Hopkinson杆式冲击疲劳试验方法研究

在民用与国防领域,装备或结构部件常常受到高加载率的重复冲击,即冲击疲劳问题。冲击疲劳试验装置是研究冲击疲劳问题的基础,该研究提出一种分离式Hopkinson杆式冲击疲劳试验方法。首先通过真空系统使撞击弹复位,在加载过程中通过弹性约束对入射杆进行限位,最后利用电动推杆使透射杆和试样复位,以上过程通过PLC控制器控制。这种方法操作简易,能通过在杆上的信号采集实现冲击波的连续实时显示,并能改变撞击体几何构形以产生不同形状(梯形波、三角波或半正弦波)和不同加载率(8×10^(5)~3×10^(6)MPa/s)的冲击加载波,加载频率范围在0~0.5 Hz。最后利用高强钢圆柱试样和含有工艺缺陷的增材制造316L不锈钢三点弯曲试样对试验方法进行了验证,证明该方法有效可靠。

一种新式压/拉一体式Hopkinson杆装置研究

分离式Hopkinson杆装置常用于测量材料动态压缩、拉伸和剪切性能,为了提高装置的高效性和经济性,研究了可以实现材料动态压缩和拉伸的一体式Hopkinson杆装置。首先,通过在Hopkinson压杆装置上增加Y字型前端构件、双侧杆和Y字型后端构件,将撞击产生的压缩波转换为拉伸波加载至试样;其次,通过ABAQUS软件数值仿真,分析各构件的几何构型、尺寸等对加载波形的影响。结果表明:前端Y字型构件分岔角度越大、截面尺寸越小,则因弯曲导致的波形失真的程度越严重,截面尺寸和失真程度成负指数关系;在侧杆截面边长大于10 mm时,侧杆间距对波形的影响较小;后端构件的法兰厚度越大,拉伸加载波的平均幅值越大。最终确定了前端构件的Y型分岔夹角为10°,2根侧杆的间距为60 mm,后端构件的法兰厚度为10 mm,构建了一种兼顾压缩和拉伸的一体式Hopkinson杆装置,并对2种试样分别进行压缩和拉伸加载,验证了此装置的有效性。

确定材料在高温高应变率下动态性能的Hopkinson杆系统

描述了一种利用Hopkinson杆装置确定在高温(温度可高达1 173 K)、高应变率下材料动态性能的试验方法。在试样加温过程中,试样不与入射杆及透射杆接触。当试样加热到预定温度时,气压驱动同步组装系统,推动透射杆及试样,使得应力波到达入射杆与试样接触面时,入射杆、试样及透射杆紧密接触。利用以上系统,完成了连铸单晶铜及上引法连铸多晶铜从室温到1 085 K范围内的应力应变曲线。测试结果表明,不论是上引法连铸多晶铜还是连铸单晶铜,流动应力随温度的升高而下降,在温度低于585 K时,材料的应变硬化率明显大于在温度高于585 K时的应变硬化率。

用Hopkinson杆冲击加载研究高量程微加速度计芯片的抗过载能力

采用体硅微机械加工技术制作田字形结构的高量程微加速度计芯片。为了研究芯片的抗过载能力 ,使用Hopkinson杆对其施加冲击载荷 ,以一维应力波理论估计芯片受到的加速度。结果显示 ,芯片破坏的临界载荷为 2 0 0kgn。裂纹和断裂主要发生在十字架中心、边框的 4个角以及十字梁和边框的连接部位。

分离式大直径Hopkinson杆实验技术研究进展

分离式大直径Hopkinson杆(SHB)是一种用于研究混凝土和其他非均匀材料动态力学性能的重要手段,杆直径增大会导致传统分离式Hopkinson压杆实验技术的基本假定失效,因此对实验技术、数据处理及实验结果分析等形成了新的挑战。介绍了大直径SHB杆实验技术的发展历程,总结了杆直径增加所带来的几何弥散效应、试件应力均匀性、试件端面平行性和横向惯性效应等问题及相应的解决方法,分析了大直径SHB实验技术的研究方向和热点问题。

高量程压阻式加速度计的Hopkinson杆冲击测试及失效分析

为了保证高量程加速度计在冲击过程中的可靠性、有效性,减小其失效几率,以Hopkinson杆作为加载手段,采用激光干涉法对量程为1.0′10~5 g_n的4端全固支压阻式梁-岛结构微加速度计进行冲击试验,并分析了高量程加速度计抗过载能力及在冲击环境下失效模式和失效机理。试验中抽样对同种结构的10只传感器分别进行了冲击测试,根据测试结果可知,该结构的微加速度计抗过载能力为1.3′10~5g_n。通过分析可知失效模式主要表现为微结构梁的断裂、裂纹、键合点脱落现象。通过研究失效模式产生的原因发现,造成结构出现断裂、裂纹现象的原因主要有两种：一是重复连续冲击测试引起微结构疲劳产生失效;二是由于在冲击过程中加速度计芯片与该过程中产生的高频信号分量发生共振导致过载瞬间增大加速度计芯片结构位移失控使结构失效。通过采用不同手段完善传感器结构,提高了其可靠性。

基于小尺寸Hopkinson杆的动态校准系统

针对高g值高安装谐振频率加速度计动态校准过程中高g值窄脉冲加速度激励信号难以产生的难题,提出了基于小尺寸Hopkinson杆的动态校准系统。该系统采用压缩空气作为激励源,小尺寸精密校准杆作为加载装置来产生窄脉冲加速度激励信号,并通过轴向激光干涉仪进行激励信号的测量。且校准实验结果表明,该系统可以充分激起安装谐振频率为180kHz的高g值加速度计B&K 8309的高阶谐振频率,校准结果较为理想。

基于Hopkinson杆的高g值加速度传感器的动态特性分析

基于Hopkinson杆激光干涉冲击试验台,分析了高g值加速度传感器的动态特性,主要分析了实现高g值加速度传感器的幅频特性的原理及可行性。该方法采用Hopkinson杆作为高g值加速度信号发生器,并应用激光光栅干涉仪可以精确地获得高g值加速度脉冲的激励波形,再与加速度计的输出联合处理得出传感器的动态校准结果。并用988压电传感器的动态校准结果加以说明。

用于分离式Hopkinson杆装置的一种先进气动发射机构

为了提高分离式Hopkinson杆装置测试及其控制精度,基于一维应力波理论对Hopkinson杆测试原理进行了阐述,对测试中一维性和均匀性假设条件进行了深入分析。根据Hopkinson杆测试原理,提出了一套气推气的先进撞击杆发射装置。给出杆长与直径比大于40可保证一维性;试样中波来回反射3次以上可实现应力平衡及均匀性;气推气发射机构可以有效将0.5kg撞击杆在1MPa气压下发射65m/s;气推气发射机构与Hopkinson杆组成的测试装置操作简便、重复性好和控制精度高。

用Hopkinson杆技术研究材料动态断裂韧性的进展

综述应用Hopkinson杆技术进行材料动态断裂韧性研究的实验方法。介绍入射波整形技术和力传感器技术在动态断裂韧性实验中的应用。简要总结动态应力强度因子的计算方法和裂纹起裂时间的确定方法。展望动态断裂韧性研究的发展趋势。

激光光通量位移计在Hopkinson杆中的应用

简要介绍了激光位移测试技术的基本原理及实现方案,准静态和动态标定结果表明该系统可以用于动态测试。给出了激光光通量位移计在Hopkinson杆实验中的3种应用:(1)用激光光通量位移计可以监测试样的横向变形,从而得出试样的动态泊松比;(2)在动态断裂实验中,激光光通量位移计可以监测裂尖张开位移,结合应变片的信息可以得出试样的动态断裂能;(3)将激光光通量位移计和石英晶体应力计相结合可以直接在试样两端得到应力应变信息,用来测量超软材料在中应变率下的力学响应。

微型Hopkinson杆技术

介绍了一种可对材料进行更高应变率动态性能实验的微型Hopkinson杆技术,对金属材料其应变可超过104s-1。使用激光径向位移测试仪和与传统Hopkinson杆对比实验,对微型Hopkinson杆技术的有效性进行了验证。实验结果表明,微型Hopkinson杆确定的试样应变与激光径向位移测试的结果相当吻合;在低应变率范围内,与传统Hopkinson杆的实验结果有很好的一致性。从而证明了微型Hopkinson杆技术可进行应变率在104s-1以上材料的动态力学性能实验。

微小型Hopkinson杆的动态校准系统

针对常用Hopkinson杆动态校准系统进行高安装谐振频率高g值加速度计动态校准时激励脉宽不能满足要求,且幅频特性曲线工作频带内不平直的问题,本文提出了微小型Hopkinson杆的动态校准系统,该系统采用微小尺寸精密校准杆,并对传感器安装结构进行了改进,且实验证明该系统对高安装谐振频率的高g值压阻加速度计和B&K 8309高g值压电加速度计进行动态校准得到的幅频特性曲线较为理想。

基于双弹头Hopkinson杆的高g值加速度传感器的动态线性分析

分析了高g值加速度传感器动态线性的测试原理并对双弹头Hopkinson杆的可靠性进行了验证;同时利用双弹头Hopkinson杆激光干涉冲击试验装置测量了高g值加速度传感器的动态线性。该方法是将双弹头Hopkinson杆作为冲击加速度发生器,用双膛冲击发生器发射两个子弹(分别为内、外弹),当两子弹分别单独与双弹头Hopkinson杆相撞时,通过控制冲击加速度发生器,使产生的加速度脉冲频率相同且峰值分别为a外、a内,测得加速度传感器对应输出加速度峰值分别记为A外、A内;保持相同的发射条件,当内外弹同时与Hopkinson杆相撞时,使两子弹作用于细杆上的冲击加速度脉冲的频率相同且峰值仍分别为a外、a内;根据应力波叠加原理,则叠加后产生的加速度峰值为a总=a外+a内,测得加速度传感器对应输出的加速度峰值记为A总;从而可以求出ΔY=(A外+A内)-A总,通过分析ΔY是否在所要求的范围内来说明被测加速度计的动态线性。

用经典Hopkinson杆测试弹性模量的初步探讨

采用一维弹性应力波理论,实现了经典Hopkinson杆试验的计算机模拟,研究了试验"测得"(重构)的应力-应变曲线的精确度,并结合具体试验进行了分析.由于经典Hopkinson杆试验的基本计算公式中引入了"应力均匀性"假设,因此在有限应变范围内,重构的应力-应变曲线总是和输入(真实)曲线差异较大.结果表明,采用经典Hopkinson杆测量的弹性模量是不可靠的,因此实践中应慎用.

Hopkinson杆校准系统中高g值激励加速度脉冲的产生与调整

针对高g值加速度传感器脉冲校准中遇到的激励脉冲宽度问题,通过有限元分析法,模拟Hopkinson杆校准系统中激励加速度脉冲的产生过程,确定适用于加速度传感器冲击灵敏度校准和频率响应特性校准的激励脉冲宽度及其相应的碰撞组合;并通过试验手段,验证了仿真结论的正确性。试验结果表明,通过改变子弹头的形状和调整垫的材料和厚度,可以在同一Hopkinson杆校准系统中产生不同持续时间的激励脉冲,以适应不同的校准需求,最大限度地发挥Hopkinson杆校准系统的潜能。

基于Hopkinson杆的高g值冲击传感器校准

介绍一种高g值冲击传感器灵敏度校准的Hopkinson杆技术,说明差动式光栅激光多普勒干涉冲击校准装置的原理,给出冲击加速度传感器灵敏度系数的两种标定公式,结果表明,该技术可进行加速度计之微分加速度的动态特性校准测试。

基于Hopkinson杆的高g值加速度计的标定

介绍了基于Hopkinson杆技术的激光光栅干涉法冲击加速度计的绝对校准方法。采用激光干涉仪对激励信号进行测量,实现对高g值加速度计的标定。给出了高g值加速度传感器的灵敏度标定公式,并通过比较说明了两种公式的优缺点。实验结果表明,本文中的标定方法可满足标定的精度要求。

基于Hopkinson杆的窄脉冲校准系统

针对目前动态校准装置难以安全产生窄脉冲激励信号的问题,基于Hopkinson压杆技术,以压缩空气作为激励源,采用子弹撞击杆的方式,提出了一种可以产生6~10μs窄脉冲校准系统。该系统选用600 mm×10 mm的钛合金Hopkinson杆,使用应变片和轴向激光干涉仪同时测量获取窄脉冲信号。利用该系统进行了动态校准实验,实验结果表明,该系统产生的窄脉冲可充分激励起8309的谐振频率,通过幅频特性曲线得其工作频带。

Hopkinson杆和Hopkinson的故事

许多工程问题需要测定各种材料在高应变率下的力学特性.为达到这个目的,分离式Hopkinson杆是现今世界上公认最成熟的、应用得也最广泛的现代实验技术.这套装置的构型并不复杂,却能有效地获得大多数工程材料在每秒102～104的高应变率下的应力应变曲线.这种实验装置的名称源自最初提出相关创意和原始设计的英国剑桥大学工程科学教授B.Hopkinson.其实,B.Hopkinson追随他的父亲J.Hopkinson献身于工程科学,还有一段非常动人的故事.