赵鹏铎[1]2011年在《分离式霍普金森压剪杆实验技术及其应用研究》文中认为在各类涉及爆炸、冲击加载的工程技术和科学研究领域中,材料的动态本构关系研究始终是重要的研究课题。传统的一维波加载实验只能确定部分本构参数,动态压-剪复合加载实验则可以提供材料的动态压缩和剪切特性,为本构关系提供更加完整的实验参数。除此之外,材料的屈服、损伤演化、失效、相变等均与剪切密切相关。材料动态压-剪加载的研究不仅丰富了材料的动态力学现象,拓展了研究范围,而且对于认识材料动态响应的演化规律和机理有重要的意义。在武器系统应用中,炸药在压-剪复合加载响应研究,更是关系到武器系统安全性问题的一个关键环节。因此研究和发展压-剪复合加载实验技术不仅具有重要的学术价值而且也是实际应用的迫切需要。本文旨在研究和发展高应变率下的压-剪复合加载实验技术,论证和发展能够有效用于研究材料高应变率压-剪动态力学行为的SHPSB(分离式霍普金森压剪杆,Split Hopkinson Pressure Shear Bar)实验技术,并拓展其应用领域,最终为研究材料特别是含能材料在压-剪复合加载下的动态力学响应提供实验支撑。本文是在国家自然科学基金项目(10672177,10872215)的资助下开展的实验技术和应用研究。本文的主要内容分为以下叁部分:第一部分内容是对分离式霍普金森压剪杆实验技术的基本加载原理及装置中传播的应力波的类型和规律进行研究。讨论了弹性弯曲波与弹性纵波复合传播的问题,建立了弯曲波和纵波复合传播的动力学方程。分析结果表明,一般情况下杆中弯曲波和纵波同时传播时,两者在一定程度上是耦合的。然而在弹性小变形情况下,两者可以进行解耦处理,利用数值模拟验证了分析结果。对SHPSB实验过程进行了数值模拟。结果表明:入射杆中反射波为平面纵波,不存在弯曲波扰动;试样在横截面内平均轴向压缩应力与平均剪切应力沿试样轴向是一致的。第二部分内容是对分离式霍普金森压剪杆实验测试技术的研究,并对实验误差进行了分析,进一步对试样构型进行了优化探索。压缩应力、压缩应变测试技术是基于电阻应变片测试方法,利用实验杆上所贴的应变片组,通过半桥接法,消除弯曲波的影响,间接地测量得到了试样的压缩应力、压缩应变。从数值模拟和验证实验两方面证明了压缩应力测试技术、压缩应变测试技术的有效性。提出了基于压电效应的剪切应力测试技术。剪切应力计为Y切旋转17.705°(yzw/17.705°)石英晶体片,利用数值模拟和实验研究了剪切应力在透射杆中的衰减规律,结果表明本文采用的剪切应力测试技术有效。通过理论分析表明,建立起简单可用的剪切应变与实验所测得的剪切应力之间的关系是非常困难的,因此本研究采用了光通量法对剪切应变进行间接测量,由基于数字图像处理的验证实验的结果证明剪切应变测试技术是合理的。分析了实验测试的主要误差源。结果表明:压缩应力测试的主要误差是在加载初始阶段,试样与实验杆没有达到应力平衡造成的。压缩应变测试的主要误差是透射杆-试样界面与入射杆-试样界面的压缩速度时间不同步,而这一误差的引入具有明显的主观性。剪切应力测试的主要误差有:由于剪切应力计距试样有一定距离,由此引起的系统误差;动态压电系数的标定结果引入的随机误差;电荷放大器的系统噪声误差。剪切应变测试的主要误差是:电压-距离转换系数标定结果引入的随机误差;光电接收器的系统噪声误差。对于本文给出的算例,分别计算出剪切应力的极限误差为0.24 MPa,剪切应变测量极限误差为0.00038。提出了两种优化的试样构型(试样构型I、试样构型II)以简化试样的应力状态。分别通过数值模拟以及SHPB实验对优化的试样构型的合理性进行了验证。结果表明:试样构型I的计算结果与真实应力-应变曲线吻合较差,而在应变不超过5%情况下,试样构型II与数值模拟以及真实应力-应变曲线吻合较好。第叁部分是对分离式霍普金森压剪杆实验技术的应用研究。对某含铝PBX炸药试样进行了SHPSB实验和动态摩擦研究。建立了一个率相关的损伤本构模型来描述PBX炸药试样不同动态加载下的力学响应。采用试样构型II对PBX炸药进行了分离式霍普金森压剪杆实验。实验结果表明PBX试样在破坏前达到了压力和剪力平衡,符合SHPSB的基本假定;随着加载应变率的增大,试样压缩破坏强度增大而剪切破坏强度减小;随着应变率的增加,试样由“剪切破坏-压缩破坏”的顺序向“压缩破坏-剪切破坏”的顺序转变。分析表明这些现象均与实验的加载路径有关。基于损伤力学,建立了一个包含应变率效应的损伤本构模型,模型参数由SHPSB实验、被动围压实验、动态巴西实验结果标定获得。进一步利用LS-DYNA提供的二次开发接口将本文建立的损伤本构模型添加到材料模型库中。对SHPB实验、动态巴西实验、SHPSB实验进行了模拟,结果表明本文建立的本构模型较为准确地预测了所研究PBX炸药试样不同加载下试样力学性能的劣化以及试样的破坏,具有较强的普适性。利用SHPSB实验技术对一种PBX炸药试样和钢摩擦副进行了动态摩擦实验。实验结果表明:本文研究的两种摩擦副在稳定摩擦阶段的摩擦系数并非恒定值,摩擦系数在0.09-0.19范围内变化,表面粗糙度越大的摩擦副的摩擦系数越大。由实验结果表明,分离式霍普金森压剪杆可以方便地应用于动态摩擦研究。基于SHPSB实验技术,实现了对试样的压剪破坏-动态摩擦过程的实验研究。实验结果表明:在试样压剪破坏过程中,试样出现了微观裂纹萌生-发展、宏观裂纹形成、宏观裂纹发展—宏观裂纹界面滑动叁个过程。在试样动态摩擦过程可分为稳定摩擦阶段与摩擦系数增大阶段。在稳定摩擦阶段,相互滑动摩擦的界面基本是原有的破坏界面,摩擦系数比较稳定;在摩擦系数增大阶段,相互接触的摩擦面不再是裂纹开裂界面,摩擦界面不再平滑,粗糙度增大,随之摩擦系数也增大。而裂纹摩擦系数增大必然导致裂纹的温升增大,对于炸药的安全性将构成严重的威胁。
陈庚[2]2014年在《霍普金森杆波形整形技术研究》文中指出在航空工业、航天工程、车辆工业、船舶工业、核工业以及其他的各种军用或者民用工程领域中,工程材料和结构除了受到自身重力,风载等载荷情况外,还将会遇到爆炸冲击、高速碰撞等情况,这时工程结构受到的是冲击载荷。而在研究材料性能以及本构关系时,传统的材料力学实验是在准静态条件下进行的,由于实验条件的限制,准静态实验不能获得高应变率下材料受到的应力与应变的对应关系,也就是说普通的材料力学实验难以获得材料的动态本构关系。所以为了研究材料在高速冲击载荷作用下的力学性能,我们需要研制一套高效、精确的试验设备用来确定材料在高应变率下的本构关系。1949年,Kolsky研制出了一种分离式霍普金森压杆,该实验设备广泛应用于多种材料在高应变率下力学性能的测试,而对于某些特殊材料,例如混凝土、岩石、陶瓷、聚合物等软材料和脆性材料,为了得到精确有效的实验数据,需要利用波形整形技术对普通的霍普金森压杆测试技术进行修正,使得在实验过程中试样以恒应变率变形,同时确保试样中应力分布均匀。本文通过数值模拟的研究方法,开展了对霍普金森压杆设备以及霍普金森拉伸设备的波形整形技术的研究,探讨了几种不同的波形整形方法应用于材料的动态本构关系的确定。本文主要研究内容如下:1.简要介绍了霍普金森杆实验设备国内外的研究状况,同时简要说明了该设备的实验原理以及动态测试方法,简要说明了波形整形技术的概念,总结了国内外学者对霍普金森杆设备的波形整形方法的研究成果,对碰撞冲击的基本理论模型、动态实验的测试方法进行了综述性研究。2.简要介绍了应力波基础理论,该理论是霍普金森杆设备的理论基础,霍普金森杆基本原理就是基于一维应力波理论而得出的。利用应力波理论解释了应力波在传播过程中由于横向惯性引起的弥散效应,弥散效应对于实验的测试精确度有着较为明显的影响,而通过波形整形的方法,可以减小应力波传播的弥散效应,由此说明了在应用霍普金森杆进行实验时,对于应力波整形是十分必要的。3.利用数值模拟的方法,研究了基于霍普金森压杆设备的波形整形技术,分析了模拟试样法和利用紫铜材料作为波形整形器的波形整形方法,随后提出了利用球形波形整形器以及圆头子弹撞击入射杆的方法进行波形整形,改进了原有波形整形技术中的一些缺点。4.利用数值模拟的方法,研究了基于霍普金森拉伸设备的波形整形技术,研究了影响霍普金森拉伸设备入射波形的主要因素,采用实验的方法,探究率无关材料金属短杆波形整形方法,该方法可以得到预期的入射波形,通过应用套筒子弹的方法进一步对霍普金森拉伸设备进行改进,并且讨论了吸收杆对于霍普金森拉伸设备中入射波形的影响,最后通过利用变截面套筒子弹的方法进一步改进了实验设备。
赵习金[3]2003年在《分离式霍普金森压杆实验技术的改进和应用》文中研究表明材料在高应变率冲击载荷下的本构行为是材料性质很关键的一个方面，分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术被认为是获得材料在10~2～10~4 s~(-1)应变率范围内应力应变关系的最主要的实验手段。 本文首先根据应力波理论，讨论了弹性杆中一维应力波的传播，两弹性杆的相互撞击，进而从理论上阐明了传统的SHPB技术的基本原理，并且简要介绍了本实验室研制的SHPB实验装置系统。 本文重点针对传统的SHPB实验技术试样中早期应力不平衡和实验中难以达到常应变率加载这两大问题，建立了入射波整形技术。在输入杆前端的中心位置粘贴一块可塑性好的黄铜圆片，通过它的塑性变形来有效地增加入射应力脉冲的上升时间，从而保证试样中变形均匀和应力平衡。另外，通过整形器的合理设计，可以很方便地获得常应变率加载。更进一步，通过应力波传播过程的理论分析，建立了预估入射波形的理论模型。通过这一模型，可以计算出各种参数情形下的入射波形。这样结合整形器的设计思想，便可以指导我们选取合适的初始条件，以便确保常应变率加载，可以减少实验的尝试，真正地对实验起到指导作用。 同时针对软材料的SHPB实验中透射信号较弱的问题，采用石英测试技术实验测试了硅橡胶材料高应变率下的动态压缩力学性能。利用石英晶体的压电效应，用X-切石英晶体片代替应变片直接测量输出杆中的应力信号，信号幅值可以提高叁个量级，大大提高了应力信号的信噪比。另外，我们在试样两端的压杆表面嵌入石英晶体，来直观地监测试样两端的应力平衡。实验结果表明，这种硅橡胶材料对应变率十分敏感。 最后，我们利用改进的SHPB技术对叁种树脂基尼龙复合材料进行了高应变率下动态压缩力学性能的实验测试。获得了应变率分别约500，1000，1500 s~(-1)的材料动态压缩应力应变曲线，给出了材料本构的应变率效应分析和高应变率下材料性质的比较。
李建雄[4]2008年在《冲击荷载下混凝土材料损伤破坏的分形实验研究》文中研究表明混凝土是一种应用广泛的工程材料,研究混凝土材料在冲击荷载下的损伤破坏细观特征,探索混凝土表面裂纹图形的分形特征与其承受的冲击荷载之间的内在规律具有十分重要的意义。本文采用分离式Hopkinson压杆实验装置,对混凝土材料(C30素混凝土、聚丙烯纤维混凝土各4组)的动态压缩实验的应变率、动态单轴压应力极限值及裂纹分形维数值进行了研究,分析了不同荷载下混凝土表面裂纹图形的分形特性及其变化规律。论文主要进行了以下工作:1、针对混凝土等脆性材料动态压缩实验的特点,采用SHPB改进技术,获得了C30素混凝土及纤维混凝土的动态单轴压缩应力、应变曲线。2、实验结果表明:混凝土材料具有明显的应变率效应;在混凝土中掺入适量的聚丙烯纤维对混凝土的增强机理主要体现在限制裂缝的发展,显着改善了混凝土材料的韧性。3、在总结分析了常用分形维数的计算方法的基础上,确定计盒维数为本文研究的分形维数。根据盒维数算法思想及数字图像存储原理,设计了基于Matlab的数字图象盒维数计算程式,建立了一种数字图像盒维数简易算法,为混凝土表面裂纹图形盒维数计算提供了计算方法。4、实验结果表明:冲击荷载条件下,混凝土表面裂纹具有很好的分形特性,分维可作为混凝土损伤程度的描述参数。随着冲击荷载的增大,混凝土的应变率、动态单轴抗压强度及裂纹分形维数值均逐渐增大。5、用分形维数对C30素混凝土和纤维混凝土试块的单轴动态抗压强度极限值和应变率进行定量描述,拟合了试块动态单轴压应力极限值与其对应的分形维数的定量关系。
张海波[5]2007年在《动、静荷载作用下不同倾角裂隙岩体力学性能试验模拟研究》文中研究指明工程中经常遇到两类岩体动力问题：一是动力开挖时如何确定动力的直接作用面；二是岩体受动力荷载作用时如何降低动力荷载的破坏效果。针对这些问题，本文设计了试样模具，对磨平机进行了改进，利用水泥砂浆制作试样来模拟具有不同倾角的贯通裂隙岩体，然后利用微控电液伺服万能试验机和SHPB试验装置对试样分别施加静态荷载和不同冲击速度的动态荷载，研究裂隙岩体在静、动荷载下的力学性能。从试验结果可以看出，倾角对裂隙岩体在静、动荷载下的力学性能有很大的影响。比如抗压强度，静态荷载下裂隙倾角为45°时最小，而动力荷载下则是在30°时为最小；裂隙倾角对于岩体的静、动弹性模量均有影响，其影响与裂隙对强度的影响相似；裂隙岩体具有应变率效应，并且应变率效应受裂隙的倾角影响，倾角为30°时其应变率效应最低，60°、90°和无裂隙岩体的应变率效应较明显。同时，随着应变率的提高，应变率的增长对于动力增长系数的增长贡献减小。试验还发现裂隙水的存在对于裂隙岩体的力学性能也有很大的影响，静态荷载下裂隙岩体的软化系数与倾角无关；动态荷载下，由于动力荷载而产生的动水压力与裂隙的倾角有关。根据试验获得的结果，对工程中涉及的动力开挖，当动力荷载作用面与裂隙面成30°角时，动力破坏效果最大；对于处于动力荷载作用下的岩体工程，当动力荷载作用面垂直于裂隙面时，动力荷载对岩体的破坏效果最小。
臧小为[6]2010年在《霍普金森压杆过载波形整形及系统分析软件研究》文中研究指明本文采用VB和Fortran语言,运用混合编程方法编写了可视化霍普金森杆数据处理程序。研究发现,在程序中,采用基于最小二乘原理的五点叁次方法光滑曲线是可行的；对齐叁波过程中,应采用试件应力均匀化或动量守恒判据来校核叁波对齐效果；计算试件工程/真实应力-应变等力学结果时,宜采用叁波法。选择紫铜、黄铜、软铝及Q-235钢,进行了自由式霍普金森杆波形整形试验。在同时满足加速度峰值尽可能大和脉宽接近100μs要求的情况下,对比四种材料试验结果。研究发现,Q235钢为最理想的整形材料,在压强为1.5MPa,直径13mm和厚度1mm的试验条件下,加速度峰值达到104963g,脉宽为115μs；紫铜波形整形时原始波形一致性最好；软铝波形整形数据一致性不好,原始波形规律不明显。运用ANSYS/LS-DYNA软件,选择合适的算法、单元类型、材料本构模型以及初、边界条件,分别对自由式和分离式霍普金森压杆技术进行数值模拟。数值仿真结果与试验结果相吻合,数值模拟结果准确可信。
张瑞娟[7]2010年在《水泥砂浆动态力学性能研究》文中研究表明分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验技术是实测材料动态力学特性的重要实验手段之一,但是,如果用常规的实验和数据处理方法在Hopkinson杆装置上对脆性材料实施动态实验,其结果将带有很大误差或甚至是不可信。另外一个问题是脆性材料的小破坏应变要求增加加载波形的上升时间以在破坏前达到应力均匀状态。因此目前在对脆性材料的Hopkinson压杆装置实验方法的研究中,提出许多措施来消除这一影响,改善实验质量。本文主要对脆性材料(水泥砂浆)在应用了脉冲整形技术后,在分离式Hopkinson压杆作用下动态性能测试时存在的一些问题进行研究,主要工作包括:1.利用大型非线性有限元软件LS-DYNA作为求解器,FEMB作为前后处理器,数值模拟了脉冲整形的优化参数,同时评价了在SHPB试验中脉冲整形技术对脆性试件的作用。通过调整脉冲整形器的几何及材料参数,研究这些参数对于圆柱形水泥砂浆试件动态性能测试中的影响。计算结果给出了冲击过程中的入射、反射和投射应变时程曲线,并给出了试件上轴向应变时程曲线,为脆性材料在分离式Hopkinson压杆作用下动态性能研究时的有效性提供了系统的、丰富的数据。数值模拟结果发现:在SHPB实验中,即使经过整形的入射应力脉冲产生了一个近似恒应变率的反射脉冲,但在脆性试件里,其不同位置的轴向应变变化趋势仍不相同.这暗示了:在SHPB实验里,反射脉冲获得了一个近似恒应变率,可能不等于说SHPB试件也获得了近似恒应变率。2.利用大直径(74 mm)SHPB试验装置对不同形状的水泥砂浆试件进行了动态性能实验研究,以此来研究不同尺寸、不同材料的整形器在不同速度下对不同形状的试件的整形效果。在两波导杆上贴应变片,记录了入射、反射和投射波形,并用SHPB计算软件给出了两波导压杆之间的试件的应变率、应力、应变,分析试件的形状对水泥砂浆材料的应变率、应力-应变曲线的影响,和应变率对试件的应力-应变曲线的影响。并对试件的不同位置采用应变片测试了其轴向和周向的应变,来分析即使入射脉冲的升时延长了,波形震荡减弱了,试件里是否达到恒应变率;轴向应变是否均匀,和周向应变是否存在等问题。实验结果发现:采用脉冲整形器在脆性材料动态实验中实现“恒应变率”变形具有较大的困难,如刻意追求“恒应变率”可能造成实验的动态特性过度“牺牲”,导致试件中的应变率达不到“转变应变率”。另外还发现:尽管在试件的几何尺寸设计上采取了消除横向惯性效应的措施,采用了脉冲整形器延长入射波的上升时间以保证试件中的变形均匀性,但其轴向应变并不相等,且仍然存在有非常大的径向应变,从而横向惯性效应对实验精度造成不可忽略的影响。
许全东[8]2016年在《霍普金森杆实验数据处理程序设计》文中研究说明本文首先简单介绍了霍普金森压杆实验装置的特点和原理,并分析不同时期对实验关注的重点。数据处理一直是霍普金森杆实验的重点内容。计算机水平提高也进一步为数据处理提供了强大的保障,越来越多的数据处理借助于计算机辅助才得以实施。基于分离式霍普金森压杆和采集设备系统,利用采集设备厂商提供的二次开发包,在Microsoft Visual C++2010环境下基于MFC框架下用C++编写可视化的数据处理程序。本程序主要实现的功能是用可视化程序来代替实验室以往需要人工的分离入射波,反射波和透射波。这一过程太过繁琐,大量的原始数据处理耗费大量的精力。在实现过程中,主要解决以下叁个关键技术,UDAQ50612采集设备中采集卡的控制;实验数据的读取加工;叁波起始位置的寻找。在确定叁波起始位置的过程中,采用最大值前后5点作拟合光滑曲线和对齐叁波过程中,采用试件应力动量守恒判据来校核叁波对齐效果是可行的。最后通过应力应变曲线、应变时间曲线、叁波分离曲线的输出,可以很直观的了解材料的力学性能。最后,对Inconel718材料进行了霍普金森杆实验,以不同温度、不同速度情况下得到的实验数据文件做为测试用例,来测试软件的各个模块的功能;并通过对输出应力应变曲线、应变时间曲线得出材料的力学性能与真实的性能进行对比,得出程序有效性的结论。
姜锡权, 胡时胜[9]2007年在《霍普金森杆实验技术发展综述》文中指出对材料在冲击加载条件下力学行为的研究是许多涉及冲击加载问题的工程设计的基础。分离式霍普金森压杆(SHPB)实验是测试多种材料在高应变率下力学响应的一种行之有效的实验手段。本文简单回顾了霍普金森杆,特别是压杆实验技术的发展历史;简要介绍了我国目前在该方面的主要工作;最后提出了霍普金森杆实验技术中有待进一步解决的问题。
陈友忠[10]2018年在《适用于X射线的高温分离式霍普金森拉杆系统改进及应用》文中提出本论文主要工作为:依据一维弹性应力波原理设计了一套含加热系统的微型高速冲击拉伸实验装置(霍普金森拉杆),并利用X射线相衬成像方法,结合该实验装置,研究了AZ31镁合金在不同温度下的力学性能和细观应变场。本文设计的高速冲击拉伸实验装置的发射管采用双层结构,即由外管和内管组成的双层拉杆结构,采用这种结构设计,可有效解决拉杆发生预运动的问题。为了解决拉伸实验中试件加持存在偏轴的问题,自行设计了带有方槽形状且表面有锯齿状的试件夹具,来保证加持试样过程中试样两端处于同轴状态,有效地提高了实验精度。考虑到材料存在温度敏感性,本文综合考虑实验需求、经济成本、拉杆尺寸以及可行性等,完成了加热装置的功率选定和加热元件的选取,在高速冲击拉伸实验装置的基础上自行设计了一套适用于X射线的小型且便于拆卸的加热装置,该装置能够满足室温至700°C高温的温度实验。本文基于X射线相衬成像方法,以AZ31镁合金为实验验证对象,设计了两组温度实验(室温和150°C),研究了镁合金的宏观和细观拉伸变形机制。发现镁合金材料室温下的流动应力要高于150°C情况下的流动应力。对于两组温度实验,试样的平均拉伸应变均高于剪切平均应变,试样拉伸应变场的不均匀性均和应变集中点随着体应变的增加而增加,随后应变集中点合并,并导致材料发生拉伸断裂。比较两种温度实验可知,在150°C时,试样拉伸应变场的不均匀程度要低于室温的情况,这可能是因为温度的增加提高了均匀成核的机率,降低了应变场的不均匀程度。
参考文献：
[1]. 分离式霍普金森压剪杆实验技术及其应用研究[D]. 赵鹏铎. 国防科学技术大学. 2011
[2]. 霍普金森杆波形整形技术研究[D]. 陈庚. 哈尔滨工程大学. 2014
[3]. 分离式霍普金森压杆实验技术的改进和应用[D]. 赵习金. 中国人民解放军国防科学技术大学. 2003
[4]. 冲击荷载下混凝土材料损伤破坏的分形实验研究[D]. 李建雄. 武汉理工大学. 2008
[5]. 动、静荷载作用下不同倾角裂隙岩体力学性能试验模拟研究[D]. 张海波. 河海大学. 2007
[6]. 霍普金森压杆过载波形整形及系统分析软件研究[D]. 臧小为. 南京理工大学. 2010
[7]. 水泥砂浆动态力学性能研究[D]. 张瑞娟. 太原理工大学. 2010
[8]. 霍普金森杆实验数据处理程序设计[D]. 许全东. 中北大学. 2016
[9]. 霍普金森杆实验技术发展综述[C]. 姜锡权, 胡时胜. Hopkinson杆实验技术研讨会会议论文集. 2007
[10]. 适用于X射线的高温分离式霍普金森拉杆系统改进及应用[D]. 陈友忠. 西南交通大学. 2018