CN110967246A - 分离式霍普金森杆实验的数据处理方法及数据处理系统 - Google Patents

Abstract

本案涉及一种分离式霍普金森杆实验的数据处理方法以及数据处理系统。其中所述数据处理方法包括：(a)根据入射波波形的基线设置相对于所述基线对称的起点区间，选取入射波波形与所述起点区间的上边界或下边界的首个交点为入射波起点；(b)根据所述步骤(a)得到的所述入射波起点，得到透射波起点、反射波起点，将所述入射波起点、透射波起点、反射波起点对齐，得到相同时刻的应力以及应变。上述数据处理方法以及处理系统至少包括数据处理过程简单、结果可靠等优点。

Description

分离式霍普金森杆实验的数据处理方法及数据处理系统

技术领域

本发明属于力学测量技术领域，具体涉及分离式霍普金森杆实验的数据处理方法以及数据处理系统。

背景技术

应变率是材料变形速率的一种度量，是应变对时间的导数。当应变率超过10^-2s^-1时，材料变形时表现出的力学行为被称为材料的动态力学行为。材料在石油钻探、航空航天尤其是兵器等领域应用时经常发生高应变率(10²s^-1-10⁴s^-1)甚至是超高应变率(10⁴s^-1-10⁶s^-1)的变形。此时，材料的失效形式不同于静载荷条件，而且很多材料的强度和塑性会随着应变率的变化发生变化。因此，材料动态力学性能的研究具有十分重要的意义。

目前，在材料科学领域中测量材料在高应变率下的力学性能时使用最广泛的就是分离式霍普金森杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)实验装置。分离式霍普金森杆实验装置主要包括：分离式霍普金森杆、应变仪和数据采集系统，如图1所示，其中，分离式霍普金森杆主要包括：入射杆1、透射杆2、试样3和应变片4、5。应变片4、5分别贴到入射杆1、透射杆2上，并通过电缆线连接到动态应变仪上，同时动态应变仪与数据采集系统连接，最终得到不同高应变率下的材料应力应变曲线。

进行分离式霍普金森杆实验时，待测试样3夹在入射杆1和透射杆2之间。子弹以一定速度撞击入射杆1，使入射杆1中产生一定长度的应力波，即入射波。当入射波波传播到入射杆1与试样3接触端时，一部分应力波反射回入射杆1，即反射波，另一部分发生通过试样3传入透射杆2形成透射波。入射波、反射波、透射波的相关变化由应变片4、5和应变仪转化后被数据采集系统记录并保存为数据文件。

在实验过程中，应变片分别贴在入射杆和透射杆上，应力波从应变片位置传到试件上有一个时间差，为得到对应时刻的应力-应变曲线，需要消去该时间差。而且实际操作中发现反射波和透射波起点的确定十分重要，因为起点的位置直接决定了应力应变之间的相对关系。现有技术中，一般的做法是实验人员根据得到的图线手工处理数据，根据其对图线的观察将反射波与透射波的起点对齐，采用上述方法得到的实验数据可靠性差，由于仅凭数据处理人员的目测进行对齐，不同的实验人员很可能得到不同的结果，同一实验人员在不同时间也可能会得到不同的结果，因此很难利用不同次的实验的数据进行对比。因此，如何准确获得反射波和透射波起点，进而准确获得试验材料的应力应变曲线是本领域需要解决的问题。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种分离式霍普金森杆实验的数据处理方法。

本发明的一个目的是提供一种分离式霍普金森杆实验的数据处理系统。

根据本发明一个方面的一种分离式霍普金森杆实验的数据处理方法，包括：

(a)根据入射波波形的基线设置相对于所述基线分布的起点区间，选取入射波波形与所述起点区间的上边界或下边界的首个交点为入射波起点；

(b)根据所述步骤(a)得到的所述入射波起点，得到透射波起点、反射波起点，将所述入射波起点、透射波起点、反射波起点对齐，得到相同时刻的应力以及应变。

在所述数据处理方法的实施例中，在所述步骤(a)中，所述起点区间的上边界或下边界为三倍或四倍的标准差。

在所述数据处理方法的实施例中，

在所述步骤(a)中，还包括采用如下公式测量在波导杆中应力波波速的实际值：

E_b：波导杆的弹性模量，MPa

ρ_b：波导杆材料的密度，g/mm³

C_b：波导杆中弹性纵波波速，mm/ms。

在所述数据处理方法的实施例中，在所述步骤(b)中，根据所述入射波的起点，采用如下公式确定反射波与透射波起点：

T_i：入射信号起点时间，ms

T_t：透射信号起点时间，ms

T_r：反射信号起点时间，ms

L₁：入射杆中应变计中心离试样端的距离，mm

L₂：透射杆中应变计中心离试样端的距离，mm

Ls：试样初始长度，mm

Cs：试样中弹性纵波波速，mm/ms

C_b：波导杆中弹性纵波波速，mm/ms。

在所述数据处理方法的实施例中，在所述步骤(b)中，

采用如下公式，根据起点对齐的反射波、透射波、入射波得到试样两端的应力，在平均工程塑性应变率范围内，进行应力均匀化校验：

σ₁：试样入射端应力，MPa

σ₂：试样反射端应力，MPa

A_b：波导杆横截面积，mm²

A_s：试样横截面积，mm²

E_b：波导杆的弹性模量，MPa

ε_I：入射波对应应变，1；

ε_T：透射波对应应变，1；

ε_R：反射波对应应变，1；

R(t)：应力偏差

当所述应力偏差大于预警值，则表明应力未达到均匀化要求。

在所述数据处理方法的实施例中，所述预警值为8％。

在所述数据处理方法的实施例中，在所述(b)中，采用如下公式得到实验的应力－应变曲线：

工程压缩应变率，1/ms

e_s：工程压缩应变，1

R_s：工程压缩应力，MPa

ε_I：入射波对应应变，1

ε_T：透射波对应应变，1

ε_R：反射波对应应变，1；

A_b：波导杆横截面积，mm²

A_s：试样横截面积，mm²

E_b：波导杆的弹性模量，MPa

Ls：试样初始长度，mm

C_b：波导杆中弹性纵波波速，mm/ms。

根据本发明另一方面的一种分离式霍普金森杆实验的数据处理系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

(A)根据入射波波形的基线设置相对于所述基线对称的起点区间，选取入射波波形与所述起点区间的上边界或下边界的首个交点为入射波起点；

(B)根据所述(A)得到的所述入射波起点，得到透射波起点、反射波起点，将所述入射波起点、透射波起点、反射波起点对齐，得到相同时刻的应力以及应变。

在所述数据处理系统的实施例中，在所述步骤(A)中，所述起点区间的上边界或下边界为三倍或四倍的标准差。

在所述数据处理系统的实施例中，在所述步骤(B)中，

采用如下公式，根据起点对齐的反射波、透射波、入射波得到试样两端的应力，进行应力均匀化校验：

σ₁：试样入射端应力，MPa

σ₂：试样反射端应力，MPa

A_b：波导杆横截面积，mm²

A_s：试样横截面积，mm²

E_b：波导杆的弹性模量，MPa

ε_I：入射波对应应变，1

ε_T：透射波对应应变，1

ε_R：反射波对应应变，1

R(t)：应力偏差

当所述应力偏差大于预警值，则表明应力未达到均匀化要求。

本发明的进步效果至少包括：

1.上述数据处理方法可以实现入射波、反射波和透射波数据起点的对齐，处理后的数据得到的应力-应变曲线结果可靠；

2.上述数据处理系统可以实现入射波、反射波和透射波数据起点的自动对齐，提高了实验数据的处理效率以及准确性，同时，准确的应力-应变曲线也方便进行下一步数据分析。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1是分离式霍普金森杆实验的装置示意图。

图2是分离式霍普金森杆实验采集的入射波、反射波和透射波的电压-时间图线。

图3是图2的透射波信号图线局部放大图。

图4是图2的透射波信号归零处理后的对比图线示意图。

图5是图2的入射波信号求取零点的实施例的示意图。

图6是霍普金森杆波形起点的数据处理流程图。

具体实施方式

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。

另外，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

具体地，通过分离式霍普金森杆实验得到应力－应变曲线的具体步骤包括：

(1)测量试验中的参数

按照图1所示，分别测量应变片4、5距离试样3端部的距离L₁、L₂，和试样3的长度L_S，测量时应满足测量范围的1％精度。

(2)应力波波速的确认

实验前在设备说明书中获知波导杆的密度和应力波在波导杆中的波速，按照公式(1)计算理论波速。

E_b：波导杆的弹性模量，MPa

ρ_b：波导杆材料的密度，g/mm³

C_b：波导杆中弹性纵波波速，mm/ms

将入射杆和透射杆分离，撞击杆在一定速度下撞击入射杆后产生的应力波会在入射杆中多次反射，记录应力波在经过应变计多次反射后经过的距离和时间，可以计算出应力波在波导杆中的传播速度，将测试结果与理论公式(1)计算值进行对比，当测试值与理论计算值相差小于2％,则波速的确认符合要求。否则需要分析原因，找出导致差异的因素并排除，直至满足该要求为止，此步骤的意义在于确认实验设备以及相应的数据采集系统的可靠性，以保证获得有效的实验数据。

(3)数据处理

对试样进行分离式霍普金森杆实验后，通过应变片4、5采集的信号得到如图2所示的入射波、反射波以及透射波的数据图线。需要解释的是，应变片4接收的信号包括图2中所示的0.00005-0.00015s时间段的入射波以及之后的时间段与入射波电压相反的反射波，应变片5接收的信号即为透射波。数据处理的步骤可以包括：

1.取入射波、透射波的起点前平直段，例如图3所示的透射波的前100个数据点的平均值作为入射波、反射波以及透射波的波形基线值；

2.将入射波、反射波和透射波的波形减去相应的平均值，使得基线归零，例如图4所示，透射波某段波形归零前后的对比曲线；

3.可以再次选取入射波、透射波中除上述选取的数据点之外其它数据段落的一定数据点，计算平均值和标准差。

4.求取入射波起点，以图5所示为例，

如图5所示，在入射波为负的情况下，取(平均值-n倍标准差)的绝对值后再取负，即得到相对于基线分布的起点区间的下边界，起点区间为基线至下边界线的范围，而与下边界首个交点对应的时刻即为入射波的起点。类似地，若在入射波为正的情况下，取(平均值+n倍标准差)的绝对值，即得到相对于基线分布的起点区间的上边界，起点区间为基线至上边界线的范围，与上边界的首个交点对应的时刻即为入射波的起点。容易理解的，起点区间也可以为如图5所示的关于基线对称分布的上边界线与下边界线之间的范围。n的值可以选择3倍或4倍，选择3倍的原因可以参考统计学正态分布理论，在3倍标准差区间，数据的可靠度为99.7％，当然，也可以进一步选择可靠度更高的4倍标准差，可以排除一些异常点。本领域技术人员也可以根据实际的数据处理需要选择其它n值。采用根据入射波波形的基线设置相对于所述基线分布的起点区间，选取入射波波形与所述起点区间的上边界或下边界的首个交点为入射波起点的方法确定起点，其可靠性好，避免了人为观测误差带来的实验结构的误差，可操作性强，方便了不同批次实验数据的比较。

5.求取反射波、透射波起点，根据上述4.得到的入射波起点时刻，可以利用如下公式求反射波、透射波起点：

T_i：入射信号起点时间，ms

T_t：透射信号起点时间，ms

T_r：反射信号起点时间，ms

L₁：入射杆中应变计中心离试样端的距离，mm

L₂：透射杆中应变计中心离试样端的距离，mm

Ls：试样初始长度，mm

Cs：试样中弹性纵波波速，mm/ms

C_b：波导杆中弹性纵波波速，mm/ms。

其中，Cs为应力波在试样中的传播速度，该值可通过文献查阅估计获得。若无法获得该值时，可假定Ls为零计算。将得到反射波、透射波对应的起点时刻。

6.得到应力－应变曲线

得到入射波、反射波和透射波的起点时刻后，将三者的起点对齐，计算得到应力－应变曲线，可以采用根据一维应力波理论，采用一波公式计算工程压缩应变率、工程压缩应变和工程压缩应力。计算按照公式(7)、(8)、(9)进行，即可获得工程压缩应力-应变曲线。

工程压缩应变率，1/ms

e_s：工程压缩应变，1

R_s：工程压缩应力，MPa。

可以理解的，也可以采用其它公式计算得到应力－应变曲线，本实施例采用的方法较为简单易用。

优选地，还可以对对齐波形后的数据在平均工程塑性应变率范围内，即在对应应变率保持稳定的应变区间内，进行应力均匀化校验，以验证数据的可靠性，具体可以采用以下步骤：

按照公式(4)和公式(5)计算试样3的入射端和透射端应力。

R(t)：试样入射端和反射应力的差值百分比，1

σ₁：试样入射端应力，MPa

σ₂：试样反射端应力，MPa

A_b：波导杆横截面积，mm²

A_s：试样横截面积，mm²

ε_I：入射波对应应变，1

ε_T：透射波对应应变，1

ε_R：反射波对应应变，1

在所确定的平均工程塑性应变率范围内，其试样两端的平均应力偏差应小于预警值，例如8％。当平均应力偏差大于预警值时，则表明得到的应力未达到均匀化要求，应重新试验或对试验结果给出恰当的解释说明。

本领域技术人员可以理解到，上述实施例也可以在数据处理系统中实现自动化操作，所述数据处理系统包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

(A)根据入射波波形的基线设置相对于所述基线对称的起点区间，选取入射波波形与所述起点区间的上边界或下边界的首个交点为入射波起点；

(B)根据所述(A)得到的所述入射波起点，得到透射波起点、反射波起点，将所述入射波起点、透射波起点、反射波起点对齐，得到相同时刻的应力以及应变。

类似地，在所述步骤(A)中，所述起点区间的上边界或下边界为三倍或四倍的标准差。

综上，采用上述实施例的数据处理方法以及数据处理系统的有益效果包括但不限于：

1.上述数据处理方法可以实现入射波、反射波和透射波数据起点的对齐，处理后的数据得到的应力-应变曲线结果可靠；

2.上述数据处理系统可以实现入射波、反射波和透射波数据起点的自动对齐，提高了实验数据的处理效率以及准确性，同时，准确的应力-应变曲线也方便进行下一步数据分析。

本发明虽然以上述实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分离式霍普金森杆实验的数据处理方法，其特征在于，包括：

(a)根据入射波波形的基线设置相对于所述基线分布的起点区间，选取入射波波形与所述起点区间的上边界或下边界的首个交点为入射波起点；

(b)根据所述步骤(a)得到的所述入射波起点，得到透射波起点、反射波起点，将所述入射波起点、透射波起点、反射波起点对齐，得到相同时刻的应力以及应变。

2.如权利要求1所述的数据处理方法，其特征在于，

在所述步骤(a)中，所述起点区间的上边界或下边界为三倍或四倍的标准差。

3.如权利要求1所述的数据处理方法，其特征在于，

在所述步骤(a)中，还包括采用如下公式测量在波导杆中应力波波速的实际值：

E_b：波导杆的弹性模量，MPa

ρ_b：波导杆材料的密度，g/mm³

C_b：波导杆中弹性纵波波速，mm/ms。

4.如权利要求1所述的数据处理方法，其特征在于，在所述步骤(b)中，根据所述入射波的起点，采用如下公式确定反射波与透射波起点：

T_i：入射信号起点时间，ms

T_t：透射信号起点时间，ms

T_r：反射信号起点时间，ms

L₁：入射杆中应变计中心离试样端的距离，mm

L₂：透射杆中应变计中心离试样端的距离，mm

Ls：试样初始长度，mm

Cs：试样中弹性纵波波速，mm/ms

C_b：波导杆中弹性纵波波速，mm/ms。

5.如权利要求1所述的数据处理方法，其特征在于，还包括：

在所述步骤(b)中，

采用如下公式，根据起点对齐的反射波、透射波、入射波得到试样两端的应力，在平均工程塑性应变率范围内，进行应力均匀化校验：

σ₁：试样入射端应力，MPa

σ₂：试样反射端应力，MPa

A_b：波导杆横截面积，mm²

A_s：试样横截面积，mm²

E_b：波导杆的弹性模量，MPa

ε_I：入射波对应应变，1

ε_T：透射波对应应变，1

ε_R：反射波对应应变，1；

R(t)：应力偏差

当所述应力偏差大于预警值，则表明应力未达到均匀化要求。

6.如权利要求5所述的数据处理方法，其特征在于，所述预警值为8％。

7.如权利要求1所述的数据处理方法，其特征在于，在所述(b)中，采用如下公式得到实验的应力－应变曲线：

工程压缩应变率，1/ms

e_s：工程压缩应变，1

R_s：工程压缩应力，MPa

ε_I：入射波对应应变，1

ε_T：透射波对应应变，1

ε_R：反射波对应应变，1；

A_b：波导杆横截面积，mm²

A_s：试样横截面积，mm²

E_b：波导杆的弹性模量，MPa

Ls：试样初始长度，mm

C_b：波导杆中弹性纵波波速，mm/ms。

8.一种分离式霍普金森杆实验的数据处理系统，其特征在于，所述数据处理系统包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

(A)根据入射波波形的基线设置相对于所述基线对称的起点区间，选取入射波波形与所述起点区间的上边界或下边界的首个交点为入射波起点；

(B)根据所述(A)得到的所述入射波起点，得到透射波起点、反射波起点，将所述入射波起点、透射波起点、反射波起点对齐，得到相同时刻的应力以及应变。

9.如权利要求8所述的数据处理系统，其特征在于，在所述步骤(A)中，所述起点区间的上边界或下边界为三倍或四倍的标准差。

10.如权利要求8所述的数据处理系统，其特征在于，在所述步骤(B)中，

采用如下公式，根据起点对齐的反射波、透射波、入射波得到试样两端的应力，进行应力均匀化校验：

σ₁：试样入射端应力，MPa

σ₂：试样反射端应力，MPa

A_b：波导杆横截面积，mm²

A_s：试样横截面积，mm²

E_b：波导杆的弹性模量，MPa

ε_I：入射波对应应变，1

ε_T：透射波对应应变，1

ε_R：反射波对应应变，1；

R(t)：应力偏差

当所述应力偏差大于预警值，则表明应力未达到均匀化要求。

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