霍普金森壓桿Hopkinson壓桿測試技術(shù)

介紹

霍普金森壓桿的發(fā)展歷程是在1914年由Hopkinson明確提出來的，當(dāng)時只能用于精確測量沖擊載荷下的脈沖波形。1949年Kolsky對該設(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，因此被稱作分體式Hopkinson壓桿，通稱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)測量壓桿里的應(yīng)變力來推論試樣原材料的應(yīng)力－應(yīng)變力關(guān)聯(lián)。通過世界各國學(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，主要原因是該檢測技術(shù)的特點(diǎn)十分突顯，具體表現(xiàn)在：**，該技術(shù)性測量法十分恰當(dāng)，取得成功的繞開了要在試樣同一部位上與此同時精確測量隨時間變化的應(yīng)力和應(yīng)對的問題；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)勢在Hopkinson壓桿里的前提下進(jìn)行了動態(tài)拉伸、動態(tài)性破裂等領(lǐng)域的研究工作。

動態(tài)性縮小試驗(yàn)

傳統(tǒng)式的Hopkinson壓桿測試系統(tǒng)包含有：載入系統(tǒng)軟件、動態(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)計分析計算系統(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。撞擊桿在壓氣動槍中由高壓氣體的推動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，造成一個延續(xù)時間在于撞擊桿長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抗拉力單脈沖并返回撞擊面時，撞擊桿就完成了對鍵入桿的卸載掉，因此在鍵入桿里將造成光波長為撞擊桿長短二倍的出射應(yīng)力波。當(dāng)鍵入桿里的出射應(yīng)力波抵達(dá)試樣時，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，最終由動能捕收器消化吸收。設(shè)備見圖如下圖1所顯示。

依據(jù)黏貼在壓桿里的應(yīng)變片測得的入射波、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：（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）來計算材料的動態(tài)性縮小的結(jié)構(gòu)力學(xué)個人行為。

動態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)

傳統(tǒng)式的Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)儀器主要運(yùn)用于檢測原材料的動態(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。測試系統(tǒng)包含：載入系統(tǒng)軟件、動態(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)計分析計算系統(tǒng)等。

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