Hopkinson压杆实验技术的应用进展

SHPB实验装置是研究各类工程材料动态力学性能的最基本实验手段,它不仅可用于测量金属、高聚物等均匀性好、变形量较大材料的冲击压缩(拉伸、剪切、扭转)应力—应变关系,经改进后还可以用于测量质地软、波阻抗小的泡沫介质材料和质地脆、均匀性差的混凝土类材料的冲击压缩应力-应变关系。此外,SHPB实验装置因加载方式简单,加载波形易测易控制,还可以开展混凝土类材料的层裂强度研究,火工品、引信的安全性、可靠性检测,高G值加速度传感器的标定以及炸药材料的压剪起爆临界点的测定等。     

大尺寸Hopkinson压杆及其应用

本文介绍了国内最大尺寸的SHPB装置;讨论了在大尺寸SHPB装置上测量混凝土类材料动态力学性能将会出现的几个问题;采取了在入射杆的打击端加设波形整形器,在试件与杆件之间加设万向头及在试件上直接测量应变等新的实验技术及采用新的数据处理方法,提高了试验结果的精确度和可信度;简要介绍了利用ф100 SHPB装置对四种体积含量(0,2%,4%和6%)钢纤维高强混凝土进行三种应变率(10~20/s,35~45/s和75~85/s)的冲击压缩实验。实验结果表明,钢纤维高强混凝土具有较强的应变率效应,其破坏应力、峰值应变随应变率增加而显著增加,弹性模量也随应变率增加而增加。另外,钢纤维含量对混凝土具有增韧效应,随着钢纤维含量的增加,其韧性增大,脆性降低。     

用于脆性材料的Hopkinson压杆动态实验新方法

岩石、陶瓷或混凝土等脆性材料,在用Hopkinson压杆对其实施高应变率加载实验时,由于其破坏应变很小,试件通常在加载入射波的波头部分（含初始上升沿和较大的弥散振荡部分）就已破坏失效,因此采用常规的实验或数据处理方法很难得到精确有效的实验结果,本文提出的Hopkinson压杆装置预留间隙实验法能使加载入射波波幅振荡明显减且初始上升时间为零,有效地减小了弹性波弥散带来的误差,使贴于压杆中部的应变片测得的信号经处理后很大程度上直接反映的是试件端面的实际受力状态,且由于避免了试件在加载波上升沿段的稳定受力而使应变率历史曲线更趋于恒定,这为提高Hopkinson压杆装置的实验精度,特别是为脆性材料提供了一种实施高应变率实验的实用可行的途径。     

Hopkinson压杆技术的推广应用

简要介绍了Hopkinson杆的几种工程应用,包括:(1)用同步组装系统进行高温、高应变率耦合作用下材料动态力学性能的测试;(2)在Hopkinson压杆技术中实现单脉冲加载及其在动态损伤力学中的应用;(3)用Hopkinson压杆加载三点弯曲试样测定材料的动态起裂韧性;(4)用Hopkinson压杆技术对加速度传感器在3 000~200 000g范围内进行g值校准。还介绍了这些应用的基本原理、测试方法及所取得的成果。     

微型Hopkinson杆技术

介绍了一种可对材料进行更高应变率动态性能实验的微型Hopkinson杆技术,对金属材料其应变可超过104 s-1。使用激光径向位移测试仪和与传统Hopkinson杆对比实验,对微型Hopkinson杆技术的有效性进行了验证。实验结果表明,微型Hopkinson杆确定的试样应变与激光径向位移测试的结果相当吻合;在低应变率范围内,与传统Hopkinson杆的实验结果有很好的一致性。从而证明了微型Hopkinson杆技术可进行应变率在104 s-1以上材料的动态力学性能实验。     

激光光通量位移计在Hopkinson杆中的应用

简要介绍了激光位移测试技术的基本原理及实现方案,准静态和动态标定结果表明该系统可以用 于动态测试。给出了激光光通量位移计在Hopkinson杆实验中的3种应用:(1)用激光光通量位移计可以监 测试样的横向变形,从而得出试样的动态泊松比;(2)在动态断裂实验中,激光光通量位移计可以监测裂尖张 开位移,结合应变片的信息可以得出试样的动态断裂能;(3)将激光光通量位移计和石英晶体应力计相结合可 以直接在试样两端得到应力应变信息,用来测量超软材料在中应变率下的力学响应。     

分离式Hopkinson压杆实验技术研究进展

分离式Hopkinson压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)技术是一种广泛应用于研究材料加载应变率在($10^{2}\sim 10^{4}{\rm s}^{- 1}$)范围内力学响应的实验方法. 在详细介绍Hopkinson, Davies和Kolsky的3篇经典论文的基础上, 从基本理论研究、加载波形控制、复合加载方式以及测试系统改进4个方面详细论述SHPB实验技术的研究进展. 通过分析SHPB实验技术在实际应用中存在的问题, 提出SHPB标准化、拓宽应用范围以及广义SHPB技术是SHPB实验技术研究值得深入探索的方向.     

用Hopkinson压杆技术研究试样几何对动态起裂韧性的影响

为了考察试样几何对材料动态起裂韧性ＫＩｄ的影响，本文采用Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆技术对不同厚度、不同裂纹长度的３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ三点弯曲试样进行了试验，并在用实验──数值法确定ＫＩｄ过程中首次尝试性地引入了三维有限元。试验结果表明：在小范围屈服情况下，试样几何确实对ＫＩｄ存在影响，而且ＫＩｄ的厚度效应对平面尺寸效应更为显著。     

PVDF压电薄膜用于Hopkinson压杆测量泡沫金属的动态性能

首先对PVDF(polyvinylidene fluoride)压电薄膜在不同温度不同压力作用下的响应进行了系统的试验研究。然后在Hopkinson压杆系统的透射杆之间夹上PVDF压电薄膜,对其动态响应进行了检验。最后应用这个镶嵌PVDF压电薄膜的Hopkinson压杆系统,测试了泡沫铜材料在不同应变率下的应力应变关系。结果表明:(1)PVDF压电薄膜的压电常数D33是随温度和压力而变,实际应用时应对其进行标定;(2)PVDF压电薄膜可有效的用于Hopkinson压杆系统来测试低强度泡沫材料或低阻抗材料的动态响应;(3)当应变率小于0.1/s时,泡沫铜的塑性流动应力对应变率不敏感,在约400/s到5000/s应变率范围,应变小于40%下泡沫铜对应变率也不敏感。但当应变大于约20%,应变率高于400/s时,与低应变率下的值比较,塑性流动应力的应变率敏感性增加。     

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。     

波形整形技术在Hopkinson杆实验中的应用

由于波形整形技术可减小Hopkinson杆实验在撞击过程中产生的高频振荡以及实现试样在受载过程中的恒应变率加载,因此,波形整形技术越来越受到关注。本文中详细介绍了波形整形技术在Hopkinson杆的动态压缩、拉伸、巴西圆盘、弯曲断裂等实验中的研究进展,并给出了该技术在应用中需注意的问题。

     

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.     

基于激光干涉测试技术的分离式Hopkinson压杆实验测试系统

分离式Hopkinson压杆（SHPB）实验的传统测试技术是基于应变片的电测技术,测试结果的可靠性强烈依赖于应变片与杆之间粘贴质量,受到人为因素的影响较大。本文中采用基于多普勒频移原理的双探头全光纤激光干涉测速技术,以粒子速度为监测目标,借助应力波传播理论,换算成试件的应变和应力,从而建立了SHPB实验的非接触光学测试系统。针对韧性和脆性两类材料,分别提出了激光正入射和激光斜入射两种测试技术。再以铝合金和PZT陶瓷为例,通过与传统的应变片测试结果以及DIC测量结果的对比分析,验证了两种测试技术的有效性。与传统的应变片测试技术相比,新的激光干涉测试技术具有免标定、抗干扰、可靠性高等许多优点,有助于实现SHPB实验测试系统标准化。

     

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.     

SHPB加载下PTFE/Al冲击反应的临界条件

采用分离式霍普金森压杆（SHPB）加载方法和高速摄影技术,对混合压制烧结法制备的铝颗粒增强聚四氟乙烯复合材料（polytetrafluoroethylene/Al,PTFE/Al）的冲击反应临界条件进行研究。实验中采用钢杆、铝杆和不同尺寸的试样,进行不同加载条件下的测试,实验结果表明：PTFE/Al复合材料的冲击反应过程主要可分为变形、碎裂、反应阶段,其冲击反应临界同时关联于应力和应变率。并基于实验获得了PTFE/Al复合材料的冲击反应临界渐进线应力和应变率,通过对实验数据的归纳和分析,初步提出实验条件下关联应力和应变率的PTFE/Al临界反应关系式,获得冲击反应阈值预测曲线。

     

A split Hopkinson pressure bar technique to determine compressive stress-strain data for rock materials

This paper presents a split Hopkinson pressure bar technique to obtain compressive stress-strain data for rock materials. This technique modifies the conventional split Hopkinson bar apparatus by placing a thin copper disk on the impact surface of the incident bar. When the striker bar impacts the copper disk, a nondispersive ramp pulse propagates in the incident bar and produces a nearly constant strain rate in a rock sample. Data from experiments with limestone show that the samples are in dynamic stress equilibrium and have constant strain rates over most of the test durations. In addition, the ramp pulse durations can be controlled such that samples are unloaded just prior to failure. Thus, intact samples that experience strains beyond the elastic region and postpeak stresses can be retrieved for microstructural evaluations. The paper also presents analytical models that predict the time durations for sample equilibrium and constant strain rate. Model predictions are in good agreement with measurements.