大直徑SHPB實驗中的高溫加載技術及其應用＊

范飛林，許金余

（1.空軍工程大學航空航天工程學院，陜西 西安 710038；2.中國人民解放軍93975部隊，新疆 烏魯木齊 830005；3.西北工業大學力學與土木建筑學院，陜西 西安 710072）

高溫分離式霍普金森壓桿（split Hopkinson pressure bar，SHPB）實驗是研究材料與溫度相關的動力行為的重要手段。目前，高溫SHPB實驗方法主要分為2類：（1）對局部壓桿和試件共同加熱［1－3］，需要修正溫度梯度的影響；（2）利用特殊實驗裝置，降低并進而忽略溫度梯度的影響，如先只對試件加熱，實驗前快速將試件安裝在系統中［4－8］，或者在試件和壓桿之間加裝彈性隔熱保護塊或隔熱短桿［9］。由于第2類方法不考慮溫度梯度的影響，數據處理相對簡單，是目前應用和研究較多的一種方法。

關于高溫SHPB實驗技術及其應用研究，較有代表性的有：賈彬等［10］、陶俊林等［11］、李奎等［12］采用先加熱試件，再將試件安裝到系統中的方法對混凝土和水泥砂漿進行了實驗研究；李玉龍等［13］、B.Davoodi等［14］、鄧志方等［15－16］對界面熱傳導及其對實驗結果的影響進行了研究；謝若澤等［6］、張方舉等［7］、李玉龍等［8，13］提出了利用機械裝置對預加熱完畢的試件進行同步組裝的實驗方法。但已有研究尚存在不足之處，比如機械組裝裝置改造復雜，同步組裝不易實施；加熱和保溫裝置簡易，實驗效率較低；利用大直徑（如?100mm）SHPB壓桿裝置對混凝土材料進行高溫實驗的研究相對不足，遠不能滿足工程設計和數值計算等的需要。

針對存在的不足，本文中提出一套由自主設計的溫控系統和?100mm SHPB裝置組成的高溫SHPB實驗系統，采用ANSYS軟件對界面熱傳導及其對實驗結果的影響進行計算分析，論證該實驗技術的可靠性，并對混凝土的高溫動態力學性能進行實驗研究。

1 ?100mm SHPB高溫加載技術

1.1 系統組成及特點

高溫SHPB實驗系統由自主設計的溫控系統和常規?100mm SHPB裝置組成，如圖1所示。溫控系統由箱式預熱爐和管式實時加熱裝置組成，管式實時加熱裝置位于入射桿和透射桿之間。

箱式預熱爐加熱元件采用U型硅碳棒，均布在爐膛內兩側，控溫精度為±1℃，最高加熱溫度為1 300℃，爐膛空間尺寸約為720mm×300mm×350mm，通過電腦利用固定于爐體中部的熱電偶對電爐實施監控，并進行溫度記錄。管式實時加熱裝置由支撐平臺和管式加熱爐組成，其中管式加熱爐位于支撐平臺上，支撐平臺上設有滑動軌道，整個爐體可以沿軌道前后、左右滑動以方便取放試件和調節位置，同時整個爐體可上下調節。管式加熱爐加熱元件采用耐高溫硅碳棒，沿圓周均勻布置，工作區尺寸為?120mm×100mm。采用固定于爐膛中間正上方的熱電偶對電爐實施監控，內部圓形爐膛由剛玉管和耐熱鋼管組成，其中與工件接觸部分采用耐熱鋼管，以防止試件破碎損壞爐膛。采用智能控制，可根據設定溫度自動調節輸出功率大小，控溫精度為±2℃，最高工作溫度為1 200℃。

圖1 高溫SHPB系統Fig.1High－temperature SHPB system

實驗時，先用箱式預熱爐對多個試件進行預熱處理，之后逐一利用管式實時加熱裝置進行實驗，能大大提高工作效率。整個高溫實驗系統具有結構簡單、操作方便、控溫準確、工作效率高的特點。

1.2 工作原理

試件定位：通過調節爐體位置，利用耐熱墊片對試件進行定位。首先調節管式爐位置，使其軸線與壓桿軸線對齊，然后利用夾具將墊片和試件先后裝入爐內，再利用輔助工具調節試件位置，使試件的軸線與爐體和壓桿的軸線對齊。

對桿方法：同時緩慢推動入射桿和透射桿進入爐內，當2桿推入爐內到預先標記好的位置時，兩邊同時用力，可確保接觸良好，也能避免試件運動造成定位不準。

組裝方法：依托管式實時加熱裝置進行人工組裝。高溫下，當管式爐中的試件恒溫加熱到預定時間時，打開端蓋人工快速推動壓桿到預先標記好的位置，壓桿和試件接觸的瞬時下達觸發子彈口令，并迅速離開，操作人員聽到口令的瞬時摁下觸發按鈕進行加載，待加載完畢，迅速將入射桿和透射桿推出進行冷卻。

經過計算和測試，人工組裝可將冷接觸時間（cold contact time，CCT）tc，即壓桿與試件完成對接到入射波到達試件端面的延時，控制在0.50s以內，這是目前人工組裝所能達到的普遍時間［13］。

1.3 界面熱傳導及其對實驗技術可靠性影響的計算分析

由已有研究［7，13，15－16］得知，CCT的長短決定界面熱傳導對試件溫度均勻性和壓桿端部溫升的影響程度，是進行實驗技術分析必須考慮的一個重要參數。CCT應有一個臨界值［13］，當其在臨界值以內時，熱傳導的影響可以忽略不計，這個臨界值應該既能滿足使實驗技術可靠的最低要求，又能使技術上簡便可行。本文中描述的高溫加載技術主要是為利用大直徑的合金鋼材質壓桿對混凝土、巖石等脆性和熱惰性材料進行沖擊實驗而設計的，下面利用ANSYS軟件對混凝土試件和壓桿中的溫度場進行數值分析，以確定CCT的臨界值tc，c。

1.3.1 模型建立

試件和壓桿之間的熱傳導實際上是存在界面接觸熱阻的熱傳導問題［13，15－16］，鑒于接觸熱阻的復雜性［17－18］，為計算方便，按最不利情況考慮，引入2個基本假定：（1）忽略壓桿和混凝土試件之間的接觸熱阻；（2）假定材料的比熱容和導熱系數為常數。

高溫SHPB實驗中材料內部溫度場的求解屬于瞬態熱傳導問題。混凝土試件幾何模型按實際尺寸建立，長度為48mm，直徑為98mm；入射桿和透射桿分別取與試件接觸端部的長50mm的部分進行分析，直徑為100mm。根據軸對稱性，建立軸對稱1／4二維有限元模型。計算時材料參數［17－19］按不利情況取值：混凝土密度為2 400kg／m3，比熱容為840J／（kg·℃），導熱系數為1.63W／（m·℃）；合金鋼壓桿密度為7 850kg／m3，比熱容為520J／（kg·℃），導熱系數為34.9W／（m·℃）。

試件初始溫度θ0分別為800和1 000℃，壓桿初始溫度為20℃，CCT依次為0.05、0.25、0.50、0.75和1.00s；不考慮系統與環境之間的熱交換；網格劃分選取四節點矩形軸對稱單元，壓桿沿軸向和徑向100等分，試件沿軸向96等分，徑向98等分，網格尺寸均為0.5mm×0.5mm。

1.3.2 模擬結果分析

（1）混凝土試件上的溫度分布。當溫度下降超過試件初始溫度的5%時，認為是顯著下降，定義溫度下降比例因數ξ為：一定θ0和CCT下溫度顯著下降區厚度與試件厚度的比值，可表示為ξ＝la／ls，其中la為軸向溫降超過初始溫度5%的區域厚度，ls為試件厚度。圖2是θ0為1 000℃，不同CCT下試件軸向溫度分布對比情況，L為距試件端部的距離。由圖2可見，試件的溫降僅限于端面局部區域，CCT越大，則溫降范圍越大。圖3是θ0分別為800和1 000℃時，ξ隨CCT的變化情況。由圖3可見，試件的溫降范圍隨CCT的延長而增大，當初始溫度升高時，試件的溫降范圍基本沒有變化。CCT為1.00s時，初始溫度為1 000℃的混凝土試件的溫降范圍比例因數為10%。

圖2 試件軸向溫度分布Fig.2Axial distribution of specimen temperature

圖3 ξ隨CCT的變化Fig.3Changes ofξwith CCT

（2）壓桿上的溫度分布。圖4是θ0為1 000℃，不同CCT時壓桿端部的軸向溫度分布情況。由圖4可見，溫升主要發生在與試件接觸的局部區域，壓桿上遠處的絕大部分區域是沒有溫度變化的，CCT越大，溫升范圍相對越大。考察不同初始溫度時，入射桿和透射桿端部溫度最大值θmax隨CCT的變化情況，如圖5所示。由圖5可見，θmax隨CCT的延長而不斷升高，但升高的速度逐漸變慢，當θ0分別為800和1 000℃，CCT為1.00s時壓桿端部的溫度最大值分別為105和126℃。

圖4 入射桿和透射桿端部軸向溫度分布Fig.4Axial distribution of temperature at the inciedent and transmission bar tips

圖5 θmax隨CCT的變化Fig.5Changes ofθmaxwith CCT

1.3.3 技術可靠性分析

根據A.M.Lennon等［4］的觀點“高溫SHPB實驗中，可接受的試件溫度為試件上85%部分的溫度下降不超過10%”，并參照已有研究［7，15－16］對熱傳導影響的允許范圍“試件的溫度不均勻性不超過10%，鋼質壓桿端部溫度最大值不超過200℃的彈性行為變化可忽略范圍”，針對本文的實驗條件（?100mm合金鋼質壓桿）和實驗對象（混凝土類熱惰性材料），可建議較保守的CCT臨界值條件為：試件溫度不均勻區域不超過10%，壓桿端部溫度最大值不高于200℃。

由上文按最不利情況對混凝土試件和合金鋼壓桿進行的數值計算結果可以看出：當實驗溫度低于1 000℃，CCT小于1.00s時，可將試件溫度不均勻區域比例控制在10%以內，將壓桿端部最高溫度控制在200℃以內，能滿足建議的CCT臨界值條件，即當CCT小于1.00s時，熱傳導對實驗結果的影響在允許范圍內，可忽略不計，CCT臨界值為1.00s。本文實驗技術可將CCT控制在0.50s以內，小于CCT臨界值，因而界面熱傳導的影響可忽略不計，實驗技術可靠。

2 混凝土高溫SHPB實驗

利用上文描述的高溫加載技術對混凝土進行高溫動態壓縮實驗，實驗溫度分別為20、200、400、600、800和1 000℃，彈速均控制為8m／s。試件加熱速率為10℃／min，溫度達到指定值后，恒溫4h再進行實驗。試件幾何尺寸約為?98mm×48mm，每立方米混凝土材料的配比如下：強度等級為42.5R的普通硅酸鹽水泥，375kg；硅灰，25kg；粉煤灰，125kg；中砂，690kg；碎石，1 030kg；水，180kg；高效FDN減水劑，5kg。

圖6 典型應力均勻性情況Fig.6Typical stress uniformity

圖7 應力不均勻因數的變化Fig.7Changes of D

2.1 波形整形技術和數據處理

入射波波形整形技術［20］是解決大直徑SHPB實驗中彌散效應的重要手段，周子龍等［21］認為，對于混凝土的大直徑SHPB實驗，半正弦加載波是比矩形波優越的理想加載波形。本文中采用H62黃銅波形整形器對入射波進行整形，結果表明，入射脈沖呈半正弦狀，不僅消除了過沖及高頻振蕩，還可以延長入射脈沖升時，讓試件有足夠的時間達到應力均勻，也有利于平滑波形和實現恒應變率加載。圖6為運用高溫加載技術和波形整形技術后得到的混凝土在400℃高溫下的典型波形，圖中εi、εr和εt分別為桿中的入射、反射和透射應變。數據處理方法與常溫SHPB實驗相同，采用三波法［22］可求得試件中的平均應力、平均應變和平均應變率。

2.2 應力均勻性分析

根據應力均勻假設［22］，將εi＋εr與εt進行比較，可直觀判斷應力均勻情況，典型的應力均勻性情況如圖6所示，可見應力均勻性良好；采用應力不均勻因數D對應力均勻性問題進行定量描述，即

式中：T為應力脈沖作用時間。圖7為D的變化情況，圖中tp為試件開始破壞的時刻，顯然，試件在開始破壞之前就已經達到應力均勻分布，且在整個加載過程中的絕大多數時間內保持應力均勻狀態。

2.3 實驗結果和討論

混凝土在常溫和高溫下的動態應力應變曲線如圖8所示。由圖8可見：隨溫度的逐漸升高，動態應力應變曲線的上升段變得平緩，曲線逐漸表現出塑性特性，1 000℃時的曲線存在較明顯的塑性階段。

測得的高溫混凝土動態應力應變曲線的下降段斜率較大，說明試件卸載較快，峰點后承載能力較差，這一點不同于常溫混凝土。值得注意的是：高溫下試件完全破壞時的應變小于最大應變，這一現象從文獻［10－12］中的應力應變曲線或原始波形上也可看到。這是因為，沖擊荷載下，高溫產生的已有大量微裂縫、微孔隙和沖擊力產生的新微裂縫在不斷擴展和貫通的同時會被壓實和擠密，隨著沖擊力的卸載，被壓實的大量微裂縫和微孔隙會有部分的慣性回擴，表現在應力應變曲線上，就是完全破壞時的應變小于最大應變。

混凝土的動態抗壓強度和動態峰值應變隨溫度的變化曲線如圖9～10所示，其中fcd為動態抗壓強度，fcs為靜態抗壓強度，εp為動態峰值應變，θ為實驗溫度。

由圖9～10可見，動態抗壓強度隨溫度升高表現出先提高后降低的變化規律，動態峰值應變隨溫度升高不斷增大。圖9顯示，當溫度低于400℃時，常溫下的動態抗壓強度比高溫下的小。根據文獻［19，23－24］，靜力條件下，當溫度為200～300或低于350℃時，混凝土的立方體抗壓強度會高于100℃時或常溫下的。在沖擊荷載和高溫共同作用下，當溫度低于400℃時，常溫下的動態抗壓強度比高溫下的小是由溫度和加載速率對混凝土微觀結構共同作用造成的。高溫動態條件下混凝土強度的影響因素較多，變化機理復雜，對該結果更詳細的解釋有待于對混凝土動態條件下微、宏觀力學性能及變化機理更深入的研究。

圖8 不同溫度下的應力應變曲線Fig.8Stress－strain curves at different temperatures

圖9 動態抗壓強度隨溫度的變化Fig.9 fcdvaried withθ

圖10 動態峰值應變隨溫度的變化Fig.10εpvaried withθ

3 結 論

（1）在大直徑鋼材質SHPB裝置上對大尺寸的混凝土等熱惰性材料試件進行高溫沖擊實驗，冷接觸時間臨界值為1.00s，本文中提出的高溫加載技術可控制冷接觸時間小于0.50s，實驗技術可靠。

（2）同一加載速率下，隨著溫度從常溫升高到1 000℃，混凝土的動態應力應變曲線呈現出塑性變化趨勢，動態抗壓強度先提高后降低，動態峰值應變不斷增大。

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