TiNi柱殼在不同約束下的橫向沖擊實驗*

張 科,唐志平

(中國科學技術大學中科院材料力學行為和設計重點實驗室,安徽 合肥230027)

TiNi柱殼在不同約束下的橫向沖擊實驗*

張 科,唐志平

(中國科學技術大學中科院材料力學行為和設計重點實驗室,安徽 合肥230027)

為了解 TiNi柱殼橫向壓縮力學性能以制造可重復使用抗沖吸能裝置,對有、無側向約束的 TiNi柱殼進行了橫向沖擊實驗。利用改進的霍普金森壓桿裝置(SHPB),配套波形分離方法,實現了較長時間(~3 ms)的波形測量,獲得了TiNi柱殼在動態加載下的載荷壓縮量曲線。通過高速攝影,捕捉了柱殼的動態變形過程。結果表明,無約束試件具有優良的可恢復變形能力,承載力平臺段特征明顯。側向約束的引入,可以有效提高柱殼的承載力和耗能能力,可以承受更高速度的沖擊。選擇合適的約束組合,可望同時實現較大壓縮行程和高耗能,制造實用的抗沖吸能裝置。

爆炸力學;橫向沖擊;抗沖吸能;TiNi柱殼

金屬管殼的橫向壓縮是一種有效的能量吸收方式,已被廣泛應用于 各 種 碰撞能量吸收 裝 置[1]。不同于傳統金屬管殼的彈塑性變形,超彈性 TiNi柱殼在相當范圍內變形可以恢復,因而在可重復使用的抗沖器研制方面有很好的應用前景。目前 TiNi柱殼橫向壓縮的研究大多集中在準靜態方面,主要關注其 載 荷 位 移 曲 線 和 變 形 模 態[2-4],也 出 現 了 利 用 單 個 或 多 個 TiNi柱 殼 排 列 組 成 的 隔 振 器 原 型[2-3,5]。Zhang Ke等[6]對該問題進行了系統的研究,探討了準靜態情況下徑厚比和約束方式對滯回曲線和耗能的影響,得到了加卸載過程中殼體的應變、彎矩及兩相含量分 布;徐薇薇等[7]對 柱 殼 在階躍載荷和 矩 形脈沖載荷作用下的動力響應進行了數值模擬;唐志平等[8]結合 SHPB 裝置和高速攝影技術對不受側向約束的單個柱殼的橫向沖擊性能進行了研究,但其中對SHPB桿中反射波形的處理還有待改進。

本 文 中 在 前 期 對 TiNi柱 殼 橫 向 靜 動 態 壓 縮 實 驗[6,8]的 基 礎 上 ,使 用 改 進 后 的 SHPB 裝 置 及 波 形 處理方法對 TiNi柱殼在不同約束條件下的橫向沖擊性能進行研究,分析其結構動力響應及抗沖吸能特性。相對文獻[8],沒有注重于局部的應變及相變演化,而是關心其整體的緩沖、耗能能力,子彈沖擊動能的范圍有所提高,考慮側向約束的影響,并和準靜態結果進行比較。

1 實 驗

1.1 試件

實驗試件為處于偽彈性狀態的 TiNi圓柱殼,外徑D=8.00 mm,壁厚τ=0.38 mm,徑厚比 D/τ為21,長度為9.9 mm,質量m0=0.6 g。材料的楊氏模量為51.9 GPa,密度為6 450 kg/m3,正相變起始應力、應變分別為483 MPa和0.93%,正相變完成應力、應變分別為621 MPa和6%,逆相變起始應力、應變分別為380 MPa和5.11%,逆相變完成應力、應變分別為152 MPa和0.27%。

1.2 實驗裝置

實驗在改進后的SHPB裝置上進行,如圖1所示。子彈2與試件之間預留一微小間隙,高壓氣體驅動子彈1與等長的子彈2相撞,將動量和能量轉移給后者,由后者對試件進行加載。子彈2上的應變片信號觸發高速相機記錄柱殼變形過程,透射桿上的半導體應變片記錄加載波形。子彈與透射桿均采用鋁合金,直徑14.5 mm、彈長150 mm、透射桿長3 000 mm。為了便于拍攝,子彈2和透射桿端面用黑色膠帶纏繞。側向約束由透射桿端面凹槽實現,如圖2所示。高速攝像機型號為 Phantom v12.1,拍攝頻率100 000 s-1,分辨率256×152。

圖1 實驗裝置簡圖Fig.1 Schematic of experimental arrangement

圖2 試件及約束Fig.2 Specimen and lateral constraint

1.3 數據處理方法

SHPB在軟材料及結構的實驗中,受壓桿長度的限制,難以得到較長作用時間的完整的透射波形。為了解決這一問題,很多 學 者 對 壓 桿 中 的 反 射 疊 加 波 形 進 行 了 分 析[9-11],提 出 了 一 點 及 兩 點 應 變 測 量法,還原 出原始 波形。H.Zhao等[12]還 進一步 給出了 波 形 彌 散 的 修 正 方 法 。 本 文 中 因 柱 殼 試 件 的 剛 度小,壓縮量大,子彈對其產生持續加載,加卸載過程需要較長的時間,即使采用了3 000 mm 長的透射桿,所測應變信號仍會受到反射波的影響,因此,需要對測量波形進行處理。采用將透射桿的右側自由端作為第2個測量點的一點測量方法,進行波形分離。由于實驗中采用的是小直徑的鋁桿,可以忽略彌散效應而使處理方法得到簡化。圖3所示為透射桿示意圖。

圖3 透射桿示意圖Fig.3 Schematic of transmission bar

透射桿總長為l2,左側是與試件接觸面,右端為自由面,初始桿中無應力。在距右端面l1的位置貼有 應 變 片 ,其 記 錄 的 應 變 為 G(T),則 其 左 側 端 面 的 應 變ε(t)、速 度v(t)分 別 為 :

式 中 :c為 桿 中 應 力 波 波 速 ,t=T-(l2-l1)/c,為 應 力 波 到 達 透 射 桿 左 側 端 面 的 時 間 ,T 是 應 變 片 記 錄的時間,二者相差一恒值。由此,給出透射桿端面與試件的作用力式中:

E和S為透射桿的楊氏模量和截面積。對于子彈2,相對于透射桿長度很短,應力波來回時間遠小于總作用時間,且自身變形遠小于柱殼壓縮量,可將其近似視為剛體。同時因為柱殼尺寸小、質量輕,可以近似認為柱殼兩端作用力一樣,則子彈2的速度

式 中 :v0為 子 彈 初 速 度 ,a和m 分 別 為 子 彈 2 的 加 速 度 和 質 量 。 柱 殼 的 壓 縮 量

至此,試件的受力以及橫向壓縮量都已理論上得到解決。具體處理實例如圖4所示,圖4(a)為實驗ss-3中透射桿上應變片記錄的原始電壓信號,因為應力波反射引起了1次信號突降,但這并不意味著柱殼在對應變形下的結構強度會突降。由上述波形處理方法還原并經適當光滑后得到柱殼的受力時程曲線,如圖4(b)所示,相比圖4(a),曲線的連續性得到極大改善。

圖4 波形處理實例Fig.4 Example of waveform processing

2 實驗結果及分析

共進行了7次有效實驗,具體參數及主要結 果列于表1,實驗編號ss-x代表無側向約 束,ff-x代 表有側向約束。

表1 實驗參數和結果Table 1 Experimental parameters and results under radial impact

表中,緩沖能量E0近似取為子彈2初動能,除以柱殼試件的質量m0即為緩沖能量密度χ,耗散能量Ed為柱殼載荷位移曲線滯回面積,與緩沖能量E0的比例即為耗能比例η。實驗ss-4中,柱殼變形過大而發生破壞,設定的測量時間內未卸載完成,沒有記錄到完整的響應波形,有關結果為估算值,后文中將詳細說明。

2.1 無側向約束的實驗結果及分析

2.1.1 較低沖擊速度下的響應

除ss-4外,其余3次無側向約束實驗回收試件均無任何殘留變形,按照前文中的數據處理方法得到其載荷壓縮量曲線,如圖5所示。結果表明,柱殼橫向加卸載具有明顯的階段性,受力平臺段特征突出。圖6所示為實驗ss-3中試件在不同壓縮量下的高速攝影照片,主要表現為對稱變形模態。圖6中5幅照片分別對應圖5中A~E這5個點的變形狀況。

圖5 無側向約束試件的載荷-壓縮曲線Fig.5 Load-compression curves without constraint

圖6 ss-3的 高 速 攝 影 照 片Fig.6 High speed CCD images of ss-3

2.1.2 較高沖擊速度下的響應

圖7(a)所示為實驗編號ss-4的應變片原始波形,其中CD段是試件斷裂引起的載荷突降。圖7(b)中A~G這7個點分別對應圖8中7幅高速攝影照片,作為比較,實驗ss-3的曲線一并繪出。

圖7 ss-4的力學響應結果Fig.7 Mechanical response of ss-4

圖8所示的實驗ss-4中試件照片處在不同時刻。加載初始階段,載荷壓縮位移曲線與沖擊速度較小的ss-3重合較好,但變形模態上有一定差距,靠近子彈2端變形更加集中。隨著進一步的加載,載荷增大變快,變形也趨于對稱,當壓縮量達到4.2 mm(相對壓縮量為0.530)時,柱 殼 發 生 了破壞,載 荷 迅速下降,但同時也保持了相當的殘余強度,沒有被完全壓潰,避免了子彈與透射桿間的直接撞擊。因為作用時間過長,未能記錄到完整的卸載波形,但是由圖8可知,至作用結束時,柱殼已經恢復了絕大部分變形,按照載荷位移曲線的發展趨勢在圖7(b)中假設了FG段,用以估算柱殼的耗能。通過比較載荷位移曲線,可知ss-4的緩沖能量和耗散能量均遠高于ss-3,折合成緩沖能量密度χ和耗能比例η,其值分別達到了約2.6 J/g和57%。

圖8 ss-4高 速 攝 影 照 片Fig.8 High speed CCD images of ss-4

2.2 有側向約束實驗的結果及分析

圖9給出了ff-1、ff-2和ff-3這3次實驗的力學響應結果,圖10所示為其中沖擊速度最大的實驗ff-3的高速攝影照片,圖中6幅照片分別對應圖9中A~F這6個點的變形量。

圖9 有側向約束試件的力學響應結果Fig.9 Mechanical response of specimen with lateral constraint

圖10 ff-3的高速攝影照片Fig.10 High speed CCD images of ff-3

與無側限結果差別較大的是,加載曲線并沒有出現明顯的平臺段,甚至是先有一個硬化的趨勢,至變形較大時才出現了一定的軟化,而卸載過程則階段性相對明顯。需要注意的是,載荷壓縮量曲線,不僅僅是柱殼變形的結果,還包含有約束壁摩擦力的影響,因此可以猜想側向約束在耗能方面當有一定的優勢。變形模態方面,近子彈端在加載時首先發展,卸載時最后恢復,具有明顯的不對稱性。

2.3 動態實驗結果與準靜態實驗結果比較

圖11為無側限情況下,靜、動態實驗結果的比較。彈性加載階段,2條載荷壓縮量曲線基本重合,部分材料發生相變以后,動態實驗載荷高于準靜態實驗的?？赡艿脑蚴?動態過程中,相變區域潛熱釋放來不及傳遞到環境中,造成柱殼材料溫度升高,導致 TiNi合金相變平臺升高,從而提高了柱殼的整體強度[13]。圖11(b)~(c)所示為 相 同 壓 縮 量 下 靜、動 態 實 驗 的 變 形 圖 片,兩 者 大 抵 相 似,均 為 對 稱 變形,但是準靜態過程中,平板附近的內凹屈曲現象似乎更明顯,變形模態的區別也可能帶來載荷壓縮量曲線的不同。

圖11 無約束試件動靜態實驗結果比較Fig.11 Comparsion of quasi-static and dynamic compression without lateral constraint

圖12 所示為帶側向約束情況下,靜、動態實驗結果的比較。載荷壓縮量曲線方面,初始階段差異顯著,靜態實驗載荷明顯大于動態實驗的,隨著變形的增大,2條曲線開始趨于一致,動態實驗載荷略高于靜態值。分析其中原因可能為:動態實驗中,柱殼與約束之間屬于間隙配合,在變形的初始階段,橫向約束尚未起作用,當變形到一定程度時,橫向擴張到約束壁,載荷再迅速增加。這個凹槽加工精度帶來的意外結果也給了新的思路:通過調整試件與約束壁間的間隙來實現對載荷位移曲線形狀的調節,同時得到大行程和高耗能的效果。動態實驗中,變形主要集中在近子彈端,而準靜態實驗中,則固定端變形更大,但在形狀上,二者的表現非常相似,近乎水平鏡像關系。

圖12 有約束試件動靜態實驗結果比較Fig.12 Comparsion of quasi-static and dynamic compression with lateral constraint

2.4 緩沖和吸能特性

圖13(a)中同時給出了實驗ss-3和ff-3的載荷位移曲線,可以看出,無側限的試件,壓縮量大,受力小,緩沖性能較好;而有側限的試件,承載能力較高,壓縮量較小,沒有明顯的平臺段。將無側限的ss-1、ss-2和ss-3,以及有側限的ff-1、ff-2和ff-3等波形完整的6次實驗的相關結果繪制于圖13(b)中,其中橫坐標為緩沖能量 ,也即是子彈的初動能,縱坐標為耗散能量 。圖13(b)顯示,帶側限組的柱殼耗能要明顯高于不帶側限組,其中即包括約束端增加后相變鉸區增多的影響[6],也包括摩擦耗能的貢獻。經過換算,無側向約束試件最高緩沖能量密度約為1.26 J/g,耗 能 比 例約21%(ss-3);有 側向約束試件 最 高緩沖能量密度約為1.6 J/g,耗 能比例 約35%(ff-3)。

圖13 不同約束下的抗沖吸能性能比較Fig.13 Comparison of shock resistance and energy absorption features under various constraints

3 結 論

本文中對單個 TiNi柱殼在無側限和有側限2種條件下的橫向沖擊特性進行了研究,結果表明:

(1)無側限試件具有良好的緩沖性能,在36%的相對壓縮量范圍內可完全恢復,作用力平臺段特征明顯,TiNi合金材料最大緩沖能量密度約為1.26 J/g,耗能比例約21%。在較高速度沖擊下,柱殼在相對壓縮量約0.530時發生破壞,但殘留強度較高,仍然能夠完成后續的緩沖、耗能的功效,并恢復了絕大部分變形,其緩沖能量密度和耗能比分別達到了約2.6 J/g和57%。

(2)有側限情況下,柱殼相對壓縮量減小,在約18%的相對壓縮范圍可以保證恢復,優點是能夠承受更大速度的沖擊,耗能能力也大幅提高,其最高緩沖能量密度和耗能比例分別達到1.6 J/g和35%。

(3)采用合理的約束組合,如調節柱殼與約束壁之間的間隔,在壓縮的不同階段實現不同的約束,兼顧無側限試件的大壓縮量和有側限試件的高耗能特性,有望開發出更加實用的抗沖吸能裝置。

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Experimental study of TiNi tubes under radial impact with and without lateral constraint

Zhang Ke,Tang Zhi-ping
(Key Laboratory for Mechanical Behavior and Design of Materials,CAS, University of Science and Technology of China,Hefei 230027,Anhui,China)

TiNi tubes with and without lateral constraint subjected to radial impact were investigated experimentally for the purpose of developing repeatedly used energy absorption devices.By using a modified SHPB apparatus and wave separation technique,the signal recorded was extended to about 3ms,and then the load-compression curves were available.With a high speed CCD camera,the dynamic deformation process of the specimens was captured.The results show that TiNi tubes without lateral constraint have an excellent recoverable deformability with apparent loading platform.The tubes with lateral constraint have a much better performance of energy dissipation and are able to withstand higher speed impact.If properly choosing the combination of two constraints,it may improve its dynamic performance both in the large deformation and high energy dissipation and will be used in the future shock absorbing devices.

mechanics of explosion;radial impact;shock resistance and energy absorption;TiNi tubes

10.11883/1001-1455-(2015)03-0296-08

O382國標學科代碼:1303530

:A

(責任編輯 王易難)

2014-06-28;

2015-01-20

國家自然科學基金項目(10872196)

張 科(1986— ),男,博士研 究生;通 訊作者:唐志平,zptang@ustc.edu.cn。