光纤位移干涉仪的研制及其在Hopkinson压杆实验中的应用

为了满足爆炸冲击作用下结构体动态变形过程测试的需要,基于激光多普勒效应和外差技术,采用单模光纤器件、声光移频器(AOM)和高带宽光电转换器研制了一套可辨别速度方向的参考光调制式光纤位移干涉仪,它具有结构简单、动态响应快以及非接触式测量的优点。采用短时傅里叶变换算法编写了数据处理程序,并在Hopkinson压杆上进行了实验研究,获得了36.82 m/s的峰值速度,并对速度波形与应变片测量获得的结果及应力波理论计算结果进行了对比分析,验证了系统的可行性。钢筒爆炸实验获得了壁面振动的正负速度历程,验证了系统可以辨别物体运动方向。

基于Hopkinson压杆的动态压剪复合加载实验研究

提出了一种可用于研究压剪复合加载下,材料动态力学性能的实验装置,该装置基于Hopkinson压杆,通过添加一个带倾斜端面的垫块,实现压剪复合加载.分析了该实验装置的基本数据处理方法,并利用有限元分析验证了此分析方法的可行性;然后利用该装置对常规金属材料进行了相同冲击速度,不同倾斜角度(0°,30°,45°)下的一系列实验.实验结果表明,该装置能实现压剪复合加载,并且能得到材料的动态屈服面,为研究材料在复杂应力状态下的动态力学性能提供了新的实验方法.

粘弹性Hopkinson压杆中波的衰减和弥散

研究了线性粘弹性Hopkinson压杆中由于粘性效应和横向惯性效应引起的应力波衰减和弥散 .导出计及横向惯性效应的线性粘弹性杆中纵波控制方程和应力解应变解 ,进而导出表征波衰减和弥散性质的纵波传播系数的修正公式 .这一修正公式计入粘性效应和几何效应 ,与Bacon公式相比 ,其形式简单 ,更便于在实验数据处理中应用 .

基于Hopkinson压杆实验技术的含能材料动态力学性能测试方法研究进展

评述了基于Hopkinson压杆实验技术的高度变率下含能材料动态力学性能测试方法的研究进展。鉴于含能材料的低杨氏模量、密度、波阻,采用Hopkinson压杆测试其力学性能时存在一些问题,如应力平衡、波阻抗匹配等。研究表明,常规的Hopkinson压杆试验装置不能得到准确、可信的试验数据,采用波形整形、压电晶体等方法可以解决应力平衡和波阻抗不匹配等问题。Hopkinson压杆实验技术还能为含能材料在高应变率下本构关系的建立以及损伤模式的分析提供实验结果,并指出了今后含能材料力学性能研究的若干方向。附参考文献44篇。

大尺寸Hopkinson压杆及其应用

本文介绍了国内最大尺寸的SHPB装置;讨论了在大尺寸SHPB装置上测量混凝土类材料动态力学性能将会出现的几个问题;采取了在入射杆的打击端加设波形整形器,在试件与杆件之间加设万向头及在试件上直接测量应变等新的实验技术及采用新的数据处理方法,提高了试验结果的精确度和可信度;简要介绍了利用ф100 SHPB装置对四种体积含量(0, 2%, 4%和6%)钢纤维高强混凝土进行三种应变率(10～20/s,35～45/s和75～85/s)的冲击压缩实验.实验结果表明,钢纤维高强混凝土具有较强的应变率效应,其破坏应力、峰值应变随应变率增加而显著增加,弹性模量也随应变率增加而增加.另外,钢纤维含量对混凝土具有增韧效应,随着钢纤维含量的增加,其韧性增大,脆性降低.

用于脆性材料的Hopkinson压杆动态实验新方法

岩石、陶瓷或混凝土等脆性材料 ,在用 Hopkinson压杆对其实施高应变率加载实验时 ,由于其破坏应变很小 ,试件通常在加载入射波的波头部分 (含初始上升沿和较大的弥散振荡部分 )就已破坏失效 ,因此采用常规的实验或数据处理方法很难得到精确有效的实验结果 .本文提出的 Hopkinson压杆装置预留间隙实验法能使加载入射波波幅振荡明显减小且初始上升时间为零 ,有效地减小了弹性波弥散带来的误差 ,使贴于压杆中部的应变片测得的信号经处理后很大程度上直接反映的是试件端面的实际受力状态 ,且由于避免了试件在加载波上升沿段的不稳定受力而使应变率历史曲线更趋于恒定 ,这为提高 Hopkinson压杆装置的实验精度 ,特别是为脆性材料提供了一种实施高应变率实验的实用可行的途径 .

基于Hopkinson压杆实验技术研究火工品及含能材料的抗高过载能力

利用Hopkinson压杆实验技术和静态液压伺服系统INSTRON试验机，采用波形整形技术，得到HNS在应变率为10^-4～10^3S^-1条件下的动态力学性能数据，确定了其失效模式。通过改变子弹形状，得到不同脉冲升时条件下火工品失效所对应的加速度幅值，从而确定了火工品的抗高过载能力。结果表明，Hopkinson压杆实验技术是实现实验室模拟加载环境的一种非常有效的实验方法。

影响Hopkinson压杆实验结果因素的数值模拟分析

根据Hopkinson压杆试验装置产生压缩加载脉冲的力学模型，利用ANSYS／LSDYNA有限元显示动力学程序计算得到了试件在加载过程中的应力-应变曲线，并且和输入材料曲线做了比较，讨论了试件的长径比及试件与压杆之间的界面摩擦力对试件内部应力均匀性和对试件材料动态屈服应力的影响．分析结果表明，试件的长径比在0．5—0．6之间、试件与压杆之间的界面摩擦系数为0．15时，对动态屈服应力的结果影响比较小，这一结论对实际的实验操作有一定的指导意义．

用Hopkinson压杆技术测试材料动态断裂韧性的方法研究

对传统的Hopkinson压杆测试系统进行了改进 ,建立了应力波载荷作用下材料动态断裂韧性的测试方法 .该方法采用 3点弯曲试样进行动态断裂试验 ,应用试验—数值法确定动态应力强度因子的响应曲线 ,进而测试材料动态断裂韧性 .40Cr材料的试验结果表明 ,本文设计的测试装置是有效的 ,建立的测试方法是可行的 .

变截面弹丸在分离式Hopkinson压杆中的应用

本文在分离式Hopkinson压杆系统中,探索了应用变截面锥形弹丸实现常应变率力学性能测试的实验方法,以及在较高应变率下实现动态卸载以获取材料的动态弹性模量的可行性.

Hopkinson压杆入射杆形状对动态断裂参量影响的数值方法研究

利用Hopkinson压杆测量三点弯曲试样材料的动态应力强度因子,应力波载荷的惯性效应和弥散效应对试验结果不可忽略的影响已被许多学者的实验结果证实。将不同Hopkinson压杆入射杆形状产生的载荷—时间历程曲线作为动态有限元模型的载荷信息,采用Ansys/LS-DYNA有限元软件,基于虚拟裂纹闭合技术(virtual crack closure technique,VCCT)计算得到三点弯曲试样的动态应力强度因子变化曲线,曲线上起裂时间对应的值即为材料的动态断裂韧度。进一步考虑入射杆形状及惯性效应对冲击载荷曲线的影响,研究动态应力强度因子的变化规律,为Hopkinson压杆测试动态断裂韧度提供合理、可行的方法。

分离式Hopkinson压杆系统冲击压缩过程中试样的应力均匀化过程

分析了分离式Hopkinson压杆(SHPB)系统冲击压缩试验过程中试样的应力均匀化过程。结果表明:试样内的应力分布不均匀性在冲击压缩开始时最显著,随着时间的延长,应力分布渐趋均匀;在变形初期,应力分布不均匀主要表现为试样两端的应力水平不同以及应力-时间曲线的进程不同步且伴有较大振荡;用绝对不均匀度α(t)衡量试样内应力分布的不均匀程度,在α(t)-t曲线上存在一明显的转折点M,建议用M点对应的时间表示应力均匀化所需时间。

Hopkinson压杆对准脆性材料的动态力学实验研究

分离式Hopkinson压杆是对准脆性材料实施高速加载的理想工具,利用该装置可以对准脆性材料实施各种加载方式,测定材料的动力特性参数。对分离式Hopkinson压杆装置的测试原理做了扼要说明,简单介绍了目前用于准脆性材料的测试方法(压缩实验方法和拉伸实验方法),并结合目前的测试技术,对准脆性材料的实验方法提出了一些新的设想。

光纤Bragg光栅在分离式Hopkinson压杆实验中的应用

光纤Bragg光栅用于高频应变的测试是一个重要研究课题．文中介绍了其高频解调原理,探讨了光纤光栅传感器用于分离式霍布金逊压杆(SHPB)实验装置中应变测试的相关问题；推导了弹性杆中传播的应力波σ与传感光纤光栅中光波相位的变化量Δ(?)之间的关系式,进而建立了含有光纤光栅传感变化量的弹性杆应力波计算公式；构建了基于光纤Bragg光栅的动态应变测试系统,对中心波长分别为1550nm和1545nm的裸光纤光栅传感器以及应变片,两种传感器粘贴在被撞击弹性杆(输入杆)表面测试应变的情形进行了比较研究,给出了实验结果．研究表明,光纤Bragg光栅在高频动态应变测量中具有很好的应用潜力和前景,测试方法和结论对于光纤Bragg光栅在高频动态应变的实际测试中具有积极意义．

高温分离式Hopkinson压杆技术及其应用

本文介绍了在分离式Hopkinson压杆装置上通过使用一种气动同步机构,实现对试样进行高温高应变率加载的技术。利用此技术仅对试样加高温度而保持入射杆和透射杆与试样脱离且处在较低温度,到预定温度时,借助气动同步机构使入射杆、透射杆与试样接触并同时实现对试样加载。利用波形抑制技术,仅对试样实现一次加载,入射杆中的后续二次加载波通过反作用质量块吸收。通过这些技术的结合,1)可以进行材料在高温高应变率下应力应变测试;2)可以测试材料在高应变率不同温度下的等温曲线;3)可以间接对材料的塑性功热转换系数进行测试;4)可以进行不同温度高应变率下的中断跳跃试验等。在文中给出了一些典型的试验曲线和结果,并对测试方法和结果进行了分析讨论。

PVDF压电薄膜用于Hopkinson压杆测量泡沫金属的动态性能

首先对PVDF(polyvinylidene fluoride)压电薄膜在不同温度不同压力作用下的响应进行了系统的试验研究。然后在Hopkinson压杆系统的透射杆之间夹上PVDF压电薄膜,对其动态响应进行了检验。最后应用这个镶嵌PVDF压电薄膜的Hopkinson压杆系统,测试了泡沫铜材料在不同应变率下的应力应变关系。结果表明:(1)PVDF压电薄膜的压电常数D33是随温度和压力而变,实际应用时应对其进行标定;(2)PVDF压电薄膜可有效的用于Hopkinson压杆系统来测试低强度泡沫材料或低阻抗材料的动态响应;(3)当应变率小于0.1/s时,泡沫铜的塑性流动应力对应变率不敏感,在约400/s到5000/s应变率范围,应变小于40%下泡沫铜对应变率也不敏感。但当应变大于约20%,应变率高于400/s时,与低应变率下的值比较,塑性流动应力的应变率敏感性增加。

基于Hopkinson压杆的延长冲击波脉冲升时的数值计算

采用非线性动态有限元程序ANSYS/LS-DYNA和Hopkinson压杆的冲击脉宽计算公式,对锥形子弹冲击Hopkinson入射杆的脉宽进行了数值计算,并对冲击波的脉冲升时进行了分析。计算结果表明,锥形子弹与同长度、同半径的圆柱形子弹相比产生的脉冲宽度要大的多,铜质子弹与钢质子弹产生的脉宽相差无几;随子弹锥角的改变,子弹冲击产生的脉宽和脉冲升时有一个先增加后减小的趋势,但脉冲升时占整个脉冲的比例只有一个上升的趋势;锥形子弹半径的增加可以增加脉宽和脉冲升时,但两者比例变化不大。

Hopkinson压杆实验技术的应用进展

SHPB实验装置是研究各类工程材料动态力学性能的最基本实验手段,它不仅可用于测量金属、高聚物等均匀性好、变形量较大材料的冲击压缩(拉伸、剪切、扭转)应力—应变关系,经改进后还可以用于测量质地软、波阻抗小的泡沫介质材料和质地脆、均匀性差的混凝土类材料的冲击压缩应力-应变关系。此外,SHPB实验装置因加载方式简单,加载波形易测易控制,还可以开展混凝土类材料的层裂强度研究,火工品、引信的安全性、可靠性检测,高G值加速度传感器的标定以及炸药材料的压剪起爆临界点的测定等。

RPC材料Hopkinson压杆冲击压缩试验的数值模拟与分析

为了对活性粉末混凝土(RPC)材料hopkinson压杆冲击压缩试验进行数值模拟分析,在有限元计算中采用LS-DYNA软件并引入Holmquist-Johnson-Cook累计损伤材料模型以描述钢纤维混凝土的非线形变形。该模拟建立了初始条件改变与最终结果的关系,再现冲击过程中微秒级的应力脉冲传播的瞬态过程与应力变化,并分析了RPC材料高速冲击时应变率变化和横向约束对该材料冲击抗压强度的影响。

基于Hopkinson压杆试验的小钎杆动态应力特性研究

在对锥体连接钎杆和整体钎杆2种典型小钎杆的应力传播模型进行理论分析的基础上,通过Hopkinson压杆试验系统对这2种钎杆杆体中部和钎头端部进行了动态应力测试。测试结果表明:2种钎杆杆体中部应力幅值基本没有差异,但锥体连接钎杆接头处具有30%的应力波反射,而整体钎杆没有;整体钎杆钎头端部最大入射应力波幅值的平均值比锥体连接钎杆的相应均值高出23%,使得整体钎杆的凿速比锥体连接钎杆的要高,但其损坏更快,预期寿命只有锥体连接钎杆寿命的18%,故整体钎杆更适用于软岩钻孔作业,而锥体连接钎杆更适用于硬岩钻孔作业,该试验研究为技术人员如何选用钎杆提供了理论指导。