分離式Hopkinson(霍普金森)實(shí)驗(yàn)技術(shù)是目前實(shí)驗(yàn)技術(shù)和應(yīng)用情況研究最多的材料動力學(xué)性能實(shí)驗(yàn),。要講霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn),,就要先從材料動態(tài)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)開始講起,。
材料動態(tài)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)
在各類工程技術(shù),、和科學(xué)研究等廣泛領(lǐng)域的一系列實(shí)際問題中,甚至就在日常生活中,,人們都會遇到各種各樣的爆炸/沖擊載荷問題,并且可以觀察到,物體在爆炸/沖擊載荷下的力學(xué)響應(yīng)往往與靜載荷下的有顯著不同。
19世紀(jì)開始,人們才逐步認(rèn)識到了材料在動載下的力學(xué)性能與其在靜載下的力學(xué)性能不同,。
Thomas Young是分析彈性沖擊效應(yīng)的先驅(qū),,他(1807)提出了彈性波的概念,指出桿受軸向沖擊力以及梁受橫向沖擊力時(shí)可從能量進(jìn)行分析而得出定量的結(jié)果,。J. Hopkinson 1872完成了第一個動態(tài)演示實(shí)驗(yàn),觀察到鐵絲受沖擊而被拉斷的位置不是沖擊端,而是固定端;并且沖擊拉斷的控制因素是落重的高度,,即取決于撞擊速度,,而與落重質(zhì)量的大小基本無關(guān)。Pochhammer,1876,;Chree,1886;Rayleigh,Lord 1887分別研究了一維桿中的橫向慣性運(yùn)動,。1897年Dunn 設(shè)計(jì)了第一臺高應(yīng)變率試驗(yàn),。1914年B.Hopkinson想出了一個巧妙的方法,用以測定和研究爆炸或彈頭射擊桿端時(shí)的壓力~時(shí)間關(guān)系。所采用的裝置被稱為Hopkinson壓桿(Pressure Bar),,有時(shí)縮寫為HPB。
二戰(zhàn)之前,,很少有人研究動態(tài)壓縮加載問題,,只是G..I.Taylor 在三十年代末想出了一個方法來測量材料的動態(tài)壓縮強(qiáng)度。Taylor方法主要是假設(shè)材料是剛性——理想塑性,,運(yùn)用一維波傳播的基本概念,,用一個圓柱撞擊剛性靶,然后測出其變形,,最后得到材料動態(tài)壓縮屈服應(yīng)力,。
高應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展史
1807 固體中的彈性波與斷裂強(qiáng)度;
1800s 關(guān)注剛軌道的動態(tài)斷裂前度;
1872 Hopkinson實(shí)現(xiàn)金屬絲的動態(tài)加載,;
1870s-1880s Pochhammer和Chree發(fā)現(xiàn)長桿中彈性波的耗散,;
1897 Dunn 設(shè)計(jì)了第一臺高應(yīng)變率試驗(yàn)機(jī);
1905 Hopkinson實(shí)現(xiàn)金屬試件的動態(tài)加速加載,;
1914 利用Hopkinson壓桿測定彈頭撞擊和爆炸的脈沖波形,;
1920s-1930s 致力于高溫下鋼的拉伸和扭轉(zhuǎn)沖擊加載的技術(shù)研究;
1940s Carrington and Gayle等發(fā)展Taylor試驗(yàn)技術(shù),;
1940s Fehr 和 Parker等在動態(tài)拉伸試驗(yàn)中開始使用應(yīng)變片技術(shù),;
1948 Davies分析了波在Hopkinson壓桿中的傳播,并發(fā)展了電容方法測量桿中應(yīng)力脈沖,;
1948- 9 Volterra and Kolsky發(fā)明分離式SHPB
1950s Loizou and Sims發(fā)展了凸輪塑性儀,;
1950s Davies等確定采用表面應(yīng)變片測量應(yīng)力波傳播的合理性。
目前,,已能對材料進(jìn)行不同應(yīng)變率下的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究,。常規(guī)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備只能實(shí)現(xiàn)應(yīng)變率在0.1/s以下;凸輪塑性機(jī)和落錘實(shí)驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變率到500/s,;輕氣炮和平面波發(fā)生器可以獲得10000/s 以上的超高應(yīng)變率加載,,核爆炸產(chǎn)生的應(yīng)變率比108/s 大;分離式Hopkinson壓桿裝置被認(rèn)為是獲得材料在100/s- 10000/s高應(yīng)變率范圍內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的最主要實(shí)驗(yàn)手段,。分離式Hopkinson實(shí)驗(yàn)技術(shù)準(zhǔn)靜態(tài)加載與超高應(yīng)變率加載之間的部分空缺應(yīng)變率范圍,,這個范圍恰好包括了流動應(yīng)力隨應(yīng)變率變化發(fā)生轉(zhuǎn)折的應(yīng)變率,所以對它的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和應(yīng)用情況研究也最多,。

圖源-洛陽道生精密
霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用
霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)主要用于研究材料在沖擊荷載下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和破壞機(jī)理,,包括:
巖石、混凝土,、陶瓷材料試驗(yàn);
塑料,、復(fù)合材料、泡沫材料,、減震材料等材料試驗(yàn);
高聚物,、固體推動劑材料試驗(yàn)等。
1 動態(tài)荷載下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系
靜態(tài)荷載下,,材料應(yīng)力σ=應(yīng)變ε·楊氏模量E,。
而在動態(tài)荷載下,材料力學(xué)性能會與加載率(應(yīng)變率)顯著相關(guān),。高幅值短持續(xù)時(shí)間脈沖荷載所引起的材料力學(xué)性質(zhì)的應(yīng)變率效應(yīng),,對于抗動載的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析是非常重要的。這些動載來自常規(guī)爆炸,、偶然爆炸和高速撞擊等許多軍民事,。
當(dāng)驅(qū)動撞擊桿撞擊入射桿時(shí),,通過采集入射桿和透射桿的應(yīng)變脈沖-時(shí)間波形,就可得到作用于試件的沖擊荷載,。而改變撞擊速度就可以改變作用于試件的沖擊荷載和試件的應(yīng)變率,。通過多次測試,就能得到試樣在不同應(yīng)變率下表現(xiàn)出的不一樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,。下圖是鋁在一個測試結(jié)果,,在較高的應(yīng)變率下,試件發(fā)生了較大的變形,。
2 應(yīng)力波傳播特性和能量耗散分析
對不同的試樣進(jìn)行試驗(yàn),,得到其波阻抗特性并進(jìn)行能量耗散分析。在一定波阻抗匹配系數(shù)范圍內(nèi),,演示波阻抗匹配效果的改善,,有利于提高能量利用率,降低巖石大塊率,,改善破巖效果,。
3 試樣破壞機(jī)理研究
試樣在不同沖擊速度下呈現(xiàn)不同的應(yīng)變時(shí)程曲線,且破壞形態(tài)也不一樣,。以復(fù)合巖體為例,,隨著沖擊速度的增大,巖體破壞逐漸加劇,,碎塊數(shù)量增多,、體積減小。
霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集
霍普金森壓桿試驗(yàn),,需要非常快速(數(shù)MHz)的采集應(yīng)變數(shù)據(jù),。
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