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Hopkinson实验
9.3 Hopkinson实验技术Kolsky于1949年提出了分离式Hopkinson压杆实验系统。该装置采用应变片测量得到弹性压杆中的加载脉冲和输出杆中的透射脉冲,间接的推算得到夹在这两根杆中材料试件的动态本构关系,避开了冲击作用下直接测量试件中应力和应变的困难。并经过几十年的发展形成了比较完整的Hopkinson实验技术,在材料的动态性能试验中得到了广泛的应用。测试材料在高应变率的应力应变行为通常采用的是分离式Hopkinson压杆装置(Split Hopkinson Pressure Bar),简称SHPB实验装置。SHPB实验技术已广泛应用于工程材料在高应变率下(102s-1~104s-1)的动态应力—应变曲线的研究。它结构简单,操作方便,测量方法巧妙,加载波形易于控制。当材料在受冲击时瞬间变形可近似地视为恒应变率,而应变率效应是工程上关心的问题之一。目前在国内外该类装置已得到了广泛的应用。9.3.1 SHPB实验技术SHPB实验技术是基于弹性脉冲在圆杆中传播的初等理论而发展起来的实验技术。是目前测量材料在高应变率(102s-1~104s-1)下动态应力—应变曲线最普遍的方法。Hopkinson .B .是最早在实验室条件下研究应力脉冲的学者之一。他于1914年利用压力脉冲在杆自由端反射时变为拉伸脉冲的特性设计了一套装置,用来测定炸药爆炸或子弹打击时压力与时间的关系。这套装置称为Hopkinson压杆,简称HPB(Hopkinson Pressure Bar)。Hopkinson压杆的主体是一个圆柱形钢杆,长约1000mm,直径25mm,由四条线挂成水平状,这些线可在垂直面内摆动。其装置示意图如图9-1所示,在杆的一端接一个称为测时器的短柱体,杆的另一端称为打击端,承受炸药爆炸或子弹打击造成的瞬时压力脉冲。测时器和杆的直径相同,并用同种材料制成。测时器和杆的接触面处磨得很平,涂以少许机油,可使压力脉冲通过接触面时不受影响,但几乎不能承受压力。这样当压力脉冲在测时器自由端反射为拉伸脉冲,此时拉伸脉冲与入射压力脉冲后续部分迭加在接触面处造成净拉力时,测时器将携带着动量而飞离。测时器的动量可由接受测时器的弹道摆来测得,而留在杆内的图9-1 Hopkinson 压杆简图动量则可由杆的摆动振幅来测定。当测时器长度等于或大于压力脉冲长度1/2时,压力脉冲的动量将全部传给测时器,测时器飞离后杆将保持不动。因此变化测时器的长度,求得测时器飞离而杆能保持静止的最小长度lo,就可以求得压力脉冲长度λ=2lo或压力脉冲持续时间t0。在实验中如采用一系列不同长度的测时器,利用动量对应于压力时程曲线下的面积关系,就可以大致估计出压力。该装置设备简单,能较好地给出脉冲持续时间和压力峰值,但不能准确地给出压力脉冲的真实波形。此外,杆与测时器之间的衔接力也影响着实验的精度。尽管如此,这一方法的提出,当时还是很有价值的。后来Davies对Hopkinson压杆作了改进,不采用测时器,而是采用电测方法连续记录自由杆端的纵向位移,这样显然能精确而又方便地确定脉冲的特征。Kolsky H. 于1949年改进了Hopkinson-Davies压杆,用于测量盘形试件的动态应力—应变关系。该实验装置是由打击杆、入射杆、透射杆及嵌在两杆之间的试件组成的,因此被称为分离式Hopkinson压杆,简称SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar),其实验装置简图如图9-2所示。图9-2在利用SHPB技术进行分析时,首先要满足以下三条假设:(1)一维应力波假设。弹性波在细长杆中传播时,由于横向惯性效应,波会发生弥散现象。但当入射波波长λ比输入杆的直径R大得多时,即满足R/λ1时,杆的横向惯性效应除波头外,可作为高阶小量忽略不计。(2)不计试件和波导杆端面间的摩擦效应。由于试件和波导杆端面加工不光滑,以及波导杆和试件横向变形的不一致性,在入射杆与试件接触的端面和透射杆与试件接触的端面上会产生摩擦力,从而使试件处于复杂的应力状态。实验中假设不存在摩擦效应,即试件仍处于一维应力状态。(3)均匀化假设这是三个假设中最为重要的一条,即假设整个实验过程中试件中的应力和应变均匀分布,这就相当于忽略了应力波的传播效应。在以上假设成立的情况下,由于入射应变脉冲ε1沿着杆的正轴向传播,而反射脉冲εR沿着杆的负轴向传播,则入射杆与试件交界面处的轴向位移u1可表示为(9-1)式中:c为弹性波在杆中的传播速度(在钢中约为5000m/s)。同理,透射杆与试件交界面处的轴向位移u2可由透射应变脉冲εT得到,即(9-2)试件中的名义压缩应变εS为(9-3)式中:LS为试件的初始长度。从而试件两侧的轴力为(9-4a)(9-4b)式中:Eb与Ab分别为压杆的弹性模量和截面面积。
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