软材料动态拉伸试验

软材料动态拉伸试验

摘要：因为实验困难，测定软材料动态力学响应一直是项挑战。分体式霍普金森拉杆（shtb ）是一种常用的表征高强度工程材料的设备。不过，当这个标本是软的，设计必要的夹头来保证测量微弱信号传输和标本达到动态平衡是具有挑战性的。在这项工作中，我们修改了shtb 的加载脉冲、力平衡检测系统和试样几何形状。使用这个修改后的设备所取得的成果描述一个软橡胶表明，试样动态应力平衡条件下的变形近恒应变速率。软的动态特性材料的轴向和径向惯性效应经常会面临降到最低。

关键词：分离式霍普金森拉杆 冲击试验 动态平衡 惯性的影响 软质材料

介绍

非生物、机械阻抗低的软质材料已被广泛用作冲击吸收部件，其机械性能，特别是冲击载荷条件下的机械性能，在有效地利用这些之前需要了解材料在汽车、航空航天、交通运输和便携式电子产品中应用。此外，生物组织被列为一类软质材料，因为其具有机械阻抗低的优点。软材料的机械性能，如橡胶和生物组织材料应变率通常是非常敏感的[1，2]。动态响应和高速率下加载材料的破坏行为，如发生碰撞和碰撞射入，跟静态载荷下不同。因此，有必要确定动态等效软质材料，在高速率响应下的行为，优化发展可靠率相关材料模型设计工程元件或人类对高速率的负荷保护系统。

软质材料的动态压缩性能得到了广泛的调查与最近开发可靠的技术实验[1-3]。高速率拉伸行为是这些软质材料的动态响应另一个方面的重要认识。然而，准确地确定所需的动态拉伸实验的挑战进展有限。

霍普金森压杆（SHPB 实验），最初由Kolsky 开发[4]，已被广泛用于研究率依赖压缩流动行为韧性的金属，通常的应变率范围210到4101-S [4]。这种方法一直延伸到用于各个版本的霍普金森拉杆（SHTB ）动态拉伸特性[5-7]。 SHTB 技术常见的工程材料开发，如金属[8，9]、聚合物[10，11]、和复合材料[12，13]中。在一个理想的分离式霍普金森杆实验中，一个几乎恒定的应变率下的试样变形动态平衡单轴应力状态[14]。在任何从远场获得力学性能的实验测量，在近应力分布均

匀；标本是一项基本要求。当标本是由柔软的材料与低机械阻抗的组织，如橡胶或软生物组织，我们正面临着重大的挑战，如在杆的微小信号检测，动态平衡的监测，设计样本均匀变形，夹持试样，产生重复的低幅载荷脉冲。在讨论我们研究的目标后，描述我们用实验方案解决克服这些问题。

软质材料的波速度相比大多数其他工程材料通常很低。建立在标本应力波的传播和反射下，一个平衡在动态应力状态可能无法达到自应力变形[15]。“生产的有效性和实验数据的准确性由霍普金森杆软标本决定，因此必须加以更详细的检查。为实现轴向应力的方法平衡，在柔软的标本动态压缩过程中应变速率恒定已经提出并分析。薄标本通常没有足够的硬度[15]。射入脉冲还必须进行修改，以便在一个软标本中实现动态的应力平衡[3，15，18]。不同于准静态测试，闭环控制系统是用于机器监控和维护所需的测试条件，霍普金森杆实验中没有这样的控制系统。脉冲整形是达到试样所需的试验条件的典型做法。这些修改霍普金森杆技术，已成功确定动态压缩行为软质材料，如橡胶[1，19]，聚合物泡沫[20]，猪皮[21]和肌肉[2]。类似的措施一直延伸到动态拉伸实验玻璃状聚合物[11]。在这项研究中，脉冲整形技术的创建和在恒应变下的加载软标本变形的到达动态应力平衡率。

在霍普金森杆实验，成就动态应力平衡是检查实验的有效性的一个重要的条件。这通常是通过比较传输信号（1波）射入和反射信号之间的差异（2 波）[14]。由于标本很软，它很难从传输信号的测量杆得到一个合理的信号噪声，实现表面应变计比率。这个信号是用来计算在标本上的应力过程。因为只有入射脉冲的一小部分是透过标本的传输栏，所以很难找到入射和反射信号之间的差异。为了有效地检测低幅应力，然后监察动态应力平衡，在软压缩试样两侧安装敏感的力传感器实验[22]。惯性力传感器的影响射入杆侧可能成为这样的实验重大因素。为了纠正这些影响，惯性补偿制度已提出[23]。在这研究中，纠正分析力传感器装配惯性的影响，在细节描述实验设置部分。应当指出的是，当导电材料，如生物组织测试，石英晶体力传感器还需要被电隔离，这也将在后面介绍。

试样的几何成为一个重要的因素在实验设计时，试样是软的。为了满足动态平衡的要求，试样必须薄[3，4，15-17]。这也减少了惯性的影响沿加载轴。为了尽量减少在惯性的影响径向方向，试样必须是空心的[24]。在动态试验中，试样的加速从静止到所需的变形率或速度。泊松比材料夫妇轴向应变加速径向变形。这种惯性诱导径向应力是试样的边缘零增加对标本中心[24，25]。这径向应力产生一个

额外的轴向应力是由记录在霍普金森杆实验的传输信号。虽然这个惯性诱发额外的压力是低振幅（1 - 2MPa），这对机械的叠加在同一个实力的软质材料的反应为了使动态的实验结果非常不可靠的。去除试样的中心部分材料不仅减少多轴向加载材料，但也创造了新的内应力自由边界标本，从而最大限度地减少了径向惯性效应[24]。石英晶体力传感器在杆两端的存在使得有必要修改夹紧软标本的方法。考虑到短期的需要规长度的标本，以达到动态平衡，镂空的几何惯性最小，紧张加载，我们开发出一种新的管状试样粘接/夹紧方法。

由于试样是软的，负载振幅需要执行在较低的实验时，要小应变率。这通常是低的影响前端的速度和使用适当的脉冲塑造者。当惊人的速度非常低，在新一代的低振幅的入射脉冲的一致性实验成为一个相对的问题摩擦力的作用以及管和杆之间的前端，成为射入杆不平衡的影响更为显着。在这项研究中，我们使用了势头导流栏最前端的冲击能量吸收，留下一小部分产生的冲击能量入射脉冲。此外，在阻抗减少联合之间的钢和铝的射入栏部分（图1）进一步限制负荷的幅度在试样上传授的脉冲。这些修改使高得多的前端冲击速度，从而保证重复性实验。

实验装置

I M I a R A A δδ+=112a a a I A c cA R ρρ=

霍普金森拉杆的示意图在这项研究中所使用的显示图1。它由一个动量转移杆，复合射入杆，管状的前端，和传输杆。在25.4毫米直径钢势头导流栏（如图2所示）拥有2,692毫米的长度。 2286毫米长的型钢射入栏，有一个直径19.0毫米1,830 - 毫米长的铝型材有一个直径为12.7mm 。12.7毫米铝传输杆是1830毫米长。钢管前端，这对钢铁部分射入杆，具有相同截面积为钢射入杆和533毫米长。期间实验的势头导流栏对接起来对在射入栏结束的法兰。肾小管前端是由气体枪朝法兰结束射入杆和对法兰的影响。一旦发生撞击，的势头导流栏吸收的影响最由于其较大的截面积的能量。使用理想化1D 弹性波动力学的原理如图。 2，压力的I δ，诱发射入杆，射入前端在初始速度的影响为0V ，

(1)

其中，ρ和c 分别为密度和钢材料的波动传播速度，0V 是管状尖端的速度，I A 和M A 横截面的面积。通过以上的介绍，使用导流

杆时传输杆的应力水平是不用导流杆时的%53。由于传输杆的拉伸脉冲传播速度比钢铝连接点快，通过一维弹性波原理估计铝部分应力为A σ：

(2)

其中a A 是铝型材的横截面面积， 是钢铁和铝的射入杆部分 M I I I A A A cV +=20ρ

δ