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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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),。

　　CR6261高速瞬態(tài)信號采集儀是我們公司自主研發(fā)生產(chǎn)的國產(chǎn)數(shù)據(jù)采集儀,，特點(diǎn)是：采樣頻率高，精度高,，多通道并行采集,，采集方便，而且信噪比高,。