可以分为2种 模式(裂纹模式和破碎模式)     

一种用于软材料测试的改进SHPB装置

本文提出了一种新的、用于测试橡胶、高弹体及高聚物软泡沫材料动态力学性能的SHPB改进装置。该装置取消了常见的入射杆而采用长杆弹直接撞击试件从而实现了持续的长时间加载，使得在相当大的应变率范围内试件的最大应变在一个加载过程中即可达到。配合该装置采用了瞬态响应优良、分辨率良好的光电式位移测试系统来测量试件的变形；为记录微弱的应变信号，在透射杆中使用了半导体应变片。本方案克服了传统SHPB在测试软材料时由于子弹长度限制带来的加载幅度不足及由于阻抗失配导致的应变信号微弱的困难；与采用高聚物杆的SHPB改进方案相比，本方案的测试结果也更为可靠。在试验装置中还运用了加载整形技术以改善试件中的应力均匀性。从测试结果看，该装置能有效地实现大变形范围、近似恒应变率持续加载以及相应的微弱应变信号的测量。     

软材料的SHPB实验设计

通过对SHPB实验中加载波波形进行控制设计 ,实现软材料试样在加载过程中的应力平衡和常应变率加载 ,从而保证SHPB实验的前提条件。采用这种方法研究了两种材料的高应变率本构 ,实验结果表明 :设计的方法是行之有效的。     

一种改进的金属材料的高温动态拉伸实验技术

在旋转盘冲击拉伸实验装置上,利用金属材料自身的导电特性,对试样施加电流.使其在电流作用下发热,实现自加热,形成了试件快速加热而波导杆温升很小的金属材料的动态高温高应变率拉伸实验技术.应用该实验技术获取了45 #钢从室温到1000℃温度范围和应变率650s-1时的材料动态拉伸应力—应变曲线.实验结果表明,45 #钢具有明显的热软化效应,其流动应力和屈服应力随温度的升高而降低.     

Microscale Experiments at Elevated Temperatures Evaluated with Digital Image Correlation

The methods of uniform heating and resistive (Joule) heating for microscale freestanding surface-micromachined thin metal film specimens were evaluated by a combination of full-field strain measurements by optical microscopy/Digital Image Correlation (DIC) and microscopic infrared (IR) imaging. The efficacy of each method was qualitatively and quantitatively evaluated with the aid of strain fields and IR-obtained temperature distributions along 850 nm thick freestanding microscale specimens subjected to uniaxial tension while heated by each method. The strain and temperature fields were quite uniform in experiments carried out with uniform specimen heating except for minor end-effects at the specimen grips. However, the resistively heated specimens showed highly uneven temperature distribution varying by 50°C along the 1,000 μm specimen gauge length. This high temperature gradient resulted in strain localization and 40% reduction in yield and ultimate tensile strengths of resistively heated specimens compared to the uniformly heated ones. Therefore, it is concluded that resistive heating is not a reliable method for conducting microscale temperature experiments with metallic films.