CN102128754A - 在shpb劈裂拉伸试验中测定脆性材料拉伸弹模的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在SHPB劈裂拉伸试验中测定脆性材料拉伸弹模的方法，将圆柱型的试样安放于SHPB劈裂试验机上，沿试样的径向对试样施加冲击载荷，测量试样在应力加载过程中的位移量，按下式计算得到材料的动态拉伸模量E_dt：

其中P(t)_max为动态载荷的最大值，L为试样长度，D为试样直径，μ为试样材料的泊松比，Δu_t为试样破坏时垂直加载方向上试样中心直径长度的破坏位移。该在SHPB劈裂拉伸试验中测定脆性材料拉伸弹模的方法易于实施，测量准确。

Description

在SHPB劈裂拉伸试验中测定脆性材料拉伸弹模的方法

技术领域

本发明涉及一种在SHPB劈裂拉伸试验中测定脆性材料拉伸弹模的方法。

技术背景

脆性材料的拉伸模量是一个很重要的试验参数。目前已经有用于测定静态或准静态下(10^-1～10¹MPa/s)脆性材料拉伸模量的方法。在中高加载率(10⁵～10⁶MPa/s)下，可以用SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar，霍布金森压力杆，简称SHPB)装置对试样进行冲击劈裂试验，并计算得到动态劈裂强度。但是对于该加载率下(10⁵～10⁶MPa/s)的动态拉伸模量，由于受目前的测试手段的限制，目前还没有形成比较规范的方法。

为了确定SHPB劈裂试验中试样的拉伸模量，很多研究者采用在圆盘中心垂直于加载方向的中心处贴应变片的方法，利用该应变片的测量值代替试样中心受拉区域的应变值，进而求解材料的拉伸模量。利用该方法有试验原理上的假设和操作上的简化和便利。但是在应变片粘贴过程中如何保证应变片正好贴在试样受拉区域的中心并且和受拉方向完全垂直，不容易做到，因此所得结果的精确性难以得到保证。为了克服上述不足，特提出一种在SHPB劈裂拉伸试验中测试脆性材料拉伸模量的新方法。

发明内容

本发明的目的是提出的一种在SHPB劈裂拉伸试验中测定脆性材料拉伸弹模的方法，该在SHPB劈裂拉伸试验中测定脆性材料拉伸弹模的方法易于实施，测量准确。

本发明的技术解决方案如下：

一种在SHPB劈裂拉伸试验中测定脆性材料拉伸弹模的方法，将圆柱型的试样安放于SHPB劈裂试验机上，沿试样的径向对试样施加冲击载荷，测量试样在应力加载过程中的位移量，按下式计算得到材料的动态拉伸模量E_dt：

其中E_dt为动态拉伸模量，P(t)_max为冲击载荷P(t)的最大值，L为试样长度，D为试样直径，μ为试样材料的泊松比，Δu_t为试样破坏时垂直加载方向上试样中心直径长度的破坏位移。

所述的冲击载荷P(t)的计算方法为：

$\left(t\right)=\mathrm{EA}\frac{[{\mathrm{\ϵ}}_I\left(t\right)+{\mathrm{\ϵ}}_R\left(t\right)+{\mathrm{\ϵ}}_T\left(t\right)]}{2};$

其中，ε_I(t)为入射应力脉冲，ε_R(t)为反射应力脉冲，ε_T(t)为透射应力脉冲；E为SHPB杆的弹性模量，A为SHPB杆的圆形横截面积(m²)。

应力脉冲没有单位，SHPB系统自带测定这三个脉冲，已经是成熟的技术。

破坏位移Δu_t的计算方法为：Δu_t＝KΔu_L，其中

Δu_L为试样劈裂破坏时平行加载方向上试样中心直径长度的破坏位移；t为劈裂破坏时间(μs)，即根据冲击载荷P(t)的形式计算从开始冲击到P(t)_max的总时间；C₀为SHPB弹性杆中的波速。

SHPB系统中会自带C₀具体值。

利用常规静载巴西劈裂试验测定K的具体数值，按d_ox＝Kd_oy计算，K为对d_ox和d_oy进行拟合得到的拟合系数，其中，d_ox为试样在垂直加载方向中心直径的位移量，d_oy为试样在平行加载方向试样中心直径的位移量。

系数K根据静载劈裂试验拟合得到，按d_ox＝Kd_oy计算，其中d_ox为静载劈裂垂直加载方向上试样中心直径长度的位移，d_oy为静载劈裂平行加载方向上试样中心直径长度的位移(从实验系统中可以读取)，对d_ox和d_oy同一加载时刻的位移值一一对应进行线性拟合，K即为拟合系数。所述的泊松比μ通过常规的单轴静压试验获得。所述的位移d_ox采用位移传感器测量。所述的泊松比μ通过常规的单轴静压试验获得。

有益效果：

本发明基于静载巴西劈裂试验中拉伸模量的解析算法，并结合SHPB劈裂试验的结果进行推导得到。通过静载巴西劈裂试验中拉伸模量的解析算法，在弹脆性阶段，可以把解析表达式应用到SHPB试验中，但是在SHPB劈裂试验中，垂直加载方向试样中心直径长度方向位移Δu_t随时间变化的值无法进行测量。通过实验发现在低应变率段，在同一时刻，垂直加载方向和平行加载方向试样中心直径长度方向位移值d_ox和d_oy互相之间呈线性关系，并可用d_ox＝Kd_oy表示。因此通过低应变率下静载巴西劈裂试验，可以得到线性拟合参数K的值。通过SHPB劈裂试验得到试样劈裂破坏时平行加载方向上试样中心直径长度的破坏位移Δu_L，然后根据Δu_t＝KΔu_L计算得到Δu_t的值，再代入下式：

并结合动态载荷的最大值P(t)_max，即可计算出SHPB劈裂拉伸试验中测定脆性材料拉伸弹模E_dt。

本发明基于巴西圆盘受力的经典解析算法，直接根据常规静载劈裂试验和SHPB冲击试验即可计算得到拉伸弹模。突破了过去传统的利用在试样中心粘贴应变片测量材料拉伸模量的方法，试样中心贴应变片的方法在操作上不易控制，而且所得结果不够精确。本发明提出的方法基于经典的弹性解析解得出，而且在操作上比较简便宜行，所得结果克服了传统方法所带来的误差。本发明为脆性材料拉伸模量的确定提供了一种简便易行、精确可靠的新方法。

附图说明

图1为SHPB装置上动态劈裂试验示意图；

图2为试样形状立体示意图；

图3为试样静载劈裂试验示意图。

图中标号说明：1-冲击载荷，2-入射杆，3-应变片，4-圆柱型试样，5-透射杆，6-吸收杆，7-加载端，8-钢制垫板，9-位移传感器，10-钢质压条，11-V型凹槽。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

在SHPB装置上进行动态劈裂试验，如图1和图3所示。

测试材料的拉伸模量前，需要测出材料的泊松比，这可以通过常规的单轴静压试验得到。然后选取圆柱型试样(见图2)(如直径为50mm)，试样高径(直径)比为1∶1。将试样安放于巴西劈裂试验机上(可参考中国科学院武汉岩土所研制的RMT150系列劈裂加载系统)，在试样垂直加载方向中心直径的两端安放位移传感器测量位移量d_ox(即2个传感器的位移量之和)，并根据试验系统得到平行加载方向试样中心直径长度方向位移值d_oy，对两者的数据利用一次函数进行线性拟合，得到系数K。

具体过程如下：(巴西劈裂试验过程参考国家标准“工程岩体试验方法标准(GB/T50266-99))：

采用圆柱体试样的直径D取为48～54mm，试样的长度(厚度)L取为直径的1.0倍，并大于材料内部最大颗粒的10倍。试验应按下列步骤进行：

(1)对试样进行静载劈裂试验，在试样垂直加载方向中心直径的两端安放位移传感器测量位移量d_ox，并根据试验系统得到平行加载方向试样中心直径长度方向位移值d_oy，对两者的数据进行线性拟合，得到系数K。

(2)把试样放在SHPB系统的入射杆和透射杆中间夹紧，进行冲击试验(冲击应力波建议采用半正弦波形式)；

(3)通过贴在入射杆和透射杆上的应变片可以记录下来ε_I(t)为入射应力脉冲(无单位)，ε_R(t)为反射应力脉冲(无单位)，ε_T(t)为透射应力脉冲(无单位)，并根据公式计算冲击载荷P(t)；根据公式

计算试样劈裂破坏时平行加载方向上试样中心直径长度的破坏位移，把系数K代入公式Δu_t＝KΔu_L，计算得到试样破坏时垂直加载方向上试样中心直径长度的破坏位移Δu_t。应变片为SHPB系统自带。

(4)最后根据公式

计算得到材料的拉伸弹模。式中：E_dt为拉伸模量(材料在拉伸时的弹性表征参量，单位GPa)，P_t为所述的线载荷，L为试样长度，D为试样直径，μ为泊松比，Δu_t为试样中心直径方向的总位移。其中E_dt为动态拉伸模量，P(t)_max为动态载荷的最大值，L为试样长度，D为试样直径，μ为泊松比，Δu_t为试样破坏时垂直加载方向上试样中心直径长度的破坏位移。

Claims (4)

1.一种在SHPB劈裂拉伸试验中测定脆性材料拉伸弹模的方法，其特征在于，将圆柱型的试样安放于SHPB劈裂试验机上，沿试样的径向对试样施加冲击载荷，测量试样在应力加载过程中的位移量，按下式计算得到材料的动态拉伸模量E_dt：其中E_dt为动态拉伸模量，P(t)_max为冲击载荷P(t)的最大值，L为试样长度，D为试样直径，μ为试样材料的泊松比，Δu_t为试样破坏时垂直加载方向上试样中心直径长度的破坏位移。

2.根据权利要求1所述的在SHPB劈裂拉伸试验中测定脆性材料拉伸弹模的方法，其特征在于，所述的冲击载荷P(t)的计算方法为：

$P\left(t\right)=\mathrm{EA}\frac{[{\mathrm{\ϵ}}_I\left(t\right)+{\mathrm{\ϵ}}_R\left(t\right)+{\mathrm{\ϵ}}_T\left(t\right)]}{2};$

其中，ε_I(t)为入射应力脉冲，ε_R(t)为反射应力脉冲，ε_T(t)为透射应力脉冲；E为SHPB杆的弹性模量，A为SHPB杆的圆形横截面积。

3.根据权利要求2所述的在SHPB劈裂拉伸试验中测定脆性材料拉伸弹模的方法，其特征在于，破坏位移Δu_t的计算方法为：Δu_t＝KΔu_L，其中

Δu_L为试样劈裂破坏时平行加载方向上试样中心直径长度的破坏位移；t为劈裂破坏时间，即根据冲击载荷P(t)的形式计算从开始冲击到P(t)_max的总时间；C₀为SHPB弹性杆中的波速。

4.根据权利要求3所述的在SHPB劈裂拉伸试验中测定脆性材料拉伸弹模的方法，其特征在于，利用常规静载巴西劈裂试验测定K的具体数值，按d_ox＝Kd_oy计算，K为对d_ox和d_oy进行拟合得到的拟合系数，其中，d_ox为试样在垂直加载方向中心直径的位移量，d_oy为试样在平行加载方向试样中心直径的位移量。

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