分离式霍普金森压杆实验技术数值模拟

4.4试样表面缺陷及与压杆不均匀接触分析
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。
4.4.2、试样与压杆不均匀接触及试样边缘剥落缺陷分析
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处则百度文库最
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。
以上是我们对试样接触面不均匀所作的数值模拟,必须指出的这仅仅是我们所作的试样单面接触不平所作的分析,实际上试样的两接触面都可能不平整,其对试样的影响会更复杂,值得进一步探讨。总之试样与压杆之间的不均匀接触对试样内尤其是初始段的应力影响较大,需要严格控制在一个较小的范围内。
其次,对试样边缘剥落缺陷的影响也进行了分析。图4.49是试样单面半圆范围内边缘锥形缺陷模型,边缘破损最大值1mm,锥角450。图4.51至4.53是该缺陷的试样在应力波作用下不同位置处的单元应力波形。A、B、c、D是同一截面径向不同点,其位置如图4.50所示。图4.51是缺损处截面应力波形,图4.52、4.53是依次离开缺损截面0.025m,O.05m处试样截面应力波形。可以看到在缺损接触面缺损处及附近产生了很大的应力集中现象。进入试样中部这种应力集中的影响会很快减小。所以试样试样边缘剥落对试样影响很大,它会使试样因为过高的应力集中而过早破坏。
芒罨b 图4.49:试样表面边缘剥落模型图4.50:试样表面边缘剥落分析
波形采集位置
f,s
图4,5l:试样表面缺陷分析
(离缺陷所在截面Om)
f/s
图4.52:试样表面缺陷分析
(离缺陷所在截面O。025m)
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。