分离式霍普金森压杆试验中金属材料端面摩擦效应误差分析

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验结合有限元模拟方法计算重构38CrMoAl高强度钢的应力-应变曲线,研究了端面摩擦因数(0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)、子弹入射速度(20,30,40 m·s^(-1))、试样长径比(0.25,0.50,1.00)和试样形状(圆柱体,立方体)对端面摩擦效应引入的峰值应力、峰值应变测试误差的影响。结果表明:测试误差随端面摩擦因数的增大而增大,随长径比的增加而减小;截面面积相同的圆柱体和立方体试样的测试误差差值小于2%;端面摩擦因数较大时,控制子弹入射速度不能有效减小误差;将端面摩擦因数降到0.1以下,或是选用长径比1.00以上的试样,可以有效减小端面摩擦效应误差;试样中部和端面边缘处发生应力集中,随着试样长径比增大,应力集中部位占试样总长度比例减小,端面摩擦效应影响减小。

应用霍普金森压杆试验分析柠条动态力学特性

为研究柠条的动态力学特性,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对柠条的横纹、顺纹试件进行动态压缩试验。通过改变驱动气压,使撞击杆分别以12、19、26 m·s^(-1)的初速度对入射杆撞击,比较不同应变率时,柠条试件的应力表现、破坏形态。结果表明:在相同的冲击能作用时,柠条顺纹试件的动态屈服应力强于横纹试件;随着应变率的提升,顺纹试件的动态屈服强度变化程度高于横纹试件,且应变率效应亦强于横纹试件。由动态应力-应变特性可知,柠条横纹试件经历弹性变形和弱强化两个阶段,顺纹试件经历弹性变形和压溃两个阶段。对柠条横纹试件动态屈服点后的应力-应变特性曲线,采用修正后的Johnson-Cook(J-C)本构模型进行拟合,获得良好的拟合度。

分离式霍普金森压杆试验台液压加载系统的研究

为了研究有压情况下材料在冲击载荷下的力学行为,研制一种在一般分离式霍普金森压杆(SHPB)装置基础上施加两自由度负载的新型SHPB试验台液压加载系统。研究试件机械加载方式,提出密封粉末加载方法,并根据要求设计液压比例控制系统作为加载系统;由压力传感器、位移传感器和数据采集卡等与上位机构成液压加载控制系统,对液压缸压力进行实时监控;用Simulink软件对控制系统进行仿真。仿真结果表明,该系统可以实现对试件的恒定压力加载。

干湿循环条件下煤矿砂岩分离式霍普金森压杆试验研究

由于降雨、季节引起地下水位升降等原因,地壳中岩体常处于干湿循环状态。为研究干湿循环对岩石动态力学性能的影响,以安徽恒源煤矿北风井-259 m处砂岩为研究对象,采用50 mm变截面分离式霍普金森压杆试验装置,对长径比为0.5的煤矿砂岩试件经干湿循环作用后实施单轴冲击压缩试验,获得了砂岩动态单轴压缩应力-应变曲线。研究发现,由于自由水的Stefan效应,干湿循环1次对砂岩具有增强作用,单轴动态抗压强度最高;其后,随着干湿循环次数的增加,砂岩受水侵蚀物理弱化作用,砂岩动态单轴抗压强度呈乘幂关系降低,砂岩试件的冲击破碎块度逐渐变小。试验结果表明,干湿循环12次时砂岩动态抗压强度比干湿循环1次降低约24%,表现出较强的劣化效应。

Al_2O_3陶瓷分离式霍普金森压杆恒应变率动态压缩试验研究

采用入射波整形技术对Al2O3陶瓷进行了分离式霍普金森压杆(SHPB)动态压缩试验。通过合理设计整形器尺寸和子弹初速,获得了较为理想的入射波。试验结果表明:入射波整形技术可以有效地研究脆性材料的恒应变率变形行为;而入射波整形技术结合直接测量应变方法可以准确地测定高强度脆性材料在高应变率下的应力—应变曲线。

基于空气炮和分离式霍普金森压杆的火工品高加速度力学过载模拟试验等效方法研究

针对分离式霍普金森压杆(SHPB)试验无法用加速度描述其对火工品的影响问题,利用空气炮和SHPB试验后所得的半导体桥火工品轴向应变、作用时间和芯片发火能量等结果,将空气炮试验的加速度等效至SHPB试验的子弹速度上,获得了SHPB试验的子弹速度与加速度的等效方程。建立了基于SHPB试验的火工品加速度力学过载模拟试验方法。

聚碳酸酯高应变率分离式霍普金森压杆实验研究

为获得聚碳酸酯(PC)在环境温度范围内的动态力学特性,该文利用分离式霍普金森压杆技术对PC进行高应变率动态压缩力学实验。在低温-50℃、常温+15℃和高温+50℃三种温度下进行实验,并对实验数据有效性进行检验。用二波法对数据进行处理,得到PC在不同应变率下的应力应变曲线。基于应力应变曲线分析了应变率和温度对PC动态压缩特性的影响。实验结果表明PC具有明显的应变率相关性。在高应变率下,PC的屈服强度约为静态下的1.6倍。在动态下,屈服应力随着应变率的增加不断增加,与应变率常用对数呈线性增长关系。PC也具有对温度的敏感性,其屈服应力随着温度的升高而降低,表现为温度软化效应。在-50～+50℃范围内,PC力学特性基本一致,屈服应力变化幅值不超过6%。

空心锥撞击杆对分离式霍普金森压杆入射脉冲弥散的抑制效果分析

为了抑制入射脉冲弥散效应,采用动力有限元软件分析了常规分离式霍普金森压杆(SHPB)入射脉冲几何弥散的空间变化规律,发现入射杆中沿着应力波传播方向,几何弥散效应趋于增强;横截面上沿径向向外弥散效应趋于减弱。为此,在撞击杆的碰撞端部挖去一个共轴圆锥,称改造后的撞击杆为空心锥撞击杆。进而分析了空心锥撞击杆获得入射脉冲几何弥散的空间变化规律,结果表明:入射脉冲初始振荡得到有效抑制,且加载上升时间变长,空心锥的底面半径越大、锥角越小对弥散效应抑制效果越好;研究还发现采用空心锥撞击杆时,碰撞端面的摩擦效应对入射脉冲几何弥散影响不大,只是改变了振荡波的相位。最后,采用实验方法对该种改造方法的效果进行了验证,实验结果与理论和数值分析结果吻合较好。

基于分离式霍普金森压杆的弹载器件动态特性模拟研究

为了研究弹载器件抗高过载机理,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置和高速摄像机等测试设备,得到了测试所用弹载器件可承受的极限载荷和经减载组件减载后作用于弹载器件上的输出应力。针对减载组件在冲击条件下的变形受应力波效应和应变率效应互相耦合影响的情况,基于粘弹性材料的非线性特性,建立了加装减载组件的弹载器件非线性动力学模型。利用参数辨识法和特征线的相容关系获得了反应减载组件材料属性的性能参数并完成了模型求解,计算结果与冲击实验结果相符。该模型的建立与求解,为高过载环境下弹载器件的动态特性研究提供理论研究和方法参考。

不同干密度红砂岩土分离式霍普金森压杆试验与分析

红砂岩土作为路基回填土时,会导致路基出现厚度大、疏松等问题。为解决动荷载条件下红砂岩土的能量耗散问题,选取了赣州南桥-龙川高速公路路基土为试验材料,利用SHPB试验装置对不同干密度的红砂岩土进行了冲击试验。基于试验,主要分析了冲击应力波波形、峰值应力的变化特征,以及吸收能与冲击次数、反射能与平均应变率、总吸收能与干密度的关系。通过拟合建立了数学经验模型,并明确了不同干密度红砂岩土的能量耗散规律,可为赣南地区红砂岩土加固提供参考。

分离式霍普金森压杆加载下不同组织Ti-6321钛合金的动态响应行为

通过固溶处理获得不同组织的Ti-6321钛合金,研究组织对材料动态响应行为的影响。采用万能试验机和分离式霍普金森压杆实验装置,结合光学显微镜和扫描电子显微镜等表征方法,对加载后的钛合金试样微观组织演化进行观察分析。结果表明:等轴、双态和魏氏组织材料均具有明显的应变率强化效应,临界剪切断裂应变率为3000 s^(-1),双态组织具有较好的静态、动态强塑性匹配,魏氏组织较差,等轴组织具有较高的临界剪切应变和冲击吸收功,分别为0.252和307 MJ/m^(3);应变率3000 s^(-1)下,等轴组织的应变率敏感因子随应变的增加逐渐增大,魏氏组织相反,双态组织基本不变;应变为5%时,等轴和双态组织的应变率敏感因子随应变率的增加而增大,魏氏组织基本不变;3种组织均发生绝热剪切失效,等轴组织绝热剪切敏感性较低,魏氏组织绝热剪切敏感性较高。

一种立式分离式霍普金森压杆实验装置研制

低波阻抗材料通常可以用于吸能、缓冲等领域。用分离式霍普金森压杆实验装置测量这类材料的动态本构关系时,并不需要子弹拥有太高的冲击速度,但要求速度稳定,每次实验过程中的速度偏差要小。为此,依据自由落体原理,研制立式分离式霍普金森压杆,通过下落高度精确控制子弹撞击速度。通过夹持入射杆的摩擦力与入射杆重力相等的方法消除入射杆自重对实验结果的影响。通过对PVA(聚乙烯醇)纤维增韧混凝土的动态压缩实验验证该实验装置的可靠性。

隧道围岩爆破损伤防护的霍普金森压杆试验

为减小爆破对隧道围岩的损伤,在传统光面爆破装药结构基础上,设计一种在炮孔一侧安放PVC-U材料来保护隧道围岩的装药结构,并分析了该方法的作用机制。为分析和验证PVC-U管对隧道围岩损伤的防护效果,利用Φ100mm的霍普金森试验装置进行隧道围岩损伤防护试验,从试件宏观破坏、应力波衰减和能量变化3方面进行了分析。结果表明:防护材料改变了岩石的受力状态,当防护材料厚度从0增加到6.24mm时,无防护材料的试件的破坏程度比有防护材料的试件严重,且随着防护材料厚度的增加破坏程度不断减小;试件的应力峰值呈不断降低趋势;应力峰值的降低率不断增加;耗散能与入射能比值从61.08%下降到39.97%。可见,防护材料对岩石冲击损伤具有一定防护作用。该方法在某巷道掘进中得到应用,并取得了良好效果。

分离式霍普金森压杆实验数据处理程序设计及编制

分离式霍普金森压杆(SHPB)属于材料动态力学领域的基本实验装置,为了提高试验效率和精度,实验数据需要借助计算机处理。由于SHPB装置的多样性和待测试件的差异性,目前为止SHPB数据处理相关算法尚未统一,暂无标准化的商业处理软件。本文采用弥散修正、对齐三波波形等算法,采用VC++语言编写可视化的数据处理程序。本程序可快速分离已往在实验室需要人工分离的入射波,反射波和透射波。结果表明:程序中采用的弥散修正、对齐三波波形等算法稳健、可靠,运用该程序进行数据处理操作方便,计算结果准确。

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。

针对软材料实验的改进型霍普金森杆

为深入了解泡沫材料的力学性能,研究者们应用了不少的实验手段。以改进的分离式霍普金森压杆技术(SHPB)为试验手段,选取某型聚氨酯泡沫为试件,通过与其他常规试验进行比较,证明了改进型SHPB装置的有效性。

分离式Hopkinson压杆数据处理系统的研制

根据分离式Hopkinson压杆试验的一维应力波加载理论 ,运用VisualC ++6.0软件开发工具 ,编制了该类试验的后续数据处理系统。数据处理结果表明 ,该系统能有效地处理该加载系统上的动态拉伸、压缩。

霍普金森试验下沙柳顺纹动态力学特性分析

为研究沙柳顺纹方向的动态力学特性,利用分离式霍普金森压杆试验技术对沙柳顺纹浸泡材、生材和气干材的动态力学性能进行研究,分析应变率效应对试件动态力学性能的影响。将不同类型的沙柳顺纹试件在平均应变率为300,500和800 s-1条件下的动态屈服应力进行了比较并分析了原因,阐述了沙柳顺纹试件在动态压缩试验中的阶段特性,得到了3组试件分别在不同平均应变率条件下的破坏形态并分析了其形成原因。对试验结果分析后发现,沙柳顺纹方向具有较明显的应变率效应。在同一平均应变率条件下,沙柳顺纹材的动态屈服应力依次为浸泡材<生材<气干材。沙柳顺纹方向的动态应力-应变响应特性可分为弹性变形、塑性坍塌和失稳压溃3个阶段。3组沙柳顺纹试件在较高平均应变率的冲击载荷作用下均被压溃形成细小的片状碎屑,但是由于浸泡材和生材中的水分与纤维之间的摩擦力作用,使这两组试件中的细小片状碎屑仍黏在一起,未出现散落现象。

超高性能混凝土动态压缩试验与损伤分析

为探究超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)在动态压缩下的损伤特性,该文利用霍普金森压杆装置研究了不同应变率(52~368 s-1)下的动态压缩力学性能,并基于数字图像相关技术对试件的破坏过程进行分析。结果表明:在冲击荷载下,UHPC试件破坏后,仍能保持完整;UHPC动态抗压强度和韧性表现出明显的应变率敏感性;随着应变率的增加,钢纤维能够更好地吸收冲击能量并抑制临界应变的增大;裂缝发展受应变率影响较大,裂缝最终宽度随应变率的增加不断增加,低应变率下裂缝最终宽度并非其最大宽度。该研究可为UHPC服役性能和损伤评估提供理论支撑。

钢纤维混凝土动态压缩与拉伸力学特性试验研究

为探究钢纤维含量对混凝土动态压缩和拉伸力学特性的影响机制,采用霍普金森压杆(SHPB)装置开展了不同冲击气压、不同钢纤维体积含量(0%C50素混凝土、2%、3%和4%)的混凝土试样动态压缩和动态巴西劈裂试验,并结合高速摄影揭示了试样裂纹的动态演化过程。试验结果表明:在同一冲击气压下,钢纤维混凝土试样的动态压缩强度和动态劈裂拉伸强度与钢纤维含量呈正相关,其吸能程度和破碎程度也呈正相关。钢纤维可有效抑制混凝土的破碎,阻碍钢纤维混凝土试样对冲击能量的吸收与耗散。其中,钢纤维混凝土试样吸能率的上限区间为30%~36%。钢纤维对混凝土的动态劈裂拉伸强度的提升显著高于其对动态抗压强度的提升,且对于较高混凝土强度、甚至有抗爆需求的钢纤维混凝土,结合试验数据、工程经济成本、技术可控性等方面考虑,2%~3%钢纤维含量可作为混凝土增韧的合理区间。钢纤维对混凝土试样动态劈裂和压缩破坏的作用机理不同,动态劈裂过程中,钢纤维可显著阻碍和约束混凝土裂缝的动态扩展;而动态压缩过程中,钢纤维和混凝土之间因发生剥离而导致增韧作用失效。