ANSYSLS-DYNA数值模拟霍普金森压杆试验
圆环形整形器设计及整形效果的数值模拟
Vol. 11, No. 3Sept. 2020第11卷第3期2020年9月现代应用物理MODERN APPLIED PHYSICS圆环形整形器设计及整形效果的数值模拟高波，彭 刚，王绪财，王 伟，陈春晓，冯家臣，刘 宇(中国兵器工业集团第53研究所，济南250031)摘 要：以大口径霍普金森压杆试验中入射波整形为目的，利用ANSYS/LS-DYNA 软件模 拟并分析了 1 mm 分离式霍普金森压杆试验中圆形整形器受到0100 mm 压杆碰撞后的形变过程，发现圆形整形器存在应力较高的环状区域。
为提高应力均匀性，提出了一种圆环形整 形器设计方案，并对圆环形整形器的整形效果进行了仿真分析。
结果表明，与圆形整形器相比，圆环形整形器应力波波形更加平滑，入射波上升时间更长，有利于试件尽早达到应力均匀。
在混凝土试件压缩试验中，经圆环形整形器作用的反射波为平台波，可基本实现大尺寸混凝土 试件的恒应变率加载。
关键词：分离式霍普金森压杆；圆环形整形器；数值仿真；恒应变率；应力均匀中图分类号:TB332 文献标志码：A DOI ：10. 12061/j. issn. 2095 - 6223. 2020. 031002Design of Circular Ring Shaper and Numerical Simulation of Shaping EffectGAO Bo, PENG Gang, WANG Xu-cai, WANG Wei, CHEN Chun-xiao, FENG Jia-chen, LIUYu(Institute 53 of ChinaOrdnance Industry Group , Jinan 250031, China)Abstract : In the test of T100 mm splitting Hopdinson pressure bar , the deformation processof a circular shaper impacted by ^100 mm pressure bar is analyzed by ANSYS/LS-DYNA soft w are. The resu Its show that t h ere is a ring area with high st r ess in the circular shaper.To improve the stress equilibrium, a design scheme of circular ring shaper is put forward, and the effect of the ring shaper is simulated and analyzed. The resuIts show that the stress waveform of the ring shaper is smoother than that of the circular shaper, and the rise time of incident wave is longer. In the compression test of a concrete specimen, the reflecting waveis almost flat which means that the ring shaper can basically realize the dynamic compression cons t a_nt st r ain rale loading on large-sized concre t e specimen.Keywords : splitting Hopkinson pressure bar; circular ring shaper; numerical simulation ；cons t a_nt st r ain rale; st r ess equilibrium大口径分离式霍普金森压杆(splitting Hopkinsonpressure bar, SHPE)装置在混凝土「円及复合材料构件匕呵的动态力学性能研究中广泛应用。
霍普金森压杆实验流程
霍普金森压杆实验流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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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］。
ANSYSLS-DYNA数值模拟霍普金森压杆试验资料
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。
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。
霍普金森杆实验技术简介
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。
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
ANSYSLS-DYNA中的数值模拟方法
41
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
39
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
基于霍普金森压杆的波形整形技术研究
doi: 10.11857/j.issn.1674-5124.2018.08.025基于霍普金森压杆的波形整形技术研究高嘉诚， 范锦彪， 王 燕(中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051)摘 要: 为保证火工品实验的试件能达到高g 值的加速度，该文改进传统霍普金森压杆中的波形整形技术，采用圆台形薄片和圆柱形薄片作为波形整形器，应用ANSYS/LS-DYNA 进行数值分析，得到试件的速度-时间曲线、加速度-时间曲线、压杆末端应力-时间曲线。
数值模拟仿真和实验结果分析一致，实验结果表明：圆台形整形器的上表面直径和圆柱形整形器的直径相同，子弹以相同速度撞击压杆，在圆台形整形器的作用下试件的加速度和速度都大于圆柱形整形器作用下的试件的加速度和速度；子弹以相同速度撞击压杆，下表面直径相同上表面直径越大的圆台形整形器，试件的加速度和速度越大。
关键词: Hopkinson 杆; ANSYS/LS-DYNA 软件; 应力-时间曲线; 加速度-时间曲线; 速度-时间曲线中图分类号：TB302 文献标志码: A 文章编号: 1674–5124(2018)08–0136–04Research on waveform shaping based on Hopkinson barGAO Jiacheng, FAN Jinbiao, WANG Yan(Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement, Ministry of Education,North University of China, Taiyuan 030051, China)Abstract : In order to ensure that pyrotechnics test piece of pyrotechnics can achieve high g value accelerations,this paper has improved the waveform shaping technique of traditional Hopkinson pressure bars, using circular-table slices as wave shaper, and ANSYS/LS-DYNA for numerical analysis. The speed-time curve,acceleration-time curve, stress-time curve at the end of the rod were obtained. The experimental results show that, when the diameter of the upper surface of the circular-table wave shaper and the cylindrical shaper are the same and the bullet hits the pressure bar at the same speed, the acceleration and velocity of the test piece under the action of the circular-table wave shaper are always higher than those of the cylindrical shaper, and when the bullet hits the pressure bar at the same speed, the larger the upper surface diameter of the circular-table shaper (with the same lower surface diameter) is, the higher the acceleration and velocity of the test piece will be.Keywords : Hopkinson bar; ANSYS/LS-DYNA software; stress-time curve; acceleration-time curve; velocity-time curve0 引 言霍普金森压杆在航空、军事或其他民用领域中受到广泛应用，主要用于加速度传感器的标定和产生高g 值加速度[1]，李玉龙和R.D.Sill 等均采用霍普收稿日期: 2018-01-02；收到修改稿日期: 2018-02-05作者简介: 高嘉诚（1992-），男，黑龙江哈尔滨市人，硕士研究生，专业方向为动态测试与智能仪器。
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。
不同侧限及荷载比例工况下泡沫金属冲击性能研究
第38卷第1期2024年2月南华大学学报(自然科学版)Journal of University of South China(Science and Technology)Vol.38No.1Feb.2024收稿日期:2023-11-13基金项目:国家自然科学基金项目(11902140)作者简介:张晓阳(1988 ),男,讲师,博士,主要从事泡沫金属㊁细观力学等方面的研究㊂E-mail:xyzhang@DOI :10.19431/ki.1673-0062.2024.01.006不同侧限及荷载比例工况下泡沫金属冲击性能研究张晓阳1,赵㊀飘2,刘泽宇2,陈国豪2,王治樵2(1.南华大学数理学院,湖南衡阳421001;2.南华大学土木工程学院,湖南衡阳421001)摘㊀要:泡沫金属在实际工程中往往承受复杂多轴加载工况,且受到突发性爆破等极端动荷载的影响,处于多轴动态复杂应力状态㊂目前,受实验条件限制,泡沫金属难以实现任意比例的真三轴动态实验㊂本文采用数值模拟方法,采用霍普金森杆和解析刚体,分别施加冲击荷载和侧限荷载,实现了泡沫金属真三轴动态实验,且实验过程中满足应力均匀性条件,同时,探究了不同侧限条件和侧向预压力比例对泡沫金属多轴冲击性能的影响㊂结果表明:沿着冲击方向施加2MPa 的预压力对应力幅值为200MPa 的梯形应力波双向冲击的泡沫金属冲击性能无明显影响;侧限约束的增强能提高泡沫金属抗冲击承载能力;当冲击变形模式主导胞孔结构变形时,泡沫金属三向预压力比例对其抗冲击能力无明显影响㊂关键词:泡沫金属;动态冲击;侧限加载;三轴应力比中图分类号:O347.1文献标志码:A 文章编号:1673-0062(2024)01-0046-07Study on Impact Properties of Metallic Foams Under Different LateralRestraints and Load ProportionsZHANG Xiaoyang 1,ZHAO Piao 2,LIU Zeyu 2,CHEN Guohao 2,WANG Zhiqiao 2(1.School of Mathematics and Physics,University of South China,Hengyang,Hunan 421001,China;2.School of Civil Engineering,University of South China,Hengyang,Hunan 421001,China)Abstract :Metallic foams usually sustain multiaxial and dynamic loadings in applications,which are in multiaxial dynamic complex stress state affected by extreme dynamic loads such as sudden explosion.With limitations of experiments,multiaxial dynamic experiments with variable stress triaxiality are difficult to be realized.In this paper,the true triaxial dynamic experiment of metal foam is carried out by using numerical simulation method,using Hopkinson bar and analytical rigid body to apply impact load and lateral restraintsrespectively.In addition,the stress uniformity condition was satisfied during the experi-64第38卷第1期张晓阳等:不同侧限及荷载比例工况下泡沫金属冲击性能研究2024年2月ment.At the same time,the influence of different lateral confinement conditions and theratio of lateral prestressing force on the multi-axial impact performance of metal foam wasinvestigated.Results indicated that the pre-pressure with2MPa in the impact direction hasno significant effect on impact properties of metallic foams under bidirectional impact load-ing with the stress amplitude of200MPa.The impact supportability was improved with theenhancement of lateral restraints.The stress triaxiality of pre-pressure has unremarkableinfluence of impact performances when cells structures deformations are dominated by theimpact deformation model.key words:metallic foams;dynamic impact;lateral restraint;stress triaxiality0㊀引㊀言泡沫铝兼具多孔材料和金属材料的特点[1-2],具有隔声㊁隔热㊁阻燃㊁减震㊁电磁屏蔽等特点,在航空航天㊁交通运输㊁防护装备等领域具有广泛应用前景㊂在实际工程中一般处于多轴复杂应力状态[3-5],经常受到突发性爆破等极端动荷载的影响㊂现有试验及模拟技术尚无法准确地测试或模拟其复杂加载工况㊂因此,研究泡沫铝不同工况作用下动态冲击动态破坏行为就显得十分必要㊂目前,单轴或者多轴准静态加载条件下泡沫金属力学性能研究相对完善[6-10]㊂单轴中高应变率主要借助霍普金森杆完成[11-13]㊂M.A.Islam等[13]利用改进的分裂霍普金森压力棒(split hopkinson pressure bar,SHPB)和高速摄像机,研究了闭孔泡沫铝动态压缩响应对直径45mm和23mm厚的圆柱形试样进行了试验㊂利用数字图像相关技术(digital image correlation, DIC)和微计算机X射线断层扫描技术研究了弹塑性孔隙坍塌机理㊂结合分析方法和SHPB理论,实现了各种应变率下的动态加载,得到了单轴情况下不同冲击速度下各试件的应力-应变关系,在相关研究的基础上,学者们提出了多种泡沫铝高应变率一维本构模型㊂李雪艳等[14]通过采用改进的SHPB实验技术和有限元分析研究了十四面体闭孔泡沫铝的动态压剪力学性能,得到的主要结论如下:压剪复合加载下闭孔泡沫铝的变形规律不同于单轴压缩,单轴压缩时试样变形局域化,且局域化的部位有一定的分散性㊂压剪复合加载时试件出现明显的压剪带,在压剪带位置破坏最严重㊂与冲击试验相比,多轴动态试验较难实现,目前多以两种方式实现:1)围压装置;2)三轴加载仪㊂V.S.Deshpande和N.A.Fleck等[15]利用对泡沫铝材料进行了三轴围压实验,但是泡沫金属材料始终处于轴对称应力状态㊂徐松林等[16]研发了真三轴静载下混凝土的动态实验系统,该系统对于泡沫金属多轴压缩冲击力学性能研究具有重要的参考意义,但该装置无法适用动态拉伸实验㊂baz等[17]改进了三轴拉伸装置,实现了三个加载方向应力比恒定的拉伸和压缩组合加载㊂当前泡沫金属动态冲击实验存在的主要问题是这些改进的SHPB装置施加的预应力使试件处于真三轴应力状态(σ1>σ2>σ3ʂ0),在工程实践中无法再现真三轴应力状态(σ1>σ2>σ3ʂ0)下的动加载过程㊂本文基于3d Voronoi模型,采用数值模拟方法,在泡沫金属上,采用双向真三轴霍普金森压杆(SHPB)系统[17-18]对泡沫金属进行了一系列动态压缩仿真试验㊂采用研究了泡沫金属在动静复合加载条件下的力学性能,获得了泡沫铝在单轴㊁单轴预应力㊁双轴和真三轴动㊁静联合加载状态下的动态力学性能㊂研究了多轴应力约束下动态冲击荷载对泡沫金属力学性能的影响㊂1㊀细观模型的建立本文所采用的真三轴SHPB系统如图1所示㊂图1㊀双向冲击三轴动态加载装置图Fig.1㊀Setup of multiaxial impact simulations74第38卷第1期南华大学学报(自然科学版)2024年2月波导杆的尺寸为10mmˑ10mmˑ1000mm,杆件的材料参数采用钛合金杆件参数,其弹性模量为110GPa,泊松比为0.33和密度为4.5ˑ103kg/m3,弹性波速约为5000m/s㊂波导杆网格尺寸为1mm,采用8节点减缩积分单元(C3d8R)㊂泡沫铝试样采用Voro++程序建立长宽高(l0ˑw0ˑh0)均为10mm的正方体3d Voronoi 泡沫金属模型,3d Voronoi模型的平均等效直径d0=1.5mm㊂文中试样采用四面体壳单元(tetra-hedral shell element,S4R)和三角形壳单元(trian-gular shell element,S3R)的混合网格,本文沿壳体厚度方向设置5层积分点[19]㊂试件网格尺寸为0.13mm㊂泡沫铝材料中所有的孔壁采用均匀的胞壁厚度t,其计算如公式(1)所示:t=V0㊃ρf/S0(1)式中:t为胞壁厚度,单位mm;V0=l0w0h0为正方体体积,单位mm3;S0为此模型泡沫金属胞孔的总表面积,单位mm2;本文模型所对应的S0分别为2089.16mm2;ρf为模型平均相对密度㊂本文相对密度为20%,由式(1)确定3d Voronoi模型的壳单元胞壁厚度为t=0.196mm㊂加载装置所采用接触形式为通用接触内置表面对,杆件-泡沫金属与解析刚体-泡沫金属两对接触分别选取杆件表面及解析刚体表面作为第一表面,泡沫金属表面作为第二表面,使得杆件与解析刚体不可被泡沫金属侵入㊂泡沫金属内部采用自身接触,允许接触后分离㊂2㊀模型参数的验证本文基于3d Voronoi细观模型,通过赋予基体材料纯铝的材料参数,模拟泡沫金属材料的力学性能㊂基体材料为纯铝,不考虑基体材料的应变率效应,采用如下的基体材料参数:弹性模量70GPa,泊松比0.33,密度2.7ˑ103kg/m3,屈服强度80MPa[20],线性硬化模量30MPa,Shear damage和Ductile damage㊂利用此模型参数创建单轴冲击速度为15m/s的仿真模型与真实试验[21]参与对照,仿真模型如图2所示,网格尺寸为0.13mm,采用解析刚体板进行冲击加载㊂试验与仿真结果对照验证了基体材料参数合理性㊂如图3所示,模型平台应力阶段吻合较好,压实阶段由于有限元的破坏单元删除原则,导致仿真模型压实应力低于试验压实应力㊂图2㊀单轴动态冲击仿真模型Fig.2㊀Simulation model under uniaxialdynamicloading图3㊀动态冲击下与仿真与试验对照结果Fig.3㊀Comparisons of simulations with experimentsunder dynamic loading3㊀试验设计及结果3.1㊀加载工况设置为减弱高速拉伸过程中在试件两端产生的惯性效应的影响更好的实现应力均匀性,本文采取双向加载,在传统的SHPB装置的基础上,将透射杆作为另一根入射杆,将两列应力波从2根入射杆端面同时输入2列相同的入射波,2根压杆长度相同,因此2个入射波会同时到达试样,对试样进行对称加载㊂分别对两对正负向解析刚体施加不同比例大小相等方向相反的作用力对(本文各个力作用对大小均为200N,冲击压强对为200MPa)㊂采用通用接触[22]内置面面接触,摩擦因素为0.02,允许接触后分离;模拟冲击加载过程㊂本文加载工况如图4所示:先沿各个加载方向施加荷载对(F x㊁F y㊁F z),作用时间0.01s,采用幅值加载,之后保持不变,再沿杆端施加一对大小为200MPa且上升沿与平台段分别为50μs和84第38卷第1期张晓阳等:不同侧限及荷载比例工况下泡沫金属冲击性能研究2024年2月250μs 的梯形波(Pressure)㊂本文采用质量缩放,质量缩放时间增量设置为1ˑ10-8,保证数值模拟较好的计算效率且兼顾较高的计算精度㊂图4㊀不同加载工况示意图Fig.4㊀Schematic of multiaxial dynamic loadings3.2㊀数据处理及合理性验证基于弹性胡克定律和牛顿第三定律,试件两端的应力和应变可通过如公式(2)~公式(5)计算:εL =(U L1-U L2)d L(2)εR =(U R1-U R2)d R (3)σL =εL E b A bA s (4)σR =εR E b A bA s(5)I =σL (t )-σR (t )12[σL (t )+σR (t )](6)式中:σL ㊁σR 分别为试件入射端和透射端的应力εL ㊁εR 分别为入射杆㊁透射杆靠近试件区域的平均应变E b 为杆件材料的弹性模量A s 和A b 分别为试件和杆的横截面积㊂U L1,U L2,U R1,U R2分别代表左侧杆件与右侧杆件与试件相邻杆端的两层截面的冲击方向上位移之差,d L 与d R 表示左右杆件端部两层截面的初始距离㊂为了评估数值模拟结果的合理性,采用以下三个方面的指标:1)重复性检验㊂按照相同建模参数生成3个模型,并对其进行相同工况下动态冲击加载,得到其加载端应力应变曲线,如图5所示,该模型性能重复性良好㊂2)伪应变能与内能的比值不应超过10%,数值越小,说明结果越合理;如图6所示,本文试验指标均控制在10%之下㊂3)应力不均匀性[22-23]指标应满足:I ɤ5%㊂图5㊀模型重复性检验Fig.5㊀Repeatability verification ofsimulations图6㊀各模型伪应变能与内能比值Fig.6㊀Ratio of the artificial strain energy tointernal energy94第38卷第1期南华大学学报(自然科学版)2024年2月3.3㊀不同侧限条件冲击试验结果分析为了探究不同侧限条件对泡沫金属动态冲击力学性能的影响㊂对模型按照如图4所示工况进行加载㊂在三种不同的侧限条件下,泡沫铝冲击端存在预应力200N的情况与泡沫铝直接冲击的情况应力-应变曲线只在最初加载段存在微小差异,如图7所示㊂而随着侧限条件不断的加强,泡沫铝的峰值应力也存在着增强的趋势㊂在图4(d)模型d的同一位置所取x=0,y=0截面在加载过程中的变形分别如图8所示㊂在加载的初期模型呈现出三向应力均匀的状态,随着冲击波的进入,泡沫铝的变形由冲击波方向主导㊂三向受压的模型的峰值应力㊁平台应力与压实应力均高于单侧向受限的图4(c)模型c㊂图7㊀不同侧限条件下动态冲击加载应力-应变曲线Fig.7㊀Stress-strain curves of metallic foams under dynamic impact loading with different lateralrestraints图8㊀模型d动态加载过程中x=0截面和y=0截面变形图Fig.8㊀Deformations of the model d at the x=0and y=0cross-sections㊀㊀为探究三轴加载比例的影响,本文选取图4(d)模型d,设置不同的三轴荷载(F x,F y,F z)比例)比例㊂以200N为基准分别按照1ʒ1ʒ1㊁10ʒ1ʒ10㊁1ʒ1ʒ10三种比例进行加载,然后均施加200MPa的动态冲击荷载㊂三个模型的应力-应变曲线如图9所示,三种不同比例的加载应力-应变曲线几乎没有差别㊂通过对比图8㊁图10和图11三种不同比例荷载工况下的变形图,发现前期在冲击波未传播到试件阶段,模型主要由非冲击方向的侧向加载变形主导,各模型侧向变形略有差异,随着冲击波的进入,整个模型变形由冲击波主导㊂说明在200MPa的对称冲击荷载主导变形的工况下,以200N为基准的不同比例的侧向荷载工况对冲击强度影响不大㊂可能需要增大侧向压力,或者降低冲击波强度才能得到不同的抗冲击强度曲线㊂图9㊀不同荷载比例加载下的冲击应力-应变曲线Fig.9㊀Stress-strain curves of metallic foams underimpact loading with different stress05第38卷第1期张晓阳等:不同侧限及荷载比例工况下泡沫金属冲击性能研究2024年2月图10㊀模型d2与模型d3动态加载过程中x =0截面变化对比图Fig.10㊀Comparison of deformations at the x =0cross-section for model d2and model d3under impactloading图11㊀模型d2与模型d3动态加载过程中y =0截面变化对比图Fig.11㊀Comparison of deformations at the y =0cross-section for model d2and model d3under impact loading4㊀结㊀论1)本文开展了对泡沫金属有限元模型10mm立方体进行不同侧限条件下动态冲击试验,研究了泡沫金属试件不同侧限条件下对动态冲击加载的影响,侧限约束的增强对于泡沫金属抗承载能力(200MPa 对称冲击荷载下)也有一定的增强作用㊂2)仿真结果表明在冲击方向下的2MPa 的预压力对幅值为200MPa 梯形波冲击条件下泡沫金属的冲击性能结果无明显影响㊂3)三轴预压力的比例对于泡沫金属抗冲击能力并无明显影响,原因可能是由于在200MPa荷载的双向冲击之下,冲击模式起主导作用,较低强度下的不同荷载比例工况,对泡沫铝的冲击强度并无太大影响㊂参考文献:[1]SUGIMURA Y,RABIEI A,EVANS A G,et pres-sion fatigue of a cellular Al alloy[J].Materials science15第38卷第1期南华大学学报(自然科学版)2024年2月and engineering A,1999,269(1/2):38-48. [2]HARTE A M,FLECK N A,ASHBY M F.Fatigue failure of an open cell and a closed cell aluminium alloy foam [J].Acta materialia,1999,47(8):2511-2524. [3]BABAKHANI A,GOLESTANIPOUR M,ZEBARJAD S M.Modelling of aluminium foam core sandwich panels under impact perforation[J].Materials science and tech-nology,2015,32(13):1330-1337.[4]朱凌,郭开岭,余同希,等.泡沫金属夹芯梁在重复冲击下的动态响应[J].爆炸与冲击,2021,41(7): 58-68.[5]CUI J,HAO H,SHI Y,et al.Volumetric properties of con-crete under true triaxial dynamic compressive loadings [J].Journal of materials in civil engineering,2019,31 (7):04019126.[6]NAMMI S K,MYLER P,EDWARDS G.Finite element analysis of closed-cell aluminium foam under quasi-static loading[J].Materials&design,2010,31(2):712-722.[7]王二恒,虞吉林,王飞,等.泡沫铝材料准静态本构关系的理论和实验研究[J].力学学报,2004,36(6): 673-679.[8]BALCH D K,O D WYER J G,DAVIS G R,et al.Plasticity and damage in aluminum syntactic foams deformed under dynamic and quasi-static conditions[J].Materials science and engineering A,2005,391(1/2):408-417. [9]AN Y K,YANG S Y,ZHAO E T,et al.Characterization of metal grid-structure reinforced aluminum foam under quasi-static bending loads[J].Composite structures,2017, 178:288-296.[10]GARY G,MOHR D.Modified kolsky formulas for an in-creased measurement duration of SHPB systems[J].Experimental mechanics,2013,53(4):713-717. [11]NIE X,PRABHU R,CHEN W W,et al.A kolsky torsionbar technique for characterization of dynamic shear re-sponse of soft materials[J].Experimental mechanics, 2011,51(9):1527-1534.[12]LIM J,CHEN W W,ZHENG J Q.Dynamic small strainmeasurements of kevlar129single fibers with aminia-turized tension kolsky bar[J].Polymer testing,2010,29(6):701-705.[13]ISLAM M A,BROWN A D,HAZELL P J,et al.Me-chanical response and dynamic deformation mechanismsof closed-cell aluminium alloy foams under dynamicloading[J].International journal of impact engineering, 2017,114:111-122.[14]李雪艳,李志斌,张舵.闭孔泡沫铝准静态压剪性能研究[J].高压物理学报,2018,32(3):52-59. [15]DESHPANDE V S,FLECK N A.Isotropic constitutivemodels for metallic foams[J].Journal of the mechanicsand physics of solids,2000,48(6/7):1253-1283.[16]徐松林,王鹏飞,单俊芳,等.真三轴静载作用下混凝土的动态力学性能研究[J].振动与冲击,2018,37(15):59-67.[17]COMBAZ E,BACCIARINI C,CHARVET R,et al.Mul-tiaxial yield behaviour of Al replicated foam[J].Journalof the mechanics and physics of solids,2011,59(9): 1777-1793.[18]聂海亮,石霄鹏,陈春杨,等.单轴双向加载分离式霍普金森压杆的数据处理方法[J].爆炸与冲击, 2018,38(3):517-524.[19]张晓阳,谭仕锋,刘泽宇,等.中高应变率下泡沫金属动态拉伸有限元模型研究[J].南华大学学报(自然科学版),2022,36(6):45-50.[20]WU Y D,QIAO D,TANG L Q,et al.Global topology offailure surfaces of metallic foams in principal-stressspace and principal-strain space studied by numericalsimulations[J].International journal of mechanical sci-ences,2019,151:551-562.[21]李忠献,张茂轩,师燕超.闭孔泡沫铝的动态压缩性能试验研究[J].振动与冲击,2017,36(5):1-6. [22]ZHANG X Y,TANG L Q,YANG B,et al.Study on theeffect of the size irregularity gradient of metal foams onmacroscopic compressive properties[J].Heliyon,2022, 8(12):2-14.[23]谢倍欣,汤立群,姜锡权,等.用于软材料的双子弹电磁驱动SHPB系统[J].爆炸与冲击,2019,39(5): 69-75.25。
ANSYSLS-DYNA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。
分离式霍普金森压杆试验中金属材料端面摩擦效应误差分析
分离式霍普金森压杆试验中金属材料端面摩擦效应误差分析张柱柱;毛海涛;周圣林;焦鹏;胡文林;吴省均;刘军;张旸;沈沛;刘宇麟【期刊名称】《机械工程材料》【年(卷),期】2024(48)2【摘要】采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验结合有限元模拟方法计算重构38CrMoAl高强度钢的应力-应变曲线,研究了端面摩擦因数(0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)、子弹入射速度(20,30,40 m·s^(-1))、试样长径比(0.25,0.50,1.00)和试样形状(圆柱体,立方体)对端面摩擦效应引入的峰值应力、峰值应变测试误差的影响。
结果表明:测试误差随端面摩擦因数的增大而增大,随长径比的增加而减小;截面面积相同的圆柱体和立方体试样的测试误差差值小于2%;端面摩擦因数较大时,控制子弹入射速度不能有效减小误差;将端面摩擦因数降到0.1以下,或是选用长径比1.00以上的试样,可以有效减小端面摩擦效应误差;试样中部和端面边缘处发生应力集中,随着试样长径比增大,应力集中部位占试样总长度比例减小,端面摩擦效应影响减小。
【总页数】8页(P89-96)【作者】张柱柱;毛海涛;周圣林;焦鹏;胡文林;吴省均;刘军;张旸;沈沛;刘宇麟【作者单位】92728部队【正文语种】中文【中图分类】O347.4【相关文献】1.不同干密度红砂岩土分离式霍普金森压杆试验与分析2.分离式霍普金森压杆试验中工程材料端面摩擦模型的确定3.空心锥撞击杆对分离式霍普金森压杆入射脉冲弥散的抑制效果分析4.大直径分离式霍普金森压杆试验中的波形整形技术研究5.基于空气炮和分离式霍普金森压杆的火工品高加速度力学过载模拟试验等效方法研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
钢纤维高强混凝土抗冲击性能的数值仿真
钢纤维高强混凝土抗冲击性能的数值仿真焦楚杰;蒋国平;高乐【摘要】采用显式动力有限元软件LS-DYNA,对钢纤维高强混凝土的霍普金森压杆冲击试验过程进行了数值仿真,混凝土和霍普金森压杆的本构关系分别采用弹塑性流体动力模型和虎克定律描述,钢纤维的增强与增韧作用则通过钢纤维高强混凝土强度与失效应变来体现.结果表明:试件内部应力趋近于均匀之前,经历了初始状态的应力震荡；试件的破坏稍微滞后于应力峰值；相同的冲击速度下,钢纤维高强混凝土试件各个时刻的破坏程度轻于未掺钢纤维的基体混凝土试件,当基体混凝土试件裂成多块时,钢纤维高强混凝土试件还基本保持整体.数值仿真结果与试验结果有较好的相似性,基本能够反映出试件受力与破坏的特征.%By explicit dynamic finite element software of LS -DYNA, the split hopkinson pressure bar (SHPB) impact experiment of steel fiber reinforced high strength concrete (SFRHSC) were numerically simulated. Elastic-plastic hydrodynamic model and Hooke's law were adopted to describe the constitutive relations of concrete and SHPB, respectively. The reinforcing and toughening effects of steel fiber on concrete were characterized by strength and failure strain of SFRHSC, respectively. The results show that internal stress of specimens oscillate initially before reaching stress equilibrium. Failure process of specimens are slightly delayed to their peak stress. The fracture of specimens matrix are more severe than that of SFRHSC specimens at any time. At the same impacting velocity, the cracks propagate in SFRHSC specimen with overall unchanged shape, while the specimens matrix are broken into many pieces. The numerical simulation results exhibite goodconsistency with those of experiment, and can basically reflect the characteristic of dynamic load and specimens failure during SHPB impact experiment.【期刊名称】《江苏大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(033)003【总页数】4页(P350-353)【关键词】钢纤维;高强混凝土;霍普金森压杆;冲击;数值仿真【作者】焦楚杰;蒋国平;高乐【作者单位】广州大学土木工程学院,广东广州510006;广州大学工程抗震中心,广东广州510405;广州大学土木工程学院,广东广州510006【正文语种】中文【中图分类】TU377钢纤维高强混凝土(steel fiber reinforced high strength concrete，SFRHSC)是优异的防护工程材料［1-3］，其推广应用对加强我国军事防御力量具有极其迫切的必要性.目前有关该材料的抗冲击性能研究已成为国内外军事研究的热点，研究内容主要从真实的武器冲击试验、实验室模型冲击试验和数值仿真试验等三方面着手.武器试验耗资巨大，模型试验则难以观测到冲击瞬态过程中的试件内部裂缝产生与扩展等现象，数值仿真试验则可详细地了解试验过程中试件内部各瞬时的受力、变形等实验室无法观察到的现象［4］，可为前两者实物试验提供重要的验证与分析.本研究拟采用有限元软件LS-DYNA，对钢纤维高强混凝土在分离式霍普金森压杆(split hopkinson press bar，SHPB)试验中的抗冲击性能进行数值仿真.1 模拟对象材料抗冲击性能试验常采用SHPB装置(见图1).子弹、入射杆及透射杆为钢质材料，长度分别为0.3，3.5，2.0 m，半导体应变片贴于入射杆及透射杆中部，与试件距离均为1 m.图1 SHPB装置示意图通过专业程序处理［5］，可得出试件在冲击过程中的应变率与应力-应变曲线.本研究采用LS-DYNA软件对3种子弹速度冲击下的SFRHSC破坏过程进行数值模拟，子弹速度分别为10，15，20 m·s-1.2 数值仿真方法2.1 混凝土和钢的物质性能描述正确模拟材料的抗冲击性能，必须有描述介质的本构方程.2.1.1 混凝土的物质性能混凝土的本构关系采用弹塑性流体动力模型［6］.应力-应变关系如图2所示.图2中β为硬化参数，当β=0时为随动硬化;当β=1时为等向硬化;当0＜β＜1时为混合硬化.图2 弹塑性流体动力模型屈服函数为式中:Sij为应力偏量，可为应力张量中扣除σm的静水应力部分;σm为3个正应力的平均值［7］.屈服强度为σy=σ0+f n(εpeff)+(a1+a2 p)max(0，p)，(2)式中:σ0为初始屈服强度;εpeff为等效塑性应变;a1，a2为相应参数;p为压力.硬化函数为塑性模量为等效塑性应变为2.1.2 钢的物质性能SHPB试验中，霍普金森压杆的正常工作状态是线弹性状态［8］，故钢杆本构关系符合虎克定律:式中E0为钢的弹性模量.2.2 建模与材料性能参数混凝土试件单元划分如图3所示.SHPB杆截面划分与混凝土试件相同，长度方向网格间距适当增大，试件附近的局部网格剖分如图4所示.试样和压杆之间的接触类型选择侵蚀面接触.采用最大应变破坏准则，混凝土单元达到失效应变时被清除.冲击试验表明，当混凝土应变处于应力-应变全曲线的下降段时，混凝土试件出现破坏.但考虑到混凝土应力-应变曲线下降段的离散性较大，本研究取每种材料平均的峰值应变作为失效应变.SHPB杆主要参数:弹性模量E0=200 GPa，泊松比ν=0.3，密度ρ=7 800 kg·m-3;混凝土主要参数:密度ρ=2 500 kg·m-3，强度、弹性模量等参数如表1所示.表1中 C100V0，C100V2和 C100V3表示基体强度为C100，钢纤维体积分数分别为0，2%和3%.混凝土本构曲线采用实测的应力-应变曲线［9］.表1 钢纤维高强混凝土的主要参数试件立方抗压强度/MPa轴心抗压强度/MPa 弹性模量/GPa 泊松比峰值应变C100V0118.2 93.4 45.1 0.239 8 0.001 5C100V2 138.2 122.1 48.9 0.227 2 0.003 1 C100V3154.3 132.7 51.1 0.220 4 0.004 03 SFRHSC抗冲击性能仿真结果图5为试件破坏后的实物图与模拟图，由图可知，模拟破坏结果与实际破坏结果有一定相似性.图5 C100V0试验与模拟破坏结果(v=15 m·s-1)图6是模拟子弹打击速度v=20 m·s-1时，C100V0和C100V2试件内部应力变化情况.由图6可知:对于C100V0试件，0.55 ms时刻应力首次达到峰值，但随即下降，在接下来的0.062 ms内，经历了3次起伏后，出现一个暂时稳定的应力平台;对于C100V2试件，在0.57 ms时达到应力峰值，在0.08 ms内经历了大约3次起伏后近似稳定.这反映出了试件内部应力趋近于均匀之前，经历了初始状态的应力震荡.初始状态的应力不均匀性是造成试验结果误差的原因之一.图6 试件内部应力变化过程子弹打击速度v=20 m·s-1时，C100V2和C100V0的破坏过程分别如图7，8所示.将图6的应力峰值时刻与图7，8的试件破坏现象对比，可看出试件的破坏与试件应力峰值并不同步.0.57～0.67 ms时，C100V0应力处于峰值或在峰值点附近波动，但0.65 ms时试件稍有破坏，0.75 ms时破坏加剧，0.85 ms时还有碎裂块飞溅.C100V2也有同样的破坏晚于应力峰值现象.可见冲击试验过程中，试件的破坏稍微滞后于应力峰值，这是因为数值模拟过程中，试件的破坏程度取决于其强度，破坏速度则取决于其失效应变.由图7，图8可知，在子弹打击速度v=20 m·s-1的冲击试验过程中，SFRHSC试件的破坏是从周边脱落开始，并逐步发展到试件中间.数值模拟也在一定程度上反映了SFRHSC优于基体混凝土的抗冲击性能.两图中，相同冲击速度下，C100V2各时刻破坏程度轻于C100V0，C100V0裂成多块时，C100V2还基本保持整体.4 结论1)数值仿真结果与试验结果有较好相似性，基本能反映试件受力与破坏特征，具有一定可信度.说明所选本构关系、接触类型与破坏准则等较合理.2)SHPB冲击试验仿真表明，SHPB冲击试验过程中，试件内部应力波经历了多次来回震荡后近似稳定，反映了试件内部应力趋近于均匀之前，经历了初始状态的应力震荡，初始状态应力不均匀性是造成试验结果误差原因之一.3)SHPB冲击试验中的试件破坏过程数值仿真表明:试件的破坏稍滞后于应力峰值;试件的破坏是从周边脱落开始，并逐步发展到试件中间;该数值仿真在一定程度上也反映了SFRHSC优异的抗冲击性能.相同冲击速度下，SFRHSC试件各个时刻破坏程度轻于未掺钢纤维的基体混凝土试件，当基体混凝土试件裂成多块时，SFRHSC试件还基本保持整体.参考文献(References)【相关文献】［1］焦楚杰，孙伟，高培正.钢纤维高强混凝土抗爆炸研究［J］. 工程力学，2008，25(3):158-166.Jiao Chujie，Sun Wei，Gao Peizheng.Study on steel fiber reinforced high strength concrete subject to blast loading［J］.Engineering Mechanics，2008，25(3):158-166.(in Chinese)［2］ Song PS，Wu JC，Hwang S，et al.Assessment of statistical variations in impact resistance of high-strength concrete and high-strength steel fiber-reinforced concrete ［J］.Cement and Concrete Research，2005，35(2):393-399.［3］ Khaled M，Özgür E，TahirÇ.Relationship between impact energy and compressiontoughness energy of high strength fiber-reinforced concrete［J］.Materials Letters，2001，47(4/5):297-304.［4］李楠，李建康.高强钢薄壁管梁结构轴向冲击性能的数值分析［J］.江苏大学学报:自然科学版，2010，31(2):174-178.Li Nan，Li Jiankang.Numerical analysis on axial crash performance of thin-walled high strength steel column structures［J］.Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition，2010，31(2):174-178.(in Chinese)［5］ Zhu Jue，Hu Shisheng，Wang Lili.An analysis of stress uniformity for concrete-like specimens during SHPB tests［J］.International Journal of Impact Engineering，2009，36(1):61-72.［6］ Teng Tso-Liang，Chu Yi-An，Chang Fwu-An，et al.Development and validation of numerical model of steel fiber reinforced concrete for high-velocity impact［J］.Computational Materials Science，2008，42(1):90-99.［7］夏志皋.塑性力学［M］.南京:河海大学出版社，1998.［8］ LiQ M，Lu Y B，Meng H.Further investigation on the dynamic compressive strength enhancement of concrete like materials based on split Hopkinson pressure bar tests，Part II:Numerical simulations［J］.International Journal of Impact Engineering，2009，36(12):1335-1345.［9］焦楚杰.高与超高性能钢纤维砼抗冲击与抗爆研究［D］.南京:东南大学材料科学与工程学院，2004.。
基于数字图像相关方法的霍普金森压杆测试技术
基于数字图像相关方法的霍普金森压杆测试技术
齐娟;王飞
【期刊名称】《长春师范大学学报》
【年(卷),期】2022(41)2
【摘要】分离式霍普金森杆(SHPB)是一种公认有效的用于研究材料在高应变率下动态力学响应的测试技术,可为工程设计和材料应用提供重要的现实指导意义。
本文介绍了霍普金森压杆的分类,阐述了传统SHPB试验的测试装置和实验原理。
然而传统的应变测量方法主要采用接触式电测法,存在测量精度受多种因素影响、对微小尺寸试件无法适用等弊端。
基于此,重要介绍了数字图像相关方法(DIC)这一应变光测法,该方法具有非接触式、测试结果精度高、抗干扰强、可视化程度高等优点,基于DIC的SHPB测试技术将是今后主流的测试手段。
【总页数】8页(P27-34)
【作者】齐娟;王飞
【作者单位】安徽理工大学电气与信息工程学院;安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TU45
【相关文献】
1.基于光学检测方法的霍普金森压杆技术综述
2.基于空气炮和分离式霍普金森压杆的火工品高加速度力学过载模拟试验等效方法研究
3.基于霍普金森压杆的电爆管
小容腔输出压力测试4.分离式霍普金森压杆实验技术及相关问题探讨5.软材料的霍普金森压杆测试新技术
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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 P1 SR Specific HeatFailStressRoomTemp(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。