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分离式霍普金森压杆实验技术的改进和应用

赵习金  
【摘要】: 材料在高应变率冲击载荷下的本构行为是材料性质很关键的一个方面,分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术被认为是获得材料在10~2~10~4 s~(-1)应变率范围内应力应变关系的最主要的实验手段。 本文首先根据应力波理论,讨论了弹性杆中一维应力波的传播,两弹性杆的相互撞击,进而从理论上阐明了传统的SHPB技术的基本原理,并且简要介绍了本实验室研制的SHPB实验装置系统。 本文重点针对传统的SHPB实验技术试样中早期应力不平衡和实验中难以达到常应变率加载这两大问题,建立了入射波整形技术。在输入杆前端的中心位置粘贴一块可塑性好的黄铜圆片,通过它的塑性变形来有效地增加入射应力脉冲的上升时间,从而保证试样中变形均匀和应力平衡。另外,通过整形器的合理设计,可以很方便地获得常应变率加载。更进一步,通过应力波传播过程的理论分析,建立了预估入射波形的理论模型。通过这一模型,可以计算出各种参数情形下的入射波形。这样结合整形器的设计思想,便可以指导我们选取合适的初始条件,以便确保常应变率加载,可以减少实验的尝试,真正地对实验起到指导作用。 同时针对软材料的SHPB实验中透射信号较弱的问题,采用石英测试技术实验测试了硅橡胶材料高应变率下的动态压缩力学性能。利用石英晶体的压电效应,用X-切石英晶体片代替应变片直接测量输出杆中的应力信号,信号幅值可以提高三个量级,大大提高了应力信号的信噪比。另外,我们在试样两端的压杆表面嵌入石英晶体,来直观地监测试样两端的应力平衡。实验结果表明,这种硅橡胶材料对应变率十分敏感。 最后,我们利用改进的SHPB技术对三种树脂基尼龙复合材料进行了高应变率下动态压缩力学性能的实验测试。获得了应变率分别约500,1000,1500 s~(-1)的材料动态压缩应力应变曲线,给出了材料本构的应变率效应分析和高应变率下材料性质的比较。


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