如何做好霍普金森杆实验

关于霍普金森压杆技术有效性的讨论过去主要集中试件的尺寸效应,波在杆中的二维弥散修 正等。 实验过程中试件是否处于应力均匀状态以及试件是否以恒应变率变形这两个问题上所给予的关注并不多,或者说还没有找到一个非常可行的方法来解决这两个问题。

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1、霍普金森压杆实验中的一些问题的现状:

关于霍普金森压杆技术有效性的讨论过去主要集中试件的尺寸效应,波在杆中的二维弥散修 等。 实验过程中试件是否处于应力均匀状态以及试件是否以恒应变率变形这两个问题上所给予的关注并不多,或者说还没有找到一个非常可行的方法来解决这两个问题。

2、常规霍普金森压杆技术所遇到的问题:

要得到有效并精确的数据,下列霍普金森压杆的假设必须得到满足:

1)压杆中的波传播必须是平面一维的,因为应变片所测得的杆的表面应变通常代表压杆整个横截面上的轴向应变。
2)试件中的应力和应变均处于均匀状态
3)此外,为保证得到有效的应力——应变数据,还应该使试件中的应变随时间变化的历史也是均匀的,即试件的变形是在恒应变率的条件下进行的。


所对应的问题:

1)二维波动效应(或称为波的弥散效应)
2)在高应变率霍普金森压杆实验中,加载的上升时间在10 μs 左右,高速撞击将导致明显的应力波传播效应(纵向惯性效应),低应变率下的试件中应力均匀性的结论不再成立,因 而这时的试件也不可能处于实际的应力均匀状态
3)在常规霍普金森压杆实验中,子弹的撞击在入射杆中产生一个梯形的入射脉冲。由于试件横截面的增加和试件材料的硬化,应变率则会随时间减小以致于不能在整个实验中保持为 一恒定值


3、常规霍普金森压杆对不同材料测试时存在的主要问题:

3.1金属类材料:

因为金属的弹性行为发生在非常小的变形下,在这样的小变形下,要得到精确的实验数据, 因弥散效应引起的波的振荡问题和试件中应力均匀性是必须要考虑的敏感问题。

3.2 脆性材料:

首先,在霍普金森压杆实验中必须保持脆性材料试件两个端面严格平行以增加实验数据的精 度,因为试件端面的不平行或不平整都可能导致局部失效和应变测量的不精确。

其次,常规霍普金森压杆实验中陡峭的梯形脉冲也导致脆性试件在小变形下的严重应力不均 匀。

此外,经典的梯形入射脉冲还会导致脆性材料试件非恒应变率变形

可以概括地说,对这样的脆性材料而言,常规霍普金森压杆已不能满足在脆性材料实验中恒 应变率和应力均匀性的要求以致于难以获取有效的动态实验结果。

此外,在对脆性材料尤其是高强度脆性材料进行动态实验时还面临着另一个挑战。如果陶瓷材料的强度远高于杆材料的强度,在实验过程中陶瓷试件可能会侵彻到杆中

3.3 软聚合物材料:

首先,由于软材料试件的波阻抗远远小于金属杆的波阻抗,这样就导致透射信号非常微弱以 致于杆表面的常规电阻应变片难以达到精确的测量。

其次,与金属材料相比,软材料中的波速极低。需要比在金属材料中长得多的时间才能在软 材料试件中达到应力均匀。试件中应力的不均匀也会导致在试件中应变的不均匀,从而使得 霍普金森压杆实验中的均匀性假定也就不再成立。【补充说明:为定量地衡量试件内部的应 力或应变是否均匀,要得到试件前后的应力差。试件后面的应力可以简单地通过透射波信号 来获得,但是很难再用常规霍普金森压杆中的两波法(入射波减反射波)来计算试件前端面 的应力历史,因为由于软材料试件与杆材料波阻抗之间严重失配,几乎所有的入射波都被反 射回来,再用入射波减反射波的方法将导致非常大的误差。所以如何在软材料的霍普金森压 杆实验中准确监测试件两端面的应力历史,以监测试件内的应力均匀问题将是软材料霍普 金森压杆测试中的最大障碍。】 此外,聚合物材料因其粘弹性特征而都具有很能强的应变率敏感性,因而保持试件的恒应变率变形同样是很重要的。

最后,许多聚合物材料,如橡胶材料,具有大变形的能力。为研究它们在大变形下的应力— 应变行为,在一定的应变率下就需要更长的加载脉冲。然而,在常规霍普金森压杆中,加载 脉冲的长度受到子弹长度和杆长度的限制。随着子弹长度的增加,入射杆和透射杆的长度也 必须同时增加,但是子弹和杆的长度都不可能无限制地增加。此外,过长的加载脉冲可能又 会导致在入射杆中某一位置上的应变片所测得的入射脉冲和反射脉冲相互迭加在一起,同时 弥散效应也会变得越来越显著。

4、对常规霍普金森压杆的一些改进

4.1 常规霍普金森压杆实验的弥散修正

 傅立叶变换技术

改进实验技术——增加脉冲升时

增加脉冲升时的实验方法:

1)  将杆的撞击端做成圆头的以产生一个非平面撞击(修正效应不明显)将一片很薄的圆片状材料贴放在入射杆的撞击端(更有效)
2)三杆技术(更为有效,这种技术可以有效地消除波传播过程中的弥散效应同时还可以实现试件材料的近似恒应变率加载)


4.2 对霍普金森压杆做脆性材料实验时的一些改进

脆性材料试件中的应力集中会引起试件过早的失效,导致试件中应力集中的一个原因是整个 系统的轴线对中不好,为修正这细微的对中误差,可在试件和透射杆之间放置一简单的万向 从而起到自动调节的作用。

当所测试的脆性试件具有非常高的强度时(例如碳化硅陶瓷),实验过程中试件可能使杆接 触面产生凹痕甚至侵彻入杆中,这样将导致完全错误的实验结果。几种试件构形以减小凹痕 和应力集中的影响。由于碳化钨楔块具有高强度、低成本的优点而作为优先推荐,采用一对 侧限的碳化钨板(块)置于试件与杆之间是减小凹痕和减少陶瓷试件中应力集中的通用方法。 对脆性材料而言,为得到有效的、精确的应力—应变数据,试件达到应力均匀保持恒应变 率变形是关键的因素。对于脆性材料而言,斜坡加载波形有助于达到试件中应力均匀并实现恒应变率。


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  • 发表于 2017-07-04 19:32
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  • 分类:学术交流

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李宇

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