SHPB试验中粘弹性材料的应力均匀性分析

采用特征线解法，对满足ZWT方程的粘弹性材料在高应变率SHPB试验中的应力均匀性进行了数值研究。着重分析了不同的材料本构粘性(松弛时间)、瞬态波阻抗比和入射波升时对于试样中应力均匀性、应变均匀性和平均应变率等的影响。为今后动态试验的试样设计提供了一定的理论依据。     

高聚物SHPB试验中试件早期应力不均匀性的影响

本文详细分析了在高聚物 SHPB 试验中,试件内部早期应力不均匀性的产生过程以及它对获得应力应变曲线的影响,提出消除这种不均匀性的修正方法。对线性粘弹性材料所做的数值模拟为分析提供了依据;采用新方法处理实测数据给出了较满意的结果.     

浇铸类炸药应力应变曲线的SHPB测量

浇铸类炸药由于质地软、波阻抗及波速都很低,通过传统SHPB实验方法无法得到准确的应力应变数据。透射杆信号幅值过低、试样应力平衡均匀性不高以及大应变加载引起的入射波反射波重叠失效,是进行浇铸类炸药SHPB实验的难点所在。本文中对传统SHPB实验方法进行改进,在试样两端面加装石英晶体应力计,引入石英计所获得的应力数据与应变片测得数据共同对试样应力应变状态进行计算。该方法可以提高透射信号幅值,提供试样大应变加载,避免了入射波反射波重叠导致的信号失效问题,修正了SHPB实验过程中的应力时空不均匀性的影响,提高了实验结果的可靠性。利用改进后的实验方法对典型浇铸类炸药进行了实验研究,得到了较准确的应力应变曲线。     

用HJC本构模型模拟混凝土SHPB实验

运用Holmquist-Johnson-Cook (HJC) 本构模型对混凝土的SHPB实验进行了数值模拟。解决了罚函数算法中罚因子合理数值的选取问题。利用模拟结果按SHPB两波法重构了试样的应力应变曲线。分析了混凝土材料的SHPB实验得到应力应变曲线的有效段范围和各段的力学规律。通过比较实际混凝土材料SHPB实验和数值模拟得到的应力应变曲线,发现两者体现的力学行为很相似,即HJC模型是描述该类材料的一种合理本构模型。模拟了试样不同平行度公差下的SHPB实验,发现在一定应变率范围内其影响程度远大于试样应力(应变)不均匀性。     

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。     

猪后腿肌肉的冲击压缩特性实验

波形整形技术使试样满足应力均匀条件和恒定应变率加载,石英片检测试样两端的应力均匀性, 获得微弱的透射信号。对开始加载阶段径向惯性效应带来的轴向应力附加值给予了计算修正,得到了肌肉在 不同加载方向和不同应变率下的应力应变曲线。结果发现:肌肉材料的应力应变曲线呈现粘弹性材料所具有 的凹向上特征,由最小显著差数法进行统计分析,发现猪后腿肌肉的力学性能对应变率和加载方向都敏感。 沿纤维方向压缩时肌纤维易发生压缩失稳,强度比垂直纤维方向低。     

变形模式对多孔金属材料SHPB实验结果的影响

利用两种改进后的Hopkinson杆实验分别测得多孔金属材料冲击端和支撑端的应力.实验结果及高速摄影表明,随着撞击速度的增加,试件两端的应力均匀性变差,分别对应着泡沫材料的3种变形模式:准静态模式、过渡模式、冲击模式.实验得出在冲击模式下,冲击端与支撑端的应力与试件的厚度无关,但是与试件的密度有关.在多孔金属的高应变率实验中,变形模式对SHPB实验有很大的影响,轴向惯性(波动)效应会导致试件两端的应力不均匀,此时利用SHPB得出的实验结果将会是应变率效应和惯性效应的耦合,不能真实反映材料的动态力学性能(应变率效应).      

SHPB测试中的均匀性问题及恒应变率

利用一维应力波理论对霍普金森压杆(SHPB)测试中的均匀性问题作了较为详尽的讨论,对测试中各种加载波形的优缺点及各参数对均匀性的影响进行了分析与评估。给出了测试脆性材料时实现恒应变率加载的加载条件。对在满足应力均匀性要求下SHPB的可测应变率范围作了讨论并修正了前人不完善的结论。讨论了考虑均匀性时应采用的测试数据处理方法。利用图解的方法对弹塑性材料测试时的均匀性问题及相应加载要求作了定性分析,指出对弹塑性材料,测试中的应变不均匀也应予以考虑。     

大直径SHPB装置的数值模拟及实验误差分析

介绍了用于混凝土冲击试验的Φ100SHPB装置。利用数值模拟和应变测试相结合的方法讨论了应力波在该装置中的传播特性。二维效应导致应力波在大直径SHPB装置传播过程的弥散现象。同时在实验的大部分时间内大尺寸试样的应力(应变)存在不均匀性。因此大直径SHPB装置进行混凝土冲击压缩应力-应变曲线的实验研究会产生误差。利用数值模拟分析了误差影响程度,同时验证了用混凝土试样应变和透射杆应力得到应力-应变曲线初始段的可行性。     

岩石SHPB实验加载过程中应力平衡问题分析

运用一维应力波理论,分析了弹性应力波在分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验中的传播过程,推 导出试件和压杆中应力分布相关计算公式。探讨了有关因素对试件应力平衡时间的影响规律,发现试件应力 平衡时间受试件/压杆广义波阻抗比和入射加载升时的影响显著,而不受试件/压杆截面积比和入射加载应力 幅值的影响。结合岩石SHPB实验,计算分析了不同入射加载应力幅值在不同入射加载升时情况下,试件达 到应力平衡时的应变变化特征,并提出了降低试件在应力平衡时的应变控制方法,使试件在未达到断裂应变 之前达到应力平衡,以保证实验的有效性。得出的结论对岩石类脆性材料SHPB实验方案设计具有一定的 参考意义。     

基于SHPB的UHPC冲击试验径向惯性效应分析

为探讨UHPC试件惯性效应对SHPB加载过程的影响，采用大型有限元分析软件LS-DYNA从试件直径、长径比以及恒应变率加载等角度出发，开展了相应的数值模拟与分析。通过对软件中Karagozian-Case-Concrete (KCC)损伤模型参数取值进行优化，建立了基于SHPB技术的UHPC材料冲击压缩数值模型并与试验验证。在此基础上，开展不同UHPC试件直径、长径比以及有无整形器下的参数分析，探讨其对SHPB试验中径向惯性效应的影响。结果表明:(1)为实现加载过程中一维应力传播和UHPC试件应力平衡，试件直径建议按0.90～0.95倍杆件直径取值；(2) UHPC试件长径比对试件加载过程中的应力平衡影响较小，但综合试件中钢纤维分布均匀性以及破坏前一维应力传播，建议按0.35～0.45取值；(3)实现恒应变率加载是UHPC材料在SHPB冲击试验中消除径向惯性效应的重要前提。     

Limiting conditions for compression testing of flat specimens in the split hopkinson pressure bar

The split Hopkinson pressure bar (SHPB) technique is analyzed during the initial stages of loading by means of axisymmetric finite element simulations of dynamic compression tests. Limiting strains as functions of the test parameters such as the specimen diameterd and heighth were found to ensure a one-dimensional stress state and axial stress homogeneity in specimens of elastic-perfectly plastic material. The one-dimensional stress state is necessary and sufficient for accurate test results for flat specimens (h/d≤0.5) and nonflat specimens, respectively, with diameters up to half of the bar diameter. Only very small values of the Coulomb friction constraint (μ≈0.01) seem to be acceptable. The significance of the determined limiting conditions to the more practical case of a rate dependent material is investigated using an elastic-viscoplastic material for the specimen. The stress and strain rate reconstructed from the calculated bar signals (according to the SHPB analysis) are compared with stresses and strain rates averaged over the cross section of the specimen. Well-known inertia corrections improve the results of the SHPB procedure, but errors remain for small strains and highly time dependent strain rates.     

单轴双向加载分离式霍普金森压杆的数据处理方法

本文中提出单轴双向加载分离式霍普金森压杆（bidirectional-load split Hopkinson compression bar,BSHCB）,即在传统的分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar,SHPB）的基础上增加另一个对称的入射波,两边的入射波同时且对称地对试样进行动态加载。根据一维应力波传播理论,推导出单轴双向加载分离式霍普金森杆的数据处理公式。通过数值模拟分析发现,所推导的数据处理公式可以用于计算单轴双向加载实验中试样的工程应力、工程应变和工程应变率。此外,单轴双向对称加载不仅可缩短试样内部应力均匀化的过程,而且可以提高试样应变率。     

硬质聚氨酯泡沫塑料的SHPB实验研究

本文对四种不同密度的硬质聚氨酯泡沫塑料（ＲＰＵＦ）的静态及动态力学性能进行了研究，并对分离式Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆（ＳＨＰＢ）实验中ＲＰＵＦ试样的长径比进行了讨论。静态实验的结果说明了ＲＰＵＦ的弹性模量及屈服应力都随密度增加而增大，并且随密度增加，材料的屈服平台逐渐消失。ＳＨＰＢ实验结果表明ＲＰＵＦ对变形应变率有一定的敏感性且其敏感性随密度增加而稍有降低     

SHPB试验中岩石试件的端面不平行修正

为研究短圆柱体岩石试件端面不平行对岩石动力学特性测试结果的影响,采用有限元分析软件LS-DYNA对9种端面不平行度和5种杨氏模量的岩石试件开展SHPB(split Hopkinson pressure bar)试验数值模拟,对岩石选用HJC(Holmquist-Johnson-Cook)本构模型。数值模拟结果表明,当端面不平行度在0.40%以内时,端面不平行对动态应力测试结果的影响可忽略不计;但对动态应变测试结果的影响较大。当杨氏模量一定时,平均应变率测试误差和峰值应变测试误差随端面不平行度增大呈线性增大;当端面不平行度一定时,平均应变率测试误差和峰值应变测试误差随杨氏模量增大也呈线性增大。对数值模拟得到的平均应变率测试误差和峰值应变测试误差实施二元线性回归分析,提出了SHPB试验中端面不平行岩石试件平均应变率和峰值应变的修正公式。     

混凝土类材料动态压缩强度在多维应力状态下的应变率效应

对混凝土类材料动态压缩应变率效应研究的发展及问题进行了概述,对比不同应力状态下混凝土类材料动态压缩应变率效应的表现特征,揭示了不同加载路径下实测动态强度提高系数的显著差异。研究表明,在高应变率下,基于初始一维应力加载路径的试件将因横向惯性效应导致的侧向围压而演化至多维应力状态,传统霍普金森杆技术无法获得高应变率下基于真实一维应力路径的动态强度提高系数,在强度模型中直接应用实测数据将过高估计材料的动态强度。鉴于应变率效应的加载路径依赖性,将仅包含应变率的强度提高系数模型扩展至同时计及应变率和应力状态的多维应力状态模型,并结合Drucker-Prager准则在强度模型中给予了实现。针对具有自由和约束边界试件开展的数值霍普金森杆实验表明,多维应力状态下的应变率效应模型可以考虑应变率效应随应力状态改变的特点,从而准确预测该类材料的动态压缩强度。研究结果可为正确应用霍普金森杆技术确定脆性材料的动态压缩强度提供参考。     

USING LAPLACE TRANSFORM TO SOLVE THE VISCOELASTIC WAVE PROBLEMS IN THE SHPB EXPERIMENTS

对分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB) 实验中试件的黏弹性波传播的控制方程组进行Laplace 变换,并结合恰当的初始-边界条件求解,得到变换域的应力、速度、应变等变量的像函数的精确表达式. 采用该方法处理SHPB 实验中涉及黏弹性试件内部应力非均匀性问题,并给出数值反变换解. 作为特例,对于弹性试件分别采用级数展开法和留数定理进行反Laplace 变换,从而给出弹性夹层介质中应力波传播问题的解析解.     

Laplace变换法研究SHPB实验中试件的黏弹性波传播问题

对分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB) 实验中试件的黏弹性波传播的控制方程组进行Laplace 变换,并结合恰当的初始-边界条件求解,得到变换域的应力、速度、应变等变量的像函数的精确表达式. 采用该方法处理SHPB 实验中涉及黏弹性试件内部应力非均匀性问题,并给出数值反变换解. 作为特例,对于弹性试件分别采用级数展开法和留数定理进行反Laplace 变换,从而给出弹性夹层介质中应力波传播问题的解析解.