CN101769837B - 一种霍普金森压杆动态压缩实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种霍普金森压杆动态压缩实验方法，优点是可方便采用传统霍普金森技术的实验数据测试和分析方法，保证实验结果在宏观意义上的有效性，满足大尺寸混凝土等非均质材料试件的动态压缩实验研究要求；而且由于每根单杆上都贴有应变片用于测量单杆上的应变波，因此可通过每对单杆内反射波和透射波来反映试件不同部位的损伤演化和局部破坏特征，并通过应力波反分析，可探讨混凝土等非均质材料试件在冲击过程中的裂纹演化特性，得到更丰富的材料破坏过程的信息。

Description

一种霍普金森压杆动态压缩实验方法

技术领域

本发明涉及一种材料力学特性的实验方法，尤其涉及一种霍普金森压杆动态压缩实验方法。

背景技术

非均质、多相脆性材料如混凝土、岩石、泡沫材料和工程陶瓷复合材料等计及细观结构和损伤演化的动态本构特性的研究，已成为当前力学、材料学界和工程界共同注目的跨学科前沿性研究热点。以工程界最广泛应用的混凝土为代表，现代混凝土结构愈来愈多地应考虑承受变化剧烈的冲击载荷，如：各种防护结构、核反应容器外壳、海洋工程结构和桥梁等，在遭受武器攻击、爆炸、地震、海浪等冲击载荷时，都必须考虑混凝土中波传播及其率相关的冲击动态本构特性。

众所周知，混凝土冲击特性的实验研究，不论在国外或国内，首选都采用霍普金森试验技术。然而，混凝土是细观上含有不同大小骨料的非均质材料，在研究其宏观本构特性时，就要求试件杆径至少比骨料尺寸大一个量级(即试件的尺寸为骨料尺寸的10倍以上)，以保证试验结果在宏观意义上的有效性。目前最大的霍普金森压杆装置的直径小于100mm，因此，目前文献所报导的对于霍普金森压杆动态冲击试验结果仍限于水泥砂浆或细骨料混凝土，而实际工程用混凝土的骨料一般是20mm连续级配，甚至更大，这就要求霍普金森压杆的直径大于150mm，需要发展更大尺寸的霍普金森动态压缩实验装置。但霍普金森动态实验方法必须满足“一维应力波”和“应力应变沿试件长度均匀分布”这两个基本假定，如果简单地增大霍普金森压杆的直径，将破坏“一维应力波”的基本假定，带来显著的横向惯性效应，直接影响实验结果的有效性，因此常规霍普金森压杆技术和方法无法满足工程混凝土等非均质材料的动态压缩性能的实验研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能对符合工程实际的大尺寸混凝土等非均质材料进行相应的动态压缩性能的实验研究，且保证实验结果在宏观意义上的有效性的霍普金森压杆动态压缩实验方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种霍普金森压杆动态压缩实验方法，它包括以下步骤：

(1)、在支架上固定设置导轨，并将多根入射单杆捆绑成大尺寸的入射束杆，将多根透射单杆捆绑成大尺寸的透射束杆，其中入射单杆和透射单杆的横截面形状相同且数量相等，每对入射单杆和透射单杆组成一对满足一维应力波条件σ_i(t)+σ_r(t)＝σ_t(t)的霍普金森压杆，其中：σ_i(t)表示入射单杆上的入射波，σ_r(t)表示入射单杆上的反射波，σ_t(t)表示透射单杆上的透射波，然后将大尺寸的入射束杆和透射束杆放入到导轨内，并在入射束杆和透射束杆之间放置被测试件；

(2)、在每根入射单杆和每根透射单杆上贴设应变片，将应变片与超动态应变仪连接；

(3)、撞击杆沿着导轨撞击入射束杆的上端部，使被测试件的应变率达到10～1000s^-1之间；

(4)、通过设置在入射单杆和透射单杆上的应变片测得每对霍普金森压杆内的入射波σ_i(t)、反射波σ_r(t)和透射波σ_t(t)，得到每对霍普金森压杆对应的被测试件中的应力σ_i、应变ε_i和应变率

分别为：

${\mathrm{\σ}}_i\left(t\right)=E{\mathrm{\ϵ}}_i^T\left(t\right)$ ${\mathrm{\ϵ}}_i=\frac{2C}{L_0}{\∫}_0^t{\mathrm{\ϵ}}_i^R\mathrm{dt}$ ${\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_i\left(t\right)=\frac{2C}{L_0}{\mathrm{\ϵ}}_i^R\left(t\right)$

进一步得到整个被测试件中的平均应力σ_WHOLE(t)和平均应变ε_WHOLE(t)为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{WHOLE}}\left(t\right)=\frac{\frac{{\mathrm{\Σ}}_1^X{A}_N\·E\·{\mathrm{\ϵ}}_i^T\left(t\right)}{A_0}}{X}$ ${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{WHOLE}}\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\Σ}}_1^X\frac{2C}{L_0}\∫{\mathrm{\ϵ}}_i^R\left(t\right)\mathrm{dt}}{X}$

其中：A_N表示每对霍普金森压杆的截面面积，A₀是被测试件的截面面积，E、C分别表示霍普金森压杆的弹性模量和弹性波波速，L₀表示被测试件的长度，X表示霍普金森压杆的对数，最终得到被测试件的动态应力-应变曲线，从而对符合工程实际的大尺寸混凝土等非均质材料试件进行动态压缩实验研究。

在所述的撞击杆的上端部固定设置滑块，所述的滑块与所述的导轨滑动配合。

所述的滑块的材料采用轻质高分子材料，所述的撞击杆的材料采用钢，由于轻质高分子材料的波阻抗比钢的波阻抗小很多，因此滑块不会影响入射应力波的加载波形而只会影响入射应力波的卸载波形。

设置所述的入射束杆的长度大于所述的撞击杆长度的两倍，设置所述的透射束杆的长度大于所述的撞击杆的长度。

在所述的入射束杆的上端部设置整形片，保证撞击杆同步撞击入射束杆。

与现有技术相比，本发明的优点是当撞击杆撞击入射束杆产生冲击压缩波，对放置在入射束杆和透射束杆之间的试件进行加载，由于入射束杆由多根入射单杆组成，透射束杆由多根透射单杆组成，每对入射单杆和透射单杆组成一对满足一维应力波条件的霍普金森压杆，由于每对入射单杆和透射单杆的截面积小因此可以忽略单杆的横向弥散效应，并可方便采用传统霍普金森技术的实验数据测试和分析方法，保证实验结果在宏观意义上的有效性，满足大尺寸混凝土等非均质材料试件的动态压缩实验研究要求；而且由于每根单杆上都贴有应变片用于测量单杆上的应变波，因此可通过每对单杆内反射波和透射波来反映试件不同部位的损伤演化和局部破坏特征，并通过应力波反分析，可探讨混凝土等非均质材料试件在冲击过程中的裂纹演化特性，得到更丰富的材料破坏过程的信息。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中A处的束杆的横截面示意图；

图3为本发明单杆中的入射波、反射波、透射波的应力-时间曲线；

图4为本发明透射波与(入射+反射)的比较；

图5为本发明入射束杆中每根单杆上的反射波的应力--时间曲线；

图6为本发明透射束杆中每根单杆上的透射波的应力--时间曲线。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明做进一步详细描述。

一种霍普金森压杆动态压缩实验方法，它包括以下步骤：

(1)、在支架1上固定设置导轨12，取长度大于两倍撞击杆2长度的大尺寸入射束杆3，长度大于撞击杆2长度的大尺寸透射束杆4，将透射束杆4、被测试件10和入射束杆3从下至上依次叠加设置在导轨12内，在入射束杆3的上端部设置整形片8，其中入射束杆3由多根方形入射单杆31组成，透射束杆4由多根方形透射单杆41组成，入射单杆31和透射单杆41的尺寸相同且数量相等，每对入射单杆31和透射单杆41组成一对满足一维应力波条件σ_i(t)+σ_r(t)＝σ_t(t)的霍普金森压杆，其中：σ_i(t)表示入射单杆上的入射波，σ_r(t)表示入射单杆上的反射波，σ_t(t)表示透射单杆上的透射波；

(2)、在每根入射单杆31和每根透射单杆41上贴设应变片(图中未显示)，将应变片与超动态应变仪(图中未显示)连接；

(3)、在钢制的撞击杆2的上端部固定设置用轻质高分子材料制成的滑块21，滑块与导轨12滑动配合；

(4)、撞击杆2沿着导轨12自由落下撞击入射束杆3的上端部，使被测试件10的应变率达到10～1000s^-1之间；

(5)、通过设置在入射单杆31和透射单杆41上的应变片测得入射单杆31和透射单杆41内的入射波σ_i(t)、反射波σ_r(t)和透射波σ_t(t)，得到每对由入射单杆31和透射单杆41组成的霍普金森压杆对应的被测试件10中的应力σ_i、应变ε_i和应变率

分别为： ${\mathrm{\σ}}_i\left(t\right)=E{\mathrm{\ϵ}}_i^T\left(t\right)$ ${\mathrm{\ϵ}}_i=\frac{2C}{L_0}{\∫}_0^t{\mathrm{\ϵ}}_i^R\mathrm{dt}$ ${\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_i\left(t\right)=\frac{2C}{L_0}{\mathrm{\ϵ}}_i^R\left(t\right)$

进一步得到整个被测试件10中的平均应力σ_WHOLE(t)和平均应变ε_WHOLE(t)为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{WHOLE}}\left(t\right)=\frac{\frac{{\mathrm{\Σ}}_1^X{A}_N\·E\·{\mathrm{\ϵ}}_i^T\left(t\right)}{A_0}}{X}$ ${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{WHOLE}}\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\Σ}}_1^X\frac{2C}{L_0}\∫{\mathrm{\ϵ}}_i^R\left(t\right)\mathrm{dt}}{X}$

其中：A_N表示每对霍普金森压杆的截面面积，A₀是被测试件10的截面面积，E、C分别表示霍普金森压杆的弹性模量和弹性波波速，L₀表示被测试件10的长度，X表示霍普金森压杆的对数，最终得到被测试件10的动态应力-应变曲线，从而对符合工程实际的大尺寸混凝土等非均质材料试件10进行动态压缩实验研究。

以下是对上述方法的实验可行性验证：

取高度为22m的支架1，长度为0.8m、截面为150mm×150mm的撞击杆2，并设计入射束杆3的长度为2m，透射束杆4的长度为1m，撞击杆2可自由下落的加载高度约为17m，速度可达15m/s，入射束杆3和透射束杆4均由4×4共16根方形单杆捆绑组合而成，每根单杆的截面尺寸为35mm×35mm，并取混凝土材料的试件作为本次实验的对象。

(1)一维应力波的测试分析

附图3所示为入射、反射和透射应力波的时程曲线，附图4所示为透射波σ_t(t)和(入射波+反射波σ_i(t)+σ_r(t))的时程曲线比较，从图中可知，两者基本一致，可见，通过霍普金森束杆对大尺寸混凝土试件加载，应力波在大试件中来回反射传播，基本满足σ_i(t)+σ_r(t)＝σ_t(t)，即每对由入射单杆和透射单杆组成的霍普金森压杆仍基本满足一维应力波传播的基本假定，因此可以近似地按一维应力弹性波分析。

(2)破坏演化分析

每对压杆之间混凝土试件一旦出现裂纹，则由于产生自由界面，将反映在该对压杆的反射和透射应力波波形的变化上，存在以下三种波形状态：

状态1：入射和反射压杆对之间，混凝土完全没有破坏产生，则入射和反射波形不出现明显变化。

状态2：入射和反射压杆对之间，混凝土发生完全破坏，裂纹完全贯穿整个束杆截面。

状态3：入射和反射压杆对之间，混凝土发生部分裂纹，则入射和反射波形变化界于状态1和2之间。

取其中九对单杆组成的束杆的波形为例进行分析，附图5、6分别为试件发生裂纹开始和扩展时，即包含状态2和状态3情况，对应单杆上的反射波和透射波的波形，反映混凝土材料试件在加载过程中的裂纹演化状态：

(1)一旦压杆间混凝土发生裂纹起裂，由于开始有自由界面出现，反射波形会缓慢出现相反的斜率，由于存在微小裂纹自由面幅值将缓慢增大，向上的斜率不同，最终的幅值不同，反映了这对压杆间对应的混凝土试件演化速度和破坏程度的不同，破坏的越厉害，反射波跳的越高。同理反映在透射波形上，混凝土试件破坏的越严重，透射波形下降越快。

(2)如果压杆间混凝土试件发生完全破坏，即裂纹贯穿整个压杆，则入射波完全反射回来，表现在反射波陡然升高，幅值达到入射波水平。

因此，通过利用霍普金森束杆技术对反射波和透射波的分析，可以揭示混凝土试件中裂纹起裂、扩展的演化过程，这为混凝土类非均质材料的率相关破坏演化研究提供了一种有益手段。

通过该实验验证，可得出上述的试验方法可行。

而除附图所示结构之外，也可以将整个装置横放，此时可省去固定在撞击杆2端部的滑块21，而在实验时，撞击杆2只要通过一个现有的发射装置给其一个撞击速度即可。

Claims (2)

1.一种霍普金森压杆动态压缩实验方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)、在支架上固定设置导轨，并将多根方形入射单杆捆绑成大尺寸的入射束杆，然后在入射束杆的上端部设置整形片，将多根方形透射单杆捆绑成大尺寸的透射束杆，其中入射单杆和透射单杆的横截面形状相同且数量相等，每对入射单杆和透射单杆组成一对满足一维应力波条件σ_i(t)+σ_r(t)＝σ_t(t)的霍普金森压杆，其中：σ_i(t)表示入射单杆上的入射波，σ_r(t)表示入射单杆上的反射波，σ_t(t)表示透射单杆上的透射波，然后将大尺寸的入射束杆和透射束杆放入到导轨内，并在入射束杆和透射束杆之间放置被测试件；

(2)、在材料为钢的撞击杆的上端部固定设置材料为轻质高分子材料的滑块，滑块与导轨滑动配合；

(3)、在每根入射单杆和每根透射单杆上贴设应变片，将应变片与超动态应变仪连接；

(4)、撞击杆沿着导轨撞击入射束杆的上端部，对被测试件加载，使被测试件的应变率达到10～1000s^-1之间；

(5)、通过设置在入射单杆和透射单杆上的应变片测得每对霍普金森压杆内的入射波σ_i(t)、反射波σ_r(t)和透射波σ_t(t)，得到被测试件的动态应力-应变曲线，从而对符合工程实际的大尺寸混凝土等非均质材料试件进行动态压缩实验研究。

2.如权利要求1所述的一种霍普金森压杆动态压缩实验方法，其特征在于设置所述的入射束杆的长度大于所述的撞击杆长度的两倍，设置所述的透射束杆的长度大于所述的撞击杆的长度。

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