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材料动力学性能试验装设备分离式霍普金森杆

发布时间:2022-07-08点击次数:134次

  分离式Hopkinson(霍普金森)实验技术是目前实验技术和应用情况研究最多的材料动力学性能实验。要讲霍普金森压杆实验,就要先从材料动态力学性能实验开始讲起。

霍普金森杆淘宝主图.jpg

  材料动态力学性能实验

  在各类工程技术、和科学研究等广泛领域的一系列实际问题中,甚至就在日常生活中,人们都会遇到各种各样的爆炸/冲击载荷问题,并且可以观察到,物体在爆炸/冲击载荷下的力学响应往往与静载荷下的有显著不同。

  19世纪开始,人们才逐步认识到了材料在动载下的力学性能与其在静载下的力学性能不同。

  Thomas Young是分析弹性冲击效应的先驱,他(1807)提出了弹性波的概念,指出杆受轴向冲击力以及梁受横向冲击力时可从能量进行分析而得出定量的结果。J. Hopkinson 1872完成了第一个动态演示实验,观察到铁丝受冲击而被拉断的位置不是冲击端,而是固定端;并且冲击拉断的控制因素是落重的高度,即取决于撞击速度,而与落重质量的大小基本无关。Pochhammer,1876;Chree,1886;Rayleigh,Lord 1887分别研究了一维杆中的横向惯性运动。1897年Dunn 设计了第一台高应变率试验。1914年B.Hopkinson想出了一个巧妙的方法,用以测定和研究爆炸或弹丸射击杆端时的压力~时间关系。所采用的装置被称为Hopkinson压杆(Pressure Bar),有时缩写为HPB。

  二战之前,很少有人研究动态压缩加载问题,只是G..I.Taylor 在三十年代末想出了一个方法来测量材料的动态压缩强度。Taylor方法主要是假设材料是刚性——理想塑性,运用一维波传播的基本概念,用一个圆柱撞击刚性靶,然后测出其变形,最后得到材料动态压缩屈服应力。

  高应变率实验技术的发展史

  1807 固体中的弹性波与断裂强度;

  1800s 关注刚轨道的动态断裂前度;

  1872 Hopkinson实现金属丝的动态加载;

  1870s-1880s Pochhammer和Chree发现长杆中弹性波的耗散;

  1897 Dunn 设计了第一台高应变率试验机;

  1905 Hopkinson实现金属试件的动态加速加载;

  1914 利用Hopkinson压杆测定弹丸撞击和爆炸的脉冲波形;

  1920s-1930s 致力于高温下钢的拉伸和扭转冲击加载的技术研究;

  1940s Carrington and Gayle等发展Taylor试验技术;

  1940s Fehr 和 Parker等在动态拉伸试验中开始使用应变片技术;

  1948 Davies分析了波在Hopkinson压杆中的传播,并发展了电容方法测量杆中应力脉冲;

  1948- 9 Volterra and Kolsky发明分离式SHPB

  1950s Loizou and Sims发展了凸轮塑性仪;

  1950s Davies等确定采用表面应变片测量应力波传播的合理性。

  目前,已能对材料进行不同应变率下的力学性能实验研究。常规的实验设备只能实现应变率在0.1/s以下;凸轮塑性机和落锤实验装置可以实现应变率到500/s;轻气炮和平面波发生器可以获得10000/s 以上的超高应变率加载,核爆炸产生的应变率比108/s 大;分离式Hopkinson压杆装置被认为是获得材料在100/s- 10000/s高应变率范围内应力应变关系的最主要实验手段。分离式Hopkinson实验技术完善了准静态加载与超高应变率加载之间的部分空缺应变率范围,这个范围恰好包括了流动应力随应变率变化发生转折的应变率,所以对它的实验技术和应用情况研究也最多。
      霍普金森压杆实验

霍普金森杆原理图.jpg

  Kolsky证实了试样的应力和应变与压杆位移之间的关系。利用超动态应变放大器+数字示波器,记录存储入射杆和透射杆的应变-时间波形。

  该技术的理论基础是一维应力波理论,通过测定压杆上的应变来推导试样材料的应力-应变关系。SHPB技术之所以能受到人们的重视,主要原因是该测试技术的优点十分突出,主要表现在:

  测量方法巧妙,成功的避开了要在试样同一位置上同时测量随时间变化的应力和应变的难题;

  SHPB试验所涉及的应变率范围包括了流动应力随应变率变化发生转折的应变率(100~10000/s);

  入射波形易于控制,改变弹丸(撞击杆)的撞击速度及形状,即可调节入射脉冲波形,从而也调节了作用于试样上的波形。

  霍普金森压杆实验的应用

  霍普金森压杆实验主要用于研究材料在冲击荷载下的应力-应变关系和破坏机理,包括:

  岩石、混凝土、陶瓷材料试验;

  塑料、复合材料、泡沫材料、减震材料等材料试验;

  高聚物、固体推动剂材料试验等。

  1 动态荷载下应力-应变关系

  静态荷载下,材料应力σ=应变ε·杨氏模量E。

  而在动态荷载下,材料力学性能会与加载率(应变率)显著相关。高幅值短持续时间脉冲荷载所引起的材料力学性质的应变率效应,对于抗动载的结构设计与分析是非常重要的。这些动载来自常规兵器爆炸、偶然爆炸和高速撞击等许多军民事。

  当驱动撞击杆撞击入射杆时,通过采集入射杆和透射杆的应变脉冲-时间波形,就可得到作用于试件的冲击荷载。而改变撞击速度就可以改变作用于试件的冲击荷载和试件的应变率。通过多次测试,就能得到试样在不同应变率下表现出的不一样的应力-应变关系。下图是铝在一个测试结果,在较高的应变率下,试件发生了较大的变形。

  2 应力波传播特性和能量耗散分析

  对不同的试样进行试验,得到其波阻抗特性并进行能量耗散分析。在一定波阻抗匹配系数范围内,演示波阻抗匹配效果的改善,有利于提高能量利用率,降低岩石大块率,改善破岩效果。

  3 试样破坏机理研究

  试样在不同冲击速度下呈现不同的应变时程曲线,且破坏形态也不一样。以复合岩体为例,随着冲击速度的增大,岩体破坏逐渐加剧,碎块数量增多、体积减小。

  霍普金森压杆实验数据采集

  霍普金森压杆试验,需要非常快速(数MHz)的采集应变数据。

  数字示波器是我们实验室常用的设备,采样频率很高,但是应变片在经过桥路转换后的输出电压非常小,在mV级别甚至μV级别。而超动态应变放大器可以将桥路的输出电压进行无失真的放大到1-10V,放大后示波器可以很轻易的采集,而且信噪比高。

  在拥有数字示波器的前提下,我们只需要再配备2个或多个超动态应变放大器,即可以较低的成本高规格的满足试验要求。


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