SHPB技术在纤维增强复合材料动态压缩力学性能表征中的应用
基于SHPB技术测试典型金属动态压缩性能的尺寸效应分析
基于SHPB技术测试典型金属动态压缩性能的尺寸效应分析1. 内容概述SHPB技术作为一种先进的材料动态力学性能测试手段，近年来在材料科学领域受到了广泛关注。
在本文档中，我们将首先简要介绍SHPB技术的原理及其在金属动态压缩性能测试中的应用。
我们将通过具体的实验数据和理论分析，详细讨论不同尺寸下金属的动态压缩性能及其尺寸效应。
我们还将探讨尺寸效应对金属动态压缩性能的影响机制，为优化材料设计和提高材料性能提供有益的参考。
我们将对实验结果进行总结，并提出一些针对性的结论和建议。
通过本文档的研究，我们期望能够为相关领域的研究者提供一种基于SHPB技术的金属动态压缩性能测试方法，并为未来材料科学的发展提供有益的启示和借鉴。
1.1 研究背景金属材料的动态压缩性能是材料科学和工程领域中的一个重要研究方向，尤其在航空航天、汽车制造、建筑结构等领域具有广泛的应用前景。
金属材料在受到外部冲击或压力时，会产生塑性变形，甚至断裂。
研究金属材料的动态压缩性能对于评估其在实际应用中的安全性和可靠性具有重要意义。
传统的金属动态压缩性能测试方法主要包括霍尔效应法、光电子能谱法等，但这些方法往往存在测试时间长、精度低等问题。
基于分离式霍普金森压杆（SHPB）技术的动态压缩性能测试方法逐渐受到关注。
SHPB技术具有操作简便、精度高、时间短等优点，能够较为真实地反映材料的动态压缩性能。
在使用SHPB技术进行金属动态压缩性能测试时，尺寸效应是一个不可忽视的问题。
金属材料的尺寸效应是指材料在不同尺寸下的力学性能存在差异，这主要是由于材料的微观结构、缺陷、表面处理等因素引起的。
在研究金属材料的动态压缩性能时，必须考虑尺寸效应的影响，以便更准确地评估材料的性能。
为了深入研究基于SHPB技术测试典型金属动态压缩性能的尺寸效应，本论文首先对相关文献进行了综述，介绍了SHPB技术的基本原理、实验方法以及尺寸效应的研究现状。
通过实验和数值模拟相结合的方法，研究了不同尺寸下典型金属的动态压缩性能及其尺寸效应，为进一步优化材料和提高其性能提供了理论依据。
动态压缩下一种碳纤维织物增强复合材料的各向异性力学性能实验研究
复合材料学报第22卷 第2期 4月 2005年Acta Materiae Compositae SinicaVol 122No 12April2005文章编号:100023851(2005)022*******收稿日期:2004204205;收修改稿日期:2004207209通讯作者:张若棋,教授,博士生导师,长期从事冲击动力学、冲击波物理的研究工作 E 2mail :zhangrq1@public 1cs 1hn 1cn动态压缩下一种碳纤维织物增强复合材料的各向异性力学性能实验研究蒋邦海,张若棋3(国防科技大学理学院应用物理系,长沙410073)摘 要: 为获得一种碳纤维二维正交平纹机织布增强树脂基复合材料准静态和动态压缩力学性能,对其三个主方向(垂直于碳布方向、碳布经向、碳布纬向),分别利用Instron 试验机和SHPB 实验技术,进行了准静态压缩和动态压缩实验。
得到了三个主方向从低应变率(10-3/s )到高应变率(约103/s )下的压缩应力2应变曲线和压缩强度,并通过分析得到了三个主方向上的动态压缩响应特点:垂直于碳布方向的力学性能及其与应变率的相关性主要由树脂基体所控制;碳布经向和纬向的力学性能主要由碳纤维所控制,并且和纤维初始微屈曲相关。
最后,分别给出三个主方向上的压缩强度和弹性模量与应变率相关性的表达式。
关键词: 碳纤维;平纹机织;复合材料;各向异性;动态性能;SHPB 中图分类号: TB 332;TB 33011 文献标识码:ADY NAMIC COMPRESSIVE MECHANICAL PR OPERTIES OF A CARBON FIBERWOVEN REINFORCED COMPOSITE :EXPERIMENTAL STU DYJ IAN G Banghai ,ZHAN G Ruoqi 3(Applied Physics Department ,Science College ,National University of Defense Technology ,Changsha 410073,China )Abstract : To understand the quasistatic and dynamic compressive mechanical properties of a kind of carbon fiber two 2dimensional orthogonal plain woven reinforced polymer matrix composite ,numbers of quasistatic and dynamic compression experiments in its three principal directions (the vertical direction of the carbon cloth ,and also the warp and fill directions in the carbon cloth )were conducted ,by means of Instron apparatus and SHPB technology respec 2tively.The compressive stress 2strain curves and compressive strength were achieved in each direction in a large strain rate range (f rom strain rate 10-3/s to about 103/s ).The experimental results show that the dynamic per 2formance of this composite in each three principal directions has its own characteristics :in the vertical direction of the carbon cloth ,the mechanical property and the strain rate effect are matrix 2dominated ;in the warp or fill direc 2tion in the carbon cloth ,the carbon fiber and its initial waviness master the mechanical property.Two formulas were proposed to model the relationship of the compressive strength and elastic modulus with the strain rate.K eyw ords : carbon fiber ;plain weave ;composite ;anisotropic ;dynamic properties ;SHPB 近年来,由于连续纤维增强复合材料具有优异的力学性能,使其在各个工程领域得到了越来越多的应用,其力学性能的研究正受到重视。
纤维混凝土SHPB试验
通过物理力学作用改善混凝 土内部结构 ， 并不改变 混凝土 中各种 材料本身 的化学性 能 ， 因而不会破 坏混凝 土的耐久性 。从 材料发 展史来看 ， 复合化 是材 料发展 的主 要途 径 ， 管高 性能 混凝 土有 尽
诸如复合胶结 料 、 复合 胶结料细掺料 、 复合外加 剂 ， 但纤维 增强在 复合化 中占有突 出的地位 。 自２ ０世纪 ６ ０年代 中期 以来 ， 随着 纤 维技术逐渐应用于混凝土 中 ， 纤维增强混 凝土成 为研 究和应用 最 广泛的材料。
图 ３ 试件 Ｃ０ ３
加 ∞ 舳 ∞ ∞ 加 ０ 加
所有试件采用混凝 土养护箱进 行 ２ ８ｄ标准 养护 。冲击试 验
用试件在加工后 部 分风 干进 行试 验 。冲击试 验采 用 ４ＩＴ 的 ＵＩ Ｙ
Ｈｏｋｒｏ＿ 验系统进行 。 ｐｉ ｌ ｌｑ ｓ 试
ｘ Ａ ｉｍｄ ｘｓ ｅ
收稿 日期 ：０ ７０ ．０ ２ ０ ．３２
作者简 介： 庄惠平 （９ ６ ， ， １５ ．）男 硕士生导师 ， 副教授 ， 徐州空军学院机场工程系 ， 江苏 徐州 李宗敏 （９ ４ ， ， １５ ．）男 江苏高 邮房产管理局 ， 江苏 扬州 ２５ ０ ２ ６０ ２ １０ ２００ 李经纬 （９ ４ ， ， １ ８ 一）男 徐州空军学院机场工程系硕士研究生 ， 江苏 徐州
２ 试件 试验 结果 及其 分析
对 ３组纤维混凝土共进行 了两 种速度下一 维冲击抗 压试验 ，
图 ４ 对 试 件 Ｂ ３测 得 的波 形 图 ０
试验参数及试验结果见表 ２ 。
表 ２ 标准养护试件风干后试验参数及结果 （． ０ ５个气 压 ）
试件编号 Ａ３ Ｏ Ａ４ ０
Ｂ３ Ｄ Ｂ ０３ ０ ０４ ０
高性能混凝土的SHPB测试技术
高性能混凝土的SHPB测试技术摘要高性能混凝土是一种特殊的混凝土，由于其具有高强度、高耐久性、高耐久性和较低的渗透性等特点，广泛应用于建筑结构、道路、桥梁等领域。
为了更好地了解高性能混凝土的力学性能，研究人员常使用SHPB测试技术进行测试。
本文将介绍高性能混凝土的SHPB测试技术，包括其原理、测试步骤和应用。
1. 引言高性能混凝土是一种以高强度和高性能为目标的特殊混凝土。
它具有一系列优异的力学性质，如高强度、高耐久性、较低的渗透性和较小的收缩。
在建筑结构、道路和桥梁等领域应用广泛。
为了更好地了解高性能混凝土的力学性能，研究人员常使用Split Hopkinson Pressure Bar（SHPB）技术进行测试。
SHPB是一种高速压力杆技术，可用于测量材料的高应变率动态力学特性。
2. 原理SHPB技术是一种在很短时间内施加高压脉冲到试样上的方法，主要用于测量在单向动态拉伸或压缩载荷下材料的动态力学性能。
技术的核心部分是两个导杆通过脉冲形成器与被测试材料相连。
当形成器发出一个很短的脉冲压缩后导杆相互碰撞，导致两个导杆的快速运动。
因此，SHPB测试的载荷速率比传统试验方法的载荷速率高得多。
试验与试样的动应变和动应力可通过记录两个导杆的速度波形来计算测量。
结果可用于绘制应变-应力曲线，通过不同载荷下的测试来计算材料性能。
3. 测试步骤3.1 试样准备试样应按照标准要求进行制备和切割。
在测试之前，试样的尺寸和形状应量取并与标准匹配。
试样应保持在一定的温度和湿度环境中，以避免影响测试结果。
3.2 实验条件设置SHPB测试中, 时间、应变速率和温度是需要优先设置的实验条件。
应定期检测系统参数以保证测试结果的准确性。
实验室环境的温度和湿度也应被监测，以保证测试的可靠性。
试验时，应在适当的电子显微镜下观察试样的损伤，为后续的研究提供支持。
3.3 数据采集和处理在测试中，应负责记录数据。
应根据实验标准对数据进行统计和分析，以根据结果计算出高性能混凝土的动态力学性质，同时另一方面需要根据数据进行可靠性分析。
Al_2O_3陶瓷的动态力学性能研究
∀ 14 ∀
中
国
陶
瓷
1999 年第 1 期
的实验进行了划分 [ 7] 。准静态实验 ( 应变率为 10- 4 ~ - 1 - 1 - 1 2 - 1 10 S ) 、 中应变率实验( 10 ~ 10 S ) 、 中高应变率实 验( 102~ 104S- 1 ) 和高应变率实验 ( > 105 S- 1 ) 。穿甲冲 击属于后两类范围。由于应变率实验的强冲击载荷作 用, 惯性效应和波的效应对加载装置和试件的影响必须 考虑。为了使变形试样内部应力平衡的假设继续有效 , 试样必须较小, 安装试件必须能很快加速, 而且其几何形 状要保证波传播效应是可控的。一个较好的解决办法就 是利用弹性长杆, 借助于在杆中传播的应力脉冲给短试 样施加压缩载荷。其中最著名的就是分离式霍普金森压 杆( split Hopkinson pressure bar, 简称 SH PB) 。 SHPB 装置是将压杆分为两段, 把试样置于其中, 用 来测量试样在一维应力条件下经历冲击压缩时的应力和 应变关系。由图 1 可见 , 其核心部分是两段分离的弹性杆 ( 波导杆 ) , 即输入杆和输出杆。短试件夹在两杆之间, 当 滑膛枪发射一子弹( 打击杆) , 使它以一定速度对心撞击输 入杆时, 则产生入射弹性应力脉冲, 试件在该脉冲作用下 产生高速变形。与此同时, 向输入杆反射一反射弹性波, 向输出杆传递一透射弹性波, 这就可以通过波导杆上的电 阻应变片记录下入射、 反射和透射的波形 ∃ ∃ i、 r和∃ t。
~ ~
第 35 卷第 1 期
黄良钊等
Al2 O3 陶瓷的动态力学性能研究
∀ 15 ∀
动态抗压强度高于静态抗压强度。 3 2 影响动态抗压强度的因素 对金属材料而言, 高速冲击造成了物体的大变形, 物 体经历的是强烈的弹塑性变形。弹性应变和塑性应变幅 值都是有限的。这样, 在有限变形条件下对应力、 应变和 应变历史的数学描述变得十分复杂。就弹性变形而言 , 在大弹性变形下, 弹性性质不但由弹性模量和泊松比决 定, 而且高阶弹性模量起着重要作用 。由此看来, 在高 速高压下影响材料动态力学性能因素异常复杂, 时效因 素、 热和机械耦合、 有限应变给本构方程的建立带来困 难。采用 SHPB 装置这种一维条件下或简单的组合应力 条件下 , 可以从实验角度逐步弄清单一因素。如应变率 或压力、 温度以及组成对材料流动或破坏的影响, 把握材 料高速变形的特点 , 从中找到普遍规律。 从实验发现, 随打击速度的提高, 陶瓷材料的应变率 增大, 但它不像金属材料那样稳定。由于陶瓷没有塑性 变形, 只有脆性开裂 , 不能较好地表现出应变率效应。但 无论从打击速度还是应变率的增加均会提高材料的动态 抗压强度, 这一点是一致的。图 2 为 99 瓷在不同打击速 度 20m/ s 、 30m/ s 和 35m / s 下的应力 - 应变曲线 a、 b和 c。它们所对应的应变 率为 936/ s、 1288/ s 和 1587/ s, 动 态抗压强度为 1145MPa、 1221M Pa 和 1283M Pa。若要进 一步提高应变率或打击速度 , SH PB 技术难以完成, 需要 利用化爆和高压技术。
碳纤维增强地聚合物混凝土的SHPB试验研究
摘要：以矿渣与粉煤灰制备了碳纤维增强地聚合物混凝土（ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒｉｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ，ＣＦＲＧＣ）；采用≯１００分离式霍普金森压杆（ＳＨＰＢ）试验装置，研究了不同碳纤维掺量的
ＣＦＲＧＣ在不同应变率下的冲击压缩强度与能量吸收的应变率效应，以及碳纤维掺量对ＣＦＲＧＣ强
万方数据
第４期
许金余，等：碳纤维增强地聚合物混凝土的ＳＨＰＢ试验研究４３７
１．４试验方案与恒应变率加载技术 采用声１００ ＳＨＰＢ系统，通过调整尺寸为声１００×
５００ ｍｍ的圆柱形射弹的打击速度，获得碳纤维掺 量分别为０，０．１％，０．２％，０．３％的ＣＦＲＧＣ试件（编 号分别为ＧＣ，０．１％ＣＦＲＧＣ，０．２％ＣＦＲＧＣ，０．３％ ＣＦＲＧＣ）在３０～１０５ ｓ＿１范围内的７个应变率，进而 研究ＣＦＲＧＣ的强度与能量吸收特性的应变率效 应，以及碳纤维掺量对其产生的影响．
第１３卷第４期 ２０１０年８月
建筑材 料 学 报
ＪｏＵＲＮＡＬ ＯＦ ＢＵＩＬＤｌＮＧ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ
Ｖ０１．１３，Ｎｏ．４ Ａｕｇ．，２０１０
文章编号：１００７—９６２９（２０１０）０４—０４３５—０６
碳纤维增强地聚合物混凝土的ＳＨＰＢ试验研究
许金余１’２， 李为民１， 范飞林１， 白二雷１
（１．空军工程大学工程学院机场建筑工程系，陕西西安７１００３８； ２．西北工业大学力学与土木建筑学院，陕西西安７１００７２）
（ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒｉｃ ｃｏｎｃｒｅｔｅ，
ＣＦＲＧＣ），并进行冲击试验以研究这种新型纤维增 强复合材料的冲击力学性能，为碳纤维地聚合物混 凝土的深入研究及工程应用提供参考．
聚丙烯纤维增强轻骨料混凝土SHPB试验
Ｓｒ ｉ ａｅ ｔａ ｎ ｒ ｔ
聚丙 烯纤维 增强 轻骨 料混凝 土是一 种新 型防护 工程 材料 ， 与普 通 的 聚丙 烯 纤维 增 强 混凝 土 ［相 比 １ ］
基于SHPB的混凝土及钢筋混凝土冲击压缩力学行为研究
基于SHPB的混凝土及钢筋混凝土冲击压缩力学行为研究一、本文概述随着现代工程技术的迅速发展，混凝土及钢筋混凝土材料在冲击、爆炸等极端动载荷作用下的力学行为越来越受到关注。
冲击压缩力学行为研究对于保障工程结构在极端环境下的安全性和稳定性具有重要意义。
本文基于分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar，简称SHPB）试验技术，对混凝土及钢筋混凝土在冲击压缩载荷下的力学特性进行了深入的研究。
SHPB试验技术作为一种有效的动态力学测试方法，能够模拟材料在高速冲击下的应力-应变响应，为混凝土及钢筋混凝土冲击压缩力学行为的研究提供了有力的技术支持。
本文首先介绍了SHPB试验技术的基本原理和试验装置，然后详细阐述了混凝土及钢筋混凝土在冲击压缩载荷下的应力波传播特性、应力-应变关系、能量耗散以及损伤演化等方面的研究内容。
通过对比分析不同条件下混凝土及钢筋混凝土的冲击压缩试验结果，本文揭示了材料在冲击载荷作用下的力学特性变化规律，探讨了冲击速度、试件尺寸、配筋率等因素对材料力学行为的影响。
本文还结合数值模拟方法，对冲击压缩过程中材料的破坏模式、应力波传播规律等进行了深入的分析和讨论。
本文总结了混凝土及钢筋混凝土冲击压缩力学行为研究的主要成果和结论，指出了研究中存在的问题和不足，并对未来的研究方向进行了展望。
本文的研究成果不仅有助于深入理解混凝土及钢筋混凝土在冲击压缩载荷下的力学特性，也为相关工程结构的设计和安全评估提供了重要的理论依据和技术支持。
二、冲击压缩试验技术概述冲击压缩试验技术，特别是分离式霍普金森压杆（SHPB）技术，是近年来研究材料在高应变率下动态力学行为的重要手段。
SHPB系统主要由入射杆、透射杆、吸收杆、试件、以及测量装置等组成。
当高压气体驱动入射杆撞击试件时，会在试件中产生冲击压缩效应，同时入射杆和透射杆上的应变片会记录下应变信号，进而计算出试件在冲击过程中的应力-应变关系。
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2 SHPB 系统实验原理
SHPB 实验系统一般用于应变率 102～103 范围的材料力学性能实验研究。理想的 SHPB 实验装置简图，如图 1 所示。当子弹以某一速度撞击输入杆时，在输入杆中产生界面时，一部分反射为应力波 r ，另一部分在试样中继续
传播，到达试样与输出杆的界面时，部分反射回试样，另一部分变为透射波 t 继续在输出 杆中传播。通过在输入杆和输出杆上贴应变片的方法记录入射波信号 i 、反射波信号 r 和 透射波信号 t 。
P 1 t AB EB i r
P2 t AB EB t
(6) (7)
；蓑７０ 苁嘲藏
Ravichandran,G.和 Subhash,G.[16]指出可以用式(8)来检验试样两端的应力平衡状态，当
R t 0.05 时，认为试样内部处于应力平衡状态。
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第十届全国冲击动力学学术会议论文集
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图ｗ 3 改进型 SHPB 、 单次加载系统 ＿
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4.3 波形整形器的应用 SHPB 系统主要是为了研究与应变率相关的材料应力-应变关系，传统的 SHPB 方波加 载条件下，应变率变化范围较大，对于应变率敏感的材料，必定会影响试验结果,如图 X 所 示。 同时， 传统 SHPB 的方波加载模式不利于保证试样的大部分变形历程处于应力平衡状态。 通过恒应变率加载， 可以有效的解决这一问题， 并且恒应变率加载可以有效的减弱二维效应 以及惯性效应[14]。 Nemant-Nasser 等[13]指出单调线性增长波形最适合研究恒应变率下试样 力学行为， 并指出利用波形整形器可以获得此类波形。 波形整形器一般是薄片型材料， 如纸、 铜和铝等。Song,B.,Chen W.,Weerasooriya,T 等[15]:给出了整形后的波形和应变率变化，如图 4 所示。反射波上的平台反映了恒应变率加载模式，可以看出，整形后有较长时间的恒应变 率加载过程。
R t 2
P 1 t P 2 t P 1 t P 2 t
(8)
当 R t 0.05 时， P 1 t P 2 t ，那么由式(6)、(7)和(8)可得
t i r
(9)
通过式(7)左边和右边分别计算分析的方法称为“一波法”和“二波法”。图 5 给出了满足 和不满足条件下的实例，分析认为造成图 5 (b)中的现象的主要原因是试样在未达到应力平 衡状态就已经破坏，所以此种情况下得出的结果无法反映材料的真实力学响应。 所以， 通过试验后获得的入射波形、 反射波形和透射波形可以检验试样是否达到了应力 平衡状态。
S t EB t
S t 2
AB AS
(1) (2) (3)
CB r LS
S t 2
CB LS
dt
0 r
t
式中： EB 为压杆的弹性模量，C B 为压杆的弹性波波速， AB 和 AS 分别为压杆和试样的 初始横截面积， LS 为试样的初始长度。
(a)
(b)
图5
满足(a)和不满足(b)式( 7)条件下的一波法与两波法比较[1]
5
第十届全国冲击动力学学术会议论文集
5 结论
(1) 纤维增强复合材料结构复杂，增强体尺寸大，呈明显的各向异性特点，其动态试样 尺寸既要足够大，以保证对材料性能具有充分的代表性，又应该尽量小，以减小弥散效应等 对试样中应力均匀化的影响。 (2) SHPB 压杆材质的选择应考虑声阻抗和屈服强度与纤维增强复合材料匹配。单次加 载和恒应变率加载是表征纤维增强复合材料动态压缩性能的有效手段。 (3) SHPB 波形起始点的确定及应力平衡分析是 SHPB 数据分析技术的关键技术。 参 考 文 献：
4
第十届全国冲击动力学学术会议论文集
Tr Ti Tt Ti
2 L1 CB
(4) (5)
L1 L2 LS CB CS
式中 L1 为入射杆上应变片到入射杆与试样界面的距离； L2 为透射杆上应变片到透射杆 与试样界面的距离； LS 为试样长度， CS 为试样中波速。 4.3.2 应力平衡分析 加载过程中，试样两端与压杆间的力随时间的变化可用式(6)和(7)表示。
3 纤维增强复合材料特点
纤维增强复合材料由纤维增强体与基体复合而成，增强体种类多样，如玻璃纤维、芳纶 纤维等，结构复杂并且增强方式多样，如 UD、平纹编织、3D 编织、多轴多层编织、3D 五 向编织等。与金属等均质材料相比，纤维增强复合材料呈明显的非均质(增强体尺寸大)和各 向异性，具有密度低、波阻抗低等特点其动态力学性能的表征更加复杂和困难。
4 SHPB 技术在纤维增强复合材料动态力学表征中的应用
杆弹性变形、 一维应力波传播理论和应力均匀化等假设是材料的动态力学性能表征实验 的前提， 在未能完全满足的条件下实验所得出的结果与材料真正的性能会有所偏差， 无法真 正代表材料特性。 杆弹性变形比较容易做到， 一般压杆材质的屈服强度要高于纤维增强复合材料， 比如马 氏体钢等，试样破坏时，压杆仍处于弹性状态。而要满足一维应力传播和应力均匀化，要考 虑试样制备和 SHPB 系统设计与调整等问题。 4.1 试样设计和处理 纤维增强复合材料增强体结构多样，其动态试样的设计仍无标准可循。 目前，常用的动态试样多为圆柱形和长方体形。文献[1～3]均采用了圆柱形试样，但其 尺寸有所不同，文献[1]中试样直径 11.27mm，长度 12.33mm，文献[2]中试样直径 6mm，长 度 10mm，文献[3]中试样直径 8mm，长度 6mm。文献[4～7]均采用长方体形试样，其尺寸 也不同，分别为 9.0mm×9.0mm× 4.9mm， 13mm× 13mm× 13mm ， 10mm× 10mm× 13.5mm ， 8.5mm× 8.5mm× 5.6mm。 应力不均匀引起的试样端面过早破坏式 SHPB 压缩试验的一个难题。J.Harding[8] 和 [9]S.Sivashanker 提出了如图 2 所示的腰形试样设计，此种试样保证破坏发生在试样中部， 而不是端面，防止应力不均匀引起的试样端面过早破坏。J.Harding 指出此种试样与柱形试 样在研究材料应变率效应方面，效果相同。
ｊＩＩｌＥ『｜
1 引言
纤维增强复合材料与金属材料相比， 具有优越的比吸能性， 在动态领域得到越来越广泛 的应用。 大部分纤维增强复合材料的力学性能具有应变率效应， 即高应变率下力学性能与静 态或准静态下力学性能或破坏模式明显不同。 因此， 研究冲击载荷下纤维增强复合材料力学 响应、 本构关系和破坏模式与应变率的关系， 可以提高动态冲击下结构和部件设计的可靠性 和准确性，避免过于保守的设计。 SHPB 技术一直以来被广泛应用于材料在高应变率下力学性能的实验研究， 针对纤维增 强复合材料， 国内外机构和学者开展了大量的研究工作， 本文主要总结了 SHPB 技术在纤维 增强复合材料动态压缩性能表征中的研究。
(a)
图4 整形后波形(a)和应变率(b)
(b)
整形器的作用包括减小波的弥散、保证试样应力均匀和恒应变率变形。 4.3 数据处理和分析 4.3.1 波形起始点的确定 波形起始点的确定严重影响应力-应变曲线的结果。反射波形起点选择不准会影响试样 端面应力的估算，从而影响应力均匀化分析。 在入射波、反射波和透射波的波形分析中，入射波的起点 Ti 一般是通过估计确定，反射 波 Tr 和透射波的起点 Tt 分别通过式(4)和(5)得到：
2
第十届全国冲击动力学学术会议论文集
Ｌｏａｄｉｎｇ
图 2 腰形动态压缩试样
动态压缩试样的结构设计和尺寸确定并无标准可循，但必须遵循以下几个基本原则： 首先， 试样应该尽可能包含足够多的单胞数量， 以保证测试结果对材料性能具有足够的 代表性。 其次，试样尺寸和长径比对于试样中的应力平衡至关重要，还会影响试样中的应变率。 对于纤维增强复合材料，内部结构各向异性，包括增强体、基体及其界面，应力波传播过程 中在试样内部不断的反射和透射， 因此在试样分别与入射杆和透射杆接触的端面难以达到理 想的应力平衡状态。 Dee at, Vinson JR, Sankar BV 等[10]指出试样破坏前， 应力波在试样中传 播 3～4 个来回，即可认为试样内部达到应力平衡状态。与压杆中波速相比，纤维增强复合 材料的波速相对较低，为保证试样中有足够次数的来回反射过程，达到应力平衡，试样尺寸 (沿加载方向)不能过大。但是， S.Sivashanker, S.O.Osiyemi and Asim Bag 等[9]对加载方向尺 寸为 2～7mm 试样和 10mm 试样研究发现，试样强度和失效模式明显不同，短试样的破坏 主要是劈裂和分层，而微观屈曲几乎没有，压缩强度甚至比静态试验结果要低。显然，如果 试样尺寸太小，则实验结果不能代表材料的性能。E. Woldesenbet 和 J.R. Vinson[11]指出长 径比(L/D)为 0.5～2.0 的试样较适合于聚合物基复合材料。 最后，为保证试样与压杆端面光滑接触，减小径向惯性效应和摩擦，需要对试样端面进 行预处理，一般使用精研机和极细的(如 6um)磨粉浆打磨试样端面，保证其光滑度，并在端 面涂抹黄油或其他润滑剂，减小摩擦力。 4.2 SHPB 压杆材质选择及设计 SHPB 系统压杆材质的选择一般需要考虑两个方面：压杆材质与试样材料的波阻抗匹配 和屈服强度匹配。 与金属材料相比，纤维增强复合材料波阻抗较低，如果二者之间差距过大，对试验会带 来不利影响。 波阻抗过低， 透射波幅度较小， 难以测量， 并且增大了波在试样中的传播时间， 试样难以在短时间内达到应力平衡。 压杆屈服强度与复合材料破坏强度的匹配， 为保证实验过程中， 压杆处于弹性变形范围， 保证实验分析的可靠性和测试结果的准确性。 目前，用于研究纤维增强复合材料动态力学性能的 SHPB 压杆材质一般为钢质[1,12～ 3]或铝制[6]。压杆直径(12～25mm)和长度也不尽相同，但为避免压杆对试样的重复加载， 入射杆长度一般大于透射杆长度。Nemat-Nasser S, Isaacs JB, Starrett J[13]为实现单次加载， 将传统 SHPB 系统进行了改进，如图 3 所示。弹杆撞击入射杆之后，入射杆撞击试样，完成 单次加载后，入射杆与反射环碰撞，从而反方向运动撞击弹杆，而不会继续撞击试样。