SHPB实验中Pulse Shaper的模拟研究
SHPB实验技术研究
雷管
压杆
飞片
Ｉ
图１最初的ＳＨＰＢ装置‘朝 Ｆｉｇ．１ Ｉｎｉｔｉａｌ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ ｏｆ ＳＨＰＢ
典型的ＳＨＰＢ装置及其数据采集处理系统如 图２．当枪膛中的打击杆（子弹）以一定的速度撞击 弹性输入杆时，在输入杆中产生一个入射脉冲ｓ。，应 力波通过弹性输入杆到达试件，试件在应力脉冲的 作用下产生高速变形，应力波通过较短的试件同时 产生反射脉冲ｅ，进入弹性输入杆和透射脉冲￡。进 入输出杆．利用粘贴在弹性杆上的应变片，记录下的 应变脉冲计算材料的动态应力、应变参数［８］．
缸）一譬继飞、），
（１）
￡（￡）＝－。７－ｏ Ｉ（ｅｉ一￡，一ｅ。）ｄｔ，
（２）
仃（￡）一≠｝Ｅｏ（ｅ｛＋ｅ，＋ｅ。）．
（３）
厶，１０
式中Ｃｏ、Ａ。、Ｅ０、Ｌ分别为弹性压杆的波速、横截面
积、弹性模量及试件的原始长度．由此得到试件的动
态应力、应变、应变率随时间变化趋势，进而在时间
尺度上得出三者之间的对应关系．
ＳＨＰＢ实验的基本原理是细长杆中弹性应力波 传播理论［９］，是建立在二个基本假定的基础上，即一
维假定（又称平面假定）和应力均匀假定．一维假定 就是认为应力波在细长杆中传播过程中，弹性杆中 的每个横截面始终保持为平面状态；应力均匀假定 认为应力波在试件中反复２～３个来回，试件中的应 力处处相等．由此可利用一维应力波理论确定试件 材料的应变率；（￡）、应变ｅ（￡）和应力盯（￡）
SHPB实验中试样形状和尺寸效应的数值模拟
SHPB冲击压缩实验中泡沫塑料应力均匀化过程的数值模拟
shpb冲击压缩实验中泡沫塑料应力均匀化过程的数值模拟
维普资讯
振
第 ２ 第 ５期 ５卷
动
与
冲 击
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＶＩ ＢＲＡＴＩ ＯＮ ＡＮＤ Ｓ ＨＯＣＫ
Ｓ Ｂ 冲 击 压 缩 实 验 中泡 沫 塑 料 应 力 均 匀 化 过 程 的 数 值 模 拟 ＨＰ
之 后 的结 果 ， 这样 的应 力． 变 关 系 只在 一 定 程 度 上反 应
防护等方面 ， 因而其 动态力学性能一直受 到工程 部门 的广泛关 注 ¨ 。一 般 而 言 ， Ｊ 多数 泡 沫 塑 料都 是率 相 关 材 料 ， 力学 行为 与加 载或 变形 的速 率 密切 相 关 ， 其 Ｊ 因
影 响进 行 了讨论 。
在Ｓ Ｐ Ｈ Ｂ实验 中 ， 入杆 受子 弹撞 击后 产生 长度 为 输 两倍 于子 弹 长度 的近 似 矩 形 入 射 波 ， 射 波 透 射 进 入 入 试件 后在 试 件 两端 与 输 入／ 出杆 的界 面处 不 断被 来 输 回反 射和 透 射 ， 使试 件 中 的 应 力 和应 变 在极 短 的 加 载 时 间 内不 断 增 大 ， 而 实 现 高 应 变 率 下 的加 载 。实 验 从 过 程 中 ， 录的是输 Ｘ／ 出杆上 的应 变信 号 。由于 输 记 输 入／ 出杆一 般处 于 弹性 状 态 ， 以根据 一 维 弹性 应 力 输 所 波 理论 ， 应力均 匀 化假 定 下 可 获 得 变形 试 件 的应 力． 在 应 变关 系 。对 实体 材 料 而言 ， 常 可 在 很 短 的时 间 内 通 使 试件 的应 力 达 到 均 匀 化 ， 由此 计 算 得 到 的动 态 本 故 构 关 系是 比较可 信 的 。但 对 于 波 阻抗 较低 的泡 沫 塑料 来说 ， 早期 应力不 均 匀现 象 十分 显 著 ， 要得 到可 信 的应
讲座中科大SHPB实验技术短训班(6)SHPB实验技术概要
SHPB实验技术短训班第六讲: SHPB实验技术一、前言SHPB技术最为成熟 应用最为广泛 实验手段设计思想新颖 一维假定 均匀假定结构简单测量方法巧妙 间接测量 应变片技术方便成熟应变率范围 （102~104/s） 令人关注研究对象金属 橡胶 岩石 冻土聚合物 多孔介质 陶瓷 混凝土 炸药 等等SHPB的推广型 拉 、压、弯、扭试验 动屈曲试验 动三点弯曲试验ε& 可用于中 试验ε& 可用于超高 试验 （1）减小压杆尺寸 （2）直接撞击试件Kolsky(1949)提出 SHPB实验装置众人（50年代~70年代）讨论了相关问题 波形弥散， 应力不均匀性 试件惯性 端面摩擦 截面不匹配促进了SHPB实验技术的发展和推广 面临的挑战：1.常规SHPB实验技术规范化2.复杂材料SHPB实验技术的研究二 、常规SHPB实验技术规范化测定 KIc 等有规范测定动态 σ ~ ε 曲线无规范存在问题： （1）拥有设备的很多，了解原理的不 多； （2）动态测试技术基础差； （3）实验经费限制，有一定难度，又无规范约束，实验精度难以保证。
一维假定（不计横向泊桑效应）又 τ << L0 / C0ε&s=Co l0(εi (t) |x=x1−εr (t) |x=x1−εt (t) |x=L1+l0+x2 )∫ ；εs=t 0ε&sdtσs=AE 2A0(εi (t) |x=x1+εr (t) |x=x1+εt (t) |x=L1+l0+x2 )这里已经认定贴片处的应变信号与试件端 面处的信号完全一样实际情况二维效应高频振荡 波形弥散存在升时trσ ~ ε 曲线有振荡 εi ,ε r ,εt 振荡有偏差屈服应力 σ y ? 弹性模量 E ?均匀假定：εi + ε r = εtε&s=−2C0 l0ε r (t) |x=x1ε s = ∫ ε&sdtσs=A A0εE(t) | tx=L1 +l0 + x2前期（t < 4τ ）不均匀E？σ y？端面摩擦，截面不匹配，压杆不对中均会影响一维假定就规范化提出几点看法：硬件（装置）方面： （1） 压杆系列长径比、强度、光洁度、准直度、端面垂直度及压杆支架的可 调性等 （2） 测量仪器 超动态应变仪（频响）数字示波器（精度） 弹速测量系统（精度） （3） 试件的长径比及加工精度等软件（实验技术）方面：（1）干扰信号 电磁波干扰 钢杆的压磁效应（2）应变片输出信号的检验及标定等 （3）杆件的对中及试件端面的润滑等举行研讨会，逐步形成共识，提出规范草案三 、复杂材料 SHPB实验技术研究软材料 ： 橡胶 多孔介质 复杂材料 脆材料： 岩石，陶瓷复合材料：混凝土软材料ρ0s = 0.1 ~ 1g / cm3,C0s = 101 ~ 102 m / s << C0B (= 5×103 m / s)(ρ0C0 )s << (ρ0C0 )BC0s↓⇒ τ(=l0 C0s)↑⇒应力不均匀时间加长变形量大 ε max ≥ 80%减薄试件厚度 改进数据处理(ρ0C0 )s ↓↓σ t 很小空心杆 波形弥散粘弹性杆 压杆失稳 双片测量法石英晶体片 半导体应变片脆材料εb < 0.5%ε&max=ε b受限制 4τΔt ≥ 4τσ 不能太大 0pulse shaper减缓脉冲升时，消除高频振荡 有利于应力均匀化，减少波形弥散冲击拉伸混凝土材料非均匀性（骨料粒径大） 大尺寸SHPBφ 76,φ100,200 × 200束形SHPBφ 74大尺寸脆性直锥变截面SHPB 波形严重弥散 升时大振荡 起点难确定 频移明显εmax < 0.5% ⇒ ε& < 100 / s混凝土材料： 实验技术的难度最大 需要波形弥散的修正 需在试件表面（中点处）贴应变片 拟在试件两端放压电薄膜子弹vφ3760变截面杆半导体应变片 电阻应变片 混凝土试件φ74 3200AB C 500超动态应变仪PC机瞬态波形记录仪实验装置简图。
SHPB冲击压缩实验中泡沫塑料应力均匀化过程的数值模拟_王嵩
t t1
-
N
(
ES
)
CM AM EM
d
t
+
CM
t
t1 Ein d t
( 5)
uL ( t ) = uin ( t) + ur e ( t ) =
Q Q t
uL ( t1 ) + 2CM Ein d t t1
t
N
t1
(
ES
)
CM AM EM
dt
( 6)
在模拟流程中, 当发现第 i + 1次反-透射前的泡沫
因此, 人们一直尝试通过改进数据处理手段以期 获得更加逼近真实状况的应力-应变关系。在国内, 周 凤华等 [ 3] 最早讨论了高聚物材料在 SH PB 实验中的应 力不均匀现象, 并提出用时间平移法来计算应力-应变 曲线; 刘剑飞等 [ 4] 则提出用不均匀时间平移法处理低
阻抗多孔介质的实验数据, 得到了比较理想的应力-应 变曲线。然而, 改进数据处理手 段只能对实验结果作 出一定程度上的修正, 并不能从根本上改变试件内部 应力波的传播过程, 得到的应力-应变关系也是平均化 之后的结果, 这样的应力-应变关系只在一定程度上反 映了材料的本构行为。最近, W ang等 [ 5] 从理论上分析 了采用聚合物作为 SH PB 实验装置中输入 /输出杆材料 的可能性, R ao等 [ 6] 则以聚碳酸酯作为 SH PB 实验装置 中子弹及输入 /输出杆的材料对 聚氨酯泡沫塑料进行 了实验, 大大减小了实现应力均匀化状态所需的应变。 由于人们对 SHPB实验中应力波传播和实现均匀化的 过程讨论得还不够充分和深入, 所以本文将在实验基 础上, 通过对 SHPB实验中复合泡沫塑料的本构关系进 行分段线性化处理, 利用一维弹性应力波理论和数值 方法对 SHPB冲击实验中的复合泡沫塑料变形过程进 行模拟, 以期观察到应力波在试件中传播并实现均匀 化的过程; 并且, 就实验装置中材料的选择对该过程的 影响进行了讨论。
分离式霍普金森压杆实验技术数值模拟
首先分析试样与压杆不均匀接触的影响。根据实验
经验,考虑试样与压杆不平度分别为0.03/100,
O.05/100,0.1/100三种情形。从试样的前后接触面以及
中间截面的A、B、c三处取出数值模拟应力波波形图,
其中A处是试样最先与压杆接触的一边,c处则是最
后与压杆接触到的一边,B处是A、B正中间的单元。
如图4.36所示。
图4.37至图4_39是不平度0.03/100的试样的模拟
结果,从图中我们观察到尽管对于100mm直径只有
O.Olmm的不平度,在接触瞬间同一截面还是有明显的图4.36:试样不均匀
接触分析波形采集位置
不平度,试样在约一半上升沿内试样不平接触面各点处在不同应变率加载之中。
变对波形的影响。可以发现随着pulse shaper杨氏模量的降低,波的上升沿时明显拉长,杨氏模量的降低较多时波峰会略有降低,而且当杨氏模量降到12GPa 时波的上升段近似直线,波形被改造为近似三角形波。还可以发现硬化模量的改变对波的上升沿时没有改变,其对波形整形的贡献表现在波的上升段曲率上,即波的形状上,也就是说不同的硬化模量会影响在总的上升沿时段内不同阶段波上升的快慢。
4.4试样表面缺陷及与压杆不Leabharlann 匀接触分析4.4.1计算方案
SHPB实验的一维应力假定和均匀性假定要求试样与压杆、压杆与子弹之间共轴撞击并且保持试样均匀受压,这要求子弹与压杆、压杆与试样之间在碰撞时接触面保持均匀接触,试样的表面无缺损。对于大直径试样来说,试样的加工总会存在一些误差,而一些脆性材料例如混凝土、砂浆是由粗骨料和胶凝材料经过水化反应及后期的养护而成,必然会存在初始缺陷;在表面加工过程中,由于加工误差,试样两端面不可能完全平行;同时在加工和运输过程中还极易造成试样边缘剥落。这些初始几何缺陷导致SHPB实验过程中试样与压杆不可能保持在理想的均匀接触状态下共轴撞击,从而试样内各点应力是不均匀的。分析这种由于试样几何缺陷产生的试样受力不均匀对sHPB实验精度的影响程度是十分必要的,有利于实验方法的改进和试样加工精度的确定。本文建立了m100mm大直径实验装置数值模型。分别分析了试样与压杆不均匀接触和试样表面初始缺陷对试样截面应力均匀性的影响。为了突出试样的缺陷和不均匀接触的影响,我们取试样材料等同于压杆材料,试样长50mm,直径100mm,试样网格划分:纵向10等分,径向12等分。接触刚度因子O.8。
SHPB实验数据处理的规范化问题讨论
的［１］。应力波传播速度与波长的近似关系可以由下式表示
ｃ≈岛［１一一，（Ｒ雎）２］
（４）
式中：ｖ是压杆的泊松比；Ｒ是Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆的半径；＾是组成应力波的某个谐波的波长。
从公式（４）可以看到，谐波波长越长，波速越高。当谐波波长趋于无限长时，谐波波速趋近于一维应
力渡声速。根据傅里叶（Ｆｏｕｒｉｅｒ）分析理论［１…．随时间剧烈变化的波形总包含有波长无限长的谐波成
力应变曲线则基本与预设曲线重合。因此，图２不
仅说明了由公式（３）得到的反射波和透射波起点的
准确性，而且表明波形相对起点的确定对应力、应变 和应变率的实验结果具有明显的影响。波形起点位 置的微小变化往往会造成实验处理结果的显著改
图２透射波起点位置对应力一应变曲线的影响 Ｆｉｇ．２ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｓｔａｒｔ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｌｔｔｅｄ ｗａｖｅ
分，因此在波形的起点位置，谐波波速可以等价于一维应力波声速。弥散效应不影响由公式（３）确定的
相对延迟时间ｒ１和毛。 在确定了反射波和透射波的相对起点后，人射波的起点位置可以取人射渡与基线相交的位置。考
虑到实验测量中的电噪声干扰，在这样确定的起点上，试样可能还未承载或者承受了小幅度的应力和应 变Ｅ０。对于前一种情况。实验应力一应变曲线相对真实曲线沿应变轴平移△￡。血是由电噪声干扰引起
的电压｝Ｌ是子弹长度。
图ｌ显示了使用这种方法判断应力波平台高度的效果。图中虚线表示用动量守恒办法得到的平台
高度。可以看到，这种方法得到的平台高度与波形后部平台的高度基本相同，说明这种方法是有效的。
这种方法的计算过程十分复杂，并且由于试验波形不可避免地要受到电噪声等因素的干扰，因此在 比较计算波形和试验波形的接近程度时，不可避免地要引入较大的不确定因素，从而影响相对延迟时间 ｑ一屯的准确性。此外，该方法只能判断反射波和透射波之间的相对延迟时间。但是在ｓＨＰＢ实验的
脆性材料shpb实验技术的研究
脆性材料shpb实验技术的研究
脆性材料SHPB实验技术的研究
脆性材料是指在一定载荷范围内，物理性能变化较大的材料，是衡量材料力学特性的重要参数。
SHPB实验技术是一种新型实验技术，用于研究脆性材料的力学特性，它可以模拟脆性材料在短时间内的变形和断裂行为。
SHPB实验技术的原理是将材料的内部应力分布在一定的载荷范围内，以衡量材料在一定载荷下的弹性和破坏性能。
在实验中，材料被放置在一个均匀的横截面板上，然后将这个材料放在一个专用的高速冲击装置中，前后运动使材料受到一个时间和位移梯度的脉冲载荷。
SHPB实验技术的研究可以帮助我们更好的了解脆性材料的力学特性，从而有助于精确的设计和消能材料的应用。
它有助于我们了解材料在拉伸、压缩、翻转和切削等强度条件下的行为特性，从而使我们更好地利用这些材料。
此外，SHPB实验技术还可以用于研究脆性材料中复杂破坏过程中的拉伸、压缩、断裂和持久化等行为，从而更好地利用脆性材料在不同场合中的应用，比如汽车制造业，航空航天等。
总之，SHPB实验技术是一种新型实验技术，可以有效模拟脆性材料力学性能，为我们设计和应用脆性材料提供有价值的理论参考。
岩石动态劈裂试验的最优试件尺寸分析
岩石动态劈裂试验的最优试件尺寸分析方新宇;许金余;刘石;陈腾飞;王鹏【摘要】Three most commonly used specimens including normal Brazilian disc,flattened Brazilian disc and holed Brazilian disc were simulated withthe finite element analysis software LS-DYNA for rock (SHPB)dynamic splitting tests. Based on the simulated results,the flattened Brazilian disc technique was adopted to perform dynamic splitting tests of granite specimens.By comparing the simulation and test results,the relation between strain rate and tensile strengths of rock was obtained and the optimal specimen size for rock dynamic splitting tests was discussed.The results showed that the fattened Brazilian disc technique fits the condition of broking from center well so that the test results will be more credible;for the rock parameters used here,the central angle of a flattened Brazil disk is suggested to be 20°~24°;if holed Brazilian disc is used in the dynamic splitting tests,the suggested aperture ratio of inner hole to external one is about 0.4 ~0.5;the dynamic splitting strengths of rocks increase with increase in strain rate,but the growing rate decreases and this growing trend is affected by the specimen size obviously.%利用有限元分析软件LS－DYNA对常规巴西圆盘、平台巴西圆盘和带孔巴西圆盘这三种最常用的劈拉试件，进行岩石 SHPB 动态劈裂试验的数值模拟，并依据模拟结果，采用平台巴西圆盘法，对花岗岩试样进行了动态劈裂试验。
脆性材料SHPB实验技术的研究
第22卷 第11期岩石力学与工程学报 22(11)：1798～18022003年11月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Nov .，20032003年3月31日收到初稿，2003年6月27日收到修改稿。
作者 王鲁明 简介：男，41岁，1983年毕业于南京工学院(现东南大学)力学专业，现为中国矿业大学博士研究生、工程兵指挥学院副教授、总参合肥创新工作站首批进站专家，主要从事岩体力学实验和数值模拟方面的研究，同时从事工程力学的教学工作。
E-mail ：CJ_WLM62@ 。
脆性材料SHPB 实验技术的研究王鲁明1，2，3赵 坚1，4华安增1 赵晓豹4(1中国矿业大学建筑工程学院 徐州 221008) (2工程兵指挥学院基础部力学教研室 徐州 221004) (3总参合肥创新工作站 合肥 230037) (4南洋理工大学土木及环境工程学院 639798 新加坡)摘要 用SHPB 装置研究脆性材料(硬岩、混凝土、高强度砂浆、陶瓷等)及脆性材料组构的非均一材料高应变率下的动力特性。
在实验技术方面取得进展，简要研讨了万向头、波形整形器、异形炮弹、软性介质、节理试样与结构性试样等问题。
关键词 材料科学，冲击动力学，SHPB ，实验技术，脆性材料，进展分类号 TU 502，O 347.1 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2003)11-1798-05RESEARCH ON SHPB TESTING TECHNIQUE FORBRITTLE MATERIALWang Luming 1，2，3， Zhao Jian 1，4，Hua Anzeng 1，Zhao Xiaobao 4(1Architecture Engineering College ，China University of Mining and Technology ， Xuzhou 221008 China )(2Engineer Command Academy ， Xuzhou 221004 China )(3Hefei Science and Technology Innovation Station of General Staff Headquarters ， Hefei 230037 China ) (4School of Civil and Structural Engineering ，Nanyang Technological University 639798 Singapore )Abstract The dynamic characteristics in higher strain rate of brittle materials ，such as hard rock ，concrete ， mortar and ceramics with high strength ，and the non-homogeneous structural materials consisting of brittle material are researched using SHPB device. The progress is brought about in SHPB testing technique. The problems are discussed briefly of gimbals ，pulse shaper ，non-uniform linear projectile ，soft medium on the impacted end of the input bar ，artificial joint sample and structural material sample.Key words material science ，impact dynamics ，SHPB ，testing technique ，brittle material ，progress1 引 言分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar ——SHPB)，是研究材料在101～104/s 应变率下动态力学性能的主要装置。
SHPB波形整型器实验研究
２ ． ’ ａ ｎ Ｖ ｏ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆＲ ａ ｉ ｌ ｗ ａ ｙ ， Ｘ ｉ ’ ａ ｎ ７ １ ０ ０ １ ４ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ｄ ｉ ｓ ｃ ｕ ｓ ｓ ｔ ｈ ｅ ｃ ｌ ａ ｓ ｓ ｉ ｉ ｆ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ，ｍａ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｎ ｇ ，ｖ ａ ｌ ｉ ｄ ａ ｔ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｔ ｏ ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｔ ｈ ｅ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｏ ｆ ｄ ｅ ｔ ｅ ｒ ｍｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ａ ｌ ｎ ｏ ｕ ｎ ｔ ｏ ｆ ｒ ｅ ｓ ｅ ｒ ｖ ｅ ｐ ｒ ｏ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｅ ｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｃ ｏ ｎ ｔ ｉ ｎ ｕ ｏ ｕ ｓ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ，ａ ｎ ｄ ｈ ａ ｓ ｃ ｅ ｒ ｔ ａ ｉ ｎ ｐ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｇ ｕ ｉ ｄ ｉ ｎ ｇ ｓ ｉ ｇ ｎ ｉ ｉ ｆ ｃ ａ ｎ ｃ ｅ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ｗ ｏ ｒ ｋ ｆ ｏ ｒ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ
０ 引言
弹性状 态 ； 试件 中的应 力 、 应 变是 均匀 的 。利 用杆 件直径 较 小 的 Ｓ ＨＰ Ｂ装 置研究均匀性好 、 变 形量 大 的材料是 比较 容易 满足 上 面 的两个假设 。然 而 ， 近年来 Ｓ Ｈ Ｐ Ｂ的测试 范畴 已经拓展 到 中隔材 料 中， 如陶瓷 、 混凝 土 、 岩石 等脆 性材 料 。岩 石属 于脆 性材 料 ， 破 坏应变很小 ， 只有几 千分之一 ， Ｓ Ｈ Ｐ Ｂ装 置所 产生波形上升 沿如果 很短且波峰剧烈震荡 ， 试件就可能在 内部应力 尚未平衡 之前 的加 载初期就发生破坏 ， 就 不能 满足试 样均 匀性 变形 ¨ 要求， 这对 于 岩 石材料的径 向冲击是不利 的 ， 而且应 力波 的高频 振荡也 会增 加 其 传播 的弥散效应 ， 使实 验结 果有较大 的波动性 。 岩 石试件在断裂之前 ， 满足应力均匀 分布是实 验有效 性及测
SHPB原理范文
SHPB原理范文SHPB（Split Hopkinson Pressure Bar）是一种应用广泛的高速冲击试验技术，用于研究材料在高速冲击载荷作用下的力学行为。
SHPB原理基于冲击波的传播和反射，通过试验装置中的冲击杆和样品，将冲击力传导到试件中，并测量其动态响应。
SHPB试验装置由多个组件组成，包括冲击杆、样品和检测设备。
冲击杆通常由两根长杆和一个短杆组成，它们被放置在一个冲击器中。
样品则被夹持在两根长杆之间，以使冲击力传递到样品上。
检测设备包括应变计和压力传感器，用于测量样品表面的应变和冲击力。
在SHPB试验中，首先通过冲击器对短杆施加冲击力，产生冲击波。
冲击波通过长杆向样品传播，当它到达样品的一端时，一部分冲击波会反射回来，另一部分则会继续传播到另一根长杆上。
这种传播和反射的过程将冲击力传递到样品中，并引起样品的动态响应。
通过在样品上放置应变计，可以测量样品表面的应变响应。
通过压力传感器，可以同时测量冲击杆中的冲击力。
结合所施加的冲击力和样品的应变响应，可以计算出主要的应力-应变行为，从而研究材料在高速冲击载荷下的力学特性。
SHPB原理的关键在于冲击波的传导和反射。
传导过程中的波速计算依赖于速度匹配条件，即波速在相邻材料中保持一致。
反射相对复杂，取决于材料的应力-应变关系和波速的差异。
通过测量反射波的幅值和相位，可以计算样品的冲击特性，如应力、应变和变形等。
SHPB技术的应用十分广泛。
它可以用于研究各种材料，如金属、陶瓷、复合材料和生物材料等的高速冲击响应。
通过改变冲击能量、冲击载荷速度和样品尺寸等参数，可以模拟不同冲击条件，并研究材料的损伤与断裂行为。
例如，SHPB技术可以用于评估材料的冲击韧性、应力波传播特性、动态断裂行为和高速变形机制等。
总的来说，SHPB原理是利用冲击波的传导和反射，通过冲击杆和样品传递冲击力，并测量样品的动态响应。
它是一种重要的高速冲击试验技术，已广泛用于研究材料在高速冲击载荷下的力学行为。
SHPB实验中Pulse Shaper的模拟研究
SHPB实验中Pulse Shaper的模拟研究
刘建华;李磊
【期刊名称】《实验室研究与探索》
【年(卷),期】2013(032)009
【摘要】Pulse shaper是SHPB实验技术的一项重要改进,采用LS-DYNA程序模拟和实验对比相结合的方法,研究了Pulse shaper对试样纵向横向应力效应的影响.结果表明:Pulse shaper能极大地降低纵向、横向应力,调整波形使压杆中的应力达到动态平衡,降低和消除、惯性效应和波形震荡等误差,使实验结果真实有效.
【总页数】4页(P24-27)
【作者】刘建华;李磊
【作者单位】郑州职业技术学院,河南郑州450121;郑州职业技术学院,河南郑州450121
【正文语种】中文
【中图分类】G0383
【相关文献】
1.基于ANSYS软件对SHPB实验过程的数值模拟研究 [J], 王东海;张宏;张玉文;
2.混凝土类材料SHPB实验中确定应变率的方法 [J], 胡亮亮; 黄瑞源; 高光发; 蒋东; 李永池
3.SHPB冲击技术在岩石动态力学教学实验中的应用 [J], 于洋;徐倩;耿大新;刁心宏
4.砂浆材料SHPB实验及惯性效应的数值模拟研究 [J], 李潇;方秦;孔祥振;吴昊
5.Thickness Effect of Pulse Shaper on Dynamic Stress Equilibrium and
Dynamic Deformation Behavior in the Polycarbonate Using SHPB Technique [J], O.S.Lee;S.H.Kim;Y.H.Han
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
大直径SHPB装置的数值模拟及实验误差分析
混凝土是由水泥、集料及水等材料按一定配合
比混合而成的一种多相复合材料。细观水平上, 混
凝土中不同相之间存在界面, 形成大量的微裂纹, 是 一种非均匀的材料。而从宏观水平上, 当混凝土的
尺寸为最大集料尺寸的 4~ 5 倍时, 集料的整体分布
趋于均匀, 可以看作均匀材料。正基于上述原因, 用 于研究混凝土力学性能的试样尺寸要求满足一定要
装置进行混凝土冲击压缩应力 应变曲线的实验研究会产生误差。利用数值模拟分析了误差影响
程度, 同时验证了用混凝土试样应变和透射杆应力得到应力 应变曲线初始段的可行性。
关键词: 大直径 SH P B 装置; 混凝土; 弥散; 应力( 应变) 均匀性
中图分类号: O347 4
文献标识码: A
1引 言
本文对应力波在 100 SH PB 装置中的传播特 性进行了试验研究和数值模拟, 并对该装置用于混 凝土类材料的冲击压缩试验精度进行了分析。
有显著变化, 但反射拉伸波出现了一定程度的波形 振荡。因此, 对于大直径 SH PB 装置, 由于反射波传 播距离远, 波形弥散较严重, 用传统方法处理应力 应变曲线最好采用两波法中的入射波和透射波。
表 1 100SH P B 装置实验测量和 数值模拟的入射波和反射波 升时
距试样距离
升时 / ∀s
/ mm
第 23 卷 第 3 期 2006 年 9 月
应 用力 学学报 CHINESE JOURNAL OF APPLIED MECHANICS
文章编号: 1000 4939( 2006) 03 0431 04
Vo l. 23 No. 3 Sep. 2006
大直径 SH PB 装置的数值模拟及实验误差分析*
土材料与压杆常用的钢材料的声阻抗比 n 约为 0. 25,
材料动态特性实验报告,SHPB实验报告
机械工程学院研究生研究型课程考试答卷课程名称：材料动态特性实验（SHPB实验）考试形式：□专题研究报告□论文√大作业□综合考试评阅人：时间：年月日材料动态特性实验实验目的：1、了解霍普金森杆的实验原理和实验步骤；2、会用霍普金森杆测试材料动态力学性能。
1.SHPB 组成：Kolsky 在Hopkinson 压杆技术的基础上提出采用分离式 Hop-kinson 压杆 SHPB )技术来测定材料在一定应变率范围的动态应力 ── 应变行为 ,该实验的理论基础是一维应力波理论, 它通过测定压杆上的应变来推导试样材料的应力 ── 应变关系, 是研究材料动态力学性能最基本的实验方法之一。
为了测出A3钢（又称Q235钢）的屈服极限、弹性模量以及其他性能参数。
用SHPB 实验就行数据测量。
SHPB 的实现装置如下图：分离式Hopkinson 压杆装置示意图它由压缩气枪、撞击杆、测时仪、输入杆（入射杆）、超动态应变仪、试件、透射杆、吸收杆、阻尼器和数据处理系统组成。
2.实验原理：SHPB 技术建立在两个基本假定的前提上：（1）杆中应力波是一维波；（2）试件应力/应变沿其长度均匀分布。
根据垂直入射应力波在界面出的反射、透射原理和上述假定由：应力相等：)()()(t t t T R I σσσ=+ (1)应变相等：)()()(t t t T R I εεε=+ (2)式中()I t σ和()R t σ分别为入射杆的入射应力和反射应力，()T t σ为透射杆的透射应力，()I t ε和()R t ε为入射杆的入射应变和反射应变，()Tt ε为透射杆的透射应变。
图1 输入杆-试件-输出杆相对位置如图2所示，在满足一维应力波假定的条件下，一旦测得试件与输入杆的界面X 1处的应力，可理论推导得： []112()(,)(,)(,)2S I R T SA t X t X t X t A σσσσ=++ （3） SR I T S S L t X v t X v t X v L t X v t X v t ),(),(),(),(),()(11212--=-=ε （4） []⎰⎰--==t R I T S t S S dt t X v t X v t X v L dt t 01120),(),(),(1)(εε （5）式中：A 为压杆的横截面积，s A 为试件的横截面积，S L 为试件的长度。
混凝土一维应力层裂实验的全场DIC分析
混凝土一维应力层裂实验的全场DIC分析俞鑫炉;付应乾;董新龙;周风华;宁建国;徐纪鹏【摘要】基于74 mm直径分离式Hopkinson杆(SHPB)实验平台进行了混凝土杆的一维应力层裂实验.采用超高速相机(采样频率:2μs/frame)结合数字图像相关法(DIC),记录混凝土试件中的动态位移场实时变化情况,探讨了混凝土在拉伸断裂过程中的表面位移场及速度场演化规律.针对实验中出现的多重层裂现象,基于一维应力波传播理论,指出各个位置在发生层裂时,其最大拉应力均由透射压缩波与反射拉伸波叠加而成,各处层裂发生时均处于一维应力状态.并提出了根据层裂位置左右两点速度趋势变化判断层裂发生时刻的判据.该判据可以给出所有层裂的起裂时间,结合DIC分析直接给出了混凝土多重层裂应变.结果显示混凝土的拉伸强度具有明显的应变率效应,在30 s?1的应变率下,其拉伸强度的动态增强因子(DIF)可以达到5.与传统的波叠加法和自由面速度回跳法相比,DIC全场分析法不受加载波形限制,可以精确给出每个层裂的位置和起裂时间,从而得到试件在高应变率加载下不同位置处的断裂应变、拉伸强度及相应应变率,提高了测量效率.【期刊名称】《力学学报》【年(卷),期】2019(051)004【总页数】9页(P1064-1072)【关键词】层裂强度;数字图像相关法;混凝土;Hopkinson压杆;动态增强因子;多层裂【作者】俞鑫炉;付应乾;董新龙;周风华;宁建国;徐纪鹏【作者单位】北京理工大学机电学院,北京 100081;北京理工大学机电学院,北京100081;冲击与安全工程教育部重点实验室 (宁波大学),浙江宁波 315211;冲击与安全工程教育部重点实验室 (宁波大学),浙江宁波 315211;北京理工大学机电学院,北京 100081;冲击与安全工程教育部重点实验室 (宁波大学),浙江宁波 315211【正文语种】中文【中图分类】O38引言混凝土结构在桥梁、大坝、核设施、军事建筑及防护工程领域应用广泛.在爆炸/冲击载荷作用下，结构承受应力波载荷，这类材料结构的破坏往往是由于反射卸载波引起[1]，即发生层裂破坏.准确测量混凝土材料的动态拉伸性能及其损伤破坏演化特性研究，是当前爆炸与冲击动力学研究者关注的一个热点.关于混凝土类材料动态力学性能的研究已取得很大进展[2-13].已有结果表明：混凝土具有显著的拉压不对称特性，其拉伸强度远低于压缩强度；混凝土动态压缩/拉伸强度整体具有应变率效应，在低应变率阶段(1.0×10−4～1 s−1)，其强化趋势不明显，其动态强度的提高主要受热活化机制控制[10]；而在高应变率下(1～100 s−1)，应变率强化效应非常明显，其动态强度的提高主要受黏性阻尼机制控制[11]；在更高的应变率范围内，混凝土的动态强度的提高主要受惯性机制控制[13].并利用动态增强因子(DIF)来描述混凝土的应变率效应，基于实验结果许多研究者[14-18]分别针对动态压缩强度和动态拉伸强度给出了不同的拟合公式.文献[7，11，17]等认为：混凝土材料的动态压缩强度的应变率强化效应与结构、惯性约束效应有关，而混凝土材料的动态拉伸强度应变率强化效应是材料本身的固有特性.受限于动态拉伸性能测试方法及拉伸强度计算方法的不同，混凝土类材料的拉伸强度随应变率分布较分散，导致拉伸强度的应变率强化规律仍有争议.目前，对于混凝土拉伸特性的实验研究，一般采用：直接拉伸实验[19]、劈拉实验[20]、三点弯实验 [21]、巴西圆盘压缩实验 [22]及一维应力层裂实验[23]等方法.动态拉伸、直接拉伸、三点弯、巴西圆盘压缩等实验技术的分析理论是基于准静态假设的，要求实验过程中试件两端必须满足动态力平衡[24].混凝土是包含骨料的多相材料，为满足均匀性试件必须足够大，所以这些实验技术用于高加载率下混凝土动态强度测量较难满足试件内部应力平衡的假设.目前，测量高应变率下混凝土动态拉伸强度较多采用一维应力层裂实验方法[23-25].Klepaczko和 Brara[23]最早提出混凝土杆试件Hopkinson一维应力层裂实验方法：基于SHPB实验平台进行实验，将入射杆作为加载装置；子弹撞击入射杆产生的压缩应力脉冲被导入细长杆试件，沿试件轴向传播，压缩应力脉冲的上升沿到达试件自由端后，反射形成拉伸波，该拉伸波与后续到达的入射应力波的下降沿(卸载)相互叠加，产生局部拉伸应力.当拉伸应力超过混凝土材料的拉伸强度时，试件即发生拉伸断裂即层裂.计算层裂强度的传统方法有波叠加法[23,26]、自由面速度回跳(pull-back)方法[24,27]等.采用波叠加法计算层裂强度需要精准确定首次发生层裂的位置，而采用自由面速度回跳方法只能用于距自由端最近的层裂点的强度测量[28].事实上，在高应变率冲击载荷作用下，脆性材料如混凝土试件往往产生多重层裂，给确定层裂时序带来干扰.许多学者通过调节加载波形以控制层裂时序，尽量满足叠加法、自由面速度回跳方法等计算强度的必要条件.文献[29-30]提出了采用改变Hopkinson撞击子弹弹型或利用波形整形器(pulse shaper)方法控制波形，使第一个层裂位置最靠近试件自由面，保证实验分析的合理性.然而，采用上述手段进行实验，降低了测试所能达到的应变率.超高速相机及数字图像相关法(DIC)的发展为一维层裂强度测量提供了新的测试手段.文献[31]通过超高速相机记录了有机玻璃圆环试件的膨胀碎裂过程；文献[25]通过高速相机及DIC技术对混凝土杆进行了一维应力层裂实验，基于试样表面位移场的强间断分析了层裂的顺序，但仍然是基于波叠加法和自由面速度回跳方法计算试样第一个层裂位置的强度.本文基于74 mm直径分离式Hopkinson杆实验平台进行混凝土杆的一维应力层裂实验.采用超高速相机结合DIC，记录杆中的动态位移场实时变化.针对多重层裂现象，基于一维应力波传播理论，指出各处层裂发生时均处于一维应力状态，并提出了判断层裂发生时刻的判据.该判据可以给出所有层裂的精确位置和起裂时间，且不受加载波形限制，弥补了前述方法的不足.进一步基于DIC全场应变，分析混凝土动态拉伸强度的应变率效应.1 实验设计及材料1.1 材料及试件制备采用圆杆状混凝土试件进行测试，其尺寸为：直径Φ74 mm，长1000 mm；子弹长度100 mm，在入射杆撞击端面粘贴0.5 mm厚的紫铜片，整个脉冲长700 mm.脉宽/杆径比超过10，近似认为其沿轴向处于一维应力状态.混凝土标号为C40，采用海昌P.O52.5水泥，掺合CL-19聚羧酸减水剂、F类Ⅱ级粉煤灰及II区中砂以及10 mm连续级配石子骨料，在特制钢模具中浇注成型，经饱和水环境中保养28 d后，放入干燥箱中直至质量稳定.首先在MTS材料试验机上测量了标准立方体块试件的压缩性能，并利用准静态巴西圆盘实验获得材料的静态拉伸强度，得到的材料准静态性能参数为：弹性模量32 GPa，泊松比0.2，压缩强度60 MPa，拉伸强度4.6 MPa，密度2379 kg/m3.1.2 实验方法及设计实验在Φ74 mm的SHPB实验平台上进行，图1为一维应力层裂实验布置示意图，取消SHPB系统的透射杆，代之为混凝土杆试件.子弹直径同样为Φ74 mm，长100 mm，在入射杆撞击端设置不同尺寸紫铜整形片，以控制得到不同的加载波形.试件撞击端涂抹凡士林并紧贴入射杆，以保证入射杆与试件打击端具有良好平面接触.采用超高速相机记录试件变形及层裂过程，为保证DIC分析具有足够的像素分辨率，相机记录混凝土杆试件距离自由端的100～400 mm区段，多重层裂主要发生在该范围内.实验采用英国Specialised Imaging的Kirana-05M超高速像增强成像系统，采集帧率为500 000 fps(采样时间间隔2µs).作为对比，沿试件每隔30 mm的对称位置贴一对应变片，记录轴向应变的时程曲线，以便与DIC测试结果进行标对，验证实验记录的可靠性.图1 混凝土一维应力层裂SHPB实验设备Fig.1 SHPB experimental setup for measuring the spall strength of a one-dimensional stress concrete bar同时，采用激光高速测速仪记录试件自由端面的质点速度历史，激光高速测速仪为德国Polytec公司HSV-E-100型红外测速仪，该激光测速仪光斑直径 2 mm，速度范围 0～24 m/s，采样率为4 point/µs.1.3 DIC测试DIC方法通过对变形前后试件表面的数字散斑图像进行处理获得被测物体的表面位移场和应变(即位移空间梯度)信息.DIC位移测量精度首先取决于所拍摄区域图像的像素数量，像素越大，测量精度越大.由理论分析和预备实验可知，对于本次实验的混凝土长杆来说，多重层裂发生在距自由端100～300 mm 范围内.因此相机拍摄范围为距自由端 100～400 mm.单位像素对应试件上的长度为0.334 mm. DIC位移测量精度受图像子区的灰度梯度影响.混凝土试件的自然纹理和对比度，不足以使DIC计算获得足够高的精度.因此，有必要在混凝土杆的表面人工制作散斑团.由于混凝土表面存在大量空隙和细小颗粒，首先在混凝土表面上涂抹均匀的白色涂料，待白色涂料完全干燥后再喷洒黑色斑点.散斑图像如图2所示.图2 试件表面喷涂的散斑及真实应变片(SG)与虚拟应变片(VSG)示意图，“虚拟应变片”区域是后面进行DIC应变场分析的区域Fig.2 Speckle distribution and strain gauge on the surface of the concrete bar在 DIC计算时采用 MatchID软件，图像相关算法为 Zero-Normalized Sum of Squared Differences(ZNSSD)算法，子集大小为31像素，步长为5像素.图3为混凝土上应变片(图2所示)测得的应变时程曲线与DIC方法在该截面分析得到的应变比较，可见两者符合较好.图3 DIC方法测试得到的轴向应变与应变片测量数值的比较Fig.3 Comparisonsof the strain histories measured by the DIC approach and the strain gauge 2 实验结果及分析2.1 多重层裂演化现象及时序对于三角形入射压缩波，最大幅度超过两倍静态拉伸强度时，混凝土杆将发生多处层裂.图4给出分析有限长杆中三角形一维应力波传播特征及发生层裂的X−t图和相应的σ-v图.层裂首先发生在位置“7”，层裂诱发的卸载波沿红虚线向自由面传播，与后续波系发生作用.在位置“8”发生二次层裂.各个位置在发生层裂时，其拉应力均由透射压缩波与反射拉伸波叠加而成，即认为各处层裂发生时都处于一维应力状态.图4 有限长杆的一维应力波传播特征线图和状态图Fig.4 One-dimensional stress wave propagation characteristic diagram图5 混凝土杆一维应力层裂实验回收试件Fig.5 Experimental recovery sample 图6 混凝土试件表面DIC位移场发展历史Fig.6 Development of DIC displacement fiel on concrete specimen surface图5为混凝土杆发生一维应力层裂后回收的试件，可见在距打击端710和790 mm处均出现了宏观裂纹，传统实验数据分析需要准确给出发生层裂的时序.为此，图6和图7分别给出了试件加载及断裂过程，表面DIC位移场及沿试件轴向拉格朗日点位移随时间演化发展过程.层裂发生时刻DIC位移场将出现强间断，从试件表面位移场演化可以看出，在X=710 mm位置处可见位移发生明显强间断，该处为最早出现的层裂位置(crack 1st)；随后，X=790 mm处位移发生明显间断，因此该处为第二个层裂位置(crack 2nd)，DIC位移场间断位置与回收试件层裂位置一致.理论上，通过位移间断可以同时判读层裂的位置和发生时刻.由图7试件位移场间断可以准确判断层裂的发生位置，但对间断发生的时刻判断，会存在主观因素影响.当可见位移出现强间断时，实际上裂纹已发展成熟，尚不足以确定层裂发生的准确起始时刻，需要寻求新的可靠判据.图7 沿轴线坐标的拉格朗日点的位移演化Fig.7 Displacement evolution of Lagrangian points along the axis coordinates由一维应力层裂原理可知，开裂源自于入射(右行)的卸载压缩波和自由面反射回来的(左行)卸载拉伸波的相互作用.当裂纹产生时，裂纹处材料承载能力降低，向其左右两边发射卸载波.由于微开裂发生，入射的右行压缩波将从裂纹点反射，质点速度减小，为图4(b)中状态700和800；而原自由面反射到达的左行卸载波将向裂纹右边反射压缩波，质点速度增大，为图4(b)中状态70和80.因此，当裂纹左右两点的质点速度趋势发生相反方向变化时，即认为是层裂起始时刻.取两次裂纹的左右两边质点(a和b)的速度曲线，如图8所示，可见：层裂一的左右两点速度变化趋势在250µs时发生了明显分离，左边质点速度下降，右边质点速度上升，表明发生了层裂，而层裂二在274µs时发生了层裂.如果采用位移场的强间断来判断层裂发生时间，试件在t=280µs和300µs时刻才分别发生层裂，与真实的发生时间相比，误差较大.图8 层裂一及层裂二处两点速度曲线Fig.8 The velocity of two points crack 1stand crack 2nd2.2 多重层裂位置处加载率及层裂强度的确定通过以上讨论，可准确确定试件表面发生特定层裂的位置和时刻，进一步还可以确定层裂点的拉伸强度和相对应的应变率.层裂强度测定方法主要有入射波叠加法、自由面速度回跳方法.而DIC可以给出全场的应变历史，结合2.1节给出的确定层裂发生时间的判据，可以方便地得到材料的断裂应变及应变率.图9为两裂纹发生点的应变历史及应变率历史曲线，层裂一位置的断裂应变εf=240µε，瞬时应变率为5 s−1，层裂二位置的断裂应变εf=326µε，瞬时应变率为9 s−1.对于入射波叠加法，当杆的横向尺寸远小于波长，则可以不用考虑应力波传播衰减.本文取试件靠近试件自由端的应变片记录的应变历史，采用式(1)进行波叠加处理其中，E为弹性模量，εTS为透射压缩波，εRS为透射反射波，σf为Xc处的层裂强度.图9 裂纹的应变及应变率时程曲线Fig.9 Strain and strain rate histories at the spall location图10为波叠加法得到第一个裂纹发生时的应变叠加状态，裂纹一处拉伸应变幅值为284µε.激光高速位移传感器测到的试件自由面速度历史如图11所示，由入射波到达混凝土打击端与其自由端的时间差，可得混凝土的波速为3735 m/s.混凝土密度为2379 kg/m3，因此混凝土的动态弹性模量为33.2 GPa.按自由面速度回跳法式(2)得到裂纹二的层裂强度σf=9.6 MPa其中，ρ为混凝土密度，c为弹性波速，∆v为最大速度及反射速度差.在本次实验中，利用了叠加法、自由面速度回跳法及DIC方法计算了同一根混凝土试件的多个层裂强度，其结果如表2所示.需要说明的是：波叠加法只能计算第一个层裂位置的强度，自由面速度回跳法只能用于计算最靠近自由端位置的层裂强度，而DIC方法结合裂纹左右两点速度变化起裂判据可同时计算试件上所有层裂位置的层裂应变.实验结果显示：每个层裂位置的应变率不同，DIC方法在第一个层裂位置计算得到的层裂强度较波叠加法得到的结果小，而在第二个层裂位置处得到的层裂强度较自由面速度回跳法得到的结果大.图10 第一个层裂位置的应变发展Fig.10 Strain at the firs crack location图11 入射杆应变历史及混凝土尾部质点速度历史曲线Fig.11 Strain history of incident rod and particle velocity history of concrete’s tail通过所确定的层裂位置，采用波叠加法来分析裂纹面上的断裂强度基于材料线弹性假设，即假设试样在破坏前是完全弹性，忽略了层裂断裂的损伤或破坏过程的影响[22].实际上，断裂前混凝土材料发生损伤[32-33]，会导致波的弥散，采用入射压缩波的波叠加分析，将过高估计层裂强度[25].另一方面，实际上层裂面不是严格的平直断裂面，Forquin等[34]分析表明混凝土层裂面空间宽度在厘米范围内，层裂位置的选取差别，导致波叠加法结果存在较大的误差.使波叠加法得到的结果较DIC法偏大自由面速度回跳法也基于一维线弹性波的应力计算方法，认为在层裂位置和自由面之间的材料是线弹性的，满足一维应力波传播假设.实际上，混凝土材料断裂前是非线性的，采用初始的弹性模量，按式(2)得到的断裂应力并进一步推算断裂应变值可能会偏小.DIC方法基于一维应力假设，其误差主要取决于起裂时刻的时间精度及DIC应变测量技术的精度.Forquin等[34]采用有限元方法比较了混凝土层裂面节点应变、毗邻层裂面两端表面的平均应变及断裂截面的平均应变，三者相差不超过5%.DIC分析中虚拟应变片的长度大小对层裂应变取值误差影响较小.表1 三种方法计算的混凝土所有层裂位置的断裂应变Table 1 Fracture strain of all fracture locations of concrete calculated by three methodsCrack 1st Crack 2nd Failure strain/10−6 Tensile strength/MPa Failure strain/10−6 Tensile strength/MPa wave superposition method 284 9.4 pull-back method 290 9.6 full fiel DIC analysis method 240 8.0 326 10.8 strainrate/s−1 5 92.3 混凝土一维层裂的应变率效应受益于超高速摄影技术及DIC分析，可以得到混凝土试件的全场应变历史，结合本文提出的根据层裂位置左右两点速度趋势变化判断层裂发生时刻的判据，可以方便地得到同一试件上不同位置的断裂应变及应变率.虽然本文提出的判据是基于三角波型载荷，但是也适用于方波载荷，即采用本文的方法可以不受载荷波形的限制，从而得到高应变率下的层裂强度.继续进行了三次实验，并采用本文的分析方法计算混凝土杆的动态拉伸(层裂)强度，以及层裂发生时刻相应的应变率.实验共获得7组动态强度，其与静态加载下的拉伸强度(4.6 MPa)之比，即动态扩大系数(DIF)与应变率的关系如图12所示.可以看到，混凝土的拉伸强度有明显的应变率效应，在应变率为30 s−1时，其拉伸强度DIF能达到5左右.图12还给出了已有文献[23-24，33-46]的结果，本文数据与文献结果趋势一致.图12 混凝土材料拉伸强度的应变率效应Fig.12 Strain rate influenc on tensile strength of plain concrete3 结论本文基于74 mm直径SHPB实验平台进行了混凝土杆的一维应力层裂实验.采用超高速相机结合数字图像相关法(DIC)，对一维应力层裂实验开展分析，提出了判断层裂时序的判据，并将DIC方法获得的层裂强度结果与传统方法获得的结果进行比较.结果显示：(1)混凝土在入射压应力超过混凝土的层裂强度时，出现了多个拉伸裂纹.分析表明各个位置的裂纹均由透射压缩波与反射拉伸波叠加而成，各个层裂都处于一维应力状态.(2)通过试件位移场强间断来判断一维应力杆层裂发生时间误差较大，而裂纹左右两侧的速度变化趋势可以给出明显的层裂信号.当裂纹产生时，其左边质点速度快速减小，而右边质点速度快速增大.(3)结合本文提出的起裂判据和DIC分析，首次得到了一个混凝土试件上不同层裂位置的断裂应变及应变率.其结果与传统方法所得结果基本一致.获得多组试件在高应变率下的层裂强度DIF变化趋势与已有文献给出的规律一致.(4)本文提出的方法的优势在于可以不考虑加载波形的影响，即可以实现高应变率加载.并且，可以测得相同试件上不同位置(即不同应变率)的断裂应变及应变率，对于脆性材料杆常见的多层裂现象，根据精确测量得到的DIC信息同时获得多个层裂强度数据，有助于提高测试效率.参考文献【相关文献】1 王礼立,胡时胜，杨黎明等.材料动力学.合肥：中国科学技术大学出版社,2017:227-230(Wang Lili，Hu Shisheng,Yang Liming,et al.Material Dynamics.Hefei:University of Science and Technology of China of Press,2017:227-230(in Chinese))2 Reinhardt HW.Concrete under impact loading,tensile strength andbond.HERON,1982,27(3):2-303 Williams MS.Odeling of local impact effects on plain and reinforced concrete.ACI Structural Journal,1994,91(2):178-1874 Ross CA,Tedesco JW,Kuennen ST.Effects of strain-rate on concrete strength.Aci MaterialJournal,1995,92(1):37-475 Malvar LJ,Ross CA.Review of strain rate effects for concrete in tension.Materials Journal,1998,95(6):735-7396 Malvar LJ,Crawford JE.Dynamic increase factors for concrete.Naval Facilities Engineering Service Center Port hueneme CA,19987 Li QM,Meng H.About the dynamic strength enhancement of concrete-like materials in a split Hopkinson pressure bar test.International Journal of Solids andStructures,2003,40(2):343-3608 Zhang QB,Zhao J.A review of dynamic experimental techniques and mechanical behavior of rock materials.Rock Mechanics and Rock Engineering,2013,47(4):1411-1478 9 宁建国,周风华,王志华等.强冲击载荷下钢筋混凝土的本构关系、破坏机理与数值方法.中国科学：技术科学,2016,46(4):323-331(Ning Jianguo,Zhou Fenghua,Wang Zhihua,et al.Constitutive model,failure mechanism and numerical method for reinforced concrete under intensive impact loading.Scientia Sinica Technologica,2016,46(4):323-331(in Chinese))10 Kipp ME,Grady DE,Chen EP.Strain-rate dependent fracture initiation.International Journal of Fracture,1980,16(5):471-47811 路德春,李萌,王国盛等.静动组合载荷下混凝土率效应机理及强度准则.力学学报,2017,49(4):940-952(Lu Dechun,Li Meng,Wang Guosheng,et al.Study on strain rate effect and strength criterion of concrete under static-dynamic coupled loading.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics,2017,49(4):940-952(in Chinese))12 Forquin P,Luki B.On the processing of spalling experiments.Part I:Identificatio of the dynamic tensile strength of concrete.Journal of Dynamic Behavior ofMaterials,2018,4(1):34-5513 Xu H,Wen HM.Semi-empirical equations for the dynamic strength enhancement of concrete-like materials.International Journal of Impact Engineering,2013,60:76-8114 Tedesco JW,Ross CA.Strain-rate-dependent constitutive equations for concrete.Journal of Pressure Vessel Technology,1998,120(4):398-40515 Grote DL,Park SW,Zhou M.Dynamic behavior of concrete at high strain rates and pressures:I.Experimental characterization.International Journal of Impact Engineering,2001,25:869-88616 Al-Salloum Y,Almusallam T,Ibrahim SM,et al.Rate dependent behavior and modeling of concrete based on SHPB experiments.Ce-ment&Concrete Composites,2015,55:34-4417 The International Federation for Structural Concrete.CEB FIP model code.Swit-zerland:Comite Euro-International Du Beton,199018 Katayama M,Itoh M,Tamura S,et al.Numerical analysis method for the RC and geological structures subjected to extreme loading by energetic materials.International Journal of Impact Engineering,2007,34:1546-156119 Schneider SJ.Engineered Materials Handbook,Volume 4:Ceramics and Glasses.OH:ASM International,Metals Park,199120 Lambert DE,Ross CA.Strain rate effects on dynamic fracture and strength.International Journal of Impact Engineering,2000,24(10):985-99821 Zhao J,Li HB.Experimental determination of dynamic tensile properties of agranite.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2000,5(37):861-866 22 王启智,李炼,吴礼舟等.改进巴西试验：从平台巴西圆盘到切口巴西圆盘.力学学报,2017,49(4):793-801(Wang Qizhi,Li Lian,Wu Lizhou,et al.Improvement of Brazilian test:From flattene Brazilian disc to grooved Brazilian disc.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics,2017,49(4):793-801(in Chinese))23 Klepaczko JR,Brara A.An experimental method for dynamic tensile testing of concrete by spalling.International Journal of Impact Engineering,2001,25(4):387-40924 Schuler H,Mayrhofer C,Thoma K.Spall experiments for the measurement of the tensile strength and fracture energy of concrete at high strain rates.International Journal of Impact Engineering,2006,32(10):1635-165025 Rey-De-Pedraza V,Cendn DA,Snchez-Galvez V,et al.Measurement of fracture properties of concrete at high strain rates.Philosophical Transactions of the Royal Society of London,2017,375(2085):2016017426 Zhang L,Hu SS,Chen DX,et al.An experimental technique for spalling ofconcrete.Experimental Mechanics,2009,49(4):523-53227 Saletti D,Forquin P.A comparison of DIC and grid measurements for processing spalling tests with the VFM and an 80-kpixel ultrahigh-speed camera.The European Physical Journal Special Topics,2016,225(2):311-32328 Erzar B,Forquin P.An experimental method to determine the tensile strength of concrete at high rates of strain.Experimental Mechanics,2010,50(7):941-95529 Forquin P,Zinszner JL.A pulse-shaping technique to investigate the behaviour of brittle materials subjected to plate-impact tests.Philosophical transactions-RoyalSociety.Mathematical,Physical and Engineering Sciences,2017,375(2085):2016033330 张磊,胡时胜.混凝土层裂强度测量的新方法.爆炸与冲击,2006,26(6):537-542(Zhang Lei,Hu Shisheng.A new method for measuring the spall strength of concrete.Explosion and Shock Waves,2006,26(6):537-542(in Chinese))31 李天密,张佳,方继松等.PMMA膨胀环动态拉伸碎裂实验研究.力学学报,2018,50(4):820-827(Li Tianmi,Zhang Jia,Fang Jisong,et al.Experimental study of the high velocity expansion and fragmentation of PMMA rings.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics,2018,50(4):820-827(in Chinese))32 巫绪涛,廖礼.脆性材料中应力波衰减规律与层裂实验设计的数值模拟.爆炸与冲击,2017,37(4):705-711(Wu Xutao,Liao Li.Numerical simulation of stress wave attenuationin brittle material and spalling experiment design.Explosion and ShockWaves,2017,37(4):705-711(in Chinese))33 Xu PB,Xu H,Wen HM.3D meso-mechanical modeling of concrete spalltests.International Journal of Impact Engineering,2016,97:46-5634 Erzar B,Forquin P.An experimental method to determine the tensile strength of concrete at high rates of strain.Experimental Mechanics,2010,50(7):941-95535 Rossi P,Van MJGM,Toutlemonde F,et al.Effect of loading rate on the strength of concrete subjected to uniaxial tension.Materials&Structures,1994,27(5):260-26436 Zielinski AJ,Reinhardt HW,Krmeling HA.Experiments on concrete under uniaxial impact tensile loading.Matriaux et Construction,1981,14(80):13-1637 Mellinger FM,Birkimer DL.Measurements of stress and strain on cylindrical test specimens of rock and concrete under impact loading.Cincinnati,OH:US Army Corps of Engineers,Ohio River Division Laboratories,1966:4-4638 Birkimer DL.Critical normal fracture strain of Portland cement concrete.[PhD Thesis].Cincinnati,OH:University of Cincinnati,196839 Birkimer DL,Robert L.Dynamic tensile strength of concrete materials.Journal of Proceedings,1971,68(1):47-4940 McVay,Mark K.Spall damage of concrete structures.Vicksburg,MS:ARMY Engineer Waterways Experiment Station,MS Structures LAB,198841 Wu H,Zhang Q,Huang F,et al.Experimental and numerical investigation on the dynamic tensile strength of concrete.International Journal of Impact Engineering,2005,32(1):605-61742 Brara A,Klepaczko JR.Experimental characterization of concrete in dynamic tension.Mechanics of Materials,2006,38(3):253-26743 Erzar B,Forquin P.Experiments and mesoscopic modelling of dynamic testing of concrete.Mechanics of Materials,2011,43(9):505-52744 Cowell,Walter L.Dynamic properties of plain Portland cement concrete.Port Hueneme,CA：Naval Civil Engineering Lab,1966:4645 Takeda J,Tachikawa H.Deformation and fracture of concrete subjected to dynamic load//Proceeding of the Conference on Mechanical Behavior of Materials.Japan:Society of Materials Science,1972:77-8646 John R,Antoun T,Rajendran AM.Effect of strain rate and size on tensile strength of concrete//Shock Compression of Condensed Matter–1991.Amsterdam:North Holland,1992:501-504。
SHPB系统中几个问题的探讨的开题报告
SHPB系统中几个问题的探讨的开题报告
题目：SHPB系统中几个问题的探讨
一、研究背景与意义：
SHPB（Split Hopkinson Pressure Bar）系统是一种高速冲击试验系统，适用于研究高
强度材料在高速冲击下的力学性能。
但在实际使用中，SHPB系统存在一系列问题，如信号传递误差、机械部件损坏等，这些问题会影响测量结果的准确性以及实验可靠性，因此需要进行深入的探讨和研究。
二、研究内容：
1. 信号传递误差的探讨：SHPB系统中的信号传递误差主要来自于应变计、压电传感器、光电门等多个信号采集装置。
对于这些装置，需要研究其对信号采集精度的影响，探讨如何减小信号传递误差对测量结果的影响。
2. 机械部件损坏的探讨：在高速冲击试验过程中，SHPB系统中的一些机械部件容易
受到冲击而损坏，如冲击杆、传感器等。
对于这些部件，需要研究其损坏机理，探讨
如何增强其抗冲击性能，从而提高SHPB系统的实验可靠性。
3. 其他问题的探讨：除了上述两个问题外，SHPB系统中还存在一些其他问题，如撞
击体形状对测量结果的影响、应力波形的修正等。
对于这些问题，需要进行深入的探
讨和研究。
三、研究方法：
本研究将采用理论计算和实验验证相结合的方法，首先对SHPB系统中存在的问题进
行理论探讨和分析，然后通过实验验证和数据分析来验证理论结果的正确性和可靠性。
四、预期结果：
通过本研究，将对SHPB系统中存在的问题进行深入探讨，找到解决问题的方法，提
高SHPB系统的测量精度和实验可靠性，为材料高速冲击力学研究提供可靠的实验手
段和数据支持。