SHPB实验技术-力学基础实验课件-中国科技大学-10

SHPB实验技术中国科学技术大学近代力学系胡时胜材料动态力学性能实验研究

高速变形

材料+冲击载荷

力学响应动态破坏高速变形之一:体变体变固体高压状态方程

f(P,V,E)=0

测冲击绝热线（Hugniot):D~U曲线

采用动高压技术：

化

爆（平面波发生器）P(101~102GPA)轻气炮

U(102~103m/s)高速变形之二:畸变

畸变粘塑性本构方程

测不同应变率的曲线采用系列的材料动态实验材料力学性能（畸变特性）实验按应变率划分蠕变试验：10-8~10-5/s准静态试验：10-4~10-2/s中应变率试验：10-1~101/s高应变率试验：102~104/s超高应变率试验：104~106/s中应变率试验（10-1~101/s）若

可不考虑波动（惯性）效应

加载过程快速而平稳但要求尽量避免惯性引起的振荡中应变率试验机高应变率试验若

需要考虑惯性效应！

膨胀环

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SHPB装置

优点：（i）装置虽大，但因为是细长型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可按均匀体处理；

（iii）结构简单，便于推广使用。平板撞击试验（一维应变）

试件厚<<压板厚类似于SHPB超高应变率试验平板斜撞试验（压剪试验）超高应变率试验落锤实验和冲击摆实验均未考虑惯性效应不能测量材料的动态

曲线材料动态力学性能实验SHPB实验技术SHPB中瞬态信号测量间接测量测压杆上的

关系采用应变片技术（技术最成熟，方法最简单）因而能使SHPB实验技术得以推广使用材料动态力学性能

金属、聚合物、橡胶、泡沫材料、肌肉、岩石、陶瓷、混凝土、炸药等受力状态

压、拉、扭、剪、压剪推广应用层裂、动态屈曲、动三点弯曲、高G值加速度传感器标定、火工品检测研究领域工作原理——基于二个基本假定一维假定（平面假定）——维弹性波理论均匀假定——试件可按准静态处理基本公式(三波法)一维假定

；

基本公式(二波法)均匀假定

面临的挑战常规SHPB实验技术规范化复杂材料SHPB实验技术的研究常规SHPB实验技术常规材料(金属高聚物等)均匀性好、变形量大常规材料SHPB实验技术规范化

测定等有规范测定动态曲线无规范

高频振荡二维效应波形弥散存在上升沿tr

曲线有振荡屈服应力振荡有偏差弹性模量E?一维假定的有效性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退火C11000紫铜脉冲整形器的实验波形

硬材料：W合金、铀合金、非晶金属软材料：橡胶、多孔介质、肌肉复杂材料脆材料：岩石、装甲陶瓷复合材料：混凝土复杂材料SHPB实验技术研究硬材料实验技术采用硬质垫块

采用小尺寸试件将导致：几何二维效应物理二维效应121*2*11*22*数值模拟结果表明，几何二维效应的影响不大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：物理二维效应：硬质聚氨酯泡沫应力-应变曲线泡沫铝硅合金应力应变曲线特软材料软质聚氨酯泡沫材料肌肉等生物材料

透射波信号很弱试件内应力均匀不易实现横向惯性效应影响明显改进的SHPB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猪腿部肌肉(纤维方向)的应力应变曲线垂直纤维方向的应力应变曲线汽车座垫和靠垫的应力-应变曲线

（0.057g/cm3

和0.048g/cm3）脆材料

应变率受限制载荷不能太大

减缓脉冲升时，消除高频振荡波形整形器

有利于应力均匀化，减少波形弥散

混凝土材料

非均匀性（骨料粒径大）大尺寸SHPB

束形SHPB直锥变截面SHPB

起点难确定

大尺寸波形严重弥散

频移明显脆

性

混凝土是SHPB实验技术最难对付的材料混凝土冲击压缩试验

Φ100SHPB装置有机玻璃试件应变信号对比图直接法测试件的应变试件尺寸大、破坏应变小可在试件圆柱面贴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直接法测试件的应力PVDF压电薄膜石英晶体压电薄膜目前尚存在一些问题压电薄膜的尺寸问题

压电薄膜的灵敏度系数损伤“冻结”实验方案冲击拉伸(劈裂试验）单次加载装置高温SHPB实验接触加温修正波形预加温冷接触时间方法项目接触加温预加温实验装置简单复杂温度范围低高温度均匀性(试件)均匀可能不均匀数据处理可能需要修正简单弹速不能太高不能太高“快速对杆”装置简图试件和波导杆同时加热的装置简图specimenHighdynamicstrainindictorTransientwaverecorderbulletshaperTemperaturecontrollerTransmissionbarSemiconductorstraingaugeDataprocessingsystemstraingaugeIncidentbar