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。

基于霍普金森杆的水下爆炸壁压测量系统研究

采用霍普金森杆测量系统对气泡载荷进行测量。根据应力应变对应关系,对霍普金森杆测量原理进行表述,其为通过测量HPB上应变推算得到杆端部应力;对HPB测量系统组成进行说明,分析HPB材料、尺寸选取方法,给出应变测量信号与壁压信号间换算关系;采用高速摄影、压力传感器测量系统、霍普金森杆测量系统在实验室条件下对气泡载荷进行测量,分析比对测量结果。结果表明,高速摄影与HPB测量系统获取的气泡峰压时间、气泡脉动周期基本一致;无量纲爆距大于0.33时,压力传感器和HPB测量结果获取的物面载荷数据基本相同;近距离实验时,HPB测量系统抗电磁干扰能力更强。通过实验比对分析,验证了霍普金森杆测量系统的有效性及准确性。

标准霍普金森压杆配置下的应力波分离及无时限实验数据处理

在经典一维应力波理论基础上以及试件受力平衡假定成立的条件下,提出了一种在标准霍普金森压杆实验配置下实现杆中左、右行应力波分离的新方法,可简单有效地解决常规霍普金森压杆在长时实验时左、右行波信号重叠的问题,从而保证实验中的全部应变测试数据都可以加以利用,显著提高了霍普金森压杆的测试能力。给出了新的基于杆中左、右行应力波信号的实验数据处理公式。作为霍普金森压杆实验中经典数据处理公式的扩展,在测试信号不需要进行波分离处理的情况下,新的数据处理公式等同于经典公式。利用ABAQUS有限元软件对霍普金森压杆实验进行了数值模拟,采用虚拟实验的方式,利用模拟测试点的应变信号进行了多种实验条件下的数据处理,对该应力波分离方法的有效性及误差进行了验证与评价。数值模拟结果表明,该应力波分离方法可以给出很好的数据处理结果。在标准霍普金森压杆上进行了部分实验并利用新的波分离方法及公式对数据进行处理,所得结果令人满意。

霍普金森压杆整形器模型

添加整形器是调整霍普金森杆入射波波形,进而准确测量炸药动态力学性能的重要手段。为预测添加整形器后完整的入射波波形,采用应力波理论对子弹-整形器-入射杆系统中的一维应力波传播过程进行研究。利用波的叠加原理得到整形器加载-卸载的统一控制方程,据此建立整形器模型;通过对整形器材料-T2纯铜进行霍普金森压杆和整形器试验,得到T2纯铜的一维应力-应变关系;采用整形器模型预测单整形器和双整形器试验的入射波波形,分析不同工况条件下整形器的变形特性。分析结果表明:整形器模型具备预测包含卸载段在内的完整入射波波形的能力,模型预测的入射波波形与试验测量波形整体吻合较好,验证了整形器模型的可行性和整形器应力-应变关系参数标定的准确性。

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。

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。

光纤Bragg光栅应变传感器在霍普金森压杆上的冲击试验研究

利用复合材料封装光纤Bragg光栅(FBG)设计制作了用于测量高速碰撞或爆炸与冲击作用下混凝土内部动态应变的FBG应变传感器。在霍普金森压杆上对FBG在封装前的裸光栅和封装后的FBG传感器分别进行了高速冲击试验,试验表明:设计的FBG传感器的瞬态响应上升时间小于20μs,具有良好的动态响应特性,可以用于工程中混凝土结构内高速冲击下的动态应变测试。

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。

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。

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。

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。

霍普金森杆冲击加载煤样巴西圆盘劈裂试验研究

为研究煤样动态拉伸变形破坏特征,利用分离式霍普金森杆冲击加载系统,对煤样进行冲击条件下巴西圆盘劈裂试验,探讨了冲击速度和煤样中层理倾角对煤样动态抗拉强度、破坏应变及应变率的影响;并通过高速相机和数字散斑图像分析方法,对样品的动态劈裂及表面应变场变化过程进行了初步分析。研究表明:冲击速度和层理倾角对煤样动态拉伸破坏特征有明显影响。冲击速度越大,煤样动态抗拉强度则越大,但其随冲击速度增加的幅度逐渐减小;样品破坏应变在冲击速度为3.5 m/s时出现最大值。在冲击速度相近的情况下,层理与加载方向夹角相垂直时,样品的破坏应变相对较大,而应变率则最小。抗拉强度随层理倾角波动变化。在层理倾角与加载方向平行或非垂直时,煤样主要表现为拉伸破坏;在层理与加载方向非平行或非垂直时,样品表现出基质的拉伸和层理的剪切破坏相伴生。

霍普金森压杆实验中的磁场干扰

在分离式霍普金森压杆实验中 ,利用贴在钢杆上的电阻应变片测量时 ,经常出现一些不明干扰信号叠加在应变信号上。通过对干扰信号来源的讨论 ,可以确认它是由钢杆的压磁效应引起的。最后还提出了消除这种干扰的有效办法。

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%。

波形整形器在酚醛树脂的霍普金森压杆实验中的应用

利用霍普金森压杆在室温下进行了应变为 10 2 ～ 10 3 s-1的冲击压缩实验 ,同时采用波形整形器使入射波的上升沿变宽 ,更好地满足试件中应力应变均匀分布的条件 ,使实验更接近常应变率加载的条件。结果表明 ,酚醛树脂是一种应变率敏感材料 。

基于霍普金森压杆的RDX基含铝炸药装药双脉冲加载实验

基于分离式霍普金森压杆实验装置,采用夹心弹结构对周向约束条件下某RDX基含铝炸药装药进行了双脉冲加载,获得了炸药装药的动态力学参数,结合电镜扫描(SEM)图像探讨了双脉冲加载时的微观损伤模式。结果表明,试样的轴向应力-应变曲线出现两次加载峰,第二次加载时的应变率较第一次低,但应力峰值较第一次大,在实验加载应变率范围内(1 000~1 500s^(-1)),两次峰值均随应变率增加而增大;第一次加载应变率较低时(1 000s^(-1)),装药损伤模式基本为晶体裂纹及晶体与黏结剂的脱粘;随着应变率的增加,晶体裂纹扩展成裂缝,并出现小范围的晶体破碎;应变率超过1 200s^(-1)后,在破碎的晶体附近出现大范围的细小晶体,同时伴有黏结剂断裂,此类无包覆的晶体相互作用,使感度提高。

霍普金森压杆实验中试件过载的模型分析

根据一维应力波传播理论,采用行波方法建立了自由式霍普金森压杆(FHPB)高过载实验中,试件应变、加速度与压杆应变、加速度之间的等效性关系的数学分析模型。通过该模型分析试件内部应变和质点加速度分布规律,并比较压杆上的加速度与试件所受过载加速度之间的关系。利用ANSYS/LS-DYNA非线性显式动力学计算软件,对撞击过程进行数值模拟,并比较2种模型下试件受力的吻合程度来验证计算模型可靠性。结果表明:所建立的数学分析模型正确;压杆上得到的加速度表现的是试件的平均过载值。

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。