用经典Hopkinson杆测试弹性模量的初步探讨

采用一维弹性应力波理论,实现了经典Hopkinson杆试验的计算机模拟,研究了试验"测得"(重构)的应力-应变曲线的精确度,并结合具体试验进行了分析.由于经典Hopkinson杆试验的基本计算公式中引入了"应力均匀性"假设,因此在有限应变范围内,重构的应力-应变曲线总是和输入(真实)曲线差异较大.结果表明,采用经典Hopkinson杆测量的弹性模量是不可靠的,因此实践中应慎用.     

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.     

杆中嵌入薄板的应力波传播行为

采用一维理论分析和二维有限元模拟,研究了杆中嵌入薄板的应力波传播行为.首先根据一维弹性应力波理论,推导了反射波,透射波以及板中应力的表达式.结合算例,分析了薄板厚度对应力波传播的影响,然后采用有限元方法,验证了一维理论分析结果,同时也研究了不同界面处理方式对结果的影响.结果表明板越薄,对应力波传播的影响越小,薄板中应力越能真实地反映杆中的应力状态;在SHPB实验中,嵌入薄片/薄膜传感器测量微弱应力信号是可行的.     

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.     

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.     

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。     

应力平衡和接触状态在Hopkinson杆测试聚合物动态弹性模量中的影响研究

针对用Hopkinson杆试验能否准确测量聚合物动态弹性模量以及其中主要影响因素的问题,本文基于重构试样初始加载阶段的应力波反射透射过程,分别计算了6个特征时间内的前三次反射波和透射波,得到试样的应力平衡度和试样的应力应变曲线。对于所研究的聚合物材料,通过比较重构的应力应变曲线的弹性模量与输入的材料弹性模量,发现在4个特征时间后,误差仅在3%左右。因此试样变形过程中的应力平衡与否不是材料在Hopkinson杆试验中弹性模量测不准的原因。通过环氧树脂试样试验发现,根据Hopkinson杆理论计算的应变结果要大于试样上应变片实测的结果,误差在11%左右。相应的数值模拟研究发现:试样和杆子端面接触状态直接决定着试样弹性模量测量的精度。关于惯性效应和压痕效应的研究也证实它们的影响是可以忽略的。     

一种基于Hopkinson杆的冲量校准方法

在爆炸与冲击实验中,常利用冲击摆等实验装置间接测量载荷的瞬态冲量。但是针对该类装置的校准方法较少,因此难以确定实验装置的测量精度和可信度,对所获取冲量数据的分析处理带来了一定困难。文中通过测量Hopkinson杆中入射与反射脉冲的应力波形σ(t),得出该脉冲动量的变化量,并将该变化量作为标准值对现有冲量测试装置进行校正。根据这一原理建立了一套针对爆炸与冲击环境下冲量测试的校准系统。利用该系统对一种水平导轨方式的冲量测试装置展开校准实验,所得结果确定了该装置的测量精度和可信度,同时证实了该校准方法的可行性。     

粘弹性Hopkinson压杆中波的衰减和弥散

研究了线性粘弹性Hopkinson压杆中由于粘性效应和横向惯性效应引起的应力波衰减和弥散.导出计及横向惯性效应的线性粘弹性杆中纵波控制方程和应力解应变解,进而导出表征波衰减和弥散性质的纵波传播系数的修正公式.这一修正公式计入粘性效应和几何效应,与Bacon公式相比,其形式简单,更便于在实验数据处理中应用.最后利用实验方法测定了有机玻璃杆的传播系数.     

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。     

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.     

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。     

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。     

霍普金森压杆实验中的磁场干扰

在分离式霍普金森压杆实验中 ,利用贴在钢杆上的电阻应变片测量时 ,经常出现一些不明干扰信号叠加在应变信号上。通过对干扰信号来源的讨论 ,可以确认它是由钢杆的压磁效应引起的。最后还提出了消除这种干扰的有效办法。     

高温分离式Hopkinson压杆技术及其应用

本文介绍了在分离式Hopkinson压杆装置上通过使用一种气动同步机构,实现对试样进行高温高应变率加载的技术。利用此技术仅对试样加高温度而保持入射杆和透射杆与试样脱离且处在较低温度,到预定温度时,借助气动同步机构使入射杆、透射杆与试样接触并同时实现对试样加载。利用波形抑制技术,仅对试样实现一次加载,入射杆中的后续二次加载波通过反作用质量块吸收。通过这些技术的结合,1)可以进行材料在高温高应变率下应力应变测试;2)可以测试材料在高应变率不同温度下的等温曲线;3)可以间接对材料的塑性功热转换系数进行测试;4)可以进行不同温度高应变率下的中断跳跃试验等。在文中给出了一些典型的试验曲线和结果,并对测试方法和结果进行了分析讨论。     

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。