霍普金森杆实验国内外研究现状
时间:2018-03-02 14:26 来源:毕业论文 作者:毕业论文 点击:次
| SHPB装置原是由Hopkinson（1914）提出的，它仅可用于测量冲击载荷的脉冲波形。Kolsky于1949年对霍普金森杆进行了改进，将压杆分成两段，一段为输入杆，一段为输出杆，试件放于两杆之间，然后通过加速的子弹撞击输入杆，来测量材料中的应力-应变关系，这也是分离式霍普金森杆最早原型[15]。此后Campbell等、Nichlas、Duffy、Frantz和Lipkin等许多研究者又进行了完善和改进。他们的工作主要是改进加载形式、应力波性、建立适于考察材料变化历史效应(如加、减变率)的加载装置等。这些改进使Hopkinsno杆技术越来越被广泛地应用。其具有以下优点[16]：1、测量方法巧妙简单；2、试件的应变率范围大；3、加载波形易测易控制。10925 尽管SHPB装置有如此的优点，但是霍普金森杆也存在以下不足： 1.弥散效应：因为在Hopkinson压杆中不同频率的弹性波以不同的波速传播，弹性波速对频率的依赖性会引起压杆中波传播的二文弥散效应。波的傅立叶分析表明矩形波比梯形波或斜波的频带要宽的多，因此常规Hopkinson压杆加载时产生的矩形脉冲并不是理想加载波形，会引起严重的二文弥散效应。 2.惯性效应：SHPB实验是在冲击载荷作用下进行的，试件的变形速率很高，因此，作用在试件上的外力做功，除转化为试件的应变能外，尚有部分转化为试件的横向动能和纵向动能，这就是试件质点的运动所引起的惯性效应。 3.摩擦效应：在应力脉冲作用下，界面处压杆和试件的横向运动不同，由此而产生的摩擦力破坏了试件的一文应力状态，此即所谓界面的摩擦效应[17]。 4.波动效应：在SHPB实验中，波在试件内只需经过二，三个来回即可使试件的状态均匀，又由于脉冲的宽度远大于试件的厚度，因此在应力脉冲作用的大部分时间内，试件处于均匀状态。但是，在应力脉冲作用的最初阶段，试件内部的状态是不均匀的。 5.二文效应：在SHPB实验中，试件的径向尺寸应尽量与压杆的接近，以保证一文假定的有效性，然而，在很多情况下无法保证这种面积的匹配，这样由于使劲半径的减少，棉机失匹就会产生二文效应。 因此，在认识到SHPB中Pochhmamer-Chree振荡的起因之后，采用平滑入射波的方法以尽量消除入射波的高频振荡[18]，从而减小波的弥散效应的做法逐渐发展起来。入射波整形技术最初用来过滤加载波中的高频部分，后来，常用作实现常应变率加载的技术手段[19]。例如，针对如何减小弥散效应开展了两个方面的研究，如R.M.Davies[20]在时域内进行的工作和J.M.Lifshitz等[21]、J.C.Gong等[22]、王从约等[23]在频域内的工作；阻止摩擦效应和消除波动效应也成为了今后研究的重点内容。 在霍普金森压杆实验试件中保持应力均匀性是霍普金森压杆实验技术的重要假设[24]，一文特征线数值模拟结果表明SHPB 实验用于研究高聚物粘弹性时，试件内部存在一定程度的应力不均匀性[25]。如果在实验中试件内的应力在很长一段时间内不能达到均匀状态，所得到的应力—应变曲线的有效性将值得商榷，所以在试验中保持试件中良好的应力均匀性是取得正确实验结果的关键。同时，在试验中保持试件恒应变率变形则是取得更加精确的应力—应变曲线的关键。尤其对于某些材料，特别是软材料和脆性材料而言，如果这两个条件不能满足，将会导致实验结果的明显误差。因此，为得到有效的、精确的实验数据，需要对常规霍普金森压杆技术作仔细的修正以满足这两个条件[26]。 (责任编辑：qin) |