霍普金森压杆试验-sillyoranger
霍普金森杆实验技术经验简介
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着不同。
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ns）量，即比应变率的提高，材料的屈服极限提高，强度极限提高，延伸率降低，以及屈服滞后和断裂滞后等现象变得明显起来等等。
因此，除了上述的介质质点的惯性作用外，物体在爆炸/冲击载荷下力学响应之所以不同于静载荷下的另一个重要原因，是材料本身在高应变率下的动态力学性能与静态力学性能的不同，即由于材料本构关系对应变率的相关性。
从热力学的角度来说，静态下的应力-应变过程接近于等温过程，相应的应力应变曲线可近似视为等温曲线；而高应变率下的动态应力-应变过程则接近于绝热过程，因而是一个伴有温度变化的热-力学耦合过程，相应的应力应变曲线可近似视为绝热曲线。
这样，如果将一个结构物在爆炸/冲击载荷下的动态响应与静态响应相区别的话，则实际上既包含了介质质点的惯性效应，也包含着材料本构关系的应变率效应。
然而从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。
ThomasYoung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.Hopkinson1872完成了第一个动态演示实验（如图1所示），铁丝受冲击而被拉断的位置不是冲击端A，而是固定端B；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,1886Rayleigh,Lord1887分别研究了一维杆中的横向惯性运动。
霍普金森压杆试验-sillyoranger解析
简述“霍普金斯”杆测量材料动态应力应变曲线的原理；选用一种大型软件对其进行计算模拟，并对模拟结果进行分析。
答：选用ABAQUS大型有限元软件一、“霍普金斯”压杆理论：Hopkinson压杆技术源于1914年B．Hopkinson测试压力脉冲的试验工作，后来R．M．Davies对它进行了改进。
1949年，H．Kolsky在这些基础上建立了进行材料单轴动态压缩性能试验的试验方法，测试了高应变率下金属材料的力学性能，这个方法称为分离式Hopkinson压杆(或Kolsky杆)技术。
其原理是将试样夹持于两个细长弹性杆(入射杆与透射杆)之间，由圆柱形子弹以一定的速度撞击入射弹性杆的另一端，产生压应力脉冲并沿着入射弹性杆向试样方向传播。
当应力波传到入射杆与试样的界面时，一部分反射回入射杆，另一部分对试样加载并传向透射杆，通过贴在入射杆与透射杆上的应变片可记录入射脉冲，反射脉冲及透射脉冲，由一维应力波理论可以确定试样上的应力、应变率、应变随时间的变化，以及应力、应变曲线。
5O多年来，此技术广泛用在高变形速率下材料力学性能的测试。
研究人员也对Hopkinson压杆试验方法进行了系统深入的研究，使该技术不断地改善和发展。
J．Harding 等在1960年将用于单轴压缩试验的Hopkinson压杆推广到了单轴拉伸试验，在此基础上，1983年又提出至今被广泛使用的Hopkinson拉杆试验方法。
W．E．Backer等、J．D．Campbell 等、J．Dully等又提出了Hopkinson扭杆技术，可对于试样施加高应变速率的纯扭转载荷。
为提高试验精度，前人在应力波的弥散效应、三维效应、应力波分离、试样中的瞬态平衡对试验结果的影响等方面做了大量工作。
分离式Hopkinson压杆实验的示意图如下：图8-1 分离式Hopkinson压杆示意图上图表示了压杆、试件和测试仪器等的位置安排。
压杆由高强度合金钢制成。
压杆与试件的接触面需要加工得很平并且保持平行。
应用霍普金森压杆试验分析柠条动态力学特性
应用霍普金森压杆试验分析柠条动态力学特性
李春东;张家宁;曹丽英;张晓礼
【期刊名称】《东北林业大学学报》
【年(卷),期】2024(52)5
【摘要】为研究柠条的动态力学特性,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对柠条的横纹、顺纹试件进行动态压缩试验。
通过改变驱动气压,使撞击杆分别以12、19、26 m·s^(-1)的初速度对入射杆撞击,比较不同应变率时,柠条试件的应力表现、破
坏形态。
结果表明:在相同的冲击能作用时,柠条顺纹试件的动态屈服应力强于横纹
试件;随着应变率的提升,顺纹试件的动态屈服强度变化程度高于横纹试件,且应变率效应亦强于横纹试件。
由动态应力-应变特性可知,柠条横纹试件经历弹性变形和弱强化两个阶段,顺纹试件经历弹性变形和压溃两个阶段。
对柠条横纹试件动态屈服
点后的应力-应变特性曲线,采用修正后的Johnson-Cook(J-C)本构模型进行拟合,
获得良好的拟合度。
【总页数】5页(P102-106)
【作者】李春东;张家宁;曹丽英;张晓礼
【作者单位】内蒙古科技大学
【正文语种】中文
【中图分类】S781.2
【相关文献】
1.基于分离式霍普金森压杆的弹载器件动态特性模拟研究
2.改进的霍普金森压杆技术在聚氨脂泡沫塑料动态力学性能研究中的应用
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霍普金森压杆实验流程
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关于霍普金森杆高温动态实验技术的简单总结ppt课件
国内学者张方举、谢若泽[4]发明一套自动组装装置, 实验前对试 件加热并自动保温, 波导杆则置于加热炉外, 实验时进行瞬态组装, 由此避免了导杆温度梯度对波形的影响。
进行改进
7
最早在六十年代J. L. Chiddister [1] 、
U . S. Lindholm[ 2] 等就将分离式 SHPB 装置应用 于高温动态力学 性能的测量。
国内学者王春奎、 夏开文、李玉龙、 张方举等也做了 大量的工作。
Chiddister
Lindholm 王春奎 夏开文 李玉龙 张方举
其中m2=hp/kA，x为离热源的距离T0， 为热源温度T， 无穷远处温度
（即为室温），h空气热交换系数，p为杆截面周长，k为杆的热导率，
A 为杆的横截面积。
17
利用公式算的摄氏 600度时的温度分布
在文献[1] 中, J. L. Chiddister 对温 度分布作了测量, 结果与公式符合 的还是比较好
(9)
S
(t)
2C0 ls
R
(t)
(10)
S
(t)
2C0 ls
t 0
R
(t)dt
(11)
公式9-11即为常用的二波法 6
经典的SHPB实验技术可以有 效测量材料高应变率下的动态力 学行为，但由于科学技术的进步, 当前工程材料的工作环境不仅仅 涉及涉高应变率、大变形等极端 条件, 同时还涉及高温、高升温率 等条件，例如航空航天材料、核 反应堆材料、弹靶材料等, 因此, 高温下材料的动态力学性能称为 人们非常关心的一个问题。而经 典的SHPB实验技术无法满足测量 要求。
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。
霍普金森杆实验介绍
霍普金森杆实验技术介绍传统的液压伺服系统上准静态实验的应变率通常在1s -1以下，对于更高的应变率，需要采用其他实验手段。
高应变率实验和准静态实验的根本不同点在于，随着应变率的增加，惯性效应即应力波效应明显增强。
分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bars ，SHPB ）实验技术是研究材料在中高应变率下（102~104S -1）力学性能的主要实验方法。
美国ASM 协会出版的ASM 手册第八卷Material Testing and Evaluation 一书中系统的介绍了分离式霍普金森杆及其相关实验技术，可是并没有建立详细的通用实验标准。
分离式霍普金森杆实验技术主要基于两个基本假定：一维应力波假定；试样中应力应变沿试样长度均匀分布假定（均匀性假定）。
典型的分离式霍普金森杆实验装置由压（拉）杆系统、测量系统、数据采集系统和数据处理系统组成，其中压（拉）杆系统是实验装置的最重要部分。
霍普金森压杆图1 分离式霍普金森压杆实验装置简图图2 试样连接部分简图霍普金森压杆主要由撞击杆、输入杆、吸收杆和试样组成，实验装置简图如图1所示。
其实验原理主要通过使用应变片对入射杆中的入射波、反射杆以及透射杆中的透射脉冲进行测量，然后根据一维应力波理论导出实验的应力-应变关系。
如图2所示，设试样与入射杆相连接端面为面Ⅰ，试样与透射杆相连接端面为面Ⅱ。
在实验过程中面Ⅰ和面Ⅱ上的位移分别为U 1和U 2，则根据线弹性波的线性叠加原理，有()100ti r U c d εετ=-⎰ ()100ti U c d ετ=⎰式中：c 0为压杆中的弹性波速； 、 、 分别为入射波、反射波和透射波独立传播式所对应的杆中的应变。
设试样的长度为L 0，横截面积为A 0。
则试样中的平均应变为：()012000t i r t c U U d L L εεεετ-==--⎰试样的平均平均应变率为： ()00i r t c L εεεε=-- 根据力的平衡性，试样的平均应力为：()02i r t AE A σεεε=++ 其中A 和E 分别为杆的横截面积和弹性模量。
霍普金森压杆实验报告
(Байду номын сангаас)
νⅠ = ν2 = ν i +ν r = −c(ε i − ε r )
′ = ν t = −cε t νⅡ = ν 2
(t= ε )
νⅡ −νⅠ
l0 c l0
=
t
c (ε i − ε r − ε t ) l0 − ε r − ε t )dt
ε= (t )
∫ (ε
0
i
(2)
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
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 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。
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简述“霍普金斯”杆测量材料动态应力应变曲线的原理；选用一种大型软件对其进行计算模拟，并对模拟结果进行分析。
答：选用ABAQUS大型有限元软件
一、“霍普金斯”压杆理论：
Hopkinson压杆技术源于1914年B．Hopkinson测试压力脉冲的试验工作，后来R．M．Davies对它进行了改进。
1949年，H．Kolsky在这些基础上建立了进行材料单轴动态压缩性能试验的试验方法，测试了高应变率下金属材料的力学性能，这个方法称为分离式Hopkinson压杆(或Kolsky杆)技术。
其原理是将试样夹持于两个细长弹性杆(入射杆与透射杆)之间，由圆柱形子弹以一定的速度撞击入射弹性杆的另一端，产生压应力脉冲并沿着入射弹性杆向试样方向传播。
当应力波传到入射杆与试样的界面时，一部分反射回入射杆，另一部分对试样加载并传向透射杆，通过贴在入射杆与透射杆上的应变片可记录入射脉冲，反射脉冲及透射脉冲，由一维应力波理论可以确定试样上的应力、应变率、应变随时间的变化，以及应力、应变曲线。
5O多年来，此技术广泛用在高变形速率下材料力学性能的测试。
研究人员也对Hopkinson压杆试验方法进行了系统深入的研究，使该技术不断地改善和发展。
J．Harding 等在1960年将用于单轴压缩试验的Hopkinson压杆推广到了单轴拉伸试验，在此基础上，1983年又提出至今被广泛使用的Hopkinson拉杆试验方法。
W．E．Backer等、J．D．Campbell 等、J．Dully等又提出了Hopkinson扭杆技术，可对于试样施加高应变速率的纯扭转载荷。
为提高试验精度，前人在应力波的弥散效应、三维效应、应力波分离、试样中的瞬态平衡对试验结果的影响等方面做了大量工作。
分离式Hopkinson压杆实验的示意图如下：
图8-1 分离式Hopkinson压杆示意图
上图表示了压杆、试件和测试仪器等的位置安排。
压杆由高强度合金钢制成。
压杆与试件的接触面需要加工得很平并且保持平行。
压杆用塑料或尼龙稳定的支撑在底座上。
但要注意不能影响应力波的传递。
压杆分为输入杆、输出杆和动量杆三部分。
输入杆中的初始脉冲是用压缩弹簧或者火药枪发射的方法，在它的端部通过一个质量块或撞击杆的碰撞加载而产生的。
撞击杆与输入杆具有相同的材料和直径，因而撞击应力波可以无反射的传入输入杆。
由于撞击杆自由端的反射，一个拉伸卸载波通过界面进入输入杆，所以输入杆中入射脉冲的长度是撞击杆长度的两倍。
动量杆的端部用弹簧或活塞油缸吸走动量杆带走的无用动量。
初始输入应力的脉冲幅值与撞击速度成正比。
当输入杆中的入射脉冲到达试件界面时，一部分脉冲被反射，另一部分脉冲通过试件透射进输入杆。
这些入射、反射和透射脉冲的大小取决于试件材料的性质。
在加载脉冲的作用期间，试件中发生了多次内反射，因为加载脉冲的作用时间比短试件中波的传播时间要长得多，由于这些内反射，使得试件中应力很快地趋向均匀化，因此可以忽略试件内部的波的传播效应。
如果我们能够在压杆上记录入射、反射和透射脉冲的连续的应变—时间历史，那么就可
以决定试件界面上所受的力和位移的边界条件。
安装在压杆径向表面上的阻力应变传感器纪录了这些脉冲。
注意每个传感器到压杆端部之间的距离必须大于撞击杆的长度，以保证纪录数据的完整性。
假设测试记录的入射、反射和透射脉冲分别用,I R εε和T ε表示，根据试件与压杆的界面条件，按一维弹性波传播理论得到位移的表达式
00
t
u C dt ε=⎰
(8- 1)
式中u 是时间t 的位移，C 0是弹性纵波速度，ε是应变，输入杆界面上的位移u 1，不仅包括沿X 正向传播的入射应变脉冲I ε，同时也包括在X 负方向传播的反射应变脉冲R ε。
因此
()()1000
00
t t
I R t
I R u C dt C dt
C dt
εεεε=+-=-⎰⎰⎰ (8- 2)
类似的，输出杆截面上的位移u 2是由透射应变脉冲T ε造成的。
因此
200
t
T u C dt ε=⎰
(8- 3)
试件中的平均应变
()0
120
00
t
S I
R T C u u dt l l εε
εε-=
=--⎰
(8- 4)
式中，l 0为试件的初始长度，如果假设通过短试件的应力是常量，这就意味着试件长度
00l →，即
R T I εεε=-
(8- 5)
代入方程(8-4)中，得
2t
S R
C dt l εε
=-
⎰
(8- 6)
试件两端的荷载分别是
()12,I R T
F EA F EA εεε=+=
因此试件中的平均应力
()12122S I R T s s F F A E A A σεεε⎛⎫
+=
=++ ⎪⎝⎭
(8- 7)
式中E 是压杆的弹性模量，A 1/A S 是压杆与试件的截面比。
利用(8-5)上式可以简化为
S T S
A
E A σε⎛⎫=
⎪⎝⎭
(8- 8)
试件的平均应变率为
2S R C l εε=
(8- 9)
由于MARC 不适合瞬态动力响应，这里用ABAQUS 软件计算。
在这里采用显式算法的ABAQUS/Explicit 中的Johnson-Cook 模型。
Johnson-Cook 方程为
()01ln 1m n r
m r T T A B C T T εσεε⎡⎤⎛⎫⎛⎫-⎢⎥=++- ⎪ ⎪-⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣⎦
(8- 10)
二、有限元计算模拟： 1、建立模型：
图8-2 Hopkinson 杆模型图
模型尺寸信息如下表所示：
模型 入射杆
试件 出射杆 尺寸(mm) φ⨯L
25⨯2040
18⨯22
25⨯2040
2、材料参数
入射杆和出射杆使用线弹性材料，弹性模量和泊松比分别为200GPa 和0.3，密度为
337.8510/kg m ⨯。
材料参数如下表所示。
表8-2 试样材料参数
性质
密度 [Kg/m 3] 杨氏模量 [MPa] 泊松比
Johnson-Cook 模型参数
数值 2.7⨯103 68.0⨯103 0.33
A[MPa] B[MPa] n C
M 66.562 108.853 0.238 0.029
0.5
3、模型接触设置。