现代测量技术.docx

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现代测量技术

课程论文

（2013-2014学年第二学期）

现代测量技术

学生：

袁辉

提交日期：

2014年7月8日学生签名：

学号

201130140240

学院

土木与交通学院

课程编号

课程名称

现代测量技术专题

学位类别

本科

任课教师

刘逸平教授

教师评语：

成绩评定：

分任课教师签名：

年月日

目录

材料动态力学性能测试技术3

第一章绪论3

1.1引言3

1.2材料动态力学性能测试技术3

1.2.1高应变率压缩测试技术4

1.2.2动态断裂测试技术4

1.3常用的本构模型与损伤模型4

第二章基本原理4

第三章材料动态力学性能测试6

3.1多孔介质6

3.2准脆性材料7

3.3脆性材料8

3.4混凝土材料10

第四章结束语10

参考文献11

材料动态力学性能测试技术

袁辉

摘要:

SHPB实验装置是研究各类工程材料动态力学性能的最基本实验手段,它不仅可用于测量金属、高聚物等均匀性好、变形量较大材料的冲击压缩（拉伸、剪切、扭转）应力-应变关系,经改进后还可以用于测量质地软、波阻抗小的泡沫介质材料和质地脆、均匀性差的混凝土类材料的冲击压缩应力-应变关系。

本文主要介绍了改进后的SHPB实验装置测量多孔介质，准脆性、脆性材料以及混凝土材料的各种最先进测量方法。

关键词:

Hopkinson压杆实验技术多孔介质混凝土

第一章绪论

1.1引言

随着现代工业技术的发展,越来越多的机械结构要求能够承受一定的动态载荷。

研究表明,动态载荷下材料的力学性能与静载荷相比发生了明显的变化:

随着应变率的提高,材料的屈服极限、强度极限提高,延伸率降低,屈服滞后和断裂滞后。

因此,仅仅根据静态试验得到的结果设计构件,很难保证构件在承受动载时也能安全服役。

所以,研究材料的动态力学行为具有十分重要的工程意义和学术价值。

分离式Hopkinson压杆（SHPB）技术是近50年来新兴的测试材料动态力学性能的技术。

经过国内外研究者几十年的努力工作,SHPB压杆试验技术已发展为获得材料在

~

应变率范围内应力应变关系的最主要试验手段[1]。

SHPB技术之所以能受到各国研究者的重视,主要原因是该技术优点十分突出[2],主要表现在:

第一,该技术测量方法十分巧妙,成功的避开了要在试件同一位置上同时测量随时间变化的应力和应变的难题;第二,SHPB试验所涉及的应变率范围恰好包括了流动应力随应变率变化发生转折的应变率（

~

）;第三,入射波形易于控制,改变子弹的撞击速度及形状,即可调节入射脉冲波形,从而也调节了作用于试件上的波形。

人们已经利用了这一优点在Hopkinson压杆上开展了动态断裂的研究。

1.2材料动态力学性能测试技术

材料的动态力学性能主要包括材料的动态应力应变行为、动态本构关系、动态塑性指标、动态断裂韧性等。

其中动态应力应变行为、动态本构关系和动态塑性指标可以通过高应变率压缩试验得到,动态断裂韧性则由动态断裂试验得到。

1.2.1高应变率压缩测试技术

材料动力学试验技术远比准静态力学中的复杂。

第一,为了模拟各种速率的冲击加载过程,需要设计一系列装置;第二,为了捕获冲击过程产生的瞬态脉冲信号并进行实时处理,需要配备频响高、性能可靠的数据采集处理系统;第三、冲击试验过程中必须考虑两个十分重要的效应:

惯性效应和应变率效应。

目前能进行高应变率压缩试验的装置大致可分为如下五类:

（1）液压伺服试验机

（2）凸轮试验机

（3）落锤试验机

（4）杆式冲击（Taylor）试验

（5）SHPB（分离式Hopkinson压杆）试验

1.2.2动态断裂测试技术

动态断裂测试技术大致可分为四类，如下：

（1）电液伺服万能材料试验机

（2）摆锤冲击试验机

（3）落锤试验机

（4）基于Hopkinson压杆原理的试验装置[3]

其中基于Hopkinson压杆原理的试验具有其独特的优点。

因此,在材料的动态断裂韧度测试（

）的加载方式中,Hopkinson压杆加载技术是较为理想的[4]。

该加载技术现已广泛应用于高应变率下材料动态性能参数测定。

它起源于六十年代,在八十年代初期,用来研究裂纹体的动态断裂。

由于Hopkinson压杆加载技术具有结构简单,操作方便以及测试结果可靠等优点,得到了广泛的应用。

1.3常用的本构模型与损伤模型

在冲击动力学数值模拟中,有许多种本构模型和损伤模型,如本构模型有:

JC模型及分片JC模型、ZA模型、Steinberg—Guinan模型、CowPerSymonds模型、MTS模型等;在材料的损伤计算中,模型有失效应变、主应力或主应变模型、JC失效模型、Grady层裂模型、Gurson模型等。

第二章基本原理

分离式Hopkinson压杆的工作原理如图1所示。

装置中有两段分离的弹性杆,分别为输入杆和输出杆,短试样夹在两杆之间。

当压气枪发射一撞击杆（子弹）,以一定速度撞击输入杆时,将产生一入射弹性应力脉冲。

随着入射波传播通过试样,试样发生高速塑性变形,并相应地在输出杆中传播一透射弹性波,而在输入杆中则反射一反射弹性波。

透射波由吸收杆“捕获”,并最后由阻尼器吸收。

根据压杆上电阻应变片所测得的入射波、反射波、透射波,以及一维应力波理论可得到如下的计算公式。

试样的平均应变率为:

（1-1）

试样中的平均应变：

（1-2）

试样中的平均应力:

（1-3）

式中,

和

分别表示测试记录的入射、反射和透射波。

c是弹性纵波波速,c=5189m/s。

l0为试样的初始长度,E为压杆的弹性模量,A/A0为压杆与试样的截面比。

由应力均匀化条件可知:

（1-4）

将公式（1-4）代入（1-1）、（1-2）、（1-3）式可得:

（1-5）

（1-6）

（1-7）

一般采用公式（1-5）、（1-6）、（1-7）来计算材料的动态应力-应变行为。

同时，SHPB实验要满足两个基本假设：

①冲击波在弹性杆中应是一维应力波传播；②试样受力平衡、变形均匀。

第三章材料动态力学性能测试

材料的动态力学性能测量是SHPB实验技术的最主要应用。

早期我们研究的材料大多为金属和高聚物等均匀性好、变形量大的材料,因此SHPB实验技术的二个基本假定（一维假定和均匀假定）比较容易满足。

然而,当我们需要研究泡沫铝、装甲陶瓷和混凝土等工程中常用的特殊材料,SHPB实验技术的两个基本假定就不容易得到满足。

然而当我们对这一实验技术作些改进后,仍可用于研究这些特殊材料。

3.1多孔介质

泡沫塑料（橡胶）、泡沫铝等多孔介质大多具有很好的吸能特性,因此可广泛应用于缓冲、减振以及防爆震等方面,而所有这些应用都需要实测这些多孔介质的动态力学性能。

然而在利用SHPB装置测定这些多孔介质的动态应力—应变关系时会遇到一些具体问题。

第一,由于多孔介质的波速很低,波在这些试件内来回一次的时间较长,于是试件内部的应力不均匀性变得十分突出,需要对加载波形及数据处理等方面作些调整。

第二,由于多孔介质的波阻抗ρC很小,因此进入透射杆中的透射波信号十分微弱,已无法用常规的电阻应变片进行记录,需要采用半导体应变片技术[5],石英晶体薄膜压力传感器技术[6]或采用长杆弹直接撞击试件[7]等方法进行测量。

由于半导体应变片的灵敏度系数K可高达100（电阻应变片的灵敏度系数K为2,因此在相同情况下,利用半导体应变片技术测得的透射波信号的信噪比可提高50倍。

我们已经利用半导体应变片技术成功地实测了硬质聚氨酯泡沫、泡沫铝以及波阻抗更低的泡沫硅橡胶等多孔介质的冲击压缩应力—应变曲线[8]。

石英晶体薄膜压力传感器的灵敏度很高,因此也可测量透射波微弱的应力信号。

利用文献[7]中介绍的方法,则可测量非常软的柔性泡沫。

3.2准脆性材料

准脆性材料在冲击载荷下是高应变率材料，其本构特性和强度特性是研究控制爆破机理、岩石破碎机理以及爆炸应力波传播的重要问题。

对于准脆性材料的破坏模式，以往都停留于静载作用的情况，对在动载作用下特别是冲击载荷作用下的破坏模式研究甚少，这主要是由于准脆性材料的高速加载实验有一定的难度：

一是准脆性材料组分的均匀性较差，离散性大；二是材料的弹性变形小；三是冲击载荷与静载荷不同，它能使准脆性材料在极短的时间内得到很高的能量，而且，加载速度高于破裂发展速度，这就使冲击载荷能促使材料中各个方向、

各个层次的裂隙发展。

这些特点使得准脆性材料的动态实验测量变得异常困难。

SHPB是进行高应变率下材料实验的简便易行的装置，在对准脆性材料的实验研究中获得了广泛的应用。

人们利用该装置逐步开展了对岩石、陶瓷和混凝土等准脆性材料在高应变率下的动态力学性能的研究，并在Hopkinson杆装置上实施了相应的如压缩[9]、拉伸[10]等动态加载实验。

经过这些年的研究,发展了比较可靠的实验技术并积累了大量的数据。

但由于准脆性材料本身的缺陷，至今这类材料的动态实验研究都缺乏成熟的标准方案。

如何由实验合理地测定准脆性材料的动态特性已成为动力学发展的前沿课题。

用于准脆性材料的实验方法多为压缩和拉伸实验，测试的力学参数为抗压强度、抗拉强度以及起裂韧度等。

相关的实验方法以及改进可参考苏碧军，王启智[11]等利用Hopkinson压杆对准脆性材料动态力学的实验研究,现简述如下。

采用圆盘试样进行劈裂实验可以确定材料的抗拉强度。

由于准脆性材料的抗拉强度远低于抗压强度，研究者一般利用刚性细圆柱压条对圆盘试样加载，使之沿直径裂开，但由于压条与试样接触处的应力高度集中，而使试样在此处屈服破坏，不符合实验原理，即试样不从中心破坏。

试件的破裂首先从中心引发，是巴西实验有效性应该满足的条件，针对这个问题，王启智等[12]在圆盘中引入两个相互平行的平面作为加载面，把集中力加载改为均布加载（图2），从而改善了加载处的应力状态，更重要的是平台加载更能保证试样沿中心线破坏。

该方法已在静态实验中得到了成功的应用。

在Hopkinson压杆实验中，如果在圆盘中引入平台，不仅可以改善加载处的应力状态，使试样沿中心线破坏，而且，加大了冲击杆与试件的接触面积，有利于试件的变形均匀，提高测试结果的精度，不失为一个好的改进，并且在文献[12]中已提出静态下平台巴西圆盘的抗拉强度公式：

式中Pc是临界载荷；k是与平台尺度有关的系数，可由有限元应力分析确定。

3.3脆性材料

岩石、陶瓷或混凝土等脆性材料,在用Hopkinson压杆对其实施高应变率加载实验时,由于其破坏应变很小,试件通常在加载入射波的波头部分（含初始上升沿和较大的弥散振荡部分）就已破坏失效,因此采用常规的实验或数据处理方法很难得到精确有效的实验结果.

Hopkinson压杆装置预留间隙实验法能使加载入射波波幅振荡明显减小且初始上升时间为零,有效地减小了弹性波弥散带来的误差,使贴于压杆中部的应变片测得的信号经处理后很大程度上直接反映的是试件端面的实际受力状态,且由于避免了试件在加载波上升沿段的不稳定受力而使应变率历史曲线更趋于恒定,这为提高Hopkinson压杆装置的实验精度,特别是为脆性材料提供了一种实施高应变率实验的实用可行的途径[13].

根据文献[13]简单介绍预留间隙法：

考虑到弥散带来的波幅振荡或上升沿主要位于加载波的波头部分,加载波的其他部分则具有很平滑恒定的幅值（如图3）,因此预留间隙法实质上就是采用入射波的波幅恒定的后半部分作为实际上的加载波,而避免了入射波波头部分对试件的作用.Hopkinson压杆装置的常规实验方法是将试件紧紧夹于两压杆之间,但预留间隙法则将试件紧贴于透射杆,而与入射杆端面留有一预定宽度的间隙ΔL（如图4）.根据一维应力波理论,由动量守恒条件可得强间断波阵面前后的质点应力变化量[e]和速度变化量[v]为:

[e]=-d0*D*[ν]（3-1）

其中d0为压杆密度,D为冲击波速度（压杆为弹性状态时即等于弹性波速度C0）.当圆柱形子弹以速度V0撞击入射杆时,将在碰撞面产生强间断矩形脉冲方波并沿相反方向传播到子弹和入射杆里,根据碰撞面上的两杆质点速度相同（连续条件）和应力相等（作用力与反作用力互等）条件以及公式（3-1）,可得入射杆中波阵面后方的质点应力和速度分别为:

e=1/2*d0*C0*V0,　　v=1/2*V0（3-2）

当此脉冲加载波由碰撞面沿压杆传播到入射杆的另一端时,如果是常规实验方法,脉冲入射波将在此界面开始对试件加载并产生反射波和透射波;如果采用间隙实验方法,此间隙使入射杆的此杆端为一自由面,根据一维应力波在杆自由面的反射和透射定律

（3-3）

可知,带有上升沿和振荡部分的入射波波头传播到此自由面时,将全部镜像反射回入射杆,此时杆端自由面上的应力和质点速度根据式（3-1）和式（3-3）可得:

（3-4）

经过一预定时间后（取决于要反射掉的波头部分长度）,入射杆自由面上的质点开始碰到试件,入射波幅值恒定的后半部分才开始作用于试件上了,因此有效果的避免了入射波波头部分对试件的作用.

图3

图4

3.4混凝土材料

混凝土是一种应用极其广泛的工程建筑材料。

混凝土建筑物大多承受着变化缓慢的准静态载荷,但是也有一些重要建筑物有可能承受变化剧烈的冲击载荷,需要具备抗侵彻、抗层裂的能力,因此研究混凝土材料动态力学性能具有重要实用价值和军事用途.然而,多年来人们对混凝土的研究大多局限于准静态,未能对混凝土材料的动态力学性能开展系统的实验研究.究其原因:

①混凝土材料组成成分复杂,均质性差,破坏应变极小,冲击压缩实验的难度大;②混凝土材料拉压严重不对称,其拉压强度之比为0.07～0.11[1],冲击拉伸实验的难度更大;③混凝土材料内部存在着大量微空洞和微裂缝等损伤,它们对混凝土材料的力学性能影响很大,并在冲击载荷作用下将发生演化,从而使问题变得更为复杂.然而上述这些困难正是我们急需要解决的问题,因此研究混凝土材料动态力学性能又具有十分重要的学术意义.

目前已经提出采用波形整形技术、万向头技术和应变直接测量技术。

测量了混凝土材料的动态应力-应变曲线；通过损伤“冻结”试验及相应的MTS静态试验研究了混凝土材料的损伤演化规律；利用Hopkinson压杆技术直接测得层裂信号,进而可确定混凝土材料的层裂强度等方法，可参考胡时胜[14]《研究混凝土材料动态力学性能的实验技术》。

由于混凝土既可认为是准脆性材料也可认为是脆性材料，所以除了文献[14]里面提到的三种测量技术之外，也可采用本文提到过的在圆盘中引入平台的方法以及预留间隙法来测量混凝土动态力学性能。

第四章结束语

SHPB因其众多的优点,除了能测量普通材料的动态应力-应变关系,还可测量泡沫铝、装甲陶和混凝土等工程中应用广泛的复杂材料。

另外,又由于SHPB实验装置的波形易测易控制,又可以用于层裂研究、高G值加速度传感器标定、火工品及引信的安全性评估以及炸药冲压剪切的安全性研究。

随着研究工作的进一步开展,SHPB实验技术的应用领域还会进一步拓宽。

另外，如果实验条件允许，可以尝试一下圆盘中引入平台的方法以及预留间隙法来测量混凝土动态力学性能。

参考文献