关于霍普金森杆高温动态实验技术的简单总结

霍普金森压杆Hopkinson压杆

时间：二O二一年七月二十九日

时间：二O二一年七月二十九日 100mm/75mm/50mm/20mm霍普金森压杆Hopkinson压杆之马矢奏春创作

时间：二O二一年七月二十九日

一、 Hopkinson压杆构成

霍普金森多功能压杆设备主要由储气设备、发射系统、杆系与子弹、量测系统、中心支撑部件、基础导轨、缓冲装置和辅助设备等组成.

1 、发射系统：由储气室、发射体、汽缸、活塞、联接体、支承座、多种可更换炮管、反后座支架等组成.压力最高可达 5.8MPa ,炮管内径可实现为 Φ 7 5 , Φ 20 等多种规格 ,长度为3m .2 、杆系与子弹：分两种资料：（1）弹簧钢,热处置,规格 Φ 7 5 ,Φ 20 ,最年夜长度 3m .（2）超硬铝 LC4 规格 Φ 7 5 ,Φ 20 , 最年夜长度 3m .3 、中心支撑部件：由基座、三向移动锁定定位机构、高精度轴承、压盖、手念头构等构成.主要特点在统一基准导轨下可使分歧直径杆系沿轴向运动为滚动摩擦.滑动轻快,自调整极其方便.4 、基础导轨：由多根铸铁地轨、地脚调节装置等拼合组成的一条整体导轨.使用专用技术,使导轨在装置好后,形成两个基准：一个是侧基准,一个是水平基准,可使发射装置、杆系、支撑部件等在同一基准下工作,年夜年夜提高调试工作效率.整体基准直线度可控制在 0.04/m 以内. 时间：二O二一年七月二十九日

时间：二O二一年七月二十九日二、系统指标： 1 、压力范围： 0.2~5.8MPa2 、杆系直径：两种： Φ 7 5 ,Φ 20 .3 、子弹速度： ≤ 40m /s4 、杆件资料：弹簧钢、超硬铝 LC4 ,均热处置.5 、导轨长度： 12.4m6 、适用杆件直径范围： Φ 20 ~ Φ 75

三、静态压缩试验

1测试系统

传统的Hopkinson压杆测试系统包括有：加载系统、静态应变仪、数据记录与收集系统和数据分析计算系统,如图1所示.

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实验技术应注意的几类问题

科技情报开发与经济　ＳＣ１一ＴＥＣＨ　１ＮＦＯＲＭＡ　ｒｌＯＮ　ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ＆ＥＣＯＮＯＭＹ　２００７年第１７卷第４期　

文章编号：１００５－６０３３（２００７）０４－０１６９—０３　

ＳＨＰＢ实验技术应注意的几类问题　

常列珍　

（中北大学，山西太原，０３００５１）　

摘要：系统地综述了ＳＨＰＢ实验技术原理和研究进展，指出＇－３前ＳＨＰＢ实验技术应注　

意的几类问题，包括大直径压杆的弥散效应问题、应力不均匀性问题、端面摩擦效应问　

题、高温高应变率测试问题和ＳＨＰＢ实验数据处理问题，并在此基础上提出解决问题　

的基本思路与方法。　

关键词：ＳＨＰＢ；实验技术；动态力学性雒　

中图分类号：ＴＨ１４０．７　文献标识码：Ａ　

材料在冲击载荷下的力学响应往往与静载荷下的力学响应有显著　

不同，因此研究材料在各种冲击载荷下的力学行为已经成为相关设计部　

门日益关注的问题。准确地获得材料的本构特性，是合理进行工程设计　

的基础，也为模拟仿真技术提供了正确的材料模型和可靠的材料属性数　

据ｆ”。同时也是研究地壳岩石动力学特性的基础工作　。分离式霍普金　

森压杆（ｓＤｌｉｔ　Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｂａｒ，简称ＳＨＰＢ）实验技术自１９４９年由　

Ｋｏｌｓｋｙ［ｓ】发明至今已有５Ｏ多年的历史，已成为测量材料动态力学性能的　

主要手段之一。国内有关科研单位为了不同的研究目的相继建立起不同　

尺寸的ＳＨＰＢ装置和高温ＳＨＰＢ实验装置，ＳＨＰＢ实验技术发展迅速，实　

验装置、数据分析处理等方面都取得了很大进展㈨。　

ｌ　ＳＨＰＢ测试装置及其原理　

典型的ＳＨＰＢ测试装置见图ｌ，试件被制成薄柱体，夹于两根高强度　

钢（或铝）杆之间（分别称为入射杆和透射杆）。高压气体驱动的子弹对入　

射杆进行撞击，在入射杆中产生入射应力波；该应力波对试件作用，在试　

件中产生应力波，同时在入射杆Ｌ｝Ｊ产生反射应力波；试件叶ｌ应力波再与　

透射杆作用，在透射杆中产生透射应力波。　

tc18合金高温动态力学行为表征

第29卷第10期中国有色金属学报2019年10月Volume29Number10TheChineseJournalofNonferrousMetalsOctober2019DOI：10.19476/j.ysxb.1004.0609.2019.10.09

TC18合金高温动态力学行为表征

贾宝华1，刘思勇1,2，李革1，顾永强1，王丹丹1，刘翔1

(1.内蒙古科技大学土木工程学院，包头014010；

2.上海市应用数学和力学研究所，上海200072)

摘要：采用电子万能试验机对TC18合金进行常温准静态压缩实验，得到合金在准静态下的实验数据，根据实验数据，选用分离式Hopkinson压杆对TC18合金在温度分别为298K、523K、773K和1023K，应变率分别为500s−1、1000s−1和1500s−1下进行动态力学性能实验，得到合金在高温动态压缩条件下的应力−应变曲线。在Johnson-Cook模型的基础上，通过考虑应变、应变率和温度的耦合效应，建立修正的Johnson-Cook模型对TC18

合金的高温动态力学性能进行表征，模型预测结果与实验结果吻合良好，表明修正的Johnson-Cook模型能够更精确地表征TC18合金在高温下的流动应力。关键词：TC18合金；Hopkinson压杆；Johnson-Cook模型；高温；动态文章编号：1004-0609(2019)-10-2292-07中图分类号：TG146.2+3文献标志码：A

TC18合金是20世纪70年代由前苏联研制出来的

一种α+β型的高强度钛合金，名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-1Fe-1Cr[1−2]，具有高强、高韧、优良的塑性、良好

的淬透性以及优异的退火焊接性等特点[3−6]。以往的研

究表明：TC18合金在退火状态下，强度最高可达1080MPa，淬透深度可达250mm[7−9]。由于TC18合金在

截面厚度方向上基本没有淬透性的限制，所以可以采

国内霍普金森杆发展

国内Hopkinson压杆实验技术概况

在国内，SHPB实验技术的提出最早始于力学所。文革前，当时在力学所的王礼立教授就已开始了这方面的文献调研和筹建，后因他本人调离而中断。文革结束，力学所的段祝平教授重新开始了这项工作，并建起了我国第一套SHPB实验装置。中科大的朱兆祥教授和刚从兰州调入科大的王礼立教授也开始了这方面的工作，并得到了力学所郑哲敏院士和段祝平教授的大力支持，当时科大的胡时胜教授还在力学所SHPB实验室学习了一个多月。几乎在同一期间，太原理工大学杨桂通教授等也建起了国内第一套SHB扭杆。另外，与材料动态力学性能关系最密切的兵器工业部52所的羡梦梅研究员在兵器行业率先建了一套SHPB实验装置，之后，调到53所的她又建起了另一套SHPB实验装置。北理工则分别有两个系（7系的张宝坪教授和8系的杨宝明教授）也有了SHPB实验室。在这期间，还有一些高校和科研部门先后建立了SHPB实验室，开展了材料动态力学性能方面的研究，并在国内外有了一定影响。他们是北京大学、宁波大学材力中心、中南工业大学、南京理工大学、西北工业大学和九院的一所和四所等。最近这几年，形势的需要和科研投入的增加，国防科技大学等更多高校和科研单位建起了SHPB实验室。目前，在国内拥有SHPB实验装置的单位应该有三四十家之多。

在国内，SHPB最初的研究对象主要是集中在金属和高聚物材料，其一是，铝合金、钛合金以及短纤维高聚物是当时航天部门十分关注的材料，其二是，这两类材料的可变形量大、材质也均匀，实验技术相对来说最为容易。因此人们利用SHPB实验装置测量了这些材料的动态应力-应变曲线，同时又开展了细微观察机理分析，讨论钛合金等金属材料热塑失稳引起的绝热剪切破坏，讨论短纤维对高聚物材料的增强机理等。除此之外，人们还利用SHPB实验装置研究岩石等脆性材料的动态力学性能，尽管这方面的SHPB实验技术还存在着一系列问题。此外，还有研究骨头等生物材料的动态力学性能，利用SHPB的改进型测量材料的冲击拉伸强度和动态断裂韧性等材料常数。另外，还有不少工作者利用这套冲击加载装置研究杆（管）件的动态屈曲，测量薄板的横向撞击变形等。

霍普金森杆实验技术经验简介

精心整理

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着变化的时候，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）的显着变化。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。对于爆炸/冲击载荷条件下的可变形固体，由于在与应力波传过物体特征长度所需时间相比是同量级或更低量级的时间尺度上，载荷已经发生了显着变化，甚至已作用完毕，而这种条件下可变形固体的运动过程常常正是我们关心所在，因此就必须考虑应力波的传播过程。其次，强冲击载荷所具有的在短暂时间尺度上发生载荷显着变化的特点，必定同时意味着高加载率或高应变率。一般常规静态试验中的应变率为10-5～10-1s-1量级．而在必须计及应力波传播的冲击试验中的应变率则为102～104s-1，甚至可高达107s-1，即比静态试验中的高多个量级。大量实验表明，在不同应变率下，材料的力学行为往往是不同的。从材料变形机理来说，除了理想弹性变形可看作瞬态响应外，各种类型的非弹性变形和断裂都是以有限速率发展、进行的非瞬态响应（如位错的运动过程，应力引起的扩散过程，损伤的演化过程，裂纹的扩展和传播过程等等)，因而材料的力学性能本质上是与应变率相关的。通常表现为：随着应变率的提高，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。

霍普金森杆实验原理

嘿，朋友们！今天咱来唠唠霍普金森杆实验原理。

你说这霍普金森杆实验啊，就像是一场奇妙的力量较量！想象一下，有一根杆子，它可不普通，它能帮我们搞清楚材料在瞬间受力时的表现。

这杆子就像一个超级裁判，能准确地判断出材料的“实力”。当我们给材料施加一个快速的冲击力时，霍普金森杆就开始它的工作啦。它会把这个冲击力分成两部分，一部分往前跑，一部分往后跑。这多有意思啊，就好像是把力量给“分家”了。

然后呢，通过测量这前后跑的力量和其他数据，我们就能知道材料到底有多“强壮”，能不能经得住这样的折腾。这就好像我们看一个人能不能扛起很重的东西一样，一试便知。

你说这是不是很神奇？而且这个实验原理在很多领域都大有用处呢！比如说在工程上，我们要建大桥、造高楼，就得知道那些建筑材料能不能扛得住各种力的作用。要是材料不行，那可不得了，大桥可能会塌，高楼可能会倒，那得多危险啊！

还有在材料研发方面，通过霍普金森杆实验，科学家们可以不断改进材料，让它们变得更厉害。就像我们不断锻炼让自己变得更强壮一样。

再想想，要是没有这个实验原理，我们对材料的了解岂不是少了很多？那我们的生活可能都会受到影响呢！所以说啊，这个霍普金森杆实验原理可真是太重要啦！

它就像是一个默默无闻的英雄，在背后为我们的科技发展和生活保障贡献着力量。我们得好好珍惜它，好好利用它，让它为我们创造更美好的世界呀！你们说是不是呢？

霍普金森压杆实验中的脉冲整形技术——笔记

1、霍普金森压杆实验中的一些问题的现状:

关于霍普金森压杆技术有效性的讨论过去主要集中试件的尺寸效应，波在杆中的二维弥散修正等。

实验过程中试件是否处于应力均匀状态以及试件是否以恒应变率变形这两个问题上所给予的关注并不多，或者说还没有找到一个非常可行的方法来解决这两个问题。

2、常规霍普金森压杆技术所遇到的问题：

要得到有效并精确的数据，下列霍普金森压杆的假设必须得到满足：

1）压杆中的波传播必须是平面一维的，因为应变片所测得的杆的表面应变通常代表压杆

整个横截面上的轴向应变。

2）试件中的应力和应变均处于均匀状态

3）此外，为保证得到有效的应力—应变数据，还应该使试件中的应变随时间变化的历史也是均匀的，即试件的变形是在恒应变率的条件下进行的。

所对应的问题：

1）二维波动效应(或称为波的弥散效应)

2）在高应变率霍普金森压杆实验中，加载的上升时间在10μs左右，高速撞击将导致明显的应力波传播效应（纵向惯性效应），低应变率下的试件中应力均匀性的结论不再成立，因而这时的试件也不可能处于实际的应力均匀状态

3）在常规霍普金森压杆实验中，子弹的撞击在入射杆中产生一个梯形的入射脉冲。由于试件横截面的增加和试件材料的硬化，应变率则会随时间减小以致于不能在整个实验中保持为一恒定值

3、常规霍普金森压杆对不同材料测试时存在的主要问题：

3.1金属类材料：

因为金属的弹性行为发生在非常小的变形下，在这样的小变形下，要得到精确的实验数据，因弥散效应引起的波的振荡问题和试件中应力均匀性是必须要考虑的敏感问题。

3.2脆性材料：

首先，在霍普金森压杆实验中必须保持脆性材料试件两个端面严格平行以增加实验数据的精度，因为试件端面的不平行或不平整都可能导致局部失效和应变测量的不精确。

其次，常规霍普金森压杆实验中陡峭的梯形脉冲也导致脆性试件在小变形下的严重应力不均匀。

此外，经典的梯形入射脉冲还会导致脆性材料试件非恒应变率变形。

霍普金森杆试验报告

11—超动态应变仪 12—波形存贮器 13—数据处理系统

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：

1 2

上图是 SHPB 系统加载过程的示意图， I 、 R、 T 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， AS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 u1和 u2可分别表示为 (7)

(8)

t

u1 0 C0 1d t (1)

t

u2 0 C0 2d t (2)

式中， 1、 2 分别是试件两个端面的应变， C0 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，

霍普金森杆实验技术读书札记

《霍普金森杆实验技术》读书札记

一、内容综述................................................1

二、霍普金森杆实验技术基本原理..............................2

2.1 理解霍普金森杆.......................................3

2.2 实验设备与材料.......................................4

2.3 实验原理与方法.......................................5

三、霍普金森杆实验技术应用..................................6

3.1 材料试验.............................................8

3.2 结构试验.............................................9

3.3 冲击试验............................................10

四、实验设计与实施.........................................12

4.1 实验设计原则........................................13

4.2 实验操作流程........................................14

五、实验结果与分析.........................................15 5.1 数据处理与分析方法..................................16

5.2 实验结果讨论........................................17