基于Hopkinson杆的材料高应变率拉伸实验技术_杨鹏飞

第６期
杨鹏飞等 ：基于 Ｈ ｏ ｋ ｉ ｎ ｓ ｏ ｎ 杆的材料高应变率拉伸实验技术 ｐ
６ ７ ５
接撞击而产生 ， 拉伸脉冲沿入射杆传 至 试 件 ， 一 部 分 反 射 回 入 射 杆 中， 另 一 部 分 通 过 试 件 传 至 透 射 杆。 ） 、 ） ） 入射波ε 反射波ε 和透射波ε 分别由入射杆和透射杆上 Ｇ 经 ｔ ｔ ｔ Ｇ２ 和 Ｇ３ 三处的 应 变 片 测 得 ， ｉ（ ｒ（ ｔ（ １、 超动态应变仪放大后由瞬态波形存储器存储 。
０ 引言
工程材料和结构在加工和使用过程中可能承受高速切削 、 高 速 碰 撞、 爆 炸 等 冲 击 加 载 作 用， 了解材 料在高应变率加载下的力学行为对其工程设计和应用具有重要意义 。 常规的准静态材料力学试验使用
１ －１ 但该类系统无法实现应变率 １ 液压伺服加载系统 ， ０ ｓ 以上的动态加载 。 常见 的 用 于 动 态 加 载 的 装 置 ２ －１ ４ －１ （ ） 是分离式霍普金森杆 Ｓ 可以获得材料在高应变率 （ 加载 ｌ ｉ ｔ Ｈ ｏ ｋ ｉ ｎ ｓ ｏ ｎ Ｂ ａ ｒ 试验系统 ， １ ０ ｓ ～１ ０ ｓ ） ｐ ｐ ］ １－４ 。 下的力学性能 ［
１ 分离式霍普金森拉杆试验装置的测试原理
直接杆杆型高应变率拉伸试验装置的测试原理如图 １ 所示 。 拉伸加载脉冲由撞击套筒与撞块的直
；修回日期 ： ２ ０ １ １ ０ ５ １ ９ ２ ０ １ １ ０ ６ ２ ２ ＊ 收稿日期 ： － － － － ， ： 通讯作者 ：汪洋 （ 男， 博士 、 教授 。 主 要 研 究 方 向 ： 极 端 条 件 下 的 材 料 力 学 行 为、 冲 击 动 力 学 。Ｅ－ｍ １ ９ ６ ８－ ） ａ ｉ ｌ ｓ ｔ ｃ ． ａ ｎ ｗ ａ ｎ ｙ ｇ ｇ＠ｕ ｅ ｄ ｕ． ｃ ｎ
１ 阻挡块 ， ２ 阻尼器 ， ３ 导向套 ， ４ 撞块 ， ５ 前置金属短杆 ， ６ 导向管 ， ７ 枪管 ， ８ 撞击套筒 ９ 气室 ， １ ０ 紧固支撑 ， １ １ 入射杆 ， １ ２ 试件 ， １ ３ 应变片 ， １ ４ 透射杆 ， １ ５ 底座 图 ２ 变截面间接杆杆型拉伸装置示意图 Ｆ ｉ ． ２ Ｉ ｎ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｂ ａ ｒ ｂ ａ ｒ ｔ ｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ｓ ｅ ｔ ｕ ｗ ｉ ｔ ｈ ａ ｎ ｉ ｎ ｕ ｔ ｂ ａ ｒ ｏ ｆ ｖ ａ ｒ ｉ ａ ｂ ｌ ｅ ｃ ｒ ｏ ｓ ｓ ｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ － － ｇ ｐ ｐ ， ， ， ， ， ， ， ｕ ｎ １ｓ ｔ ｏ ｅ ｒ ２ｄ ａ ｍ ｅ ｒ ３ｇ ｕ ｉ ｄ ｅ ｓ ｌ ｅ ｅ ｖ ｅ ４ｉ ｍ ａ ｃ ｔ ｂ ｌ ｏ ｃ ｋ ５ｐ ｒ ｅ ｆ ｉ ｘ ｅ ｄ ｍ ｅ ｔ ａ ｌ ｂ ａ ｒ ６ｇ ｕ ｉ ｄ ｅ ｔ ｕ ｂ ｅ ７ａ ｉ ｒ ｂ ａ ｒ ｒ ｅ ｌ ｐ ｐ ｐ ｐ ｇ ， ， ， ， ， ， ， ８ｐ ｒ ｏ ｅ ｃ ｔ ｉ ｌ ｅ ９ａ ｉ ｒ ｃ ｈ ａ ｍ ｂ ｅ ｒ １ ０ｆ ｉ ｘ ｅ ｄ ｓ ｕ ｏ ｒ ｔ １ １ｉ ｎ ｕ ｔ ｂ ａ ｒ １ ２ｓ ｅ ｃ ｉ ｍ ｅ ｎ １ ３ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ａ ｅ １ ４ｏ ｕ ｔ ｕ ｔ ｂ ａ ｒ １ ５ｂ ａ ｓ ｅ ｊ ｐ ｐ ｐ ｐ ｇ ｇ ｐ
材料在拉伸和压缩加载下 ， 力学性能的差异以及损伤和破坏模式的不同 ， 使得有必要进行高应变率 下的拉伸加载试验 。 相对于霍普金森压杆系统 ， 霍普金森拉杆试验系统在机械上则更为复杂 ， 在技术上 （ ）光滑 、 存在更大的困难 ， 主要表现在两个方面 ： 平稳且上升沿时间可控的拉伸加载脉冲的产生 ；（ １ ２）
５］ 、 试件与拉杆的可靠连接 。 按拉伸 加 载 脉 冲 产 生 方 式 的 不 同 ， 霍 普 金 森 拉 杆 主 要 有 反 射 式［ 直接撞块 ［ ］ ［ ］ 式 ６ 和 释 放 式 ７ 三 类。其 中 压 缩 空 气 驱 动、 直 接撞 块式 高 应 变 率 拉 伸 装 置具 有结 构 简 单、 易操作的特
ｔ ｉ ｔ
０
Ｅ Ａ （） ε ｔｔ Ａｓ
（ ） １ （ ） ２
］ ｄ ε（ τ） τ） τ －ε （ ∫［
Ｃ ０ ）＝ ２ ［ ） ） ］ （ ） ｔ ｔ ｔ ３ ε ε －ε ｓ（ ｉ（ ｔ（ ｌ ｓ 式中 Ｅ 和 Ａ 分别是杆的弹性模量和 横 截 面 积 ； Ｃ Ａ ０ 是杆中 的弹 性 纵波 波 速； ｓ 和ｌ ｓ 分别为试件的横截 ） 、 （ ） ） 面积和试件的试验段长度 。 式 （ 和（ 即为由实测的入射杆上的入射波形和透射杆上的透射波形 １ ２ ３
点， 但国内外现有的该类装置存在以下问题 ： 撞击套筒与撞块发生直接撞击 ， 使得入射波形不够光滑 、 存 在高频振荡 ； 撞击套筒直接沿入射杆滑动 ， 对入射波形产生影响 ； 试验系 统 的 共 轴 度 和 支 撑 的 稳 定 性 不 易于精确调节和保证 ， 这些均影响试验结果的可靠性 。 本文拟借鉴压缩空气驱动 、 撞块式直接杆杆型拉 伸装置的优点 ， 并针对其机械设计上 的 不 足 ， 研制一种新型的变截面间接杆杆型高应变率拉伸试验装 置， 并初步验证该装置设计的合理性和试验结果的可靠性 。
第２ ６卷 第６期 ２ ０ １ １年１ ２月
实 验 力 学
Ｊ ＯＵＲ ＮＡ Ｌ Ｏ Ｆ Ｅ Ｘ Ｐ Ｅ Ｒ Ｉ ＭＥ Ｎ ＴＡ Ｌ ＭＥ ＣＨＡＮ Ｉ Ｃ Ｓ
Ｖ ｏ ｌ ． ２ ６ Ｎ ｏ ． ６ Ｄ ｅ ｃ ． ２ ０ １ １
（ ） 文章编号 ： １ ０ ０ １ ４ ８ ８ ８ ２ ０ １ １ ０ ６ ０ ６ ７ ４ ０ ６ － － －

１ 撞击套筒 ， ２ 撞块 ， ３ 入射杆 ， ４ 试件 ， ５ 透射杆 图 １ 直接杆杆型高应变率拉伸试验装置示意图及测试原理 Ｌ ａ ｒ ａ ｎ ｅ Ｘ－Ｔ 图 ｇ ｇ Ｆ ｉ ． １ Ｓ ｃ ｈ ｅ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｄ ｉ ａ ｒ ａ ｍ ｏ ｆ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｂ ａ ｒ ｂ ａ ｒ ｈ ｉ ｈ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｒ ａ ｔ ｅ ｔ ｅ ｎ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｅ ｓ ｔ ｉ ｎ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ａ ｎ ｄ ｉ ｔ ｓ ｅ ｘ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｌ ｅ － － ｇ ｇ ｇ ｇ ｙ ｐ ｐ ｐ ， ， ， ， １ｐ ｒ ｏ ｅ ｃ ｔ ｉ ｌ ｅ ２ｉ ｍ ａ ｃ ｔ ｂ ｌ ｏ ｃ ｋ ３ｉ ｎ ｕ ｔ ｂ ａ ｒ ４ｓ ｅ ｃ ｉ ｍ ｅ ｎ ５ｏ ｕ ｔ ｕ ｔ ｂ ａ ｒ ｊ ｐ ｐ ｐ ｐ
如果入射杆和透射杆选用相同的材料且具有相同的横截面尺寸 ， 依据一维线弹性应力波理论并假 ） 、 ） 即忽略波在试件中的传播 ， 则试件中的平均应力σ 应变ε 和应变率 设试件中的应力和应变均匀 ， ｔ ｔ ｓ（ ｓ（ ［ ８］ ） 可分别表示为 ： ｔ ε ｓ（ ）＝ ｔ σ ｓ（ ）＝ ｔ ε ｓ（ ２ Ｃ ０ ｌ ｓ
９， １ ０］ 。前置金属短杆既是脉冲发生器的一部分又是脉冲滤波器， 杆中产生经机械滤波的拉伸方波脉冲 ［
可有效过滤撞击所引起的高频振荡 ， 使产生的入射脉冲光滑 、 平稳且脉冲的 宽 度 和 幅 值 可 调 （ 通过选择 ， 以实施不同应变率的冲 击 拉 伸 试 验 ； 所谓变截面是指 不同长度和直径的前置金属短杆以及打击速度 ） 入射杆采用变截面设计 ， 以便于采用大直径的前置金属短杆来获得大幅值的入射加载脉冲 ， 从而实施更 高应变率的冲击拉伸试验 。 试验装置的总装示意图如图 ２ 所示 ， 其工作原理是 ： 当气室的 压 力 达 到 预 设 的 压 力 值 时 ， 快速释放
基于 Ｈ ｏ ｋ ｉ ｎ ｓ ｏ ｎ 杆的材料高应变率拉伸实验技术 ｐ
杨鹏飞 ，汪洋 ，夏源明
（ ） 中国科学技术大学 近代力学系 ，中科院材料力学行为和设计重点实验室 ，安徽合肥 ２ ３ ０ ０ ２ ７
＊
） 摘要 ：分离式霍普金森杆 （ 是测试材料在高应变率加载下力学行为的一种 Ｓ ｌ ｉ ｔ Ｈ ｏ ｋ ｉ ｎ ｓ ｏ ｎ Ｂ ａ ｒ ｐ ｐ 有效的实验手段 。 本文基于霍普金森杆测试原理 ， 设计和研制了气 枪 式 变 截 面 间 接 杆 杆 型 高 应 变率拉伸实验装置 。 该装置具有完备的 、 高精度的水平和轴向 基 准 ， 采 用 等 高 的 固 定 支 撑， 保证 了杆 －杆型实验系统具有良好的共轴度 ； 入射 杆与 撞击 套 筒 之 间 设 有 导向 管， 避免了撞击套筒直 接与入射杆接触而产生的相互干 扰 ； 在 导 向 管 内 设 有 支 撑 圈， 以减小入射杆与导向管直接接触 而产生的摩擦 ， 并消除入射杆的径向跳动 ； 采用前置金属短杆来获 得 光 滑 、 平稳且幅值和宽度可 调的拉伸入射加载脉冲 。 对 Ｌ 该高应 变 Ｙ １ ２ Ｃ Ｚ 铝合金在两种应变率下初步的验证性实验表明 ， 率拉伸实验装置的设计是合理的 ， 实验获得的应力 － 应变结果是可靠 、 有效的 。 关键词 ：霍普金森杆 ；高应变率 ；拉伸加载 中图分类号 ： Ｏ ３ ４ ７． ４ 文献标识码 ：Ａ
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第２ ２ ０ １ １年） ６卷 实 验 力 学 （
机构瞬间打开 ， 气室里的压缩空气突然释放 ， 并驱动撞击套筒在枪管内沿导向管向前加速运动 。 撞击套 筒出枪管后进入导向套 ， 共轴撞击撞块 ， 使连接在撞块和粗入射杆之间的前置金属短杆发生弹塑性变形 产生拉伸加载脉冲 。 直至断裂 ，
１ 粗入射杆 ， ２ 前支撑管 ， ３ 导向管 ， ４ 薄壁管 ， ５ 支撑圈 ， ６ 后支撑管 ， ７ 细入射杆 图 ３ 变截面杆杆系统示意图 Ｆ ｉ ． ３ Ｓ ｃ ｈ ｅ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｄ ｉ ａ ｒ ａ ｍ ｏ ｆ ｖ ａ ｒ ｉ ａ ｂ ｌ ｅ ｃ ｒ ｏ ｓ ｓ ｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｂ ａ ｒ ｂ ａ ｒ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ － － ｇ ｇ ｙ ， ， ， ， １ｔ ｈ ｉ ｃ ｋ ｉ ｎ ｕ ｔ ｂ ａ ｒ ２ｆ ｒ ｏ ｎ ｔ ｓ ｕ ｏ ｒ ｔ ｔ ｕ ｂ ｅ ３ｇ ｕ ｉ ｄ ｅ ｔ ｕ ｂ ｅ ４ｔ ｈ ｉ ｎ ｔ ｕ ｂ ｅ ｐ ｐ ｐ ， ， ５ｓ ｕ ｏ ｒ ｔ ｒ ｉ ｎ ６ｒ ｅ ａ ｒ ｓ ｕ ｏ ｒ ｔ ｔ ｕ ｂ ｅ ７ｔ ｈ ｉ ｎ ｉ ｎ ｕ ｔ ｂ ａ ｒ ｐ ｐ ｇ ｐ ｐ ｐ
获得的试件材料在高应变率加载下工程应力 － 工程应变曲线和应变率 － 时 间 曲 线 的 计 算 公 式 ， 也即是 霍普金森拉杆的一维试验原理式 。
２ 气枪式变截面间接杆杆型拉伸试验装置
基于霍普金森杆的高应变率拉伸试验技术的关键是如何产生光 滑 、 平稳且宽度和幅值可调的拉伸 入射方波脉冲 ， 以实现大应变率范围的冲击拉伸试验 ， 为此本文设计了气枪式变截面间接杆杆型高应变 率拉伸试验装置 ， 如图 ２ 所示 。 所谓气枪式是指撞击套筒的打击速度是通过压缩空气的驱动来获得 ， 通 所谓间接杆杆型是指撞块和入射杆不直接相连 ， 而是通 过撞击套筒与撞块的高速撞击来实现拉伸加载 ； 过前置金属短杆相连 。 通过撞击套筒打击撞块使前置金属短杆发生弹 塑 性 变 形 直 至 断 裂 ， 从而在入射
变截面杆杆系统的装配图如图 ３ 所示 。 为了实施高应变率加 载 ， 入射杆和透射杆均选用高屈服强 度的 ６ 而且入射杆采用变截面设计 ， 即入射杆为直径 Φ ０ Ｓ ｉ ２ Ｍ ｎ 弹簧钢 ， １ ６ 的圆杆与直径 Φ １ ２ 的圆杆通 采用螺纹连接以保证拉伸载荷的可靠传递 。 圆 杆 采 用 目 前 最 先 进 的 细 长 杆 过细牙螺纹连接组合而成 ， 外圆磨削一体化加工工艺制备 ， 以保证杆件的表面精度和直线度 。 为消除撞击套筒直 专用的高温淬火 、 接在入射杆上滑动而产生的接触干扰 作 用 ， 在撞击套筒和入射杆之间设计了导向管， 其为精密冷拉钢 管 。 导向管亦为压缩空气提供了密闭空间 ， 可以有效提高撞击套筒的驱动效率 ， 即提高撞击速度 。 为了 减小粗入射杆与导向管之间的摩擦 ， 消 除 入 射 杆 的 径 向 跳 动， 防止入射波波形因摩擦力过大而发生畸 变， 在导向管内设置有多个黄铜材质的支撑圈 ， 其与导向管是过渡配合 ， 与粗入射杆是滑动配合 ， 并由多 粗入射杆之间没有配合关系 。 根薄壁不锈钢管固定其轴向位置 。 薄壁不锈钢管与导向管 、