霍普金森杆实验技术经验简介

霍普金森杆实验技术简介
1．材料动态力学性能实验简史
在各类工程技术、军事技术和科学研究等广泛领域的一系列实际问题中，甚至就在日常生活中，人们都会遇到各种各样的爆炸/冲击载荷问题，并且可以观察到，物体在爆炸/冲击载荷下的力学响应往往与静载荷下的有显着不同。

了解材料在冲击加载条件下的力学响应必将大大有助于这些材料的工程应用和工程设计。

此外，数值模拟已在工程设计中发挥着重要作用，而进行数值模拟的
ns）
量
，即比
应变率的提高，材料的屈服极限提高，强度极限提高，延伸率降低，以及屈服滞后和断裂滞后等现象变得明显起来等等。

因此，除了上述的介质质点的惯性作用外，物体在爆炸/冲击载荷下力学响应之所以不同于静载荷下的另一个重要原因，是材料本身在高应变率下的动态力学性能与静态力学性能的不同，即由于材料本构关系对应变率的相关性。

从热力学的角度来说，静态下的应力-应变过程接近于等温过程，相应的应力应变曲线可近似视为等温曲线；而高应变率下的动态应力-应变过程则接近于绝热过程，因而是一个伴有温度变化的热-力学耦合过程，相应的应力应变曲线可近似视为绝热曲线。

这样，如果将一个结构物在爆炸/冲击载荷下的动态响应与静态响应相区别的话，则实际上既包含了介质质点的惯性效应，也包含着材料本构关系的应变率效应。

然而从19世纪开始人们才逐步认识到了材料在动载下的力学性能与其在静载下的力学性能不同。

ThomasYoung是分析弹性冲击效应的先驱，他(1807)提出了弹性波的概念，指出杆受轴向冲击力以及梁受横向冲击力时可从能量进行分析而得出定量的结果。

J.Hopkinson1872完成了第一个动态演示实验（如图1所示），铁丝受冲击而被拉断的位置不是冲击端A，而是固定端B；并且冲击拉断的控制因素是落重的高度，即取决于撞击速度，而与落重质量的大小基本无关。

Pochhammer,1876;Chree,1886Rayleigh,Lord1887分别研究了一维杆中的横向惯性运动。

1897年Dunn设计了第一台高应变率试验。

1914年,B.Hopkinson想出了一个巧妙的方法，用以测定和研究炸药爆炸或子弹射击杆端时的压力～时间关系。

所采用的装置被称为Hopkinson压杆（PressureBar），有时缩写为HPB。

二战之前，很少有人研究动态压缩加载问题，只是G..I.Taylor在三十年代末想出了一个方法来测量材料的动态压缩强度。

Taylor方法主要是假设材料是刚性——理想塑性，运用一维波传播的基本概念，用一个圆柱撞击刚性靶，然后测出其变形，最后得到材料动态压缩屈服应力。

1948
称
50
2
2.1
图1
（丝）2.2
1905
长，通过多次试验就可以准确确定铁丝的伸长量。

这个试验为后来的霍普金森压杆的研制奠定了基础。

1914年，B.Hopkinson完成了霍普金森压杆的实验设计，并用以测定和研究了炸药爆炸或子弹射击杆端时的压力～时间关系。

Hopkinson观察到“如果用来复枪（rifle）发射一子弹撞击一圆柱形钢杆的端部，则在撞击期间，有一确定的压力作用在杆的端部，形成一个压力脉冲。

这个撞击引起的压力脉冲沿着杆传播，在自由端发生反射产生一个拉伸脉冲。

”他还指出如何用一与压杆（主杆）材料相同，直径相同的短杆捕捉入射波的动量，而飞离主杆。

如图2所示，飞片（短杆）的动量由弹道摆测得，而留在杆内的动量则可由杆的摆动振幅来确定。

显然，当飞片长（厚度）度等于或大于压力脉冲长度的一半时，压力脉冲的动量将全部陷入飞片中，从而当飞片飞离时，杆将保持静止。

因此，变化飞片的长度，求得其飞离时而杆能保持静止的最小长度l0，就可求得压力脉冲的长度?=2l0，或压力脉冲的持续时间?=?/C0=2l0/C0。

这种测量压力脉冲的方式迅速在一战中得到了广泛的应用。

2.31948年Davies在霍普金森压杆压力波形检测与分析方面的杰出工作
在霍普金森压杆发明后三十多年中，这项实验技术并没有得到更多的关注。

直到1948年Davies
首次用平行板电容器和圆柱形电容器测量压杆的轴向位移和径向位移（图3所示），这项实验技术才又取得了关键性进展。

除了测量压杆的轴向和径向位移之外，Davies还首次详尽讨论了霍普金森压杆的一些局限性，如弥散问题。

另外原始的霍普金森压杆还存在两个主要缺陷：（1）压杆与飞片之间的粘附力的存在限制了对最小压力值的精确测量；（2）无法得到压力时间曲线（历史）。

Davies指出杆端的质点速度和位移之间的关系，通过测量位移时间关系，可发计算出杆中的压力时间关系。

Davies强调了几个重要的问题：（1）杆材料是均匀的，杆中所受应力均不超过材料的比例极限；（2）杆的直径是均匀的；（3）撞击端可以被一短的硬的砧垫保护；（4）少许油脂粘住砧垫；（5）所用杆长范围为2至22英尺；（6）通常情况下杆直径为0.5~1.5英寸。

（7）杆中纵波
2.4
1949
（
Davies
1）E
自
3．分离式霍普金森杆特点及基本原理
特点：如前所述，结构物在爆炸/冲击载荷下的动态响应与静态响应的区别实际上包含了介质质点的惯性效应（波传播）和材料本构关系的应变率效应。

研究材料在高就变率下的动态力学行为时，与研究材料在准静态力学行为时不同，一般必须计及这最基本的两类效应。

问题的核心在于如何区分这两类效应，因为就材料的动态力学行为研究本身而言，研究的目的只是材料的应变率效应。

然而，这两类效应恰好常常相互联系，相互影响，相互耦合，从而使问题变得十分复杂。

事实上，一方面，在应力波传播的分析中，材料动态本构方程（材料动态力学行为）是建立整个问题基本控制方程组所不可缺少的组成部分;换言之，波传播的研究是以材料动态本构关系已知为前提的;而另一方面，在进行材料高应变率下动态本构关系试验研究时，一般又必须计及试验装置和试件中的应力波传播及相互作用，换言之，在材料动态响应研究中又要依靠所试验材料中应力波传播的知识来分析。

人们就遇到了“狗咬尾巴”或者“先
有鸡还是先有蛋”的怪圈。

解决这个问题的核心思想之一是设法将应力波效应和应变率效应解耦。

霍普金森杆实验技术就是这个思想。

在霍普金森杆装置中，子弹（撞击杆）、输入杆（入射杆）、输出杆（透射杆）均要求处于弹性状态，且一般要求具有相同的直径和材质，即弹性模量E，波速C0和波阻抗ρ0C0均相同。

这种技术巧妙地解决了这个“狗咬尾巴”的问题。

一方面，对于同时起到冲击加载和动态测量双重作用的入射杆和透射杆，由于始终处于弹性状态，允许忽略应变率效应而只计及应力波传播;并且只要杆径小得足以忽略横向惯性效应，就可用一维波理论来分析。

另一方面，对于夹在两杆之间的试件，由于长度足够短，使得应力波在试件两端间传播所需时间与加载总历时相比小得足以把试件视为处于均匀变形状态，从而允许忽略试件中的应力波效应，只计及应变率效应。

这样这两个效应就解耦了。

对于试件而言，就相当于高应变率下的“准静态”试验，对于杆而言，
图5
(由测
图6
；1
面上的轴向应变。

2）试件中的应力和应变均处于均匀状态。

此外，为保证得到有效的应力—应变数据，还应该使试件中的应变随时间线性变化，即试件的变形是在恒应变率的条件下进行的。

由上述公式可得到试件材料在某一应变率下的应力-应变曲线。

4.分离式霍普金森杆实验主要技术点
4.1试件中的动态应力均匀性问题
试件中的应力（应变）均匀是分离式霍普金森杆实验技术的基本假设之一。

应力（应变）均匀化受诸多因素影响。

主要包括试件与杆件的波阻抗之比；试件的厚度；加载脉冲的形状。

一般认为：应力波（脉冲）至少应在试件中传4个来回以后，试件中的应力基本要认为是均匀的，而相应所需的时间则由试件长度和试件材料的波速确定。

只有在试件中达到应力均匀后，相应的数据才是
有效的。

因此，为了尽快地达到应力平衡，得到有效的实验结果，减小试件的厚度是必要的。

但是，试件的厚度不可无限制地减小，否则由于试件端面摩擦效应等的影响将使试件中的应力状态大大偏离一维应力假定。

此外，还有一些外在因素限制了试件尺寸不能无限减小，例如，泡沫塑料材料中泡孔尺寸的限制，生物材料中细胞尺寸的限制，以及混凝土材料中骨料尺寸的限制等。

此外，如果仅仅减小试件的厚度，而不控制加载率也是难以达到应力均匀的。

4.2一维应力及几何弥散问题
霍普金森压村实验技术的基本理论是一维应力波理论。

要保证一维假设成立就要求：
（1）杆材均匀各向同性，这可以通过合理选材可以达到。

（2）在整个长度上，横截面均匀，轴线无明显弯曲。

这可以通过无心磨加工做到。

（3
（4
件。

（5
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a 4.3
时间内以恒应变率变形。

4.4试验精度问题
霍普金杆的试验精度是值得我们关心的问题，对于破坏变形很小的材料，精度就显得尤为重要，这主要受子弹、杆系的同轴度、直线度、断面平行度和垂直度的影响。

我们经过多年的努力，已基本上较好的解决了上述四个问题。

特别是采用高精度导轨和中心滚动支承系统，使全霍普金杆系统具有统一基准，较好地解决了试验精度问题，并使试验显得更为方便易行。

5.霍普金森拉杆
材料的动态力学性能的研究愈来愈引起人们的重视。

为了这种研究,百年来人们相继提出了一系列专用于测试材料动态力学性能的冲击加载装置,其中分离式霍普金森（Hopkinson）压杆(SHPB)因其结构简单，运行成本低廉获得了广泛的应用。

诸多学者利用其研究了多种材料（金属、非金属、岩石、陶瓷、混凝土等）在单向压缩情况下的动态力学性能。

但是，随着拉压性能不对称材料的
广泛使用，研究材料动态拉伸性能的需求不断增加，人们开始着手研制类似于霍普金森压杆的动态拉伸装置。

六十年代以来,曾有不少学者做过这方面的研究。

其中块-杆型和间接式杆－杆型装置是典型动态拉伸装置，(如图１、２所示)它包括摆锤式和旋转圆盘式，中国科大冲击拉伸实验室拥有类似设备。

它们是通过安装在摆锤端部或旋转圆盘边缘的钳状打击块，瞬时打击杆端的突出部位（法兰盘）形成在杆中传播的拉伸脉冲。

图6所示装置能获得很高的应变率，但入射脉冲不平稳，不能得到应力－应变曲线，无法进行高低温的冲击拉伸试验。

图7所示装置克服了上述缺点，并且增加了波形整形功能。

但是无论采用摆锤还是旋转圆盘都因其结构复杂、加工精度高，造价高,不利于推广。

因此人们希望通过对已有的SHPB装置进行适当改造，从而研制出简单的动态拉伸装置
也在６０年代,Harding等人研制了套管式霍普金森拉杆装置,它是利用拉杆外面的套管传播套管子
由于
,随6.附图
图8。