霍普金森壓桿Hopkinson壓桿測(cè)試技術(shù)

介紹

霍普金森壓桿的發(fā)展歷程是在1914年由Hopkinson明確提出來(lái)的，當(dāng)時(shí)只能用于精確測(cè)量沖擊載荷下的脈沖波形。1949年Kolsky對(duì)該設(shè)備進(jìn)行了改善，將壓桿分為兩半，試樣放置在其中，因此使這一設(shè)備還可以用作精確測(cè)量原材料在沖擊性載荷下的應(yīng)力-應(yīng)變力關(guān)聯(lián)。因?yàn)檫@一設(shè)備使用了分體式構(gòu)造，因此被稱(chēng)作分體式Hopkinson壓桿，通稱(chēng)SHPB（Split-Hopkinson-Pressure-Bar），或Kolsky桿。Kolsky還證明了試樣的應(yīng)力和應(yīng)變力與壓桿偏移相互關(guān)系。該技術(shù)性的理論基礎(chǔ)是一維應(yīng)力波基礎(chǔ)理論，根據(jù)測(cè)量壓桿里的應(yīng)變力來(lái)推論試樣原材料的應(yīng)力－應(yīng)變力關(guān)聯(lián)。通過(guò)世界各國(guó)學(xué)者幾十年的認(rèn)真工作，SHPB壓桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)性已發(fā)展趨勢(shì)為得到原材料在102～104s-1應(yīng)變率范圍之內(nèi)應(yīng)力-應(yīng)力應(yīng)變關(guān)聯(lián)的最主要實(shí)驗(yàn)方式。SHPB技術(shù)性往往能得到大家的高度重視，主要原因是該檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)十分突顯，具體表現(xiàn)在：**，該技術(shù)性測(cè)量法十分恰當(dāng)，取得成功的繞開(kāi)了要在試樣同一部位上與此同時(shí)精確測(cè)量隨時(shí)間變化的應(yīng)力和應(yīng)對(duì)的問(wèn)題；第二，SHPB實(shí)驗(yàn)所涉及到的應(yīng)變率范疇正好包括了流動(dòng)性應(yīng)力隨應(yīng)變率轉(zhuǎn)變產(chǎn)生轉(zhuǎn)折點(diǎn)的應(yīng)變率（102～104s-1）；第三，入射波形易于控制，更改炮彈的撞擊速率及樣子，就可以調(diào)整出射脈沖波形，進(jìn)而也調(diào)整了作用于試樣里的波型。大家早已使用了這一優(yōu)勢(shì)在Hopkinson壓桿里的前提下進(jìn)行了動(dòng)態(tài)拉伸、動(dòng)態(tài)性破裂等領(lǐng)域的研究工作。

動(dòng)態(tài)性縮小試驗(yàn)

傳統(tǒng)式的Hopkinson壓桿測(cè)試系統(tǒng)包含有：載入系統(tǒng)軟件、動(dòng)態(tài)性應(yīng)變儀、數(shù)據(jù)記錄與采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算系統(tǒng)，如下圖所示。

Hopkinson壓桿設(shè)備的關(guān)鍵部位是2段分離出來(lái)的延展性光波導(dǎo)入的桿，即鍵入桿和導(dǎo)出桿，試樣夾在二桿中間。載入單脈沖由撞擊桿撞擊鍵入桿的頂端造成。撞擊桿在壓氣動(dòng)槍中由高壓氣體的推動(dòng)作用被加快到一定的撞擊速率，為此速率撞擊鍵入桿的頂端，造成一個(gè)延續(xù)時(shí)間在于撞擊桿長(zhǎng)短的出射延展性工作壓力單脈沖。當(dāng)原始的工作壓力單脈沖經(jīng)撞擊桿的自由端反射成為一個(gè)抗拉力單脈沖并返回撞擊面時(shí)，撞擊桿就完成了對(duì)鍵入桿的卸載掉，因此在鍵入桿里將造成光波長(zhǎng)為撞擊桿長(zhǎng)短二倍的出射應(yīng)力波。當(dāng)鍵入桿里的出射應(yīng)力波抵達(dá)試樣時(shí)，一部分因?yàn)闂U和試樣橫截面積不一和波阻抗不匹配而反射回鍵入桿產(chǎn)生反射應(yīng)力波，另一部分則越過(guò)試樣抵達(dá)導(dǎo)出桿產(chǎn)生散射應(yīng)力波，散射應(yīng)力波再由消化吸收桿捕捉，最終由動(dòng)能捕收器消化吸收。設(shè)備見(jiàn)圖如下圖1所顯示。

依據(jù)黏貼在壓桿里的應(yīng)變片測(cè)得的入射波、反射波、透射波，及其一維應(yīng)力波基礎(chǔ)理論可獲得如下所示的計(jì)算公式。試樣的均值應(yīng)變率為：（1）試樣里的均值應(yīng)變力：（2）試樣里的均值應(yīng)力：（3）

式中，I、R和T各自表明測(cè)試記錄的出射、反射和透射波，是延展性橫波和縱波波速，為試樣的初始長(zhǎng)短，為壓桿的彈性模具，為壓桿與試樣的截面比例。由應(yīng)力平衡條件導(dǎo)出來(lái)：（4）；將式（4）帶入（1）、（2）、（3）式可獲得（5）（6）（7）

因此，在應(yīng)力平衡的標(biāo)準(zhǔn)下可選用式（5）、（6）、（7）來(lái)計(jì)算材料的動(dòng)態(tài)性縮小的結(jié)構(gòu)力學(xué)個(gè)人行為。

動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)

傳統(tǒng)式的Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)儀器主要運(yùn)用于檢測(cè)原材料的動(dòng)態(tài)性縮小物理性能主要參數(shù)，改善后的Hopkinson桿則能夠完成動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)，圖2得出的是載入板塊拉申試樣的載入設(shè)備平面圖。測(cè)試系統(tǒng)包含：載入系統(tǒng)軟件、動(dòng)態(tài)性應(yīng)變儀、數(shù)據(jù)記錄與采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算系統(tǒng)等。

測(cè)試記錄的出射、反射、散射單脈沖分別用I、R、T表明，依據(jù)試樣與支撐桿的頁(yè)面標(biāo)準(zhǔn)，按一維彈性波傳播理論可測(cè)算獲得試樣里的應(yīng)力、應(yīng)變力及其對(duì)應(yīng)的應(yīng)變率尺寸，其計(jì)算方法與動(dòng)態(tài)性壓縮試驗(yàn)里的公式計(jì)算一樣。