分离式Hopkinson(霍普金森)实验技术的数据采集与放大
发布时间:2020-04-17

分离式Hopkinson(霍普金森)实验技术是目前实验技术和应用情况研究最多的材料动力学性能实验界“扛把子”。而要讲霍普金森压杆实验,就要先从材料动态力学性能实验开始讲起。

 

 

材料动态力学性能实验

 

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

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。

Thomas Young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. Hopkinson 1872完成了第一个动态演示实验,观察到铁丝受冲击而被拉断的位置不是冲击端,而是固定端;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,1886;Rayleigh,Lord 1887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(Pressure Bar),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。

 

 

高应变率实验技术的发展史

1807

 
 

固体中的弹性波与断裂强度;

1800s

 
 

关注刚轨道的动态断裂前度;

1872

 
 

Hopkinson实现金属丝的动态加载;

1870s-1880s

 
 

Pochhammer和Chree发现长杆中弹性波的耗散;

1897

 
 

Dunn 设计了第一台高应变率试验机;

1905

 
 

Hopkinson实现金属试件的动态加速加载;

1914

 
 

利用Hopkinson压杆测定子弹撞击和爆炸的脉冲波形;

1920s-1930s

 
 

致力于高温下钢的拉伸和扭转冲击加载的技术研究;

1940s

 
 

Carrington and Gayle等发展Taylor试验技术;

1940s

 
 

Fehr 和 Parker等在动态拉伸试验中开始使用应变片技术;

1948

 
 

Davies分析了波在Hopkinson压杆中的传播,并发展了电容方法测量杆中应力脉冲;

1948- 9

 
 

Volterra and Kolsky发明分离式SHPB

1950s

 
 

Loizou and Sims发展了凸轮塑性仪;

1950s

 
 

Davies等确定采用表面应变片测量应力波传播的合理性。

 

目前,已能对材料进行不同应变率下的力学性能实验研究。常规的实验设备只能实现应变率在0.1/s以下;凸轮塑性机和落锤实验装置可以实现应变率到500/s;轻气炮和平面波发生器可以获得10000/s 以上的超高应变率加载,核爆炸产生的应变率比108/s 大;分离式Hopkinson压杆装置被认为是获得材料在100/s- 10000/s高应变率范围内应力应变关系的最主要实验手段。分离式Hopkinson实验技术填补了准静态加载与超高应变率加载之间的部分空缺应变率范围,这个范围恰好包括了流动应力随应变率变化发生转折的应变率,所以对它的实验技术和应用情况研究也最多。

 

 

霍普金森压杆实验

 

SHPB结构示意图

Kolsky证实了试样的应力和应变与压杆位移之间的关系。利用超动态应变放大器+数字示波器,记录存储入射杆和透射杆的应变-时间波形。

该技术的理论基础是一维应力波理论,通过测定压杆上的应变来推导试样材料的应力-应变关系。SHPB技术之所以能受到人们的重视,主要原因是该测试技术的优点十分突出,主要表现在:

  1. 测量方法巧妙,成功的避开了要在试样同一位置上同时测量随时间变化的应力和应变的难题;

  2. SHPB试验所涉及的应变率范围包括了流动应力随应变率变化发生转折的应变率(100~10000/s);

  3. 入射波形易于控制,改变子弹(撞击杆)的撞击速度及形状,即可调节入射脉冲波形,从而也调节了作用于试样上的波形。

 

 

霍普金森压杆实验的应用

 

霍普金森压杆实验主要用于研究材料在冲击荷载下的应力-应变关系破坏机理,包括:

  • 岩石、混凝土、陶瓷材料试验;

  • 塑料、复合材料、泡沫材料、减震材料等材料试验;

  • 高聚物、炸药、固体推动剂材料试验等。

 

1 动态荷载下应力-应变关系

 

静态荷载下,材料应力σ=应变ε·杨氏模量E。

而在动态荷载下,材料力学性能会与加载率(应变率)显著相关。高幅值短持续时间脉冲荷载所引起的材料力学性质的应变率效应,对于抗动载的结构设计与分析是非常重要的。这些动载来自常规武器爆炸、偶然爆炸和高速撞击等许多军事和民事事件。

当驱动撞击杆撞击入射杆时,通过采集入射杆和透射杆的应变脉冲-时间波形,就可得到作用于试件的冲击荷载。而改变撞击速度就可以改变作用于试件的冲击荷载和试件的应变率。通过多次测试,就能得到试样在不同应变率下表现出的不一样的应力-应变关系。下图是铝在一个测试结果,在较高的应变率下,试件发生了较大的变形。

铝试样在不同应变率下的应力-应变曲线

2 应力波传播特性和能量耗散分析

 

对不同的试样进行试验,得到其波阻抗特性并进行能量耗散分析。在一定波阻抗匹配系数范围内,炸药演示波阻抗匹配效果的改善,有利于提高炸药能量利用率,降低岩石大块率,改善破岩效果

 

3 试样破坏机理研究

 

试样在不同冲击速度下呈现不同的应变时程曲线,且破坏形态也不一样。以复合岩体为例,随着冲击速度的增大,岩体破坏逐渐加剧,碎块数量增多、体积减小。

G-R复合岩体不同冲击速度下破坏形态图

 

 

霍普金森压杆实验数据采集

 

霍普金森压杆试验,需要非常快速(数MHz)的采集应变数据。

数字示波器是我们实验室常用的设备,采样频率很高,但是应变片在经过桥路转换后的输出电压非常小,在mV级别甚至μV级别。而超动态应变放大器可以将桥路的输出电压进行无失真的放大到1-10V放大后示波器可以很轻易的采集,而且信噪比高

在拥有数字示波器的前提下,我们只需要再配备2个或多个DC-97A超动态应变放大器,即可以较低的成本高规格的满足试验要求,DC-97A的频响范围高达500kHz,我们可以用示波器以2MHz~10MHz的采样频率来采集

 

 

DC-97A/DC-96A

功能特点

 

 

DC-97A

DC-96A

_
 

频率响应范围宽:

  • DC-97A:DC~500kHz

  • DC-96A:DC~200kHz

 

数字灵敏度设置,额定输出1-10V设定;

 

可用于应变桥路,也可用于直流电压;

 

电桥激励可在恒定电压和电流间切换;

电压和电流双路输出端子,远距离信号传输也不会导致供桥和信号衰减;

 

交流、直流双电源系统,供电方便;

 

内置可调节的低通和高通滤波器

除了应用于霍普金森压杆试验,超动态应变放大器还用于其他冲击试验中应变、荷载力、压力及自由场冲击波压力测试等,比如落锤冲击试验、兵器爆炸试验、建筑爆破拆除试验,高速风洞等

 

参考文献

 

【1】 胡文军.材料动态力学性能实验研究技术进展[J].中国材料科技与设备,2011,3:5-14.

【2】  钮强,熊代余.炸药岩石波阻抗匹配的试验研究[J].有色金属,1988,40(4):13-17.

【3】  杨仁树,李炜煜,方士正,朱晔,李永亮.岩状复合岩体冲击动力学特性试验研究.岩土力学与工程学报,1000-6915(2019)09-1747-11

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