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。     

轴向尺寸对泡沫铝动静态力学性能的影响

通过材料密度均匀性分析得知,泡沫材料密度分布的均匀性越差,尺寸的影响越明显,对于密度分布区间小、并符合正态分布的试件,尺寸的影响较小。根据Hopkinson杆动态测试的应力均匀性假定,利用石英片监测试件左右端面达到应力均匀所需的时间,试件轴向尺寸越大,惯性效应的影响也越大。选择合适的尺寸,将试件的惯性效应(波动效应)与应变率效应解耦,结果表明,泡沫材料具有一定的应变率效应     

聚氨酯泡沫塑料在应力波加载下的压缩力学性能研究

通过ＳＨＰＢ冲击实验装置研究了硬质聚氨酯泡沫塑料在应力波加载下的动态力学性能，得到了泡沫塑料在较高应变率下的应力－应变曲线；确定了泡沫塑料的动态屈服强度和动态弹性模量等力学参数，并同落锤冲击实验及准静态压缩实验的结果进行了比较。     

高聚物SHPB试验中试件早期应力不均匀性的影响

本文详细分析了在高聚物 SHPB 试验中,试件内部早期应力不均匀性的产生过程以及它对获得应力应变曲线的影响,提出消除这种不均匀性的修正方法。对线性粘弹性材料所做的数值模拟为分析提供了依据;采用新方法处理实测数据给出了较满意的结果.     

低阻抗多孔介质材料的SHPB实验技术

低阻抗多孔介质材料具有较低的密度和弹性波速，对其实施动态压缩实验具有一定的难度。本文在充分分析聚氨酯泡沫试件由于低阻抗所带来的各种影响因素后，提出了在ＳＨＰＢ装置上对低阻抗多孔介质材料进行动态测试时所应采取的半导体应变片技术及新的ＳＨＰＢ数据计算模式，初步解决了ＳＨＰＢ装置上对低阻抗多孔介质测试的难点。     

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。     

混凝土材料冲击压缩试验中的一些问题

本文简要介绍了在大直径（φ74mm)直锥变截面式SHPB实验装置上进行混凝土试件冲击压缩实验方法。以及实验过程中出现的试件应力均匀性问题，对于由方波加载造成的试件内应力波反射次数不够，导致应力分布不均匀的问题，我们提出了波形整形的思想。将矩形波改造成三角波，增加试件破坏前的应力作用时间以获得应力均匀;对于由杆与试件接触不平引起的应力分布不均。我们设计了万向头加以消除，在此基础上进行了一系列试验并得出了一些结论。     

高温下轻质泡沫铝动态力学性能实验

对传统的分离式Hopkinson压杆装置加以改进,设计了一种长杆直接撞击Hopkinson杆的实验方案,检测出低波阻抗材料在高温动态加载下的应力均匀性。对轻质泡沫铝材料的实验表明,在同一撞击速度下,温度越高,试件两端的应力均匀性越差,增加温度与提高撞击速度均会导致泡沫铝材料冲击端与支撑端的应力不均匀性。根据高温下应力均匀性的实验结果,确定高温下试件均匀变形对应的冲击速度,再通过传统的分离式Hopkinson压杆实验得出泡沫铝在高温动态下的力学性能。

     

30CrMnSiA 钢高温动态力学性质的实验研究

通过附有恒温加热炉的ＳＨＰＢ装置,测量了３０ＣｒＭｎＳｉＡ钢从室温到高温（６００℃）的动态（１．５１０３～４．０１０３ｓ－１）应力应变曲线,并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测量的影响。结果表明,在实验温度２６～６００℃内,３０ＣｒＭｎＳｉＡ钢的温度软化规律可分为低温区和高温区;低温区流动应力随温度变化剧烈,高温区则缓慢。与准静态不同的是,高应变率下的转化温度有明显的提高。     

SHPB试验中试件的轴向应力均匀性

针对SHPB试验中试件的轴向应力均匀性问题,采用一维弹性波理论,推导了具有任意形状前沿的入射波加载下,试件内应力的时空分布计算公式。以脉冲前沿的上升时间为参数,将矩形、梯形和坡形3种典型的输入脉冲统一表示为梯形波的形式,计算了不同入射波上升时间和不同试件-压杆波阻抗比情况下试件中的应力传播过程,得到了相应的应力均匀度时程曲线以及应力平衡时间。分析了入射波上升时间和试件-压杆波阻抗比对应力平衡时间的影响,得到了一些有意义的认识,为SHPB试验的设计与分析提供了一定的理论依据。     

基于数字图像的分离式霍普金森压杆实验中试件应变及两端应力的同步测量法

本文提出一种基于高速摄像和数字图像相关方法(DIC)的分离式Hopkinson压杆(SHPB)测量技术,从而实现试件应变和两端应力的同步测量。即在与试件接触的输入输出杆两端制作散斑,通过高速摄像获取SHPB实验过程中的散斑变形图像,由DIC测得各时刻试件的应变、输入输出杆端的应变(可直接换算为试件两端的应力)。由于试件和杆端的应变都是从同一张高速摄影的图像上分析得到的,因此它们是同步的。应用该方法对钢纤维混凝土试件的SHPB试验进行了测量,测量结果与传统应变片测量结果吻合,验证了该方法的可行性。该技术不仅实现了SHPB实验中试件应变和应力的同步测量,还将有助于直接检验各材料在SHPB实验中试件两端的力在实验过程中是否平衡。     

陶瓷材料SHPB实验的改进垫块法

高强度陶瓷材料SHPB实验中,利用圆柱或圆台形垫块可避免压杆的端面塑性变形,但存在陶瓷试件中轴向的应力不均匀现象,从而影响实验结果的有效性。本文通过数值模拟分析了两种垫块方式引起的试件中轴向应力分布的特点,并以此为基础提出了一种更为合理的垫块方法。利用商业软件LS-DYNA,数值模拟了改进垫块方法的陶瓷材料SHPB实验。结果显示,基本上消除了陶瓷试件中轴向应力不均匀现象。应用一维应力波理论,分析了实验中的波传播过程,得到了对实验数据的修正处理方法,并证明了所提的修正方法是可行有效的。     

用于高强度材料的SHPB实验添加垫块法

提出了用于高强度材料的改进的SHPB实验方法添加垫块法,运用数值模拟方法,利用有限元程序LS-DYNA3D分析了添加垫块实验方法的合理性和可行性。根据一维应力波理论,给出了数据处理的修正方法。作为应用实例,采用改进的实验方法对高强度的Al2O3陶瓷材料的动态力学性能进行了研究,得到了比常规方法较高的应变率及应力应变范围的动态应力应变曲线,表明Al2O3陶瓷为应变率相关的非线性弹脆性材料。结果表明,添加垫块实验方法可有效地防止实验中压杆端面的变形,提高试件的应力应变及应变率水平。添加垫块实验方法为在SHPB装置上实现高强度材料的动态实验提供了一种方便实用的途径。     

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.     

基于SHPB的UHPC冲击试验径向惯性效应分析

为探讨UHPC试件惯性效应对SHPB加载过程的影响,采用大型有限元分析软件LS-DYNA从试件直径、长径比以及恒应变率加载等角度出发,开展了相应的数值模拟与分析。通过对软件中Karagozian-Case-Concrete (KCC)损伤模型参数取值进行优化,建立了基于SHPB技术的UHPC材料冲击压缩数值模型并与试验验证。在此基础上,开展不同UHPC试件直径、长径比以及有无整形器下的参数分析,探讨其对SHPB试验中径向惯性效应的影响。结果表明:(1)为实现加载过程中一维应力传播和UHPC试件应力平衡,试件直径建议按0.90～0.95倍杆件直径取值;(2) UHPC试件长径比对试件加载过程中的应力平衡影响较小,但综合试件中钢纤维分布均匀性以及破坏前一维应力传播,建议按0.35～0.45取值;(3)实现恒应变率加载是UHPC材料在SHPB冲击试验中消除径向惯性效应的重要前提。     

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。     

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.     

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。     

A quartz-crystal-embedded split Hopkinson pressure bar for soft materials

A dynamic experimental technique that is three orders of magnitude as sensitive in stress measurement as a conventional split Hopkinson pressure bar (SHPB) has been developed. Experimental results show that this new method is effective and reliable for determining the dynamic compressive stress-strain responses of materials with low mechanical impedance and low compressive strengths, such as elastomeric materials and foams at high strain rates. The technique is based on a conventional SHPB. Instead of a surface strain gage mounted on the transmission bar, a piezoelectric force transducer was embedded in the middle of the transmission bar of a high-strength aluminum alloy to directly measure the weakly transmitted force profile from a soft specimen. In addition, a pulse-shape technique was used for increasing the rise time of the incident pulse to ensure stress equilibrium and homogeneous deformation in the low-impedance and low-strength specimen.     

肌肉类粘弹性超软材料SHPB实验的应力应变均匀性分析

试样的轴向应力和应变均匀问题是霍普金森杆实验行之有效的必要条件,而这对肌肉类粘弹性超软材料尤为重要.本文用量纲分析法,分析出了影响粘弹性材料SHPB实验应力和应变均匀性的无量纲量,结合LS-DYNA数值模拟方法,考察了各无量纲量对粘弹性材料均匀性的影响规律.结果表明,为使肌肉类材料SHPB实验更早达到均匀条件,理想的入...