ANSYSLS-DYNA数值模拟霍普金森压杆试验资料
霍普金森压杆试验-sillyoranger解析
简述“霍普金斯”杆测量材料动态应力应变曲线的原理；选用一种大型软件对其进行计算模拟，并对模拟结果进行分析。
答：选用ABAQUS大型有限元软件一、“霍普金斯”压杆理论：Hopkinson压杆技术源于1914年B．Hopkinson测试压力脉冲的试验工作，后来R．M．Davies对它进行了改进。
1949年，H．Kolsky在这些基础上建立了进行材料单轴动态压缩性能试验的试验方法，测试了高应变率下金属材料的力学性能，这个方法称为分离式Hopkinson压杆(或Kolsky杆)技术。
其原理是将试样夹持于两个细长弹性杆(入射杆与透射杆)之间，由圆柱形子弹以一定的速度撞击入射弹性杆的另一端，产生压应力脉冲并沿着入射弹性杆向试样方向传播。
当应力波传到入射杆与试样的界面时，一部分反射回入射杆，另一部分对试样加载并传向透射杆，通过贴在入射杆与透射杆上的应变片可记录入射脉冲，反射脉冲及透射脉冲，由一维应力波理论可以确定试样上的应力、应变率、应变随时间的变化，以及应力、应变曲线。
5O多年来，此技术广泛用在高变形速率下材料力学性能的测试。
研究人员也对Hopkinson压杆试验方法进行了系统深入的研究，使该技术不断地改善和发展。
J．Harding 等在1960年将用于单轴压缩试验的Hopkinson压杆推广到了单轴拉伸试验，在此基础上，1983年又提出至今被广泛使用的Hopkinson拉杆试验方法。
W．E．Backer等、J．D．Campbell 等、J．Dully等又提出了Hopkinson扭杆技术，可对于试样施加高应变速率的纯扭转载荷。
为提高试验精度，前人在应力波的弥散效应、三维效应、应力波分离、试样中的瞬态平衡对试验结果的影响等方面做了大量工作。
分离式Hopkinson压杆实验的示意图如下：图8-1 分离式Hopkinson压杆示意图上图表示了压杆、试件和测试仪器等的位置安排。
压杆由高强度合金钢制成。
压杆与试件的接触面需要加工得很平并且保持平行。
霍普金森压杆实验中的脉冲整形技术——笔记
霍普金森压杆实验中的脉冲整形技术——笔记1、霍普金森压杆实验中的一些问题的现状:关于霍普金森压杆技术有效性的讨论过去主要集中试件的尺寸效应，波在杆中的二维弥散修正等。
实验过程中试件是否处于应力均匀状态以及试件是否以恒应变率变形这两个问题上所给予的关注并不多，或者说还没有找到一个非常可行的方法来解决这两个问题。
2、常规霍普金森压杆技术所遇到的问题：要得到有效并精确的数据，下列霍普金森压杆的假设必须得到满足：1）压杆中的波传播必须是平面一维的，因为应变片所测得的杆的表面应变通常代表压杆整个横截面上的轴向应变。
2）试件中的应力和应变均处于均匀状态3）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变化的历史也是均匀的，即试件的变形是在恒应变率的条件下进行的。
所对应的问题：1）二维波动效应(或称为波的弥散效应)2）在高应变率霍普金森压杆实验中，加载的上升时间在10μs左右，高速撞击将导致明显的应力波传播效应（纵向惯性效应），低应变率下的试件中应力均匀性的结论不再成立，因而这时的试件也不可能处于实际的应力均匀状态3）在常规霍普金森压杆实验中，子弹的撞击在入射杆中产生一个梯形的入射脉冲。
由于试件横截面的增加和试件材料的硬化，应变率则会随时间减小以致于不能在整个实验中保持为一恒定值3、常规霍普金森压杆对不同材料测试时存在的主要问题：3.1金属类材料：因为金属的弹性行为发生在非常小的变形下，在这样的小变形下，要得到精确的实验数据，因弥散效应引起的波的振荡问题和试件中应力均匀性是必须要考虑的敏感问题。
3.2脆性材料：首先，在霍普金森压杆实验中必须保持脆性材料试件两个端面严格平行以增加实验数据的精度，因为试件端面的不平行或不平整都可能导致局部失效和应变测量的不精确。
其次，常规霍普金森压杆实验中陡峭的梯形脉冲也导致脆性试件在小变形下的严重应力不均匀。
此外，经典的梯形入射脉冲还会导致脆性材料试件非恒应变率变形。
霍普金森压杆实验流程
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基于霍普金森压杆系统的动态压痕实验
基于霍普金森压杆系统的动态压痕实验张新;候兵;李玉龙【摘要】设计了基于分离式Hopkinson压杆系统(SHPB)的动态压痕实验装置,使其能够获得动态压痕实验中试样的压痕位移和所受冲击载荷的实验数据,从而得到一种新的材料动态性能测试技术.对3种不同的材料进行了动态压痕实验,得到了材料的动态硬度和率敏感性等动态性能,与采用其他实验技术所测得的性能数据具有很好的一致性,并实现了利用动态压痕的方法获取材料的动态性能.%A new technology for testing dynamic properties of materials was proposed by developing an experimental setup based on a split-Hopkinson pressure bar system. The experimental setup can be used in dynamic indentation experiments to obtain the indentation displacements of materials and the impact load suffered by them. To validate the experimental setup, the ABAQUS/Explicit FE code was used to numerically simulate dynamic indentation experiments. Dynamic indentation experiments were conducted on aluminum alloy LY12, pure titanium and oxygen-free copper. The dynamic properties such as dynamic hardness and rate sensitivity were obtained for these three kinds of materials. The dynamic properties obtained by dynamic indentation experiments are consistent with those by other experimental methods.【期刊名称】《爆炸与冲击》【年(卷),期】2011(031)003【总页数】7页(P256-262)【关键词】固体力学;动态硬度;压痕;SHPB;率敏感性【作者】张新;候兵;李玉龙【作者单位】西北工业大学航空学院,陕西西安710072;西北工业大学航空学院,陕西西安710072;西北工业大学航空学院,陕西西安710072【正文语种】中文【中图分类】O347压痕硬度实验是一种应用广泛的材料性能测试技术，主要思想是强制压迫“较硬”的压头进入“较软”材料的表面，通过记录压入过程中载荷和压痕深度的关系曲线，研究材料抵抗外物侵入的能力，即材料硬度［1］。
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。
子弹长度对SHPB测试影响的ANSYS有限元模拟
1、引言
在航空、航天、汽车、运输、包装及其它军事和民用领域中，工程材料可能遇到象爆炸、 高速碰撞这样的冲击加载情况。 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 模拟的前提是必须首先建立一个基于材料在各种应变率下 （尤其是在动态应变率下） 的精确 应力－应变曲线基础上的本构模型。 所以， 获得一套材料在高应变率下的应力—应变曲线则 成为首要任务。尽管人们已经研制了多种动态实验技术，但是，与准静态实验相比，进行有 效并准确的高应变率下的动态实验依然是一个很大的挑战。 因此， 为得到有效并准确的材料 的应变率相关的应力—应变曲线，研制高效的、精确的高应变率实验装置是非常重要的。 自1949年，Kolsky[1]发明分离式霍普金森压杆（SHPB）以来，它已被普遍认为是测试 多种材料，例如金属[2]、陶瓷[3]、岩石[4]、混凝土[5]、复合材料[6]、橡胶[7]等在高应变率 下力学响应的一种行之有效的实验手段。 分离式霍普金森压杆技术可以获得材料在102－104 1/s应变率范围内的应力－应变曲线。然而，为了获得有效的、精确的实验数据，霍普金森 压杆实验中的一些问题依然需要引起足够的重视。
从上述公式可以看出，高应变率下材料的应力应变关系受诸多因素影响。本文着重讨 论波形整形器尺寸对SHPB测试材料动态应力应变关系的影响，波形整形器材料为黄铜，选 择黄铜的直径为10mm,厚度分别1mm,1.5mm,2mm； 黄铜的厚度为1mm,直径为5mm 和 借助三维非线性动力分析软件ANSYS LS-DYNA详细模拟SHPB 15mm冲击速度均为15 m/s ， 实验过程，与实验结果进行对比，验证了有限元模型的正确性，并给出波形整性器对实践应 力应变曲线的影响规律。
霍普金森压杆实验报告
(Байду номын сангаас)
νⅠ = ν2 = ν i +ν r = −c(ε i − ε r )
′ = ν t = −cε t νⅡ = ν 2
(t= ε )
νⅡ −νⅠ
l0 c l0
=
t
c (ε i − ε r − ε t ) l0 − ε r − ε t )dt
ε= (t )
∫ (ε
0
i
(2)
由 (1) 、 (2) 式进而可得试件材料的应力应变关系。根据均匀假定，可得
1. 霍普金森压杆(SHPB)实验装置、基本原理及用途
1.1 实验装置及用途
如图 1 所示为 SHPB 的实验装置及数据采集处理系统：
图 1 SHPB 实验装置
SHPB 装置主要由三部分组成：压杆系统、测量系统以及数据采集与处理系 统。其中压杆系统是由撞击杆、入射杆、透射杆和吸收杆四部分组成。撞击杆也 称之为子弹， 一般来说压杆所采用的截面尺寸及材料均相同，因此子弹的长度就 决定了入射应力脉冲的宽度λ，一般取λ=2L（L 为子弹的长度） ，吸收杆主要是 用来吸收来自透射杆的动能， 以削弱二次波加载效应，为保证获得完整的入射及 反射波形， 入射杆的长度一般要大于子弹长度的两倍，所有压杆的直径应远小于 入射应力脉冲的波长，以忽略杆中的惯性效应影响。 测量系统可以分为两个部分，一个是撞击杆速度的测量系统，另一个是压杆 上传感器测量系统。对撞击杆速度的测量常采用激光测速法，如图 1 所示，在发 射管与入射杆之间装有一个平行光源，用来发射与接收激光信号，两个光源之间 的间距是可测的， 当子弹经过平行光源时，会遮挡住光信号而产生一定宽度的脉 冲信号， 据此可测出子弹通过平行光源的时间即可求出子弹的撞击速度。压杆传 感器测量系统则是在压杆相应位置处粘贴电阻应变片， 并将应变片经电桥连接至 超动态应变测试仪上，据此即可测出压杆中的应变。 数据采集和处理系统主要由 TDS5054B 数字示波器，CS—1D 超动态电阻应 变仪，TDS2000B 波形存储器，以及微机等组成。其作用是完成对信号的采集、 处理和显示。
霍普金森压杆实验报告
1.1 实验装置及用途
如图 1 所示为 SHPB 的实验装置及数据采集处理系统：
图 1 SHPB 实验装置
SHPB 装置主要由三部分组成：压杆系统、测量系统以及数据采集与处理系 统。其中压杆系统是由撞击杆、入射杆、透射杆和吸收杆四部分组成。撞击杆也 称之为子弹， 一般来说压杆所采用的截面尺寸及材料均相同，因此子弹的长度就 决定了入射应力脉冲的宽度λ，一般取λ=2L（L 为子弹的长度） ，吸收杆主要是 用来吸收来自透射杆的动能， 以削弱二次波加载效应，为保证获得完整的入射及 反射波形， 入射杆的长度一般要大于子弹长度的两倍，所有压杆的直径应远小于 入射应力脉冲的波长，以忽略杆中的惯性效应影响。 测量系统可以分为两个部分，一个是撞击杆速度的测量系统，另一个是压杆 上传感器测量系统。对撞击杆速度的测量常采用激光测速法，如图 1 所示，在发 射管与入射杆之间装有一个平行光源，用来发射与接收激光信号，两个光源之间 的间距是可测的， 当子弹经过平行光源时，会遮挡住光信号而产生一定宽度的脉 冲信号， 据此可测出子弹通过平行光源的时间即可求出子弹的撞击速度。压杆传 感器测量系统则是在压杆相应位置处粘贴电阻应变片， 并将应变片经电桥连接至 超动态应变测试仪上，据此即可测出压杆中的应变。 数据采集和处理系统主要由 TDS5054B 数字示波器，CS—1D 超动态电阻应 变仪，TDS2000B 波形存储器，以及微机等组成。其作用是完成对信号的采集、 处理和显示。
图 6 透射波波形
万试屋 – 材料测试仪器方法资源小站/test_house
2.5 试件应力-应变曲线
工程应力曲线：
图 7 试样的工程应力曲线
工程应变曲线：
图 8 试样的工程应变曲线
混凝土类材料霍普金森压杆实验若干问题研究_方秦
凝土类材料 SHPB 实验中存在的若干问题(端面摩擦、骨料、惯性效应、温度)的研究进展；通过对混凝土 SHPB 实验的精细化数值模拟，深入分析惯性效应产生机理，提出材料的塑性流动引起的横向加速度是产生围压的关键 原因，围压波在试件中心的反射和边缘的卸载形成试件中围压从中心向四周逐渐减小的抛物线型分布；利用本文 所提的 SHPB 实验惯性效应产生机理，较好地解释了 SHPB 实验的尺寸和主动围压的影响规律；基于自主研制的 可进行围压和温度共同加载的 SHPB 实验装置 TSCPT-SHPB， 对在 5～25MPa 围压作用下以及在 40℃～80℃温度 下盐岩动态力学性能进行实验研究，结果表明，高围压下应变率效应不如低围压下显著，温度越高，强度越低； 建立了考虑粗骨料随机分布的三维混凝土细观模型，对混凝土各细观组分对动态效应影响进行研究，结果表明， 各组分材料静态强度越高，混凝土动态强度也越高；在相同粒径条件下，体积率越高，混凝土动态强度也越高； 而相同骨料体积含量条件下，骨料越大，混凝土动态强度越低。 关键词：混凝土类材料；霍普金森压杆实验；数值模拟；惯性效应；围压；温度；三维细观模型 中图分类号：O347.4 文献标识码：A
其中大型通用有限元软件abaqus凭借其十分丰富的单元库和材料库可以模拟大多数实际工程材料和结构可以解决从相对简单的线性分析到极富挑战性的非线性模拟等各种问题由此得到广泛应用45许多学者都通过数值模拟对shpb实验进行了研究早在1975年bertholf和karnes46就利用二维有限差分法对shpb实验进行数值模拟在三种长径比以及不同的端面摩擦条件下分析shpb实验中惯性效应和端面摩擦效应的影响大小发现端面摩擦对结果影响较大
[6]
、液压伺服实验 和分离式霍普金森压 [19,24] 杆实验 等对混凝土类材料动态性能进行研究，得到混凝土动态强度放大因子(DIF)与应变率的关系。 欧洲国际混凝土委员会规范(FIP-CEB) 借鉴 Bischoff 和 Perry 的工作，给出了受压和受拉条件下的 DIF 与
ANSYSLS-DYNA中的数值模拟方法
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有了上述的三种方法后， 在20世纪七八十年代，主 要由美国开发出了大批具 有影响力的计算机程序， 从离散方法上分类有： 有限差分法（FDM） 有限元法（FEM） 有限体积法（FVM） 从坐标类型上大体分为： 拉 格 朗 日 型 （LAGRANGE） 欧拉型（EULER）
2012/4/27
5
1988年J.O.Hallquist创建LSTC公司，推 出LS-DYNA程序系列，主要包括显式LSDYNA2D/3D、 隐式LS-NIKE2D/3D、 热 分 析 LS-TOPAZ2D/3D 、 前 后 处 理 LSMAZE等商用程序。后几年时间中LSTC 进一步推出 930 版（1993 年）、 936 版 （1994年）
2012/4/27
6
1996 年 LSTC 与 ANSYS 公 司 合 作 推 出 ANSYS/LS-DYNA。 （推出前PC版的前 后处理采用ETA公司的FEMB，新开发的 后处理器为LS-POST。） 1997 年 LSTC 公 司 将 LS-DYNA2D/3D 、 LS-TOPAZ2D/3D等程序合成一个软件包， 称为LS-DYNA（940版）。 1999年推出950版，2001年5月推出960 版，2003年3月正式发布970版
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有限差分法
先 建 立微 分 方 程 组 （控 制 方 程），然后用网格覆盖空间域 和时间域，用差分近似替代控 制方程中的微分，进行近似的 数值解，其在流体力学和爆炸 力学中得到广泛的应用。
2012/4/27
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有限体积法 在物理空间将偏微分方程转化为积分形 式，然后在物理空间中选定的控制体积 上把积分形式守恒定律直接离散的一类 数值方法，适用于任意复杂的几何形状 的求解区域，是在吸收了有限元方法中 函数的分片近似的思想，以及有限差分 法的一些思想发展起来的高精度算法， 目前已在复杂区域的高速流体动力学数 值模拟中得到广泛应用。
自由式霍普金森杆测量火工品过载加速度的数值模拟
( 1)
∫ x !x dV + ∫ !x ∫ f !x d V -∫ t !x ds = 0
!∀ =
i V i i V ij V i b i i
1
i, j
dV ( 9)
该解满足边界条件: 在外面力边界 b1 , 面力边界条件 ij ni = ti ( t) ; 在位移 约束边界
+ b 2 上, 位移边界条件 x i ( X a, t ) = D i ( t ) ; 当 x i
材料 硬铝杆 ( 子弹 ) 钨钢杆 ( 子弹 ) 火工品 组件 密度 / kg ・ m - 3 2785 7678 2745 杨 氏模量 E / Pa 7. 16 × 10 10 1. 95 × 10 11 5. 66 × 10 10 泊松比 # 状态
较
[ 10]
。
0. 30 线弹性 0. 29 线弹性 0. 30 线弹性 图 3 子弹以 v = 5. 7m ・ s - 1 速度 撞击时 , 火工品组件上 的加载系数 时间 响应历程仿真与实验比较
1 引言 有人形象地将“ 电引火元件” 比作雷管的 发动机, 其一旦出问题就会严重影响雷管的 质量, 特别是对其爆炸性能 , 如会造成雷管半 爆、 速爆、 拒爆。 在串联试验时会造成丢炮, 在 秒量测试中会造成秒量精度下降甚至超限不 合格等。 2 刚性电引火元件的作用机理与结构 2. 1 作用机理 电引火元件也称电引火或电发火装置。 作为一切电雷管的共同点火部分 , 其作用机 理是将初始电能转化为热能, 从而点燃易发 ( 5) 铝质自由式霍普金森压杆可测试火 工品 5×10 g ～15 ×10 g 的加载系数 ; 钢质自 由式霍普金森压杆可测试火工品 7× 104 g ～ 25 ×104 g 的加载系数。 参 考 文 献
分离式霍普金森压杆实验数据处理程序设计及编制
分离式霍普金森压杆实验数据处理程序设计及编制
臧小为
【期刊名称】《仪器仪表标准化与计量》
【年(卷),期】2018(0)5
【摘要】分离式霍普金森压杆(SHPB)属于材料动态力学领域的基本实验装置,为了提高试验效率和精度,实验数据需要借助计算机处理.由于SHPB装置的多样性和待测试件的差异性,目前为止SHPB数据处理相关算法尚未统一,暂无标准化的商业处理软件.本文采用弥散修正、对齐三波波形等算法,采用VC++语言编写可视化的数据处理程序.本程序可快速分离已往在实验室需要人工分离的入射波,反射波和透射波.结果表明:程序中采用的弥散修正、对齐三波波形等算法稳健、可靠,运用该程序进行数据处理操作方便,计算结果准确.
【总页数】4页(P45-48)
【作者】臧小为
【作者单位】南京工业大学安全科学与工程学院,南京市211816
【正文语种】中文
【相关文献】
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2.粘度法实验数据处理程序设计 [J], 公茂利;林秀玲;彭放
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5.电化学实验数据处理中可逆性判定的程序设计 [J], 张凤;岳群峰;林惠明;张旭
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霍普金森杆试验报告
11—超动态应变仪 12—波形存贮器 13—数据处理系统霍普金森压杆 (SHPB) 试验报告一、 SHPB 试验目的及用途1、了解霍普金森压杆 (SHPB) 测试的试验原理， 掌握试验的 基本操作步骤；2、霍普金森压杆 (SHPB) 测试技术主要用来测试材料在高应 变率下的力学性能。
此试验主要通过霍普金森压杆 (SHPB) 测试 技术，来测试泡沫铝 (37mm ×21mm) 的力学性能， 获取应力 -应变 曲线。
二、 SHPB 试验装置及其示意图1 —发射气枪 2—撞击杆 3 —激光发射器 4—激光接收器 5 —电阻应变片 6—入射杆7—试件8—透射杆9—吸收杆10—缓冲装置三、试验原理1、三种波形的获取过程通过发射气枪作用，赋予撞击杆一定的初速度，此初速度可以由激光发射器和接收器测出间隔时间，然后计算得出。
撞击杆以此速度撞击入射杆，输入入射波脉冲，随着入射波的传播，在试件表面产生反射和穿透。
入射、反射、透射脉冲均可以通过电阻应变片测出，进而通过超动态应变仪传递到波形存贮器进行保存三种波形，从而利用入射、反射和透射脉冲来推导出试件中的应力、应变和应变率。
2、应力应变曲线获取的原理利用这些脉冲信号来获得材料在高应变率下的应力-应变曲线原理如下：1 2上图是SHPB 系统加载过程的示意图，I、R、T分别表示的是应变片测量到的入射、反射和透射信号。
1、2 分别是试件的两个端面，A S是试件的横截面积，L是试件的长度，A和E 分别是压杆的横截面积和弹性模量。
根据一维应力波理论，试件的两个端面的位移u1和u2可分别表示为(7)(8)tu 1 0C 0 1d t(1) tu 2 0C 0 2d t(2)式中， 1、 2分别是试件两个端面的应变， C 0是压杆的弹性 波速。
由于入射波到达杆与试样接触端是立刻会有反射波产生， 因此入射杆与试件接触面上的应变 1既包括了向右传播的应变脉冲 I，又包括向左传播的反射应变脉冲即：(3)因此界面 1 上的位移 u 1就可以表示为：而界面 2 处的位移 u 2只与透射脉冲 T有关，故有：5)这里的应变均是压应变。
霍普金森杆试验报告
霍普金森压杆(SHPB)试验报告一、SHPB试验目的及用途1、了解霍普金森压杆(SHPB)测试的试验原理，掌握试验的基本操作步骤；2、霍普金森压杆(SHPB)测试技术主要用来测试材料在高应变率下的力学性能。
此试验主要通过霍普金森压杆(SHPB)测试技术，来测试泡沫铝(37mm×21mm)的力学性能，获取应力-应变曲线。
二、SHPB试验装置及其示意图1—发射气枪2—撞击杆3—激光发射器4—激光接收器5—电阻应变片6—入射杆7—试件8—透射杆9—吸收杆10—缓冲装置11—超动态应变仪12—波形存贮器13—数据处理系统三、试验原理1、三种波形的获取过程通过发射气枪作用，赋予撞击杆一定的初速度，此初速度可以由激光发射器和接收器测出间隔时间，然后计算得出。
撞击杆以此速度撞击入射杆，输入入射波脉冲，随着入射波的传播，在试件表面产生反射和穿透。
入射、反射、透射脉冲均可以通过电阻应变片测出，进而通过超动态应变仪传递到波形存贮器进行保存三种波形，从而利用入射、反射和透射脉冲来推导出试件中的应力、应变和应变率。
2、应力应变曲线获取的原理利用这些脉冲信号来获得材料在高应变率下的应力-应变曲线原理如下：图SHPB系统加载示意图上图是SHPB系统加载过程的示意图，Iε、Rε、Tε分别表示的是应变片测量到的入射、反射和透射信号。
1、2分别是试件的两个端面，S A是试件的横截面积，L是试件的长度，A和E分别是压杆的横截面积和弹性模量。
根据一维应力波理论，试件的两个端面的位移1u和2u可分别表示为1010t u C dt ε=⎰ (1) 2020tu C dt ε=⎰ (2)式中，1ε、2ε分别是试件两个端面的应变，0C 是压杆的弹性波速。
由于入射波到达杆与试样接触端是立刻会有反射波产生，因此入射杆与试件接触面上的应变1ε既包括了向右传播的应变脉冲I ε，又包括向左传播的反射应变脉冲R ε，即：1I R εεε=+ (3)因此界面1上的位移1u 就可以表示为：100()t I R u C dt εε=-⎰ (4)而界面2处的位移2u 只与透射脉冲T ε有关，故有：200t T u C dt ε=⎰ （5）这里的应变均是压应变。
霍普金森杆实验技术简介
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著不同。
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，而进行数值模拟的前提是必须首先建立一个基于材料在各种应变率下（尤其是在动态应变率下）的精确应力－应变曲线基础上的本构模型。
所以，获得一套材料在高应变率下的应力—应变曲线则成为首要任务。
尽管人们已经研制了多种动态实验技术，但是，与准静态实验相比，进行有效并准确的高应变率下的动态实验依然是一个很大的挑战。
因此，为得到有效并准确的材料的应变率相关的应力—应变曲线，研制高效的、精确的高应变率实验装置是非常重要的。
首先，人们知道，固体力学的静力学理论所研究的是处于静力平衡状态下的固体介质，以忽略介质微元体的惯性作用为前提。
这只是在载荷强度随时间不发生显著变化的时候，才是允许和正确的。
而爆炸/冲击裁荷以载荷作用的短历时为其特征，在以毫秒（ms）、微秒（?s）甚至纳秒（ns）计的短暂时间尺度上发生了运动参量（位移、速度、加速度）的显著变化。
在这样的动载荷条件，介质的微元体处于随时间迅速变化着的动态过程中，这是一个动力学问题。
对此必须计及介质微元体的惯性，从而就导致了对应力波传播的研究。
一切固体材料都具有惯性和可变形性，当受到随时间变化着的外载荷的作用时，它的运动过程总是一个应力波传播、反射和相互作用的过程。
在忽略了介质惯性的可变形固体的静力学问题中，只是允许忽略或没有必要去研究这一在达到静力平衡前的应力波的传播和相互作用的过程，而着眼于研究达到应力平衡后的结果而已。
在忽略了介质可变形性的刚体力学问题中，则相当于应力波传播速度趋于无限大，因而不必再予以考虑。
基于ANSYS_LS_DYNA的金属切削过程有限元模拟_李国和
2007年12月农业机械学报第38卷第12期基于ANSYS /LS -DYNA 的金属切削过程有限元模拟李国和 王敏杰 段春争 【摘要】 利用A N SYS /L S -DY NA 进行了金属切削过程的模拟研究,模拟了切屑的形成过程,得到了变形区应力和应变分布,并研究了残余应力和切削力的变化。
模拟结果表明,在第1变形区和第2变形区,应力、应变较大,且较集中,前刀面的最大应变出现在距刀尖一定距离的地方;在切削过程中,切削力逐渐增大,最后保持在某一个值附近波动,达到稳定状态;在加工表面上存在着残余应力和残余应变,且残余应力和残余应变随着与刀尖和已加工表面之间距离的增大而减小。
关键词:金属切削 有限元模拟 应力 应变中图分类号:T G 501文献标识码:AFinite Element Simulation of the Process of OrthogonalMetal Cutting Based on the ANSYS /LS -DYNALi Guohe Wang M injie Duan Chunzheng(Dalian Univer sity o f Technology )AbstractThe finite element simulation study of metal cutting pro cess has been carried out w ith the finite element so ftw are ANSYS /LS -DYNA .The fo rming process o f chip w as simulated and the distr ibution of strain and stress w as acquired .In addition ,the change of rem nants stress ,strain and cutting force has been studied.The results of simulatio n show ed that the str ain and stress is larger and m ore intense in the first and second deformation zone and the larg est stress o f rake face appeared in position that had a displacement to the too l tip .In the process of metal cutting ,the cutting fo rce has been increased g radually and then held wav e nearby a constant value.T here w er e remnants str ain and stress in the finished surface and the r em nants strain and stress decr eased w ith the distance of too l tip and the finished surface increased .Key words Metal cutting ,Finite element simulatio n ,Stress ,Strain收稿日期:2006-09-05李国和 大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室 博士生,116024 大连市王敏杰 大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室 教授 博士生导师段春争 大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室 讲师 引言为了研究金属切削的机理,使切削参数的选取、刀具的设计更加合理,学者们已经做了大量的研究工作。
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A N S Y S L S-D Y N A数值模拟霍普金森压杆试验ANSYS/LS-DYNA数值模拟霍普金森压杆试验1 功能概述大多数材料在强度等力学性质方面都表现出某种程度的加载率或应变率敏感性，高幅值短持续时间脉冲和荷载所引起材料力学性质的应变率效应，对于抗动载的结构设计和分析是非常重要的。
这些动载来至常规武器侵彻与爆炸、偶然爆炸和高速撞击等许多军事和民用事件，对于这些事件的理论分析和数值模拟必须知道材料的高应变率强度、断裂特性和应力-应变关系等本构性质。
要研究材料在脉冲动载作用下的力学性质的实验设备和实验必须模拟类似现场的应变率条件，分离式霍普金森杆被公认为是最常用最有效的研究脉冲动载作用下材料力学性质的实验设备。
数值模拟是一种依靠电子计算机对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题进行研究的技术。
它利用材料的本构函数，结合有限元或有限容积的概念，采用数值计算和图像显示的方法，因此具有如下优势：（1）检验理论结果是否正确；（2）弥补实验与观测得不足；（3）利用模拟结果，了解非线性过程中的因果关系与主要物理机制；（4）预测在不同初始条件与边界条件下非线性过程的发展情形；（5）数值模拟成本低，可以带来巨大社会经济效益。
由于很多材料的本构性质已经知道，因此在设计产品时，可以利用材料的本构性质通过仿真来模拟复杂的系统。
ANSYS/LS-DYNA数值模拟霍普金森压杆试验，就是通过ANSYS/LS-DYNA软件来模拟霍普金森压杆实验，通过设置弹丸不同速度，对试件进行研究。
霍普金森压杆实验分为自由式和分离式两种，本仿真采用分离式的办法。
2 原理简介2.1 霍普金森压杆实验简介霍普金森杆实验装置的基本原型最早是由Hopkinson提出的，它可用于测量冲击载荷的脉冲波形。
1949年Kolsky将压杆分成两段，试件置于输入杆和输出杆中间，通过加速的质量块、短杆撞击或炸药爆轰产生加速脉冲，利用这一装置可测量材料在冲击载荷作用下的应力-应变关系。
Kolsky的工作是一项革命性改进，现代的分离式霍普金森杆都是在其基础上发展而来，所以分离式霍普金森杆也称之为Kolsky杆。
在这半个多世纪的时间里，分离式霍普金森杆实验技术得到了大力的发展，由最初的压缩实验系统发展到拉伸和扭转实验系统甚至是压扭、拉扭复合系统；其测试材料的种类己由金属发展到非金属，由韧性材料到脆性材料；从常温实验发展到高、低温实验；从较低应变率实验发展到较高应变率实验。
另外，由于自由式霍普金森杆技术由于能够实验高过载，已经成为高g值加速度传感器的标准标定实验技术。
2.2 ANSYS/LS-DYNA简介在求解冲击、爆炸问题时，只有采用非线性数值算法才能解决。
广泛使用的有限元程序如LS-DYNA、DYTRAN、ABAQUS和AUTODYN等专长于求解非线性问题。
DYTRAN可用于爆炸、高速侵彻、船体撞击毁损等分析领域，但是在处理冲击问题的接触算法上远不如LS-DYNA全面。
ABAQUS可以分析复杂的固体力学和结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题，但是对爆炸和冲击过程的模拟相对不足。
AUTODYN可用于处理几何和材料大变形的非线性瞬态动力分析数值模拟，尤其在弹药工程领域应用广泛，可对聚能射流现象、破甲穿甲弹侵彻靶板的作用机理进行仿真。
LS-DYNA作为世界上最著名的通用显示动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题,特别适合于求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及流固藕合问题。
1996LSTC公司与ANSYS公司合作推出ANSYS/LS-DYNA，大大增强了LS-DYNA的分析能力。
ANSYS/LS-DYNA 程序是功能齐全的几何非线性(大位移、大转动和大应变)、材料非线性(140多种材料动态模型)和接触非线性(50多种)程序。
它以Lagrange算法为主，兼有ALE和Euler算法；以显式求解为主，兼有隐式求解功能；以结构分析为主，兼有热分析、流体-结构耦合功能；以非线性动力分析为主，兼有静力分析功能(如动力分析前的预应力计算和薄板冲压成型后的回弹计算)；军用和民用相结合的通用结构分析非线性有限元程序。
运用ANSYS/LS-DYNA进行数值模拟的一般步骤包括:前处理、求解及后处理。
前处理工作主要包括：算法及有限元单元的选择、材料模型的确定、模型的建立、网格的划分、接触的定义、约束及载荷的施加等步骤，其中前处理工作由ANSYS/PREP7完成。
前处理操作完成后，系统将生成相应的K文件。
此时可根据数值模拟的实际情况来决定是否修改K文件内容。
由于K文件为二进制文件，需采用文本编辑器将K文件打一开、编辑。
K文件修改完毕后，调用LS-DYNA970版求解器进行求解，生成图形文件和时间历程文件。
求解过程结束后，启动后处理程序LS-PREPOST。
LS-PREPOST可读取LS-DYNA的计算结果d3Plot文件，进行计算数据的整理以及二次运算。
3 仿真材料及模型尺寸的选择分离式霍普金森压杆实验包括子弹、输入杆、输出杆及试件。
本仿真采用钨钢作为子弹、输入杆以及输出杆的材料，试件选用5A06-C铝。
数值模拟的模型尺寸如表3.1，数值模拟材料参数如表3.2，表3.3。
表3.1 数值模拟的模型尺寸模型长度l/m 外径∅/m 钨钢子弹0.2 1.5×10−2钨钢输入杆 1 1.5×10−2钨钢输出杆0.8 1.5×10−25A06-C铝试件8×10−3 1.3×10−2表3.2 子弹、输入杆、输出杆的材料参数和模型材料密度ρ/kg/m3杨氏模量E/Pa泊松比μ切线模量E T/Pa失效模量E S/Pa模型钨钢子弹7678 2.1E11 0.29 - - Isotropic 钨钢输入杆7678 2.1E11 0.29 - - Isotropic 钨钢输出杆7678 2.1E11 0.29 - - Isotropic表3.3 试件的材料参数和模型材料密度ρ/kg/m3杨氏模量E/Pa泊松比μA/Mpa B/Mpa n c m5A06-C铝试件2680 7.9E10 0.33 235.4 622.3 0.58 0.174 1.05 接上表：材料Ef P1SRSpecificHeatFailStressRoomTemp(K)MeltTemp(K)模型5A06-C 铝试件1e-6 4.77e-6 -9 294 1050Johnson-Cook上述3个表中采用的是kg-m-s单位制，在建模过程中采用的是cm-g-us单位制，因此需进行单位换算。
4 霍普金森压杆实验LS-DYNA有限元模型建立4.1 创建单元及材料类型首先选择单元类型，由于霍普金森压杆实验中子弹、输入杆、输出杆及试件均为圆柱体且共轴，因此，有限元模型单元类型选用三维实体SOLID164单元，并采用拉格朗日算法。
由于该实验过程时间短，为了方便输入参数以及仿真，本仿真采用cm-g-us单位制进行建模。
因此，在建模的过程中，对单位进行了换算，将通用的kg-m-s单位制参数换算成cm-g-us单位制。
另外，为了防止模型尺寸对数值模拟结果的影响，数值模拟过程中实体建模采用全比例尺寸。
为了节省数值计算工作量，采用给弹丸赋值初速度的办法忽略了炮膛和支架，并通过约束输出杆末端的办法忽略吸收杆，同时圆柱体的对称结构，建立了1/4三维实体模型，在后处理的时候还原成圆柱体。
4.2 划分网格在划分网格前，需要给实体模型赋予网格属性，即给实体模型选择之前创建的材料类型和单元类型。
在数值模拟过程中，网格密度太小会产生虚波现象，网格密度太大，对改善波形起的作用不是很大，相反会耗费大量机时。
因此，应该给实体模型选择合适的网格密度。
本仿真选择映射式网格划分有限元模型，并对前人的结果进行分析，不同网格密度的计算结果进行比较，设置了合适的网格数量。
4.3 定义接触LS-DYNA程序中处理接触-碰撞界面主要采用三种不同的算法，即：节点约束法、对称罚函数法和分配参数法。
在此，我采用了最常用的对称罚函数法。
对称罚函数法中接触刚度值K是个重要参数，根据应力波相关知识，弹性波在两个截面相等、波阻抗相同以及互相接触的弹性杆中传播时，应力波在杆的接触处无反射。
这里选择接触刚度值为1.2，此时入射杆上的反射波很微弱。
满足要求。
在数值模拟中，子弹与输入杆之间的接触类型为表面-表面自动接触类型，子弹为接触面，输入杆为目标面。
输入杆与试件之间的接触类型为节点-表面自动接触类型，试件与输出杆之间的接触类型也为节点-表面自动接触类型，由于试件的网格密度较大，所以试件为接触面，输入杆和输出杆为目标面。
4.4 定义对称和子弹速度由于采用了1/4三维实体模型，所以需要对对称面才用对称约束。
另外，由于省略了吸收杆，因此对输出杆末端进行了约束，建立了其z轴无位移约束，x轴和y轴方向的平动约束和转动约束。
另外，前处理中定义了子弹的速度，并可以通过修改K文件中的*INITIAL-VELOCITY-GENRATION关键字来修改子弹的速度，从而进行不同速度的比较。
4.5 定义求解条件为了求得实验的完整结果，所定义的求解时间应略大于应力波在压杆中完整传播一个来回的时间。
通过查询资料，求解时间设为600us，最终结果达到了预想的要求。
5 实验结果分析图5.1 分离式霍普金森压杆LS-DYNA模型图如图5.1所示，改图为分离式霍普金森压杆LS-DYNA模型，从左到右依次是输出杆、试件、输入杆以及子弹。
通过LS-DYNA建立模型后，输入相关求解条件，然后生成K文件，用LS-DYNA求解器求解，并获得名为3dplot的文件，然后通过LS-DYNA后处理软件LS-Prepost软件分析求解结果。
图5.2 子弹速度为10m/s时试件靠近输入杆一侧的应变弹性波速是材料的基本参数，它可由材料的弹性模量和密度计算得出。
如图5.2所示，当t=184.94us时，试件开始有应变，说明弹性波已经通过输入杆进入试件了，可以计算出数值模拟中弹性波在压杆中的传播速度C0C0=（1/184.94）×106=5407.16m/s图5.3 不同子弹速度下输入杆中点处应变图5.4 不同子弹速度下输入杆中点处应力图5.5 不同子弹速度下输入杆中点出加速度在分离式霍普金森杆数值模拟中，不同子弹速度下，输入杆上应变、应力以及加速度与时间关系如图5.3、图5.4、图5.5所示。
如图5.3，图5.4所示，可以发现：（1）随着子弹速度的增大，入射波应力幅值随之增大；（2）随着子弹速度的增大，入射波的第一峰值点在时间域内的位置不发生变化；（3）入射波近似为矩形波，入射波在刚开始稍有振荡现象，表明波形弥散现象存在，但不是很严重。