Hopkinson杆和Hopkinson的故事

许多工程问题需要测定各种材料在高应变率下的力学特性. 为达到这个目的,分离式Hopkinson 杆是现今世界上公认最成熟的、应用得也最广泛的现代实验技术. 这套装置的构型并不复杂,却能有效地获得大多数工程材料在每秒102~104的高应变率下的应力应变曲线. 这种实验装置的名称源自最初提出相关创意和原始设计的英国剑桥大学工程科学教授B. Hopkinson. 其实,B. Hopkinson 追随他的父亲J. Hopkinson 献身于工程科学,还有一段非常动人的故事.     

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。     

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。     

基于Hopkinson杆的恒幅冲击疲劳试验方法研究

在航空、航天、武器和能源等领域的结构件经常会受到小载荷(小能量)的重复冲击,不同于大能量的单次冲断和常规准静态疲劳,这种载荷形式被称为冲击疲劳.冲击疲劳性能的评估需要依赖科学有效的冲击疲劳试验结果.多年来,受到基于能量法的冲击疲劳试验方法的限制,冲击疲劳试验结果在结构设计和性能评估方面的工业应用十分有限.因此,本文首先基于对冲击疲劳试验方法的发展历程的简要回顾,肯定了基于Hopkinson杆原理的应力波法的优越性,明确了冲击疲劳试验中普遍存在的非恒幅加载的问题.同时,提出了几种基于Hopkinson杆原理的冲击疲劳加载技术,并通过试验验证技术的可行性,重点关注是否存在二次加载引起的非恒幅加载问题.最后,采用经典的分离式Hopkinson压杆技术开发了一套可实现恒幅加载的动态剪切疲劳试验方法,实现了对TC4钛合金的冲击疲劳性能测试,从而验证了新方法的有效性和可行性.     

基于Hopkinson杆和人工神经网络的三轴冲击力传感器同步解耦标定方法

三分量冲击力载荷的同步激励与输入输出间的精准建模是三轴冲击力传感器标定所面临的主要挑战。为了实现对三轴冲击力传感器的有效标定,使其能够准确测量空间中的三维冲击力载荷。首先,基于Hopkinson杆与矢量分解原理建立了一种高幅值（10⁴ N量级）、窄脉宽（10⁻⁴ s量级）可计量三分量冲击力载荷的同步激励方法,实现了对三轴冲击力传感器的同步加载。然后,基于最小二乘原理与矩阵微分构建了三轴冲击力传感器的线性标定模型,并通过改变子弹结构与冲击气压揭示了线性解耦标定模型中传感器主灵敏度系数与轴间耦合灵敏度系数并非固定常数而均与冲击力载荷脉冲构型（幅值、脉宽）相关的冲击特性。最后,将能够反映载荷构型信息的传感器各轴输出电压脉冲的幅值与脉宽作为影响因素,并以神经元的形式添加到人工神经网络（artificial neural network, ANN）的输入层,建立了基于ANN的三轴冲击力传感器输出电压与输入载荷间的代理模型,实现了数据驱动的三轴冲击力传感器非线性解耦标定。结果表明,相对最小二乘模型,ANN标定精度更高,采用ANN进行三轴冲击力传感器标定具有可行性和有效性。

     

基于三维Hopkinson杆的混凝土动态力学性能研究

混凝土、岩石类材料在复杂应力状态下的动态力学性能研究一直备受关注,但鉴于动态实验的复杂性,对真三轴应力状态下材料的动态加载一直未曾实现。本文中研制了一套真三轴静载作用下混凝土、岩石类材料的“三维Hopkinson杆”动态力学实验系统,为冲击载荷作用下材料动态各向异性特性的研究提供了一种有效的实验测试技术。该系统采用液压伺服控制对立方体试件施加三向独立的0~100 MPa真三轴静载,再利用分离式Hopkinson压杆对试件施加冲击动载,具体研究了C30混凝土材料在不同真三轴静载条件下的动态压缩性能,得到了不同条件下X、Y、Z方向上的动态应力应变关系。     

用于Hopkinson压杆装置的电磁驱动技术

为提高分离式Hopkinson压杆装置的测试效率与精度,通过对电磁驱动技术的分析,设计并进行了电磁线圈驱动导体杆的原理性实验。以微型分离式Hopkinson压杆装置为基础,将电磁线圈驱动原理用于撞击杆的驱动。通过单级线圈驱动不同长度撞击杆,获得储能电量与不同长度撞击杆的速度为线性关系。结合对镁合金材料的动态应力应变关系测试结果,证明此系统速度容易控制、重复性好、可靠性高和实用性强、电磁干扰并不影响信号采集。借助此原理,通过提高储能电量或采用多级同轴线圈驱动方法,可以实现各种规格的Hopkinson压杆装置中撞击杆的有效驱动,使Hopkinson杆测试装置简化。     

变截面弹丸在分离式Hopkinson压杆中的应用

本文在分离式Hopkinson压杆系统中，探索了应用变截面锥形弹丸实现常应变率力学性能测试的实验方法，以及在较高应变率下实现动态卸载以获取材料的动态弹性模量的可行性。     

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。     

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。     

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.     

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杆实验中弯曲杆对应力波传播的影响

应力波在弯曲杆中传播时将产生失真,这对Hopkinson杆实验的测试精度将带来不利的影响.本文通过Ls-Dyna有限元计算讨论了不同曲率半径下Hopkinson杆中应力波传播的特征,分析结果表明随弯曲程度增大,波形失真程度增大,而两对称位置的信号平均受传播距离的影响则很小.在数值计算的同时对此问题也进行了验证试验,计算与实验结果都表明,对于1m长的杆,当弯杆拱起高度不大于6mm时,波形的失真程度可以控制在1%以下,可以满足大部分Hopkinson杆实验测试精度要求,对Hopkinson杆实验具有一定的指导意义.     

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。     

Hopkinson拉杆的入射波波形整形实验研究

目前,分离式Hopkinson杆实验技术已经被广泛用于测试材料在10~2~10~4s~(-1)应变率范围内的动态力学特性。为了抑制入射波的高频振荡,实现恒定应变率加载,本文利用分离式Hopkinson拉杆(SHTB)实验装置,研究了加载金属短杆(2A12T4铝合金)及整形垫片(纸板、PVC软塑料及带磁性胶皮)对入射波波形的影响。实验结果表明,整形垫片降低了入射应力脉冲的高频振荡,获得了比较平滑的入射应力脉冲,延长了上升时间。同时,利用所得的波形整形结果,对2A12T4铝合金进行了拉伸应力波脉冲加载的拉伸和断裂实验测试。     

套管式Hopkinson冲击拉伸实验相关问题的探讨

基于套管式Hopkinson冲击拉伸实验装置,对板状、棒状材料的冲击拉伸试验进行了简要介绍,重点讨论和解决材料冲击拉伸试验过程中出现的一些问题。通过提出的一种辅助式螺母连接方法,改进了棒状材料试件连接装置,解决了棒状试件试验过程中因连接拧紧度对实验结果的影响;通过建立其有限元模型,运用ABAQUS软件数值模拟分析入射杆端部拉伸螺母厚度对入射波形的影响,给出合理选择拉伸螺母的依据。     

Full Field Strain Measurement in Compression and Tensile Split Hopkinson Bar Experiments

The 3D image correlation technique is used for full field measurement of strain (and strain rate) in compression and tensile split Hopkinson bar experiments using commercial image correlation software and two digital high-speed cameras that provide a synchronized stereo view of the specimen. Using an array of 128 × 80 (compression tests) and 258 × 48 (tensile tests) pixels, the cameras record about 110,000 frames per second. A random dot pattern is applied to the surface of the specimens. The image correlation algorithm uses the dot pattern to define a field of overlapping virtual gage boxes, and the 3-D coordinates of the center of each gage box are determined at each frame. The coordinates are then used for calculating the strains throughout the surface of the specimen. The strains determined with the image correlation method are compared with those determined from analyzing the elastic waves in the bars, and with strains measured with strain gages placed on the specimens. The system is used to study the response of OFE C10100 copper. In compression tests, the image correlation shows a nearly uniform deformation which agrees with the average strain that is determined from the waves in the bars and the strains measured with strain gages that are placed directly on the specimen. In tensile tests, the specimen geometry and properties affect the outcome from the experiment. The full field strain measurement provides means for examining the validity and accuracy of the tests. In tests where the deforming section of the specimen is well defined and the deformation is uniform, the strains measured with the image correlation technique agree with the average strain that is determined from the split Hopkinson bar wave records. If significant deformation is taking place outside the gage section, and when necking develops, the strains determined from the waves are not valid, but the image correlation method provides the accurate full field strain history.