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紫铜脉冲整形器设计研究 　　摘要： 利用ANSYS/LS-DYNA程序，采用Lagrange方法，对紫铜脉冲整形器的设计进行研究，结果表明：只要合理的控制脉冲整形器直径，撞击杆的撞击速率，就可以使反射脉冲平台处应变等于入射脉冲上升段的第一拐点处应变，此时混凝土就会以近恒应变率发生形变；对于同一尺寸的混凝土试件，混凝土试件能够达到近恒应变率值与紫铜脉冲整形器的直径之间呈线性增长关系。 　　Abstract： A design of the copper pulse shaper is studied by adopting the Lagrange method basing on the ANSYS/LS-DYNA. It indicates that the strain at the reflected pulse platform could be equal to the strain at the first inflection point of the ascending incident pulse by controlling the diameter of the pulse shaper and velocity of trip rod， in this situation the concrete deforms as a constant strain rate. As the concrete of the same size， there is a linear relationship between the diameter of the copper pulse shaper and the constant strain rate which the concrete specimen can achieve. 　　关键词： 混凝土；紫铜脉冲整形器；近恒应变率；ANSYS/LS-DYNA 　　Key words： concrete；copper pulse shaper；a nearly constantstrain rate；ANSYS/LS-DYNA 　　中图分类号：TU522 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）02-0029-04 　　0 引言 　　采用霍普金森压杆实验装置来研究混凝土脆性材料[1-3]在高应变率下的动态力学性能时，如果是在常规的大直径霍普金森压杆实验装置上，对混凝土实施动态实验，其结果将带有较大的误差，原因有二：第一，因为基于一维弹性波理论假设的霍普金森压杆实验装置，加载脉冲在杆中传播时，由于弹性波的弥散，而使得加载波具有波幅震荡；第二、混凝土脆性材料的破坏应变很小（只有千分之一），高应变率下达到破坏的历程非常短。 　　在混凝土试件破坏前，满足应力均匀分布要求，保持恒应变率加载，是保证实验有效性和结果可靠性的关键。然而，在常规的霍普金森压杆实验中这两项要求并不能自动达到，因此必须很好地设计入射脉冲加载率，保证在试件中尽可能的达到应力均匀，以近恒应变率发生变形，这种被用于修正常规霍普金森压杆以满足以上两点要求的技术，称为脉冲整形技术。 　　李夕兵等[4-6]分别于1994和1995年提出采用“钟形”入射脉冲来测试岩石的动态力学性能。刘孝敏等[7]于2000年研究了霍普金森压杆试验中波的弥散，结果显示，大直径霍普金森压杆的弥散效应对实验结果影响很大，引起波形震荡非常严重。宋博等[8]于2004年系统地综述了霍普金森压杆实验中脉冲整形技术的发展历史，基本原理，实际运用以及最近研究进展。O S Lee等[9]于2006年研究了相同直径、不同厚度的波形整形器对入射脉冲上升沿的升时影响，研究表明，整形器的厚度越小，入射脉冲的上升沿的升时越长，越有利于试件中的应力均匀。 　　脉冲整形技术是解决应力均匀性及恒应变率加载问题的最有效的方法。因此，本文选用圆柱体紫铜作为脉冲整形器，用数值模拟的方法，对紫铜脉冲整形器的设计进行研究。 　　1 有限元模型及验证 　　1.1 材料本构关系 采用HJC模型描述混凝土试件的力学性能，HJC模型主要包括三个方面： 　　强度方程、损伤演化方程、状态方程。 　　强度方程为 　　σ*=A（1-D）+BP■[1+CIn（ε*）] 　　式中A、B、N、C为材料常数，σ*=σ/fc为无量纲应力，σ为混凝土的实际受力，fc为静水态单轴抗压强度，P*=P/fc为无量纲压力，P为单元真实静水压力，ε*=ε/ε0为无量纲应变率，ε为真实应变率，ε0为参考应变率，D为损伤因子（0？燮D？燮1），引入一个最大无量纲强度Smax，σ*？燮Smax。 　　HJC模型用等效塑性应变和塑性体积应变的累积来描述损伤，其损伤演