SHPB试验岩石试件应力平衡时间预估分析

运用一维应力波理论,对分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验中弹性应力波的传播过程进行了分析,得到了试件应力分布相关计算公式,讨论了试件应力平衡时间的影响因素和变化规律。以变截面杆SHPB试验装置对煤矿岩石试件加载为例,计算分析了3种岩石试件在光滑的试验入射波和与其升时相同的理论梯形入射波加载情况下试件应力均匀性和应力平衡时间。发现采用变截面入射杆进行加载,能够实现岩石试件在应力峰值之前达到应力平衡,满足应力均匀性假定要求的有效条件。结果表明,采用理论梯形入射波可以近似代替与其升时相同的试验入射波,预估岩石试件应力均匀性和应力平衡时间,对类似脆性材料的SHPB试验设计具有一定的参考价值。

SHPB试验中不同加载升时应力平衡时间对波阻抗比的敏感性

为研究分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验中不同加载升时试件应力平衡时间对波阻抗比变化的敏感性,将矩形波、梯形波、坡形波等典型的入射加载波形统一表达为具有不同前沿升时的梯形波形式。利用一维应力波理论,分析入射加载弹性应力波在试件中的传播过程,推导出具有任意前沿升时的梯形波入射加载情况下试件内沿加载方向应力分布的相关计算公式。计算得出不同试件–压杆波阻抗比的试件,在不同前沿升时的梯形波入射加载情况下,试件应力平衡时间变化曲线和应力均匀性变化时程曲线,分析入射加载的前沿升时和试件–压杆波阻抗比等有关参数对试件应力平衡时间和应力均匀性的影响规律,得到了一些较为有益的结论,为指导SHPB试验的方案设计和进行有关分析提供理论依据。

SHPB试验中合理加载波形比选分析

针对SHPB试验中如何选择合理加载波形问题,将矩形波、坡形波、三角波和常规梯形波等入射波形统一表达为不同升时的梯形波,并给出其加载应力路径方程。首先,计算分析了加载持续时间和最大应力幅值相同情况下,采用不同升时梯形波和半正弦波加载时,试件应力平衡时间t'_u随波阻抗比β变化情况,以及不同β的试件应力均匀性变化特征。其次,从试件应力平衡时间和应力均匀性角度分析两种加载波形的优劣性。升时t'_r=2、4的梯形波优于半正弦波,半正弦波优于t'_r≥7的梯形波;而t'_r=0、1、3、5、6的梯形波与半正弦波加载时t'u曲线变化过程中出现了交叉现象,交叉前半正弦波优于此升时的梯形波,交叉后两者优劣性相反。最后,提出试验中合理加载波形的选择与确定。即无论β为何值,t'_r=2或4的梯形波加载时,试件均能获得较短应力平衡时间和较好应力均匀性,试验中应将t'_r=2的梯形波作为最佳加载波形优先选用,其次可考虑选用t'_r=4的梯形波;此外,计算给出不同β值对应的其他合理加载波形以便试验中选用。