冲击载荷下圆环纵向压缩力学行为研究

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1、第２９卷第１期实验力学Ｖｏｌ．２９Ｎｏ．１２０１４年２月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＬＭＥＣＨＡＮＩＣＳＦｅｂ．２０１４文章编号：１００１－４８８８（２０１４）０１－００１８－０８＊冲击载荷下圆环纵向压缩力学行为研究杨茨，徐松林，易洪昇（中国科学技术大学中国科学院材料力学行为与设计重点实验室，安徽合肥２３００２７）摘要：选用外径、内径和高度三者比值为６∶３∶２的铝合金圆环试件作为研究对象，在粗磨、细磨和润滑三种端面粗糙条件下，利用ＳＨＰＢ实验方法研究了其纵向动态压缩行为。实验结果表明：随着端面摩擦系数的增大，对应的屈服强度和硬化强度增大明显。同时，圆环纵向压缩应

2、力应变曲线有一个明显的应力下降段。其原因是圆环在塑性压缩过程从内而外发生了动态塑性失稳。由于端面应力不均匀和压缩过程端面摩擦系数不均匀变化，试件前后端面的压缩变形明显不一致。数值模拟分析了不同表面粗糙情况下的圆环纵向压缩过程，得到了和实验相类似的现象。关键词：冲击动力学；分离式霍普金森压杆；圆环纵向压缩；端面摩擦效应中图分类号：Ｏ３４７文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．７５２０／１００１－４８８８－１３－０８２０引言圆环件纵向压缩行为的研究起源于金属加工工业。外径、内径和高度三者比值为６∶３∶２的典型［１］圆环试件的实验和理论研究表明：圆环与压板之间摩擦系数的大小比较灵敏地反映在

3、圆环内径的相对变化上。圆环纵向压缩时，随着界面摩擦系数的不同，存在着两种变形模式：当摩擦系数较小时，压［２］缩后内径扩大，内圆柱面呈凹状；当摩擦系数较大时，压缩后内径缩小，内圆柱面呈凸状。Ａｖｉｔｚｕｒ等［３］对圆环纵向压缩过程作了理论推导和分析，得到了圆环压缩的理论解和理论摩擦标定曲线。Ｍａｌｅ等则通过准静态实验得到了实验摩擦标定曲线。上述研究工作主要集中于准静态条件。对圆环进行纵向冲击压缩研究，始于ＳＨＰＢ实验中对试件［４］横向惯性效应的消除方面的探讨。Ｈａｒｔｌｅｙ等用“限位法”，在较小轴向变形的情况下，利用ＳＨＰＢ实验比较成功地得到了变形过程中内径的相对变化和轴向变

4、形率的关系，并研究了端面摩擦效应对实验［５］结果的影响。Ｃｈｅｎ等研究猪肉组织的动态力学响应时将试件做成圆柱形，并将中间挖去一个圆孔，［６］用来减小横向惯性效应。Ａｌｖｅ和Ｋａｒａｇｉｏｚｏｖａ等利用黄铜、铝合金、低碳钢三种材料的ＳＨＰＢ实验研究了圆环件的形状与端面摩擦效应的关系，实验结果表明：与传统圆柱试件相比，采用较大的内径、较薄［７，８］的厚度圆环件时能有效的减小ＳＨＰＢ实验中的端面摩擦效应。卢芳云、林玉亮等通过霍普金森杆压剪复合加载实验研究了聚氨酯泡沫塑料、硅橡胶、ＭＤＦ水泥与铝合金四种材料在不同端面摩擦条件下的力学响应，通过剪应力计得到端面摩擦系数随加载时间的变化

5、关系，其结果表明：端面摩擦系数存在一定的分散性，即加载过程端面摩擦系数并不保持为恒定值。然而对于圆环件在大变形条件、不同端面粗糙条件下的动态力学行为的研究及相关机制探讨方面＊收稿日期：２０１３－０５－２０；修订日期：２０１３－０６－１９基金项目：国家自然科学基金（１１２７２３０４）资助通讯作者：徐松林（１９７１－），男，博士，副教授。主要从事材料动态力学行为的理论和实验技术方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｌｘｕ９９＠ｕｓｔｃ．ｅｄｕ．ｃｎ第１期杨茨等：冲击载荷下圆环纵向压缩力学行为研究１９却鲜有报导。相比于准静态加载条件，在冲击载荷作用下试件接触面的形态、应力分布会发生更显著的

6、变化，随之而来的接触面的摩擦条件也会发生显著变化（在时间和空间尺度），必然带来一些特殊的力学现象，值得进行深入研究。本文将采用ＳＨＰＢ实验方法，研究圆环件在粗磨、细磨和润滑等三种端面粗糙条件下的力学响应，结合端面摩擦效应等条件对实验结果进行分析，并且利用ＭＴＳ对比实验得到圆环试件的材料参数，利用数值模拟对此过程进行深入研究。１圆环纵向冲击压缩实验实验在中国科学技术大学冲击动力学实验室直径为１４．５ｍｍ的Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆上进行，采用常规［９］的ＳＨＰＢ实验技术。实验装置示意图见图１，主要由子弹（撞击杆）、入射杆、透射杆组成。附属设备包括气枪、测速装置、应变片、缓冲装置等

7、，数据采集处理系统包括超动态应变仪、瞬态波形存储器以及计算机处理系统等。图１ＳＨＰＢ实验装置Ｆｉｇ．１ＳＨＰＢｓｅｔ－ｕｐ图１中圆环试件为外径、内径和高度分别为６ｍｍ、３ｍｍ和２ｍｍ的铝合金圆环。分别在粗磨（用较粗砂纸将试件和杆端面磨平）、细磨（用较细的砂纸将试件和杆端面磨平）和润滑（普通凡士林润滑）三种端面粗糙条件下进行若干次重复实验。如果粗磨、细磨、润滑三种粗糙条件端面摩擦系数分别为μ１、、，则有。本文对圆环在这三种端面粗糙条件下的动态响应进行了对比研究。μ２μ３μ１＞μ２＞μ３同时，作为对比，在液压伺服材料试