CN111077030A - 一种高应变率下混凝土动态力学性能试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种高应变率下混凝土动态力学性能试验装置及方法，通过使用压电石英晶体传感器代替传统应变片、加设橡胶整形片能解决动态力学试验方法存在的问题，具体的，在入射杆和透射杆杆端加设压电石英晶体传感器，压电石英晶体传感器的设置能保证试验结果的精度，相比于应变片灵敏程度高出2‑3个数量级，在入射杆靠近子弹杆端中心处加设橡胶整形片，橡胶整形片的设置，更好地减小应力波的弥散，使测试结果更加精确，从而建立了一种实验相对简单、结果相对精确的高应变率下混凝土动态力学性能的试验方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种高应变率下混凝土动态力学性能试验装置及方法，特别涉及到一种以压电石英晶体传感器代替传统应变片的混凝土动态力学性能试验方法。
背景技术
混凝土材料服役期间，混凝土结构可能遭受到爆炸、地震和冲击等动荷载的作用，因此有必要对混凝土在不同应变率下的动态力学特性进行研究。目前研究混凝土动态力学性能的方法很多，其中分离霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)主要研究混凝土在中高应变率下动态力学性能的常用试验方法。
SHPB试验装置可用于检测混凝土在应变率为10 2s-1和10 4s-1之间的动态力学特性。SHPB试验装置具有结构简单、操作方便、测量方法精巧、加载波形容易控制等优点，因此SHPB现在已经成为测试材料动态力学性能的最基本的试验装置，但由于测试方法的复杂性和局限性，使用SHPB针对混凝土开展动态力学试验尚未完全标准化。测试方法可能由于测试设置或操作员不同而略有差异，从而导致对测试结果的不同解释。另外，波在赶上的传播不是轴向的，由于泊松效应波还存在径向加速度。波沿轴向移动并产生轴向应力，但径向方向的加速度也会产生轴向的惯性应力，这使得波中振荡产生弥散，特别是当波在杆上传播时，杆的直径增大，杆上的脉冲变得更加分散。所以，必须消除应力波中的弥散，才能得到正确有效的结果，而当前这些问题尚未有合适的解决手段，因此，SHPB测试方法仍然需要改进。
混凝土材料在破坏时仅能承受非常低的应变，因此利用应变仪获得可靠的应力应变曲线可能是一项困难的任务。此外，由于混凝土的脆性和混凝土端面的摩擦效应，导致试样上的应力分布不均匀。
发明内容
目的：为了克服现有技术中利用传统应变片灵敏度不高、测量不准确的缺陷，本发明提供一种高应变率下混凝土动态力学性能试验装置及方法，解决了减小应力波弥散，提高测量结果精确性的技术问题。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种高应变率下混凝土动态力学性能的试验装置，
包括同一水平方向上依次设置的气室、子弹、入射杆和透射杆，所述子弹为圆柱体，子弹安装在钢制套筒内，钢制套筒尾部与气室相连；所述钢制套筒、入射杆、透射杆的下方设置有调节支座；
所述入射杆靠近混凝土试件端，利用导电胶粘结压电石英晶体传感器，压电石英晶体传感器另一面利用导电胶粘结钢盘；所述透射杆靠近混凝土试件端，利用导电胶粘结压电石英晶体传感器，压电石英晶体传感器另一面利用导电胶粘结钢盘；混凝土试件置于两个钢盘之间；所述压电晶体传感器与电荷调试器相连，电荷调试器与应变仪桥路连接。
进一步地，所述入射杆靠近子弹端设有橡胶整形片。
进一步地，所述橡胶整形片采用三元乙丙橡胶材质。
进一步地，所述导电胶为导电环氧树脂。
进一步地，所述子弹、入射杆、透射杆、钢盘均采用48CrMoA圆钢材质。
一种高应变率下混凝土动态力学性能的试验方法，基于上述试验装置进行，包括如下步骤：
设备调试：调整子弹、入射杆、透射杆在同一直线上；混凝土试件被夹在入射杆和透射杆端部的钢盘之间；
对混凝土试件进行冲击实验：给气室加压，对子弹加以一定的冲击力，使其具有一定的撞击速度来撞击入射杆，产生应力波，应力波经由入射杆、压电石英晶体传感器、钢盘，传递到混凝土试件上使混凝土试件发生破坏；
计算混凝土试件的应力应变情况：应变仪采集压电石英晶体传感器所记录的数据，并转化为电压值，通过计算获得混凝土试件的应力应变情况。
进一步地，计算混凝土试件的应力应变情况的过程如下，
子弹冲击入射杆产生的应力波在入射杆上传播产生入射波，传到混凝土试件时，一部分应力波由于混凝土试件破坏被消耗，一部分应力波被反弹回入射杆形成反射波，还有一部分应力波穿透混凝土试件到达透射杆形成透射波；基于一波法可以得到混凝土试件的应变率如下：
公式(1)中，
为应变率，c0为波速，εr为入射杆应变片所记录的反射波最大应变，ls为混凝土试件的厚度；
入射杆的应力σ1由公式(2)求得，透射杆的应力σ2由公式(3)求得：
公式(2)、(3)中，Ab为透射杆、入射杆的横截面积，Eb为透射杆、入射杆的杨氏模量，εi为入射杆的最大入射波应变，εr为入射杆的最大反射波应变，εt为透射杆的透射波最大应变，As为混凝土试件的横截面积；根据上述公式(2)和(3)，可以求得入射杆和透射杆上的应力变化情况；
入射杆与混凝土试件接触面的力F1由公式(4)求得，透射杆与混凝土试件接触面的力F2由公式(5)求得：
F1＝AbEb(εi+εr) (4)
F2＝AbEbεt (5)
公式(4)、(5)中，Ab为透射杆、入射杆的横截面积，Eb为透射杆、入射杆的杨氏模量，εi为入射杆的最大入射波应变，εr为入射杆的最大反射波应变，εt透射杆的透射波最大应变，根据上述公式(4)和(5)，可以求得混凝土试件两端得受力情况；
利用εi(t)、εr(t)、εt(t)三个参数可以获得动态荷载下混凝土试件的应变：
公式(6)中，εs(t)为混凝土试件应变，c0为波速，l0为混凝土试件的厚度，εi(t)为入射波应变，εr(t)为反射波应变，εt(t)为透射波应变，根据上述公式(6)，结合公式(2)和(3)，可以得到动态荷载下混凝土试件的应力应变情况。
有益效果：本发明提供的一种高应变率下混凝土动态力学性能试验装置及对应的实验方法，通过使用石英晶体压力传感器和应变仪代替传统应变片，使传感器敏感程度大幅度增加，获得的试验数据更加精确，试验结果更加准确；采用脉冲整形技术对霍普金森压力杆进行分割设置，使用三元乙丙橡胶代替铜片作为整形片，可更好地减小应力波的弥散，使测试结果更加精确。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图；
图2为图1中A部分的细节放大图；
图3为实施例一(有橡胶整形片)的试验中应力变化情况；
图4为实施例一(有橡胶整形片)的试验中采用应变片和压电传感器分别测得的混凝土试件两端的受力情况；
图5为实施例一(有橡胶整形片)的试验中应变片和压电传感器分别获得的应力-应变曲线比较；
图6为对比例(无橡胶整形片)的试验中应力变化情况；
图7为对比例(无橡胶整形片)的试验中采用应变片和压电传感器分别测得的混凝土试件两端的受力情况；
图8为对比例(无橡胶整形片)的试验中应变片和压电传感器分别获得的应力-应变曲线比较；
图9为有、无橡胶整形片对入射波形状的影响；
图10为在有、无橡胶整形片情况下利用应变片测得的应力-应变曲线图；
图11为在有、无橡胶整形片情况下利用压电传感器测得的应力-应变曲线图；
图12为在有、无橡胶整形片情况下应变率-应变曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
实施例一
如图1、图2所示，一种高应变率下混凝土动态力学性能的试验装置，包括同一水平方向上依次设置的气室1、子弹2、入射杆4和透射杆9，所述子弹2为圆柱体，子弹2安装在钢制套筒16内，钢制套筒16尾部与气室1相连；所述钢制套筒16、入射杆4、透射杆9的下方设置有调节支座15。
所述入射杆4沿杆长方向粘贴有第一应变片5，透射杆9沿杆长方向粘贴有第二应变片10，设置第一应变片5、第二应变片10，采集应变片的测试数据与压电石英晶体传感器的数据进行对比；所述入射杆4靠近混凝土试件端，利用导电胶粘结压电石英晶体传感器6，压电石英晶体传感器6另一面利用导电胶粘结钢盘7；所述透射杆9靠近混凝土试件端，利用导电胶粘结压电石英晶体传感器6，压电石英晶体传感器6另一面利用导电胶粘结钢盘7；混凝土试件8置于两个钢盘7之间；
所述第一应变片5、第二应变片10与应变仪14桥路连接；所述压电晶体传感器6与电荷调试器13相连，电荷调试器13与应变仪14桥路连接。压电石英晶体传感器6受力后，将压力转为电信号；电信号经过电荷调试器13放大后，应变仪14将电信号转变为电压值。
所述入射杆4靠近子弹端设有橡胶整形片3，所述橡胶整形片3为三元乙丙橡胶材质，直径20mm，厚度2mm。
所述导电胶为导电环氧树脂。
所述子弹2、入射杆4、透射杆9、钢盘7均采用48CrMoA圆钢材质，杨氏模量210GPa，密度7850kg/m3，波速5172m/s。
所述入射杆4杆长3200mm，直径75mm，透射杆9杆长1800mm，直径75mm，所述入射杆4与透射杆9的横街面积相等；所述子弹2直径37mm，长度为600mm，所述压电石英晶体传感器6直径75mm，厚度10mm，所述钢盘7直径75mm，厚度为10mm。
一种高应变率下混凝土动态力学性能的试验方法，包括如下步骤：
S1.设备调试：通过调整调节支座15使子弹2、入射杆4、透射杆9位于同一直线上；第一应变片5沿杆长方向粘贴在入射杆4上，第一应变片5长边平行于杆长方向；第二应变片10沿杆长方向粘贴于透射杆9上，并于第一应变片5保持在同一水平高度；用导电环氧树脂将压电石英晶体传感器6分别粘贴在入射杆4和透射杆9靠近混凝土试件8的一端，保证压电石英晶体传感器6与入射杆4、透射杆9之间没有缝隙，然后将钢盘7通过导电环氧树脂粘贴到压电晶体传感器6上，保证钢盘7与压电石英晶体传感器6之间没有缝隙。将混凝土试件8夹在两块钢盘7之间。
将入射杆4上的第一应变片5、透射杆9上的第二应变片10分别与应变仪14桥路连接，将压电石英晶体传感器6与电荷调试器13连接，电荷调试器13与应变仪14桥路连接。
S2.对混凝土试件进行冲击实验：给气室加压，气压值为0.4MPa，对子弹2加以一定的冲击力，使其在钢制套管16内加速后以一定的速度撞击入射杆4，产生应力波，应力波经由入射杆4、压电石英晶体传感器6、钢盘7，传递到混凝土试件8上，使其发生破坏。
S3.计算混凝土试件的应力应变情况：应变仪14采集第一应变片5、第二应变片10、压电石英晶体传感器6所记录的数据，通过计算获得混凝土试件的应力应变情况。
混凝土试件的应力应变情况的具体计算过程如下：
子弹冲击入射杆产生的应力波在入射杆上传播产生入射波，传到混凝土试件时，一部分应力波由于混凝土试件破坏被消耗，一部分应力波被反弹回入射杆形成反射波，还有一部分应力波穿透混凝土试件到达透射杆形成透射波；基于一波法可以得到混凝土试件的应变率如下：
公式(1)中，
为应变率，c0为波速，εr为入射杆应变片所记录的反射波最大应变，ls为混凝土试件的厚度，应变率-应变关系如图12所示。
入射杆的应力σ1由公式(2)求得，透射杆的应力σ2由公式(3)求得：
公式(2)、(3)中，Ab为透射杆、入射杆的横截面积，Eb为透射杆、入射杆的杨氏模量，εi为入射杆的最大入射波应变，εr为入射杆的最大反射波应变，εt为透射杆的透射波最大应变，As为混凝土试件的横截面积；根据上述公式(2)和(3)，可以求得入射杆和透射杆上的应力变化情况；分别根据应变片和压电石英晶体传感器的测试数据进行计算，结果如图3所示。
入射杆与混凝土试件接触面的压力F1由公式(4)求得，透射杆与混凝土试件接触面的压力F2由公式(5)求得：
F1＝AbEb(εi+εr) (4)
F2＝AbEbεt (5)
公式(4)、(5)中，Ab为透射杆、入射杆的横截面积；Eb为透射杆、入射杆的杨氏模量，εi为入射杆应变片所记录的最大入射波应变，εr为入射杆应变片所记录的最大反射波应变，εt透射杆应变片所记录的透射波最大应变，根据上述公式(4)和(5)，可以求得混凝土试件两端得受力情况，分别根据应变片和压电石英晶体传感器的测试数据进行计算，结果如图4所示。
利用εi(t)、εr(t)、εt(t)三个参数可以获得动态荷载下混凝土试件的应变：
公式(6)中，c0为波速，l0为混凝土试件的厚度，εi(t)是入射波应变，εr(t)是反射波应变，εt(t)是透射波应变，根据上述公式(6)，可以得到动态荷载下混凝土试件的应变情况，分别根据应变片和压电石英晶体传感器的测试数据进行计算，结合上述公式(2)、(3)计算的应力结果，获得动态荷载下混凝土试件的应力应变情况，结果如图5所示。
由图3～图5可知，用压电石英晶体传感器所测得的数据比用传统应变片所测得的数据更精确。
对比例
一种高应变率下混凝土动态力学性能的试验装置，与实施例一所提供的装置区别仅在于未设置橡胶整形片，其他结构都相同。
与实施例一的试验方法相同，利用对比例所提供的装置进行高应变率下混凝土动态力学性能的实验结果如图6～8所示。
图9～图12将实施例一与对比例的数据进行整理后绘制的对比图，有图9可知，脉冲整形器对应力-时间变化曲线有很大影响，设置橡胶整形片的装置所得曲线更加平滑；由图10、11可知，脉冲整形器的使用会使应力-应变曲线更加平滑，便于数据的分析；由图12可知，有脉冲整形器情况下，应变率-应变关系更加明确；所述脉冲整形器为入射杆靠近子弹端设置的橡胶整形片。综上所述，设置橡胶整形片的试验装置可以更好地减小应力波的弥散，获得的实验数据更加精确，从而所得结果更加准确。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种高应变率下混凝土动态力学性能的试验装置，其特征在于：
包括同一水平方向上依次设置的气室、子弹、入射杆和透射杆，所述子弹为圆柱体，子弹安装在钢制套筒内，钢制套筒尾部与气室相连；所述钢制套筒、入射杆、透射杆的下方设置有调节支座；
所述入射杆靠近试件端，利用导电胶粘结压电石英晶体传感器，压电石英晶体传感器另一面利用导电胶粘结钢盘；所述透射杆靠近试件端，利用导电胶粘结压电石英晶体传感器，压电石英晶体传感器另一面利用导电胶粘结钢盘；混凝土试件置于两个钢盘之间；所述压电晶体传感器与电荷调试器相连，电荷调试器与应变仪桥路连接。
2.根据权利要求1所述的一种高应变率下混凝土动态力学性能的试验装置，其特征在于：所述入射杆靠近子弹端设有橡胶整形片。
3.根据权利要求2所述的一种高应变率下混凝土动态力学性能的试验装置，其特征在于：所述橡胶整形片采用三元乙丙橡胶材质。
4.根据权利要求1所述的一种高应变率下混凝土动态力学性能的试验装置，其特征在于：所述导电胶为导电环氧树脂。
5.根据权利要求1所述的一种高应变率下混凝土动态力学性能的试验装置，其特征在于：所述子弹、入射杆、透射杆、钢盘均采用48CrMoA圆钢材质。
6.一种高应变率下混凝土动态力学性能的试验方法，基于权利要求1-5任一项所述试验装置进行，其特征在于：包括如下步骤：
设备调试：调整子弹、入射杆、透射杆在同一直线上；混凝土试件被夹在入射杆和透射杆端部的钢盘之间；
对混凝土试件进行冲击实验：给气室加压，对子弹加以一定的冲击力，使其具有一定的撞击速度来撞击入射杆，产生应力波，应力波经由入射杆、压电石英晶体传感器、钢盘，传递到混凝土试件上使试件发生破坏；
计算混凝土试件的应力应变情况：应变仪采集压电石英晶体传感器所记录的数据，并转化为电压值，通过计算获得混凝土试件的应力应变情况。
7.根据权利要求6所述的一种高应变率下混凝土动态力学性能的试验方法，其特征在于：计算混凝土试件的应力应变情况的过程如下，
子弹冲击入射杆产生的应力波在入射杆上传播产生入射波，传到混凝土试件时，一部分应力波由于混凝土试件破坏被消耗，一部分应力波被反弹回入射杆形成反射波，还有一部分应力波穿透混凝土试件到达透射杆形成透射波；基于一波法可以得到混凝土试件的应变率如下：
公式(1)中，
为应变率，c0为波速，εr为入射杆应变片所记录的反射波最大应变，ls为混凝土试件的厚度；
入射杆的应力σ1由公式(2)求得，透射杆的应力σ2由公式(3)求得：
公式(2)、(3)中，Ab为透射杆、入射杆的横截面积，Eb为透射杆、入射杆的杨氏模量，εi为入射杆的最大入射波应变，εr为入射杆的最大反射波应变，εt为透射杆的透射波最大应变，As为混凝土试件的横截面积；根据上述公式(2)和(3)，可以求得入射杆和透射杆上的应力变化情况；
入射杆与混凝土试件接触面的力F1由公式(4)求得，透射杆与混凝土试件接触面的力F2由公式(5)求得：
F1＝AbEb(εi+εr) (4)
F2＝AbEbεt (5)
公式(4)、(5)中，Ab为透射杆、入射杆的横截面积，Eb为透射杆、入射杆的杨氏模量，εi为入射杆的最大入射波应变，εr为入射杆的最大反射波应变，εt透射杆的透射波最大应变，根据上述公式(4)和(5)，可以求得混凝土试件两端得受力情况；
利用εi(t)、εr(t)、εt(t)三个参数可以获得动态荷载下混凝土试件的应变：
公式(6)中，εs(t)为混凝土试件应变，c0为波速，l0为混凝土试件的厚度，εi(t)为入射波应变，εr(t)为反射波应变，εt(t)为透射波应变，根据上述公式(6)，结合公式(2)和(3)，可以得到动态荷载下混凝土试件的应力应变情况。
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|---|---|---|---|---|
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| CN113484167A (zh) * | 2021-07-09 | 2021-10-08 | 北京理工大学 | 一种非晶合金的动态力学性能测试装置及方法 |
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2019
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