霍普金森压杆测试系统
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。
霍普金森压杆系统气体炮弹速计算公式研究
５结论
本文根据牛顿第二运动定律和空气动力学原理推导出了新的弹速计算公式，在推导过程中考虑 了实际装弹位置的变化和发射管内原来大气压的影响。考虑冈素全面且符合实际情况，较原计算理 论计算公式精度得到很大提高。本文所推公式计算过程简单，可以计算子弹在撞击入射杆时的速度， 对杆上应变测量系统进行动态标定和试验过程起指导作用。本公式具有较好的推广。价值，以期对霍
图２气炮发射杆件原理４ｉ恿图 卜发射腔；２一发射管；３一模拟弹；４一卸载孔
本文所讨论的模拟弹速指的是模拟弹左端运行至发射炮管卸载孔时，尚未撞击输入杆时的速度。 ２．２现有模拟弹弹速计算公式 从气体的绝热方程得知：拍儿剐
ＰｏＷ＝Ｐ（Ｖｏ＋ＡＸ）７
（１）
式中，Ｐｏ为发射腔内气体的压强，Ｐａ；Ｖ０为发射腔内气体的体积，ｍ３；Ｐ为发射腔高压气体在
。
引言
气体炮是一种研究材料在冲击乐缩下的动力学特性、状态方程以及物理、化学特性常用的冲击 加载工具，分离式Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆是研究材料在中低应变率条件下的力学性能的主要实验加载设备，
其中子弹速度是确定材料中冲击状态或应力状态的重要参数之一，因此为了较为精确地确定弹速是
十分必要和重要的。我系于前年年底建立了大口径霍普金森杆系统。…埋１在设备调试过程中，发现原 模拟弹弹速公式的计算结果与光电测速仪上的计算速度存在较人偏差，使得对杆上的应变测量系统
２０９
ｌ
ｊ
ｌ
ｐ’Ａ
ｐｉＡ
｛
１
｜
’魄
ＲＡ
图３模拟弹的实陌ｉ受力图
图中，只’彳为发射管内留有气体压强变化所产生的压力，Ｎ；尸‘彳为发射腔高压气体在放炮阀
打开后作用在模拟弹上的压力，Ｎ；只么为大气压所产生的压力，Ｎ；Ⅳ为发射管对模拟弹的支撑
基于霍普金森压杆系统的动态压痕实验
*
第 3期
张
新等: 基于霍普金森压杆系统的动态压痕实验
257
行数值模拟， 并对该装置的可行性进行分析和验证 �利用该装置对无氧铜� 钛� 铝合金 3 种不同材料进 行动态压痕实验， 得到一系列的材料动态性能� 结果表明， 本文中发展的动态压痕实验技术， 具有测量 精确可靠� 应用简单方便等优点 �
1
1 .1 7
实验技术和方法
试样材料及几何尺寸 � � � L Y1 2 铝合金 � 实验中测试的材料为 � 纯钛和无氧铜 3 种材料� 每个试样的尺寸为 1 2.7
， 粘连在透射杆的端面上 �实验前对所有试样进行退火处理 ， 并进行端面抛光 � 1 . 2 实验装置简介 � � 采用改进后的分离式 H k i 压杆 ( i H k i e e b a ，SH PB ) 系统对试样进行动态实 验研究， 类似于静态压痕实验仪器 �为了得到材料的动态硬度， 在 SH PB 系统的基础上， 增加了动态压 痕设备部分， 包括硬质合金压头 � 套筒和试样 3 部分 �在动态压痕实验中 ， 需要得到实验过后试样表面 ［1 8 ］ 压痕的尺寸， 为避免实验过程中的二次加载问题， 增加了能量块装置 �SH PB 系统的入射杆 � 透射杆 � � 1 2.7 ， 和子弹直径均为 材料为高强度合金钢 ， 其中入射杆长 1 .2 ， 透射杆长 1 ， 在不同冲击速度 下， 为了使压痕大小尺寸差别不大 ， 选用了不同长度的子弹� 实验中需获得试样的压痕深度及试样所受 到的冲击载荷， 压深和载荷都可以通过应变片上测得的信号推算出来
3 ］ ］ �然而已有的研究［4 料性能测试方面的应用［2表明 ， 许多金属材料在高应变率下表现出明显区别于 ［58 ］ �若将静态压痕实验 静态加载的变形特性， 如屈服和流动应力提高， 断裂韧性增大 ， 绝热温升显著等
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。
霍普金森杆实验技术简介
霍普金森杆实验技术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著不同。
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，而进行数值模拟的前提是必须首先建立一个基于材料在各种应变率下（尤其是在动态应变率下）的精确应力－应变曲线基础上的本构模型。
所以，获得一套材料在高应变率下的应力—应变曲线则成为首要任务。
尽管人们已经研制了多种动态实验技术，但是，与准静态实验相比，进行有效并准确的高应变率下的动态实验依然是一个很大的挑战。
因此，为得到有效并准确的材料的应变率相关的应力—应变曲线，研制高效的、精确的高应变率实验装置是非常重要的。
首先，人们知道，固体力学的静力学理论所研究的是处于静力平衡状态下的固体介质，以忽略介质微元体的惯性作用为前提。
这只是在载荷强度随时间不发生显著变化的时候，才是允许和正确的。
而爆炸/冲击裁荷以载荷作用的短历时为其特征，在以毫秒（ms）、微秒（?s）甚至纳秒（ns）计的短暂时间尺度上发生了运动参量（位移、速度、加速度）的显著变化。
在这样的动载荷条件，介质的微元体处于随时间迅速变化着的动态过程中，这是一个动力学问题。
对此必须计及介质微元体的惯性，从而就导致了对应力波传播的研究。
一切固体材料都具有惯性和可变形性，当受到随时间变化着的外载荷的作用时，它的运动过程总是一个应力波传播、反射和相互作用的过程。
在忽略了介质惯性的可变形固体的静力学问题中，只是允许忽略或没有必要去研究这一在达到静力平衡前的应力波的传播和相互作用的过程，而着眼于研究达到应力平衡后的结果而已。
在忽略了介质可变形性的刚体力学问题中，则相当于应力波传播速度趋于无限大，因而不必再予以考虑。
用于电磁霍普金森拉压杆的电磁加载系统
展。
15
展望
1、传统加载缺陷
精度低 重复性差 调节范围小 存在安全隐患
1
展望
2
3
2、电磁加载优势
精度高 重复性好 脉宽、应变率随意调节 操作简单，稳定性安全性高
3、未来发展方向
小型化，使产品更加便携 智能化，应变率精确选择 规范化，形成行业标准 人性化，使产品更加美观
17
航电磁科技有限公司董事长兼首席科学家。发表论文80多篇，授权发明
专利30项，出版专著2部，以第一获奖人获省部级奖三项。工作三十年
来一直从事电磁加载技术的研究，突破了电磁பைடு நூலகம்载多项核心技术，如放
电线圈的制造技术、冲击大电流电源制造技术、电磁铆枪的减振及小型
化技术等。基于电磁加载技术开发了系列化应用产品。
3
研究背景
传统加载与电磁加载对比
现有加载方式多采用空气炮加载，然而由于空气的压缩性
导致试样应变率无法精确控制，从而导致试验重复性差；获
得不同应变率需要采用长度不同的入射杆，使得同一台设备
无法实现应变率大范围调节；此外，由于空气膨胀系数很高，
导致空气炮加载在使用过程中存在安全隐患。
精确性低
精度高
重复性差
安全性差
调节范围小
传
电
统
磁
加
加
载
载
重复性好
安全性高
调节范围大
5
目录
背景
原理
研发基础
展望
6
原理
电磁力加载原理
电磁力产生的应力波是一种可控性能优越的加载波， 具有脉冲宽度 可调、加载应变率跨度大、脉冲幅值控制精确、稳定性高等特点。图为 电磁力产生的应力波，负值表示压缩波，正值表示拉伸波。如果将该应 力波作为入射波，直接作用到霍普金森实验的入射杆中， 可以有效地实 现入射波的精确加载，霍普金森压杆实验可靠性和可控性能将大幅提高， 霍普金森杆实验的加载应变率跨度将大范围拓展，对于材料动态力学性 能测试具有开拓意义。
霍普金森杆试验报告
霍普金森压杆(SHPB)试验报告一、SHPB试验目的及用途1、了解霍普金森压杆(SHPB)测试的试验原理，掌握试验的基本操作步骤；2、霍普金森压杆(SHPB)测试技术主要用来测试材料在高应变率下的力学性能。
此试验主要通过霍普金森压杆(SHPB)测试技术，来测试泡沫铝(37mm×21mm)的力学性能，获取应力-应变曲线。
二、SHPB试验装置及其示意图1—发射气枪2—撞击杆3—激光发射器4—激光接收器5—电阻应变片6—入射杆7—试件8—透射杆9—吸收杆10—缓冲装置11—超动态应变仪12—波形存贮器13—数据处理系统三、试验原理1、三种波形的获取过程通过发射气枪作用，赋予撞击杆一定的初速度，此初速度可以由激光发射器和接收器测出间隔时间，然后计算得出。
撞击杆以此速度撞击入射杆，输入入射波脉冲，随着入射波的传播，在试件表面产生反射和穿透。
入射、反射、透射脉冲均可以通过电阻应变片测出，进而通过超动态应变仪传递到波形存贮器进行保存三种波形，从而利用入射、反射和透射脉冲来推导出试件中的应力、应变和应变率。
2、应力应变曲线获取的原理利用这些脉冲信号来获得材料在高应变率下的应力-应变曲线原理如下：图SHPB系统加载示意图上图是SHPB系统加载过程的示意图，Iε、Rε、Tε分别表示的是应变片测量到的入射、反射和透射信号。
1、2分别是试件的两个端面，S A是试件的横截面积，L是试件的长度，A和E分别是压杆的横截面积和弹性模量。
根据一维应力波理论，试件的两个端面的位移1u和2u可分别表示为1010t u C dt ε=⎰ (1) 2020tu C dt ε=⎰ (2)式中，1ε、2ε分别是试件两个端面的应变，0C 是压杆的弹性波速。
由于入射波到达杆与试样接触端是立刻会有反射波产生，因此入射杆与试件接触面上的应变1ε既包括了向右传播的应变脉冲I ε，又包括向左传播的反射应变脉冲R ε，即：1I R εεε=+ (3)因此界面1上的位移1u 就可以表示为：100()t I R u C dt εε=-⎰ (4)而界面2处的位移2u 只与透射脉冲T ε有关，故有：200t T u C dt ε=⎰ （5）这里的应变均是压应变。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
霍普金森压杆测试系统
系统简介
霍普金森压杆测试系统主要由霍普金森压杆试验装置（包括平台支架、气室及发射气动机构、输入杆/输出杆/阻尼杆、围压气动装置等）、超动态应变高速数据采集仪及配套的专用霍普金森压杆测试分析软件有机构成。
下面由四川拓普测控科技有限公司介绍一下该系统。
它用于测试材料在动态打击状态下的应力应变特性并得到在此应变率下的应力应变曲线。
系统特点
★多功能性的系统
使用同一套压杆系统，可以快速将炮管换成需要试验的炮管，可实现多种规格杆件试验。
调整方便快捷，为用户节省大笔费用。
★高效便捷的系统
由专有技术拼合成的组合式高精度导轨，可任意接长或缩短，具有侧向和平面高精度统一基准，可使发射系统（包括各种炮管）、杆件（各种杆径）在同一基准下任一位置调试安装，极大节约调试时间，操作方便，实验重复精度高。
★标准化的系统模块
无论发射系统、中心支撑装置，还是导轨，全部采用标准模块化结构，不同的试验设备，都可以通过数量增减而达到试验要求，便于降低成本，有效利用设备功能，易于推广。
★优越的高速同步数据采集
系统中高速同步数采选用本公司目前业界领先、具有高度自主知识产权的高速同步数据采集设备，具有高速采样率、高同步性、高精度，低噪声，低失真和测试信号范围宽的特点，能够及时、精细地捕捉到高频、瞬时的超动态应变信号。
★灵活、专业的分析软件
系统配套专用分析软件D-Wave，从数据读取、处理到分析结果，过程完全自动化。
具有自动计算结果、三种数据（入射波、反射波、透射波）计算方法、波形平滑、数据有效性验证、多种数据波形选取、多种数据形式输出等功能。
能够全面应对复杂的数据分析任务。
★可扩展性强
系统具有很强的扩展性，还可增加辅助设备。
★无法拒绝的高性价比
拓普测控强大的研发动力和虚拟仪器平台自有的知识产权，让您能够以低于进口仪器的价格，购买到比肩进口仪器性能的仪器。
典型应用
★材料动态力学性能测试
塑料、复合材料、泡沫材料、减震材料、粘结层、纤维等多种材料试验；岩石、混凝土、陶瓷材料试验；高聚物、炸药、固体推动剂材料试验；压缩，拉伸和剪切试验等。
★其它力学、应变测试
爆炸冲击动力学实验测试分析；弹性力学试验测试分析；动态应变/超动态应变信号测试分析。