SHPB实验中端面摩擦效应研究

选取硅橡胶、聚氨酯泡沫、Comp.B炸药、PBX-HMX(97%)炸药以及6061-T6铝合金五种材料试样,对分离式霍普金森压杆（SHPB）实验技术中的端面摩擦效应进行了研究。实验结果表明,SHPB实验技术中的端面摩擦效应与材料的性质相关。另外,基于各向同性弹性理论,运用能量守恒法对SHPB实验中的端面摩擦效应进行了机理分析,研究表明,材料泊松比、端面摩擦系数、试样长径比、轴向应变是SHPB实验中影响端面摩擦效应的四个因素。     

SHPB系统试件恒应变率加载实验方法研究

为了获得材料准确的动态力学性能参数,提出了两种对试件实现恒应变率加载的实验方法:双试件SHPB方法和将圆柱形子弹改变成柱锥形子弹的SHPB方法。对三种金属材料进行了实验,并用数值模拟的手段对这两种方法进行了验证和比较。     

塑料SHPB实验中的端面摩擦效应

基于H.Meng的动摩擦实验结果,建立了一个端面动摩擦模型,以描述端面动摩擦因数随SHPB塑料试样与钢压杆接触界面间最大径向相对滑动速度的关系。在SHPB实验的数值模拟中,分别考虑了该端面动摩擦模型和以往被广泛采用的常摩擦因数模型,结果发现,选取不同的端面摩擦模型不影响通过塑料SHPB实验的数值模拟获得的转折应变率(量级为102s-1),然而当应变率超出转折应变率以上时,不同的端面摩擦模型会对塑料SHPB实验的数值模拟结果产生显著影响,使用提出的端面动摩擦模型可得到更准确的塑料SHPB实验的数值模拟结果。     

花岗岩在SHPB冲击破坏实验中最低加载应变率的杆径效应

基于Steverding-Lehnigk脆性断裂准则,分析了半正弦应力波加载条件下SHPB杆径尺寸与导致花岗岩试样单次冲击破坏对应的最低应变率之间的关系。采用杆径分别为22、36、50和75 mm的SHPB实验系统对相应尺寸规格的花岗岩试样进行了应变率从高到低的冲击实验,讨论了花岗岩试样在单次冲击破坏情形下对应的最低应变率与实验杆径的相关性。理论和实验结果表明:岩石试样的最低加载应变率随着SHPB杆径的增大而以乘方关系减小,但当应变率低到100 s-1量级时,Hopkinson杆径已超过100 mm,增大Hopkinson杆径降低加载应变率的效果不再明显。     

SHPB系统圆柱形试件的惯性效应分析

在对分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验系统试件惯性效应分析的基础上,增加了界面摩擦做功对试件惯性效应影响的分析.在理论分析的基础上,就如何减小摩擦效应、惯性效应对实验结果的影响,对SHPB试件尺寸比例的设计以及摩擦系数的选取作了进一步的分析,另外还对SHPB实验过程中,试件两端应力平衡情况做了初步的讨论.     

SHPB帽形试样尺寸效应研究

利用ANSYS/LS-DYNA软件开展不同尺寸帽形试样的SHPB数值模拟,研究帽形试样的尺寸效应。结果表明,当帽形试样剪切变形区域宽度大于0.2 mm时,根据经典公式处理得到的应力值将随t的增大而显著增大, 严重偏离理论值,当t=1.0 mm时,计算得到的应力值甚至接近理论值的2倍。采用分体模型进行的进一步计算表明,数据处理结果中应力偏差主要来源于帽形试样中环状部位的膨胀变形。提出改进的数据处理方法,并采用圆柱样与几种不同尺寸帽形试样开展了验证实验,结果与计算结果基本一致。     

基于SHPB装置的膨胀圆柱管实验技术

采用改进的SHPB实验装置对45钢薄壁金属圆柱管进行了膨胀断裂加载,完成了不同变形程度(覆盖圆柱管整个变形及断裂过程)圆柱管的冻结回收实验。回收样品可用于断裂机理研究分析,通过数值模拟辅助分析和实验数据拟合得到了圆柱管凸起处的径向应变、应变率和环向拉伸应力。通过在圆柱管端粘贴应变片监测断裂信号的方式,准确判断了圆柱管凸起处发生断裂的时间,以及径向断裂应变、应变率和环向拉伸断裂应力,在102~104s-1应变率范围内,SHPB实验装置可用于研究金属圆柱管膨胀断裂。     

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。     

混凝土类材料SHPB实验中确定应变率的方法

由于混凝土类材料在SHPB实验中很难实现恒应变率加载,为了确定非恒应变率加载下的实验数据所对应的应变率,本文中针对不同强度(C20,C45,C70)和不同钢纤维含量(0%,0.75%,1.50%,4.50%)的混凝土进行了SHPB实验。对实验得到的30组恒应变率加载下的数据进行了分析总结,结果表明:实验数据所对应的恒应变率与全段平均应变率之间存在一定的比值关系,从而混凝土类材料SHPB实验数据所对应的应变率可以采用全段平均应变率的1.38倍来表征。通过对比非恒应变率加载和恒应变率加载下得到的应力应变曲线,验证了该确定应变率方法的合理性,并指出较短恒应变率加载下实验数据对应的应变率直接采用短平台段对应的应变率来表征是不合理的。     

侧限SHPB实验中软材料体压缩特性的测量方法

提出了利用侧限SHPB装置测量软材料体压缩特性的实验方法。该方法利用霍普金森压杆对试 样施加轴向压缩,同时依靠金属薄壁套筒约束试样的径向膨胀。通过套筒外壁的环向应变得出了试样径向应 力、径向应变,再结合压杆应变片信息,可以获得试样的流体压强-比容变化过程。利用该方法进行了高聚物 泡沫材料的动态压缩实验,证实了该方法对测量软材料的体积压缩特性是可行的。     

SHPB实验中试件内早期应力平衡分析

分析了影响SHPB实验试件中早期应力平衡的外部因素,如光滑入射波及其上升时间、压杆波阻抗及压杆与试件横截面积之比等。研究结果表明,当用传统的SHPB装置产生的入射波加载试件时,宜采用与试件波阻抗接近的压杆;在相同的试验条件下,直径较大的试件,其内部应力达到均匀分分布的状态快于小直径的试件,最后给出了改善试件早期应力均匀性的方法。     

SHPB实验数据处理的规范化问题讨论

从SHPB实验的一维应力假设出发,确定了入射、反射和透射波的起点位置的判读办法,提高了SHPB实验结果的准确性,并规范了SHPB实验的数据处理。另外,从动量守恒的角度,提出了标准入射波平台高度的判读办法。该方法可以避免弥散振荡对判读入射波平台高度的干扰,并排除人为因素的影响,提高了压杆应变片灵敏系数的标定准确性和标定过程的规范化程度。通过对比理论结果和数值模拟研究的结果,这两种数据处理方法的准确性得到了验证。     

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。     

SHPB数据处理中的二波法与三波法

分析了传统的分离式霍普金森压杆测试数据处理方法(二波法)及其他被提出的改进方法的误差及优缺点,给出了传统二波处理方法在不同被测材料情况下所带来的误差。分析结果表明,基于绝对时间下的试件应力及应变计算的三波处理法具有最好的可信度且能最大程度地避免数据处理过程中的人为因素。传统二波法在不同测试情况下均不是优选的方法。对于三波测试无法进行的情况,也提出了一种简化三波处理方法。     

两点应变测量法在SHPB测量技术上的运用

介绍了两点应变测量法在分离式Hopkinson压杆 (SHPB)测量技术上的运用。该方法通过测量一根压杆两个不同地方的应变 ,利用一个简单的反复过程将压杆中相对传播并叠加在一起的右行波与左行波分离 ,从而利用输入杆对试件的多次加载来研究软材料的动态力学性能。利用该方法计算所得的最大应变比利用传统SHPB测量技术得到的最大应变增大了 2～ 3倍。     

软材料和松散材料SHPB冲击压缩实验方法研究

针对采用SHPB装置研究泡沫等软材料和黄土、砂等松散介质的动态特性时存在的实验技术问题,提出利用钢套筒约束试件横向变形的方法,在SHPB冲击加载装置上实现材料准一维应变实验,研究了上述材料在准一维应变条件下的动态力学特性。本文同时指出,可以通过引入一约束系数描述试件一维应变条件的满足程度,并指出钢套筒的横向变形对实现试件一维应变的影响不大。在此基础上,进行了相关实验研究,说明了该实验技术能较好地满足软材料或松散介质力学性能研究工作的需要。     

载荷作用方式及范围对简支圆板反直观行为的影响

采用有限元法,研究了周边简支圆板在不同载荷作用方式和作用面积下的反直观动力响应。分析了加载方式和作用面积对反直观行为的影响,得到了不同载荷下反直观行为的特点,发现了反直观行为时程曲线的反弹次数与相应载荷区间之间的关系。研究结果表明：不同载荷下,反直观行为的变化规律基本相同,但各有其特点;首发反直观行为在整个反直观行为中起着重要作用;用首发反直观动力响应的位移历史曲线可以判断继发反直观动力行为所在载荷区间的最少个数。