一種綢布的沖擊拉伸性能實驗*

趙 磊，李玉龍，陳 煊

(西北工業大學航空學院，陜西 西安 710072)

低強度材料或低波阻抗材料由于抗沖擊緩沖吸能性能，被廣泛應用于儀器設備在運輸和搬運過程中的破壞防護、結構內部的填充和重要物品的緩沖保護，因此，在航空航天、包裝運輸、軍事防護和汽車等各領域內起到非常重要的作用。一些低強度材料還應用于復合材料的構造中，在復合材料中起到主導作用；還有一些在工程結構設計中時常用到；很多聚合物都是低強度材料。所以，研究低強度材料在動態沖擊下的本構行為是非常有必要的。

由于低強度材料的特點，使運用傳統的Hopkinson 桿技術不能獲得有效可用[1]的實驗結果。對這類材料的加載過程中，很難保證試樣中的力平衡或變形均勻性[2]，而且，測量的應力信號微弱，使真實信號的誤差偏大。針對以上兩個問題，L.Wang等[3]建議改用波阻抗較低的聚合物桿取代傳統的金屬桿；H.Zhao等[4]則采用彈性模量較低的黏彈性桿測試了泡沫塑料的動態壓縮應力應變曲線。而采用黏彈性桿，既需要考慮黏彈性波的彌散，又需要考慮黏彈性波的衰減，數據處理十分復雜；A.Sharma等[5]使用高速攝像機和黏彈性分離式Hopkinson壓桿技術對低強度材料在動態載荷下的行為進行了研究；W.Chen等[6]采用空心鋁桿作為透射桿，試圖減小壓桿與試樣之間的波阻抗差距，但信號的增益僅在一個量級以內。胡時勝等[7]采用半導體應變片技術測量透射波信號，可以將信噪比提高50 倍以上，但半導體應變片的缺點是電阻的變化與應變之間的關系隨溫度變化。王寶珍[8]對肌肉動態拉伸力學性能進行研究，通過離散傅里葉變換編寫了計算黏彈性桿波傳播系數的程序，并由實驗和數值計算得到了尼龍桿的衰減系數和相速度，驗證了該程序在修正彌散和衰減效應問題上結果可信，可是這一方法不容易推廣。X.Nie等[9]在對三元乙丙橡膠進行實驗時，對Hopkinson拉桿進行創新性改變：使用短管狀式樣減小軸向徑向慣性影響，對脈沖整型。

本文中，采用分離式Hopkinson拉桿的測試技術，采用鋁桿作為透射桿，并且使用半導體應變片測量數據，通過一種芳綸綢布材料，驗證這種實驗方案的可行性。

1 實 驗

芳綸綢布材料的動態拉伸實驗在分離式Hopkinson拉桿系統進行。試樣由芳綸綢布裁剪制成，尺寸為長度46 mm、寬度11 mm。

目前，分離式Hopkinson 拉桿已廣泛地應用在測定材料動態力學行為的研究中，它通過調節氣炮氣壓及使用不同長度的子彈實現不同應變率的加載，原理如圖1 所示。開始加載時，氣室推動子彈撞擊入射桿端處的凸緣，在凸緣中產生壓縮應力波，壓縮應力波在自由端面反射成為拉伸應力波，然后，拉伸波沿拉桿向試樣傳播，到達入射桿與試樣接觸面時，一部分入射波反射回入射桿中，另一部分經過試樣傳入透射桿。利用入射桿和透射桿上的應變片可以精確地測出入射波εi、反射波εr和透射波εt信號，這些信號經過超動態應變儀傳給波形存貯器，最后將數據存入計算機并進行處理。

在獲得入射波εi、反射波εr和透射波εt數據后，根據一維應力波理論[10]，試樣的應力、應變、應變率歷史可以分別用下列公式計算：

式中：Ls為試樣的長度，E和c0分別為壓桿材料的彈性模量和彈性波波速，Ab和As分別為入射桿/透射桿和試樣的橫截面積。

圖1 分離式Hopkinson拉桿原理圖Fig.1 Scheme of split Hopkinson bar

實驗中，采用鋼桿作為入射桿，鋁桿作為透射桿，并且采用半導體應變片采集數據。為了將芳綸綢布固定在桿子上，采用了加強墊片，針對入射桿和透射桿墊片也分鋼制和鋁制兩種，長度18 mm、寬度11 mm、厚度1 mm。先使用膠黏劑(DG-3S環氧膠黏劑)將試樣左右兩端上下面分別黏貼一對鋼制和鋁制墊片。考慮試樣與墊片邊緣接觸，沖擊加載時有可能出現應力集中問題，因此，給墊片邊緣倒圓角。黏貼墊片的試樣，室溫放置24 h凝固。再使用黏粘劑將凝固的試樣固定在桿子上，室溫放置24 h凝固后，進行實驗。考慮實驗需耗時間，使用了轉接頭(見圖2) ，轉接頭也分鋼制和鋁制兩種，鋼制轉接頭與入射桿連接，鋁制轉接頭與透射桿相連接，開槽尺寸為長度18 mm、寬度11 mm、厚度3 mm。先將黏貼墊片的試樣與轉接頭膠黏凝固后，再將轉接頭分別于鋼桿和鋁桿連接，然后進行動態拉伸實驗。圖3是試樣連接后的照片 。

圖2 轉接頭與試樣連接示意圖Fig.2 Sketch of the connection between adapter and sample

圖3 試樣連接照片Fig.3 Photo of sample connection

2 結果與討論

2.1 有效性驗證

由于低強度材料的低模量和低強度特點，有必要進行一系列的驗證，確保實驗的有效性。分別對試樣兩端應力平衡、沖擊速度以及半導體應變片與電阻應變片的對比進行了驗證。

圖4 試樣兩端的應力平衡Fig.4 Equilibrium of stress on the two sides of specimen

2.1.1應力平衡

比較與入射桿和透射桿黏接在一起的試樣兩端的載荷曲線P1和P2，如圖4所示：P1=εi+εrEiAi，P2=εtEtAt。其中，ε、E和A分別表示彈性桿的應變、彈性模量和橫截面積，i、r和t則分別表示入射、反射和透射。從圖4可以看到，試樣兩端的載荷基本平衡。

2.1.2沖擊速度

圖5 激光器測得的實驗速度與計算得出的速度Fig.5 Impact velocities from laser measurement and from calculation

所采用的速度是入射桿和透射桿端的速度差。由入射應變、反射應變和透射應變，可以得到速度：v=-c·(εi-εr+εt)。

為了驗證該速度是否準確，采用激光測速儀進行驗證。首先，在入射桿與透射桿桿端處放置測速激光器，激光器由發射器和接收器兩部分組成。發射器發出的激光面照射在入射桿和透射桿下沿，激光穿過端面間下沿的空擋進入接收器，激光器的信號將在示波儀上顯示為電壓值。開始實驗后，當入射波傳至入射桿端面時，根據激光器電壓差ΔU和在一個脈寬內所用的時間Δt，可得到試樣的速度v=15.2ΔU/(254Δt)，254/15.2是標定出來的單位長度下的激光器的電壓值。另外，根據實驗要求，可以通過調節氣室的氣壓控制實驗過程中試樣所承受的速度。圖5為某實驗中激光器測得的實驗速度與計算得出的實驗速度的比較。

圖6 半導體應變片與電阻應變片測得的原始波形Fig.6 Original signals from semiconductor and resistance strain gauges

2.1.3半導體應變片和電阻應變片的對比

圖7 半導體應變片和電阻應變片的伸長載荷Fig.7 Load-strain curves from semiconductor and resistance strain gauges

由于試樣的波阻抗很低，用傳統的應變片測量得到的透射波信號很弱，受噪聲的干擾較大，因此需采用高靈敏度的應變傳感器，比如半導體應變片。圖6是分別用半導體應變片和電阻應變片測量的原始波形，可以看出半導體測量的波形的透射波比半導體測量的透射波明顯。圖7是半導體應變片和電阻應變片測量的伸長載荷曲線，可以明顯看出，半導體應變片所測量的曲線比電阻測量的光滑，電阻測量的信號過于震蕩。由以上對比，可知半導體應變片測量的波形和電阻測量的波形相同，而半導體測量的效果更好。

2.2 結 果

如圖8所示，準靜態加載時，剛開始隨著應變增加應力增加緩慢，應變到0.02以后，隨著應變的增加，載荷急劇增加。造成這種原因是由于綢布材料的編織成型有很多間隙，緩慢加載時，這些間隙逐漸達到密實。圖9是同種速度下的應變載荷曲線，可見相同條件下實驗有很好的重復性。

圖8 芳綸綢布準靜態時的應變-載荷曲線Fig.8 Strain-load curve of aramid fiber silk under quasi-static loading

圖9 相同速度下芳綸綢布的應變-載荷曲線Fig.9 Strain-load curves of aramid fiber silk under a impact loading

對所測試的綢布材料，其力學性能無論在準靜態還是高速度下都具有明顯的規律性，而且本構曲線呈非線性。圖10給出了芳綸綢布不同速度下的應變率曲線和應變-載荷曲線。從應變率曲線可見，這個裝置給出的加載過程比較理想: 在相當大的范圍內，比較接近于恒應變率，而初期的斜坡上升沿則有利于試件中的應力趨于均勻。從應變載荷曲線中可見，隨著速度的增加，載荷和應變都明顯增加。

圖10 不同速度下芳綸綢布的應變率曲線和應變-載荷曲線Fig.10 Strain rate and strain-load curves of aramid fiber silk at different loading velocities

圖11是芳綸綢布在不同速度斷裂時的載荷和應變。從圖11(a)可見，斷裂時隨著速度，載荷呈現增加的趨勢；從圖11(b)可知，速度在10至20 m/s時，伸長也有增長趨勢，然而20到25 m/s時伸長減小，造成這種情況的原因是，在25 m/s的高速沖擊下，沖擊速度由之前的均值速度變為了峰值速度，這加劇試樣兩端的應力集中，影響試樣的破壞模式，從而影響試樣伸長的測定，導致在25 m/s沖擊速度下試樣的伸長出現了下降。從試樣破壞圖(見圖12)可見，試樣斷裂時出現拔絲相互扯斷的情況。

圖11 不同速度下芳綸綢布斷裂時的載荷和應變Fig.11 Load and strain of aramid fiber silk at fracture at different impact velocities

圖12 芳綸綢布的拉伸斷裂圖Fig.12 Diagram of tensile fracture of aramid fiber silk

為了更好地觀察試樣的破壞過程，使用高速攝像機進行拍攝，幅頻為55 016 s-1，即兩張照片間隔18.2 μs。圖13是芳綸綢布整個破壞過程的典型圖組，對應于圖14中各點：(1)圖13(a)中，試樣未受到載荷，整個試樣編織完整，材料編織分為徑向和緯向，加載時承受力的方向是徑向，與其垂直的方向是緯線方向；(2)圖13(b)中，試樣承受載荷，徑線方向受力逐漸拉緊，它與緯線方向相交的節點處，徑線方向由原先的自然狀態到拉緊狀態過度，緯線方向材料之間的間隙逐漸增大，出現AB段平緩曲線的情形。

圖13 芳綸綢布動態拉伸破壞圖組Fig.13 Fracture process of aramid fiber silk under dynamic loading

圖14 芳綸綢布動態拉伸破壞的載荷曲線Fig.14 Load curve of aramid fiber silk under dynamicloading

而緯線方向因為沒有承受載荷，絲線變得越來越彎曲，試樣寬度逐漸變窄;(3)圖13(c)中，試樣的徑線方向因受力由拉緊持續伸長，此時的材料隨著時間的增加，載荷增加的幅度較大，緯線方向材料之間的間隙繼續增大，試樣的寬度越來越窄;(4)圖13(d)中，隨著徑線方向的載荷逐漸增加，試樣兩邊緣的材料先達到極限承載，逐漸被拉斷，此時材料所受的載荷最大，緯線方向材料之間的間隙繼續增大，試樣的寬度繼續變窄;(5)圖13(e)中，由于試樣邊緣的材料失去承載能力，破壞形式由邊緣逐漸向中心擴展，最終導致整個材料破壞，此時緯線方向材料之間的間隙最大，試樣的寬度最小。

3 結 論

采用改進的Hopkinson拉桿測試技術對一種芳綸綢布材料進行了動態測試，并進行了一系列驗證。從實驗結果看，該裝置可以很好地捕捉微弱的應力信號，實現對低強度材料試件的動態拉伸實驗。

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