霍普金森压杆实验报告.pdf

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1、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1SHPB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，

2、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

3、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。万试屋–材料测试仪器方法资源小站blog.163.com/test_house1.2基本原理利用应变片技术测量波速的工作原理如图2所示。子弹撞击压杆所产生的应力波（弹性波）先后为应变片1和应变片2所记录。鉴于弹性波在线弹性细长杆中的传播很少有衰减，也不弥散，基本上不失真，因此可根据两个应变片之间的距离及所记录信号的时间差确定波在细长杆中的传播速度。图2应力波波速测量原理图鉴于弹性波在自由端反射的异号波形具有相同的传播速度，还可以采用如图3所示的更为简单的测试方法。这时，应变片所记录的是拉压相间的应力波，同一相位间

4、隔距离代表应力波行走了一个来回，即杆长的二倍距离，据此也可以确定应力波在细长杆中的传播速度。图3应力波波速测量原理图常规的拉伸（或压缩）实验测得的是材料在低应变率()下的应力应变曲线。本实验测得的是材料在高应变率()下的应力-应变曲线，其原理如图4所示。当枪膛内的子弹以某速度撞击输入杆时，在杆内产生一个入射脉冲，试件在该应力作用下产生高速变形，与此同时，在压杆中分别产生往回的反射脉冲和向前的透射脉冲。万试屋–材料测试仪器方法资源小站blog.163.com/test_house入射杆ΙΠ透射杆应变片1应变片22’σr2σt1σi0图4测量应力-应变原理图本实验是建立在二个基本的

5、假定基础上的，一个是一维假定（又称平面假定），另一个是均匀假定。根据一维假定，我们可直接利用一维应力波理论确定试件材料应变率ε()t、应变ε()t和应力σ()t：σ=σ=σ+σ=E(ε+ε)Ⅰ2irirσ=σ′=σ=EεⅡ2tt1AAEσ()t=(σσ+)=(εεε++)(1)ⅠⅡirt22AA00νννν==+=−−c()εεⅠ2irirννν=′==−cεⅡ2ttνν−cⅡⅠε()t==(εεε−−)irtll00ctε()t=(εεε−−)dt(2)∫irtl00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εεε+=，代入公式后则可得到更为简单

6、的形式：irt2ctεε()t=−dt∫rl00Aσε()tE=tA万试屋–材料测试仪器方法资源小站blog.163.com/test_house02.霍普金森压杆(SHPB)实验的操作过程2.1实验问题描述利用SHPB试验测定泡沫铝材料的动态应力-应变曲线。已知试样为一直径为37mm，厚度为6mm的圆柱体，压杆材料为钢，弹性模量为200GPa，子弹长100mm，直径37mm，入射杆及透射杆均为长2000mm，直径为37mm的均质钢杆，平行光源之间的距离为30mm。2.2试件选择及尺寸由于在霍普金森压杆测试中，惯性效应及试样与杆端的摩擦等会导致试验结果的不准确，因而在试验前必须

7、合理设计、选择试样。通常情况下，由于圆柱形试样容易加工，因而人们更多地采用圆柱形试样进行试验，而确定试样的几何尺寸则需要综合考虑多方面因素。通常对于一套给定的霍普金森压杆，试样的直径最好是压杆直径的0.8倍。这样虽然试样在压缩变形过程中长度将会缩短，而直径将增大，但仍可以保证试样直径超过压杆直径前达到30%的真实应变。此外，试样的长径比也应当在0.5~1.0之间，太长的试样在试验过程中容易失稳。基于以上两点，我们选用的是直径为37mm，厚度为6mm的圆柱体，材料为泡沫铝。另外，试样在加工过程