分离式霍普金森压杆实验技术数值模拟
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。
动态劈裂实验的数值模拟及讨论
（ 合肥工业大学 土木与水利工程学 院， 安徽 合肥 ２０ ０ ） ３ ０ ９
摘
要： 利用分离式霍普金森压杆 （ ＨＰ ） 以进行 混凝 土类材料 高应变率 下的劈裂 实验 ， ｌ Ｓ Ｂ可 Ｅ前公认 的方法
是通过透射波信号得到劈裂强度和相应的平均应变率。文章 通过数值模拟对这种方法 的有效性进行 了讨论 ， 发现在高应变率下 ， 混凝土劈裂不满足 中心开裂条件 。因此上述基于弹性静力学平面问题的传统处理方法会
ｔａ ｓ ｉｔ ｇ ｗ ａ ｅ ｓｇ ａｓ Ｔｈ ａ ｅ ｉｃ ｓｅ ｈ ｆｅ ｔ ｅ ｅ ｓ ｏ ｈ ｓ ｍｅ ｈ ｄ ｔ ｒ ｕ ｈ ｎ ｍｅ ｉａ ｒ ｎ ｍ ｔｉ ｖ ｉｎ ｌ． ｎ ｅｐ ｐ ｒ ｄｓ ｕ ｓ ｓ ｔ ｅ ｅｆｃ ｉ ｎ ｓ ｆｔ ｉ ｔ ｏ ｈ ｏ ｇ ｕ ｒｃ ｌ ｖ ｓｍｕ ａ ｉｎ ａ ｄ ｉ ｉ ｏ ｎ ｈ ｔｃ ｎ ｒ ｔ ｐ ｉｔ ｇｉ ｏ ｎａ ｃ ｒ ａ ｃ ｔ ｈ ｏ ｄｔ ｎ ｆ ｅ ｔｒｓ ｌ ｉ ｌｔ ｎ ｔ ｓｆ ｕ ｄｔ ａ ｏ ｃ ｅｅｓ ｌ ｉ ｓｎ ｔｉ ｃ ｏ ｄ ｎ ｅｗｉｈｔ ｅｃ ｎ ｉｉ ｓｏ ｎ ｅ ｐ ｉ ｏ ｔｎ ｏ ｃ ｔ ａ ｈ ｉｈ ｓｒ ｉ ａｅ Ｓ ｈ ｒ ｄｔｏ ａ ｐ ｒ ａ ｈ ｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｌｓｏ ｔ ｔ ｌｎ ｈ ｏ ｙ ｍ ａ ｒｎ ｔｔ ｅｈ ｇ ｔａｎ ｒ ｔ ． ｏ ｔ ｅｔａ ｉｉｎ ｌａ ｐ ｏ ｃ ａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｅａ ｔ ｓａｉ ｐ ａ ｅｔ ｅ ｒ ｙ ｂ ｉ ｇ ｃ
（ ｃ ｏ ｌ ｆＣｉｉ Ｅｎ ｉ ｅ ｉｇ，Ｈｅｅ ｉ ｅｓｔ ｆＴｅｈｎ ｌｇ Ｓ ｈ ｏ ｖｌ ｇｎｅ ｒｎ ｏ ｆｉ Ｕｎ ｖ ｒｉｙ ｏ ｃ ｏｏ ｙ，Ｈ ｅｅ ３ ０ ９，Ｃｈｎ ） ｆｉ２ ０ ０ ｉａ
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。
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。
SHPB实验数据处理的规范化问题讨论
爆炸与冲击
ＥＸＰＩ，ＯＳＩｏＮ ＡＮＤ ＳＨｏＣＫ ＷＡＶＥＳ
文章编号：１００ｌ—１４５５（２００５）０６一０５５３一０６
Ｖ０１．２５，Ｎｏ ６ Ｎｏｖ，２００５
ＳＨＰＢ实验数据处理的规范化问题讨论’
李英雷，胡昌明，王 悟
（中国工程物理研究院流体物理研究所冲击渡物理与爆轰物理宴验室．四川绵阳６２１９００）
在“重构”过程中，考虑到试样中的应力均匀条件，因此采用了人射渡和透射波来计算试样的应力和 万方数据
爆炸
与
冲
击
第２ｓ卷
应变［“］。“重构”得到的应力一应变曲线是按照ｓＨＰＢ实验数据处理方法，由数值模拟输出的压杆中部
贴片位置的入射应变和透射应变计算得到的。其中，透射波和入射渡的相对起点位置按照公式（３）的方
￡，ｕｓ
过应变仪的标定电路确定；＿Ｒ。和Ｒ。分别是应变仪 的标定电阻和应变片的电阻，它们均可以直接测量。 △ｕ是弹速”下的标准人射应变波形对应的电压平 台高度（如图１）。在公式（２）中，丛，的值一般需要
图１实测的入射应变波形及确定平台高度
Ｆｉｇ．１ Ｔ１１ｅ １ｎｃｉｄｃｎｔ ｓｔｒａｍ俐ｅｍｃａｓｕｒｅｄ ａｎｄ
ｄｅｔｅｒｍｉｎ８ｔｌｏｎ ｏｆ ｆｌａｔ－ｓｅｚｍｅｎｔ ｖａｌｕｅ
通过实验波形获得，比较难判断，而其余参量均有比较成熟、准确的计算和测量方法。
按照一维应力波理论，图ｌ中的电压（应变）信号应该为矩形，△Ｕ就代表矩形的高度。但是由于横 向惯性效应的影响（弥散）［１］，实测波形会在弥散作用下出现振荡，使电压信号的形状变得不规则，因此
的应变误差，属于小量，可以忽略；对于第二种情况，实验应力一应变曲线是真实曲线从岛开始的部份曲
分离式霍普金森压杆推导
分离式霍普金森压杆推导一、引言霍普金森压杆实验是材料科学中一个非常重要的实验手段，它被广泛应用于测量材料的弹性模量、屈服强度等重要物理性质。
然而，传统的霍普金森压杆实验存在一些局限性和不足，例如，对于某些特殊材料或者复杂材料的测量精度不高。
因此，本文将探讨一种新型的分离式霍普金森压杆，并对其原理、设计和应用进行详细介绍。
二、霍普金森压杆简介霍普金森压杆实验是一种动态力学实验方法，它通过在试样上施加周期性变化的应力或应变，测量试样的响应，从而得到材料的弹性模量、屈服强度等物理性质。
该实验方法具有简单易操作、测量精度高等优点，被广泛应用于材料科学、物理学等领域。
三、分离式霍普金森压杆的提出传统的霍普金森压杆实验存在一些不足之处，例如，对于某些具有非线性行为的材料，其测量结果可能存在较大的误差。
此外，传统的霍普金森压杆实验对于试样的尺寸和形状有一定的限制，对于某些特殊形状的试样，其适用性较差。
为了解决这些问题，本文提出了一种分离式霍普金森压杆，它可以更加准确地测量材料的性能，并且能够适应更复杂或更特殊的材料。
四、分离式霍普金森压杆的模型建立分离式霍普金森压杆的设计和构建过程如下：首先选择合适的材料和尺寸，然后根据实验要求确定加载条件。
在设计和构建过程中，需要遵循一定的理论基础和实践依据，以确保实验结果的准确性和可靠性。
与传统的霍普金森压杆相比，分离式霍普金森压杆具有更高的测量精度和更广泛的适用性。
五、材料性能的影响材料的性能对分离式霍普金森压杆实验结果有着重要的影响。
例如，材料的弹性模量、屈服强度、韧性等性质都会影响实验结果。
为了获得准确的实验结果，需要对这些因素进行深入分析和研究。
六、边界条件与加载条件在分离式霍普金森压杆实验中，边界条件和加载条件对实验结果也有着重要的影响。
例如，实验温度、应变率、应力状态等都会影响试样的响应和实验结果。
因此，在实验过程中需要严格控制这些因素，以获得准确的实验结果。
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
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。
图 6 透射波波形
万试屋 – 材料测试仪器方法资源小站/test_house
2.5 试件应力-应变曲线
工程应力曲线：
图 7 试样的工程应力曲线
工程应变曲线：
图 8 试样的工程应变曲线
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首先分析试样与压杆不均匀接触的影响。根据实验
经验,考虑试样与压杆不平度分别为0.03/100,
O.05/100,0.1/100三种情形。从试样的前后接触面以及
中间截面的A、B、c三处取出数值模拟应力波波形图,
其中A处是试样最先与压杆接触的一边,c处则是最
后与压杆接触到的一边,B处是A、B正中间的单元。
如图4.36所示。
图4.37至图4_39是不平度0.03/100的试样的模拟
结果,从图中我们观察到尽管对于100mm直径只有
O.Olmm的不平度,在接触瞬间同一截面还是有明显的图4.36:试样不均匀
接触分析波形采集位置
不平度,试样在约一半上升沿内试样不平接触面各点处在不同应变率加载之中。
变对波形的影响。可以发现随着pulse shaper杨氏模量的降低,波的上升沿时明显拉长,杨氏模量的降低较多时波峰会略有降低,而且当杨氏模量降到12GPa 时波的上升段近似直线,波形被改造为近似三角形波。还可以发现硬化模量的改变对波的上升沿时没有改变,其对波形整形的贡献表现在波的上升段曲率上,即波的形状上,也就是说不同的硬化模量会影响在总的上升沿时段内不同阶段波上升的快慢。
4.4试样表面缺陷及与压杆不Leabharlann 匀接触分析4.4.1计算方案
SHPB实验的一维应力假定和均匀性假定要求试样与压杆、压杆与子弹之间共轴撞击并且保持试样均匀受压,这要求子弹与压杆、压杆与试样之间在碰撞时接触面保持均匀接触,试样的表面无缺损。对于大直径试样来说,试样的加工总会存在一些误差,而一些脆性材料例如混凝土、砂浆是由粗骨料和胶凝材料经过水化反应及后期的养护而成,必然会存在初始缺陷;在表面加工过程中,由于加工误差,试样两端面不可能完全平行;同时在加工和运输过程中还极易造成试样边缘剥落。这些初始几何缺陷导致SHPB实验过程中试样与压杆不可能保持在理想的均匀接触状态下共轴撞击,从而试样内各点应力是不均匀的。分析这种由于试样几何缺陷产生的试样受力不均匀对sHPB实验精度的影响程度是十分必要的,有利于实验方法的改进和试样加工精度的确定。本文建立了m100mm大直径实验装置数值模型。分别分析了试样与压杆不均匀接触和试样表面初始缺陷对试样截面应力均匀性的影响。为了突出试样的缺陷和不均匀接触的影响,我们取试样材料等同于压杆材料,试样长50mm,直径100mm,试样网格划分:纵向10等分,径向12等分。接触刚度因子O.8。
芒罨b 图4.49:试样表面边缘剥落模型图4.50:试样表面边缘剥落分析
波形采集位置
f,s
图4,5l:试样表面缺陷分析
(离缺陷所在截面Om)
f/s
图4.52:试样表面缺陷分析
(离缺陷所在截面O。025m)
以上是我们对试样接触面不均匀所作的数值模拟,必须指出的这仅仅是我们所作的试样单面接触不平所作的分析,实际上试样的两接触面都可能不平整,其对试样的影响会更复杂,值得进一步探讨。总之试样与压杆之间的不均匀接触对试样内尤其是初始段的应力影响较大,需要严格控制在一个较小的范围内。
其次,对试样边缘剥落缺陷的影响也进行了分析。图4.49是试样单面半圆范围内边缘锥形缺陷模型,边缘破损最大值1mm,锥角450。图4.51至4.53是该缺陷的试样在应力波作用下不同位置处的单元应力波形。A、B、c、D是同一截面径向不同点,其位置如图4.50所示。图4.51是缺损处截面应力波形,图4.52、4.53是依次离开缺损截面0.025m,O.05m处试样截面应力波形。可以看到在缺损接触面缺损处及附近产生了很大的应力集中现象。进入试样中部这种应力集中的影响会很快减小。所以试样试样边缘剥落对试样影响很大,它会使试样因为过高的应力集中而过早破坏。