SHPB实验技术-力学基础实验课件-中国科技大学-10课件

1、SHPB实验技术实验技术中国科学技术大学近代力学系中国科学技术大学近代力学系胡时胜胡时胜材料动态力学性能实验研究材料动态力学性能实验研究 高速变形高速变形 材料材料+冲击载荷冲击载荷 力学响应力学响应 动态破坏动态破坏高高 速速 变变 形形 之一之一 : 体变体变体变体变 固体高压状态方程固体高压状态方程 f(P,V,E)=0 测冲击绝热线（测冲击绝热线（ Hugniot):DU曲线曲线 采用动高压技术：采用动高压技术： 化化 爆（平面波发生器）爆（平面波发生器） P(101102GPA) 轻气炮轻气炮 U(102103 m/s) 高高 速速 变变 形形 之二之二: 畸变畸变 畸变畸变 粘塑性

2、本构方程粘塑性本构方程 测不同应变率的测不同应变率的 曲线曲线 采用系列的材料动态实验采用系列的材料动态实验0),(f材料力学性能（畸变特性）实验材料力学性能（畸变特性）实验按应变率划分按应变率划分蠕变试验：蠕变试验：10-810-5 /s准静态试验：准静态试验：10-410-2/s中应变率试验：中应变率试验：10-1101/s高应变率试验：高应变率试验：102104/s超高应变率试验：超高应变率试验：104106/s中应变率试验（中应变率试验（ 10-1101/s ）若若 可不考虑波动（惯性）效应可不考虑波动（惯性）效应 加载过程快速而平稳加载过程快速而平稳但要求但要求 尽量避免惯性引起的振

3、荡尽量避免惯性引起的振荡%10maxmlmst)500050()100010(中应变率试验机中应变率试验机高应变率试验高应变率试验 若若 需要考虑惯性效应！需要考虑惯性效应！ )/1010(42s%10max)505. 0()100010(mlst膨胀环膨胀环 优点：装置小，试件更小，勿需考虑惯性效应优点：装置小，试件更小，勿需考虑惯性效应 缺点：测量难度大，实验精度差缺点：测量难度大，实验精度差SHPB装置装置 优点：优点：（i）装置虽大，但因为是细长型装置虽大，但因为是细长型 可采用一维应力波理论；可采用一维应力波理论； （ii）又试件尺寸小，则可不考虑惯性效应又试件尺寸小，则可不考虑惯性

4、效应 可按均匀体处理；可按均匀体处理； （iii）结构简单，便于推广使用。结构简单，便于推广使用。平板撞击试验（一维应变）平板撞击试验（一维应变） 试件厚试件厚 压板厚压板厚 类似于类似于SHPB)/1010(65s超高应变率试验超高应变率试验平板斜撞试验（压剪试验）平板斜撞试验（压剪试验）超高应变率试验超高应变率试验)/1010(65s落锤实验和冲击摆实验落锤实验和冲击摆实验均未考虑惯性效应均未考虑惯性效应不能测量材料的动态不能测量材料的动态 曲线曲线材料动态力学性能实验材料动态力学性能实验SHPB实验技术实验技术SHPB中瞬态信号测量中瞬态信号测量间接测量测压杆上的间接测量测压杆上的 关系

5、关系采用应变片技术（技术最成熟，方法最简单）采用应变片技术（技术最成熟，方法最简单）因而能使因而能使SHPB实验技术得以推广使用实验技术得以推广使用 tttttsstri)(),(),(材料动态力学性能材料动态力学性能 金属、聚合物、橡胶、泡沫材料、金属、聚合物、橡胶、泡沫材料、 肌肉、岩石、陶瓷、混凝土、炸药等肌肉、岩石、陶瓷、混凝土、炸药等受力状态受力状态 压、拉压、拉 、扭、扭、剪、压剪、剪、压剪推广应用推广应用 层裂、动态层裂、动态屈曲屈曲、动三点弯曲动三点弯曲、 高高G值加速度传感器标定、火工品检测值加速度传感器标定、火工品检测研究领域研究领域工作原理工作原理基于二个基本假定基于二个

6、基本假定p一维假定（平面假定）一维假定（平面假定） 维弹性波理论维弹性波理论p均匀假定均匀假定试件可按准静态处理试件可按准静态处理基本公式基本公式(三波法三波法)一维假定一维假定 ； )()()(2)()()(000tttAAEdttttlCtristsstrios基本公式基本公式(二波法二波法)均匀假定均匀假定 )()(2000tEAAdttlCtsssrs面临的挑战面临的挑战p常规常规SHPB实验技术规范化实验技术规范化p复杂材料复杂材料SHPB实验技术的研究实验技术的研究常规常规SHPB实验技术实验技术p常规材料常规材料(金属金属 高聚物等高聚物等) 均匀性好、变形量大均匀性好、变形量大

7、 p常规常规材料材料SHPB实验技术规范化实验技术规范化 测定测定 等有规范等有规范 测定动态测定动态 曲线无规范曲线无规范 IcK 高频振荡高频振荡 二维效应二维效应 波形弥散波形弥散 存在上升沿存在上升沿tr 曲线有振荡曲线有振荡 屈服应力屈服应力 振荡有偏差振荡有偏差 弹性模量弹性模量 E ?tri,?y一维假定的有效性一维假定的有效性波形整形器的三大功能波形整形器的三大功能可滤去高频信号，减少波形弥散影响可滤去高频信号，减少波形弥散影响延缓波形上升沿，减少不均匀的影响延缓波形上升沿，减少不均匀的影响可产生峰值平坦的反射波，利于实现恒应变率过程可产生峰值平坦的反射波，利于实现恒应变率过程

8、退火退火C11000紫铜脉冲整形器的实验波形紫铜脉冲整形器的实验波形 硬材料：硬材料：W合金、铀合金、非晶金属合金、铀合金、非晶金属 软材料：橡胶、多孔介质、软材料：橡胶、多孔介质、 肌肉肌肉 复杂材料复杂材料 脆材料：岩石、装甲陶瓷脆材料：岩石、装甲陶瓷 复合材料：混凝土复合材料：混凝土复杂材料复杂材料SHPB实验技术研究实验技术研究硬材料实验技术硬材料实验技术p采用硬质垫块采用硬质垫块 p采用小尺寸试件采用小尺寸试件 将导致：将导致： 几何二维效应几何二维效应 物理二维效应物理二维效应121*2*1 1*2 2*数值模拟结果表明，几何二维效应的影响不大数值模拟结果表明，几何二维效应的影响不

9、大物理二维效应引起的端面（弹性）凹陷需要分析物理二维效应引起的端面（弹性）凹陷需要分析几何二维效应和物理二维效应几何二维效应和物理二维效应几何二维效应：几何二维效应：物理二维效应：物理二维效应：硬质聚氨酯泡沫应力硬质聚氨酯泡沫应力-应变曲线应变曲线泡沫铝硅合金应力应变曲线泡沫铝硅合金应力应变曲线0.00.10.20.30.40.50.60.702040608010012021compression curves 1 quasi-static: 10-3s-1 2 dynam ic: 2.6*103s-1 stress (Mpa)strain特软材料特软材料p软质聚氨酯泡沫材料软质聚氨酯泡沫材料

10、p肌肉等生物材料肌肉等生物材料 透射波信号很弱透射波信号很弱 试件内应力均匀不易实现试件内应力均匀不易实现 横向惯性效应影响明显横向惯性效应影响明显30.057 /g cm30.057 /g cm30.057 /g cm30.057 /g cm改进的改进的SHPB实验装置实验装置整形石英片检测试样两端应力端面绝缘后一石英片，半导体测应力厚薄规限位0.00.10.20.30.40.50.00.20.40.60.81.01.21.41.6 engineering stress(Mpa)engineering strain 0.008/S 0.08/S 1100/S 2000/S 3200/SAlo

11、ng Fiber Direction猪腿部肌肉猪腿部肌肉(纤维方向纤维方向)的应力应变曲线的应力应变曲线0.00.10.20.30.40.50.00.20.40.60.81.01.21.41.6 Engineering stress(Mpa)Engineering strain 0.008/S 0.08/S 1100/S 2000/S 3000/SPerpendicular to Fiber Direction垂直纤维方向的应力应变曲线垂直纤维方向的应力应变曲线0.00.20.40.60.80.00.20.40.60.8345672 Engineering stress/MPaEngineer

12、ing strain1 0.001/S2 0.17/S3 500/S4 1100/S5 1600/S6 2400/S7 3700/S=0.057g/cm310.00.20.40.60.80.00.10.20.30.4 Engineering stress/MpaEngineering strain1 0.001/S2 0.17/S3 500/S4 1100/S5 1600/S6 2400/S7 3700/S=0.048g/cm31345672汽车座垫和靠垫的应力汽车座垫和靠垫的应力-应变曲线应变曲线 （0.057g/cm3 和和0.048g/cm3 ）脆材料脆材料 应变率受限制应变率受限制 载

13、荷不能太大载荷不能太大 减缓脉冲升时，消除高频振荡减缓脉冲升时，消除高频振荡波形整形器波形整形器 有利于应力均匀化，减少波形弥散有利于应力均匀化，减少波形弥散 %5 . 0b4maxb4t混凝土材料混凝土材料 非均匀性（骨料粒径大）非均匀性（骨料粒径大） 大尺寸大尺寸SHPB 束形束形SHPB 直锥变截面直锥变截面SHPB 起点难确定起点难确定 大尺寸大尺寸 波形严重弥散波形严重弥散 频移明显频移明显 脆脆 性性 混凝土是混凝土是SHPB实验技术最难对付的材料实验技术最难对付的材料200200,100,7674s/100%5 . 0max混凝土冲击压缩试验混凝土冲击压缩试验 撞击杆 万向头 输

14、出杆 试件 PVDF 输入杆应变计 输入杆 v 试件应变计 图 1 混凝土材料的冲击压缩试验 a1 a2 a3 120o 120o 波形整形器 输出杆应变计 超动态应变仪 瞬态波形记录仪 数据处理系统 100 SHPB装置装置有机玻璃试件应变信号对比图有机玻璃试件应变信号对比图直接法测试件的应变直接法测试件的应变p试件尺寸大、破坏应变小试件尺寸大、破坏应变小 可在试件圆柱面贴应变片可在试件圆柱面贴应变片p在同一横截面多贴几个应变片在同一横截面多贴几个应变片 可减少材料不均匀性的影响可减少材料不均匀性的影响直接法测试件的应力直接法测试件的应力pPVDF压电薄膜压电薄膜p石英晶体压电薄膜石英晶体压

15、电薄膜p目前尚存在一些问题目前尚存在一些问题 压电薄膜的尺寸问题压电薄膜的尺寸问题 压电薄膜的灵敏度系数压电薄膜的灵敏度系数损伤损伤“冻结冻结”实验方案实验方案 透射杆 外环套 试件 入射杆杆 冲击拉伸冲击拉伸(劈裂试验）劈裂试验）单次加载装置单次加载装置高温高温SHPB实验实验p接触加温接触加温修正波形修正波形p预加温预加温冷接触时间冷接触时间 方法方法项目项目接触加温接触加温预加温预加温实验装置实验装置简单简单复杂复杂温度范围温度范围低低高高温度均匀性温度均匀性( (试件试件) ) 均匀均匀可能不均匀可能不均匀数据处理数据处理可能需要修正可能需要修正简单简单弹速弹速不能太高不能太高不能太高不能太高“快速对杆快速对杆”装置简图装置简图试件和波导杆同时加热的装置简图试件和波导杆同时加热的装置简图specimenHigh dynamic strain indictorTransient wave recorderbulletshaperTemperature controllerTransmission barSemiconductorstrain gaugeData processing systemstrain gaugeIncident bar 超高超高 试验