SHPB實(shí)驗(yàn)技術(shù)若干問題研究.pdf

1、SHPB實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是廣泛應(yīng)用的測(cè)試材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的裝置，在文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上指出，為了提高SHPB實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精度和可比性，應(yīng)對(duì)SHPB實(shí)驗(yàn)技術(shù)做進(jìn)一步的研究。圍繞上述目的，以金屬材料為研究對(duì)象，本文對(duì)SHPB實(shí)驗(yàn)技術(shù)做了以下幾個(gè)方面的研究：試件慣性效應(yīng)與界面摩擦效應(yīng)的綜合分析；波導(dǎo)桿與試件阻抗匹配關(guān)系的研究；SHPB系統(tǒng)端面平行度加工要求分析；試件與波導(dǎo)桿應(yīng)力應(yīng)變均勻性分析；恒應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究以及其他實(shí)驗(yàn)方法探索。 ①試件慣性效

2、應(yīng)與界面摩擦效應(yīng)的綜合分析。通過綜合分析在SHPB系統(tǒng)圓柱形試件的慣性效應(yīng)、試件與波導(dǎo)桿端面摩擦效應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，給出一個(gè)新的理論分析模型，用以修正Gorham(1989)所得的慣性效應(yīng)分析公式。在此基礎(chǔ)上，歸納出為提高SHPB實(shí)驗(yàn)結(jié)果精度，SHPB實(shí)驗(yàn)應(yīng)遵循的幾個(gè)要求。并對(duì)SHPB試件設(shè)計(jì)中(特別是大應(yīng)變情況)試件尺寸比例的設(shè)計(jì)作了進(jìn)一步的分析，獲得了試件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足的尺寸比要求。 ②波導(dǎo)桿與試件阻抗匹配關(guān)系研究。通過將試

3、件看作為一個(gè)剛度系數(shù)變化的彈簧，建立了一個(gè)理論模型，并進(jìn)行了相應(yīng)的分析工作。為SHPB系統(tǒng)波導(dǎo)桿和試件的材料和尺寸應(yīng)當(dāng)如何選擇才滿足阻抗匹配適度的要求提供依據(jù)。提出了可反映波導(dǎo)桿與試件阻抗匹配關(guān)系的無量綱參數(shù)α和β，并給出了波導(dǎo)桿與試件阻抗適度匹配所要求的α和β的耿值范圍。 ③SHPB系統(tǒng)端面平行度加工要求分析。通過數(shù)值計(jì)算，分析了SHPB系統(tǒng)的端面平行度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，進(jìn)而獲得了實(shí)際加工過程中對(duì)系統(tǒng)端面平行度的量化要求。另外

4、，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，還可對(duì)實(shí)驗(yàn)中的測(cè)試方法的選擇，以及實(shí)驗(yàn)中異常波形的分析提供有益的指導(dǎo)。 ④試件與波導(dǎo)桿應(yīng)力應(yīng)變均勻性分析。通過三維數(shù)值模擬，在理想接觸狀態(tài)下，分別對(duì)SHPB系統(tǒng)中試件為彈性和彈塑性材料情況時(shí)，試件與波導(dǎo)桿的應(yīng)力應(yīng)變均勻性問題進(jìn)行了分析，重點(diǎn)分析了試件為彈塑性材料時(shí)的情況。通過改變?cè)嚰睆脚c波導(dǎo)桿直徑之比、試件材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度和硬化模量，研究了試件與波導(dǎo)桿橫截面積及材料性能不一致對(duì)試件與波導(dǎo)桿的應(yīng)力應(yīng)變均勻

5、性的影響，獲得了滿足試件應(yīng)力和應(yīng)變均勻性要求的試件直徑與波導(dǎo)桿直徑的比值，并簡(jiǎn)單分析了SHPB實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法計(jì)算所得的結(jié)果與試件單元輸出結(jié)果之間的關(guān)系。 ⑤恒應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究。提出了兩套可實(shí)現(xiàn)試件恒應(yīng)變率加載的實(shí)驗(yàn)方法，并通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬手段進(jìn)行了相應(yīng)的驗(yàn)證和分析工作，揭示了應(yīng)變率時(shí)間歷程對(duì)材料應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響，指出了只使用平均應(yīng)變率來表征材料動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線的不足，在材料動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)及相應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系的研究中應(yīng)當(dāng)重視應(yīng)變率歷

6、史效應(yīng)。在實(shí)現(xiàn)恒應(yīng)變率加載的條件下，會(huì)使實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有更好的可比性及一致性。 ⑥其他實(shí)驗(yàn)方法探索。對(duì)小直徑(直徑小于或等于5mm)SHPB實(shí)驗(yàn)方法和直接撞擊Hopkinson桿(DIHPB)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了研究，獲得了幾種材料應(yīng)變率達(dá)到104s-1的動(dòng)態(tài)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線，指出了需進(jìn)一步研究的問題。另外，通過利用柱錐形子彈代替圓柱形子彈有效地延長(zhǎng)了入射脈沖卸載段的長(zhǎng)度，初步探索了一種利用SHPB系統(tǒng)來研究材料動(dòng)態(tài)卸載響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法。