SHPB 波形整型器實驗研究

陳明飛 饒岳成

(安徽理工大學，安徽淮南 232001)

0 引言

傳統(tǒng)SHPB實驗分析方法基于兩個基本假設(shè):桿件處于一維彈性狀態(tài);試件中的應(yīng)力、應(yīng)變是均勻的。利用桿件直徑較小的SHPB裝置研究均勻性好、變形量大的材料是比較容易滿足上面的兩個假設(shè)。然而，近年來SHPB的測試范疇已經(jīng)拓展到中隔材料中，如陶瓷、混凝土、巖石等脆性材料。巖石屬于脆性材料，破壞應(yīng)變很小，只有幾千分之一，SHPB裝置所產(chǎn)生波形上升沿如果很短且波峰劇烈震蕩，試件就可能在內(nèi)部應(yīng)力尚未平衡之前的加載初期就發(fā)生破壞，就不能滿足試樣均勻性變形［1］要求，這對于巖石材料的徑向沖擊是不利的，而且應(yīng)力波的高頻振蕩也會增加其傳播的彌散效應(yīng)［2］，使實驗結(jié)果有較大的波動性。

巖石試件在斷裂之前，滿足應(yīng)力均勻分布是實驗有效性及測試結(jié)果可靠性的前提。國外由Christensen R.J.等人［3］于1972年提出的波形整形技術(shù)，將入射波改造成三角形波進行實驗研究。后經(jīng) Kolsky，H.［4］和 Davies，RM.［5］等人發(fā)展，廣泛用于多種工程材料，如復合材料、陶瓷、巖石等，很好地解決了應(yīng)力均勻性問題。李為民等人［6］研究了厚度相同、直徑不同的H62黃銅材料作為波形整型器的整形效果，認為該黃銅整型器對入射波波形有明顯的改善，入射波上升沿延長1倍～2倍，呈半正弦波形狀。O S Lee等研究了直徑相同、厚度不同的整型器對入射波的影響，結(jié)果表明，整型器厚度越小，入射波的上升沿越大。

1 使用波形整型器的必要性研究

圖1是沒有加任何波形整型器使子彈空打入射桿得到的入射波和反射波。

圖2是圖1的局部放大。可以看出波形下降沿比較短只有25μs且波峰有震蕩。為了延長波形下降沿，減弱波峰的震蕩，有必要選擇合適的波形整型器。

2 不同材質(zhì)波形整型器實驗研究

通過空打入射桿，分析比較不同材質(zhì)波形整型器下的入射波形，希望能夠找出理想實用的波形整型器，改善測試波形。

圖1 空打測試波形

圖2 空打波形局部

圖3 1mm厚銅片整形后波形

圖3為使用1mm厚度銅片作為波形整型器時的入射波形，圖4為使用2 mm厚度銅片作為波形整型器時入射波形。測試時氣閥值均為0.08 MPa時的波形圖。

圖4 2mm厚銅片整形后波形

圖5 為錫箔紙折疊多次后作為波形整型器時的入射波形，氣閥值為0.08 MPa。圖6為麻布作為波形整型器時的入射波形，氣閥值為 0.07 MPa。

圖5 錫箔紙整形后波形

圖7 ，圖8為在入射桿撞擊端中心涂抹少許黃油時的入射波形。氣閥值為0.07 MPa的波形圖。

比較以上各圖可以看出:

1)使用1 mm厚銅片、2 mm厚銅片以及多層疊加的錫箔紙作為波形整型器可以比較好的減少入射波形的彌散，并且在一定程度上延長波形的下降沿，但下降沿的延長程度有限，大約為10μs～15μs。僅僅比沒加任何整型器的下降沿略有延長，改善效果不是很明顯。

圖7 黃油整形后波形Ⅰ

圖8 黃油整形后波形Ⅱ

2)使用麻布作為波形整型器時可以明顯的減弱波峰的震蕩，并且延長波形下降沿至60μs。

3)使用黃油作為波形整型器時可以明顯的延長波形下降沿至141μs。這對試件的應(yīng)力均勻性有極大的好處。雖然黃油作為波形整型器可以很好的延長，可以比較好的滿足試件應(yīng)力均勻性，但由于黃油的用量不好精確把握、黃油涂抹在壓桿的中心位置時也有偏差，得到的入射波形會所不同，圖7和圖8就是本文獲得的兩種典型的不同波形。

［1］尚 兵，吳立朋，莊 茁.應(yīng)力不均勻性對混凝土材料動態(tài)實驗結(jié)果的影響［J］.工程力學，2011，28(12):33-38.

［2］王從約，夏源明.傅立葉彌散分析在沖擊拉伸和沖擊壓縮試驗中的應(yīng)用［J］.爆炸與沖擊，1998，18(3):213-219.

［3］Christensen R.J.，Swanson S.R，Brown W.S.Split Hopkinson bar tests on rocks under confining pressure［J］.Experimental Mechanics，1972(12):508-513.

［4］Kolsky，H..An investigation of themechanical properties ofmaterials at very high strain rates of loading［J］.Proceeding of the Physical Society，1949(B62):676-700.

［5］Davies，RM.A critical study of the Hopkinson pressure bar［J］.Philosophical Transactions of the Royal Society of London，1948，240(A):375-475.

［6］李為民，許金余.大直徑分離式霍普金森壓桿試驗中的波形整形技術(shù)研究［J］.兵工學報，2009，30(3):350-355.