SHPB装置
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高温SHPB相关实验技术
10S1 刘晓俊 LOGO
背景与任务
武器工程设计与分析中，大量涉及材料的动态 力学性能方面的研究课题，如武器服役的安全 性及抗事故能力、动能侵彻过程中材料的动态 性能、爆炸驱动下材料的高速变形与破坏、强 激光辐照下材料响应等。在武器吊装、运输过 程中，异常事故主要为跌落、火烧以及恐怖袭 击等，结构状态可能是包装、执勤，武器中不 同部件、不同部位有不同的失效过程或机制。 归结起来，不外乎是结构和材料的动态、高温 响应。
对于导杆和试件共同加热的实验方案由于部分压杆在实验过程中总是处于加温状态因而温度不能太高否则会严重影响压杆的使用寿命且不能用于测量高温下强度仍然较高的材料以免加载时试样嵌入到在高温下软化的压杆端面中从而引起明显的应变测量对于导杆和试件共同加热的实验方案由于部分压杆在实验过程中总是处于加温状态因而温度不能太高否则会严重影响压杆的使用寿命且不能用于测量高温下强度仍然较高的材料以免加载时试样嵌入到在高温下软化的压杆端面中从而引起明显的应变测量误差companylogo误差
或在试件两端增加保护块的高温动态实验技术，选取弹 性常数对温度不敏感的保护块材料，在对试样和保护 块加热的过程中，使杆处于室温状态。
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用于测量材料高温动态力学性能的SHPB 技术
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带有温控装置的波导杆装置示意图
组合式隔热陶瓷短杆高温SHPB实验技术
在试件端面和压杆之间各加一直径与压杆相同的A95陶瓷 短杆，通过套管进行装配，套管的内径和压杆相同，可在 压杆上自由滑动。试样通过套管内的两个簧片支撑定位， 试样上的温度通过直接贴在试样表面的热电偶进行测定。 本工作中使用的加温电阻炉的加热陶瓷管长约110 mm， 为了保证在实验温度为800℃时压杆上的温度低于200℃ ，从而可忽略温度梯度对应力波在压杆中传播的影响。
mp图5常温至
常温至800℃下HR2钢的动态SHPB实验结果
从图中可以看到，HR2钢表现出较强的温度相 关性，随实验温度的升高，材料的流动应力明 显呈下降趋势，800℃时，其屈服强度较常温 时下降了50％以上，该抗氢钢具有明显的温 度软化效应。 在不同温度下其应力——应变曲线的塑性段基 本平行，这表明温度对HR2钢的
结构和材料的动态行为中，功能失效的主要威 胁是破坏或大变形；而高温行为中，功能失效 首先是热软化，丧失承载能力，其次是物态变 化，由固态变为液态，无法维持内能所需的形 状。 结构和材料的动态不损伤、不破坏，高温下不 软化、不液化，在某种程度上讲，也是难以达 到的，但是在一点的时间将某些特殊部位的状 态控制在允许范围内，是可以设计的。因此， 对于含炸药结构，炸药以内的响应，高温更重 要，炸药以外，动态特性更重要。
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对于导杆和试件共同加热的实验方案，由于部分压杆在 实验过程中总是处于加温状态，因而温度不能太高， 否则会严重影响压杆的使用寿命，且不能用于测量高 温下强度仍然较高的材料，以免加载时试样嵌入到在 高温下软化的压杆端面中，从而引起明显的应变测量 误差。
另一种高温动态实验技术则通过单独对试件加 热，待试件加热完成后，再利用机械装置将导 杆与试件快速组装，在几毫秒内完成实验。
由图可知，压杆的端头和陶 瓷短杆接触处的温度约为 120℃，因此压杆上的温 度梯度基本可忽略不计。
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相同加载条件下理想高温SHPB实验(即无陶瓷短杆和 温度梯度场影响)以及添加陶瓷短杆并考虑温度场分布 的数值模拟结果的比较如下图所示。
两种条件下的反射、透射 信号基本相似，形状基本 不变，只是塑性变形区初 始段的幅度略有变化。
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数值模拟得到的添加 陶瓷短杆并考虑温度梯 度场的应力一应变曲线 初始段的偏差稍微大一 些，但进入塑性变形段 后，误差迅速降至5％ 以下。因此，本方法适 用于流动应力的测试。
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HR2钢高温实验结果及分析
采用前面建立的高温SHPB实验系统，研究了不同温度下 HR2钢的动态压缩力学性能。实验温度分别为15、200、 400、600和800℃.
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添加陶瓷短杆后可能会对应力波传播带来一定影响，为 此首先在常温下对常规和添加陶瓷短杆两种条件下进行 了对比实验。
两种实验条件下加载的入射波 形基本保持一致，反射波和透 射波除了陶瓷短杆带来的延时， 波形特征也基本一致。
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温下常规方法和添加陶瓷短杆方法LYl2铝试样的实验结果
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因此，在爆炸驱动的压缩过程中，研究材料的 动态变形与损伤是重要的。对于穿甲弹的设计， 材料破坏机制、力学模型、特征参量的研究是 主要的。 由此，发展高温高率Hopkinson杆实验技术， 研究材料动态力学性能，在武器物理与工程设 计中发挥着重要作用。
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谢谢！
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结论
在常规SHPB系统的基础上通过加装高强度、 耐高温的A95陶瓷，建立了一套组合式隔热陶 瓷短杆高温实验装置。相比于传统接触式高温 SHPB方案，该高温实验装置可以使用在更高 的加载和温度下，并对压杆起保护作用，延长 了其使用寿命；与机械对杆方案相比，其实验 装置和控制则要简便许多。通过部分实验和有 限元模拟，对添加陶瓷短杆及温度梯度场带来 的附加影响进行了评估，结果表明，800℃下 ，这套实验系统的测量误差可以控制在5 %以 下。
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这种实验方法忽略压杆和试件中的温度变化，数据处 理简单，可实现的实验温度相对也较高，然而机械装 置机械装置要求控制精度高，且短时间内压杆和试件 端部剧烈的温度变化有可能对压杆和试件的材料性能 产生不可忽略的影响。
此外，还有一些采用温度不敏感材料来避开温 度梯度影响的实验方法。
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对于高温实验中温度梯度场的影响，采用数值模拟的手 段进行分析和评估。以实验温度800℃为例，采用 Ansys Multiphysics／Ls—Dyna模块。模型为1／ 2二维模型，先稳态求解得到实验系统模型的温度分布 ，再将求得的温度分布作为载荷边界条件导入到模型中 进行动力学分析。
添加陶瓷短杆使得弹性变 性段应变偏大，在流动应 力段两者重合很好。
这是由于处理过程中引入了陶 瓷短杆的弹性变形，在试样弹 性变形段，陶瓷的弹性变形会 带来一定影响，而进入塑性变 形段之后，试样的塑性变形要 远远大于陶瓷短杆的弹性变形 量，因此添加陶瓷短杆对应力 一应变曲线的流动应力段基本 不产生影响。
目前高温SHPB装置的实验方案分类
一种是局部导杆和试件共同加热，在进行实验 数据处理时对导杆中温度梯度的影响进行修正。
这种方法其实验数据处理比较复杂，且导杆的弹性限制 也制约了这种方法的温度上限。或者采用异形压杆，加 工不同截面积的压杆以抵消因温度梯度所引起的阻抗变 化，使得在高温实验过程中压杆的阻抗保持为一常数， 从而不需要对测得的实验波形进行修正。这种设计的缺 点在于对于不同温度下需要使用不同形状的压杆，且需 要获得压杆中准确的温度分布以及设计相应的压杆。
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背景与任务
武器工程设计与分析中，大量涉及材料的动态 力学性能方面的研究课题，如武器服役的安全 性及抗事故能力、动能侵彻过程中材料的动态 性能、爆炸驱动下材料的高速变形与破坏、强 激光辐照下材料响应等。在武器吊装、运输过 程中，异常事故主要为跌落、火烧以及恐怖袭 击等，结构状态可能是包装、执勤，武器中不 同部件、不同部位有不同的失效过程或机制。 归结起来，不外乎是结构和材料的动态、高温 响应。
对于导杆和试件共同加热的实验方案由于部分压杆在实验过程中总是处于加温状态因而温度不能太高否则会严重影响压杆的使用寿命且不能用于测量高温下强度仍然较高的材料以免加载时试样嵌入到在高温下软化的压杆端面中从而引起明显的应变测量对于导杆和试件共同加热的实验方案由于部分压杆在实验过程中总是处于加温状态因而温度不能太高否则会严重影响压杆的使用寿命且不能用于测量高温下强度仍然较高的材料以免加载时试样嵌入到在高温下软化的压杆端面中从而引起明显的应变测量误差companylogo误差
或在试件两端增加保护块的高温动态实验技术，选取弹 性常数对温度不敏感的保护块材料，在对试样和保护 块加热的过程中，使杆处于室温状态。
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用于测量材料高温动态力学性能的SHPB 技术
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带有温控装置的波导杆装置示意图
组合式隔热陶瓷短杆高温SHPB实验技术
在试件端面和压杆之间各加一直径与压杆相同的A95陶瓷 短杆，通过套管进行装配，套管的内径和压杆相同，可在 压杆上自由滑动。试样通过套管内的两个簧片支撑定位， 试样上的温度通过直接贴在试样表面的热电偶进行测定。 本工作中使用的加温电阻炉的加热陶瓷管长约110 mm， 为了保证在实验温度为800℃时压杆上的温度低于200℃ ，从而可忽略温度梯度对应力波在压杆中传播的影响。
mp图5常温至
常温至800℃下HR2钢的动态SHPB实验结果
从图中可以看到，HR2钢表现出较强的温度相 关性，随实验温度的升高，材料的流动应力明 显呈下降趋势，800℃时，其屈服强度较常温 时下降了50％以上，该抗氢钢具有明显的温 度软化效应。 在不同温度下其应力——应变曲线的塑性段基 本平行，这表明温度对HR2钢的
结构和材料的动态行为中，功能失效的主要威 胁是破坏或大变形；而高温行为中，功能失效 首先是热软化，丧失承载能力，其次是物态变 化，由固态变为液态，无法维持内能所需的形 状。 结构和材料的动态不损伤、不破坏，高温下不 软化、不液化，在某种程度上讲，也是难以达 到的，但是在一点的时间将某些特殊部位的状 态控制在允许范围内，是可以设计的。因此， 对于含炸药结构，炸药以内的响应，高温更重 要，炸药以外，动态特性更重要。
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对于导杆和试件共同加热的实验方案，由于部分压杆在 实验过程中总是处于加温状态，因而温度不能太高， 否则会严重影响压杆的使用寿命，且不能用于测量高 温下强度仍然较高的材料，以免加载时试样嵌入到在 高温下软化的压杆端面中，从而引起明显的应变测量 误差。
另一种高温动态实验技术则通过单独对试件加 热，待试件加热完成后，再利用机械装置将导 杆与试件快速组装，在几毫秒内完成实验。
由图可知，压杆的端头和陶 瓷短杆接触处的温度约为 120℃，因此压杆上的温 度梯度基本可忽略不计。
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相同加载条件下理想高温SHPB实验(即无陶瓷短杆和 温度梯度场影响)以及添加陶瓷短杆并考虑温度场分布 的数值模拟结果的比较如下图所示。
两种条件下的反射、透射 信号基本相似，形状基本 不变，只是塑性变形区初 始段的幅度略有变化。
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数值模拟得到的添加 陶瓷短杆并考虑温度梯 度场的应力一应变曲线 初始段的偏差稍微大一 些，但进入塑性变形段 后，误差迅速降至5％ 以下。因此，本方法适 用于流动应力的测试。
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HR2钢高温实验结果及分析
采用前面建立的高温SHPB实验系统，研究了不同温度下 HR2钢的动态压缩力学性能。实验温度分别为15、200、 400、600和800℃.
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添加陶瓷短杆后可能会对应力波传播带来一定影响，为 此首先在常温下对常规和添加陶瓷短杆两种条件下进行 了对比实验。
两种实验条件下加载的入射波 形基本保持一致，反射波和透 射波除了陶瓷短杆带来的延时， 波形特征也基本一致。
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温下常规方法和添加陶瓷短杆方法LYl2铝试样的实验结果
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因此，在爆炸驱动的压缩过程中，研究材料的 动态变形与损伤是重要的。对于穿甲弹的设计， 材料破坏机制、力学模型、特征参量的研究是 主要的。 由此，发展高温高率Hopkinson杆实验技术， 研究材料动态力学性能，在武器物理与工程设 计中发挥着重要作用。
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结论
在常规SHPB系统的基础上通过加装高强度、 耐高温的A95陶瓷，建立了一套组合式隔热陶 瓷短杆高温实验装置。相比于传统接触式高温 SHPB方案，该高温实验装置可以使用在更高 的加载和温度下，并对压杆起保护作用，延长 了其使用寿命；与机械对杆方案相比，其实验 装置和控制则要简便许多。通过部分实验和有 限元模拟，对添加陶瓷短杆及温度梯度场带来 的附加影响进行了评估，结果表明，800℃下 ，这套实验系统的测量误差可以控制在5 %以 下。
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这种实验方法忽略压杆和试件中的温度变化，数据处 理简单，可实现的实验温度相对也较高，然而机械装 置机械装置要求控制精度高，且短时间内压杆和试件 端部剧烈的温度变化有可能对压杆和试件的材料性能 产生不可忽略的影响。
此外，还有一些采用温度不敏感材料来避开温 度梯度影响的实验方法。
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对于高温实验中温度梯度场的影响，采用数值模拟的手 段进行分析和评估。以实验温度800℃为例，采用 Ansys Multiphysics／Ls—Dyna模块。模型为1／ 2二维模型，先稳态求解得到实验系统模型的温度分布 ，再将求得的温度分布作为载荷边界条件导入到模型中 进行动力学分析。
添加陶瓷短杆使得弹性变 性段应变偏大，在流动应 力段两者重合很好。
这是由于处理过程中引入了陶 瓷短杆的弹性变形，在试样弹 性变形段，陶瓷的弹性变形会 带来一定影响，而进入塑性变 形段之后，试样的塑性变形要 远远大于陶瓷短杆的弹性变形 量，因此添加陶瓷短杆对应力 一应变曲线的流动应力段基本 不产生影响。
目前高温SHPB装置的实验方案分类
一种是局部导杆和试件共同加热，在进行实验 数据处理时对导杆中温度梯度的影响进行修正。
这种方法其实验数据处理比较复杂，且导杆的弹性限制 也制约了这种方法的温度上限。或者采用异形压杆，加 工不同截面积的压杆以抵消因温度梯度所引起的阻抗变 化，使得在高温实验过程中压杆的阻抗保持为一常数， 从而不需要对测得的实验波形进行修正。这种设计的缺 点在于对于不同温度下需要使用不同形状的压杆，且需 要获得压杆中准确的温度分布以及设计相应的压杆。