脈沖整形器在聚碳酸酯的SHPB試驗中的應用

楊自超，浣 石，陶為俊，龐書孟

（廣州大學土木工程防護研究中心，廣東廣州 510006）

脈沖整形器在聚碳酸酯的SHPB試驗中的應用

楊自超，浣 石*，陶為俊，龐書孟

（廣州大學土木工程防護研究中心，廣東廣州 510006）

對聚碳酸酯材料進行不同應變率下SHPB試驗的動態力學響應的研究，同時采用脈沖整形器技術分析了其尺寸和撞擊速度與脈沖波形的影響關系，再應用到SHPB試驗中以獲得聚碳酸酯試件在試驗過程中滿足動態應力平衡的條件，以及獲得近似恒應變率加載的條件.試驗結果表明，聚碳酸酯材料具有應變率敏感效應，并且強度隨著應變率的增大而提高.

脈沖整形器；聚碳酸酯；霍普金森壓桿；動態力學響應

KOLSKY最先在1949年建立了SHPB（分離式霍普金森壓桿）的理論，并采用SHPB技術對材料在高應變率下的動態力學響應進行了研究，于是拉伸或純剪切的試驗方法應運而生［1］.在SHPB試驗中首先通過加載桿產生縱波，再利用該縱波研究材料的拉伸或壓縮力學特點時，無可避免地會產生波的彌散效應，導致SHPB試驗復雜于無彌散的扭轉波情形.而且波的彌散能導致實驗數據的失真，如周風華等［2］通過高聚物材料的SHPB試驗研究了波的彌散引起的應力不均勻性現象.實驗結果表明，假如不能在足夠短的時間內使得試件中的應力分布均勻，那么將無法從試驗中獲得可靠的應變—應力曲線.

為了保證SHPB試驗數據受波的彌散的影響盡量小，國內外學者進行了關于通過脈沖整形技術來實現動態應力均勻化的大量研究，且進一步探索了近似恒應變率變形的加載條件.通過在入射桿的撞擊端緊貼一塊較薄的圓片狀試件進行了SHPB實驗，FRANTZ等［3］發現該方法軟化了撞擊，減小了振蕩波形幅值，并且幅值最多能降低一半.ELLWOOD等［4］采用三桿方法有效地減小了波的彌散，并成功地進行了近似恒應變率加載試驗，但在每次試驗中該技術都得破壞一個模擬試件.王從約等［5］通過結合傅立葉波譜分析與Pochhammer-Chree一般理論解，采用FFTDSP分析了彈性彌散波在有限長圓桿中的傳播，并采用離散波譜研究發現，在傳播過程中，高頻簡諧成份滯后于低頻簡諧成份引起了波的彌散.在混凝土試樣的SHPB試驗中，通過對入射桿桿端有無膠布這2種工況的對比，胡金生等［6］發現貼膠布能可靠地過濾實驗過程中入射波形的高頻諧波，從而降低波的彌散效應并獲得平滑的波形.趙習金等［7］將一個硅橡膠薄片放在黃銅片整形器前部實現了常應變率加載.CHEN等［8］在研究幾種材料內部的原位損傷評估和失效過程的SHPB試驗中，采用了泡沫類材料墊片作為脈沖整形器，來控制入射脈沖信號，以保證有效的試驗條件.HEARD等［9］設計了一種新型環形脈沖整形器減少了入射脈沖波中附加的不必要的振蕩，并滿足了被測試件的有效加載條件.從上面的文獻看，脈沖整形器在SHPB試驗中的應用很廣泛，但其在試驗技術中的研究相對較少，脈沖整形器尺寸的設計與整形后的脈沖波形之間的關系研究需要開展.

常溫下聚碳酸酯材料（Polycarbonate簡稱PC）是幾乎無色的透明固體，密度大約1.20 g·cm－3，其玻璃化溫度大約135℃.PC是碳酸的聚酯類，耐弱酸性和耐弱堿性很好，但耐紫外光性和耐強堿性較差.彎曲試驗中PC的彎曲模量約為2 400MPa，同時它具有很強的韌性，PC的懸臂梁缺口沖擊強度大約為600～900 J·m［10］.但在PC的SHPB試驗中，一般SHPB系統的加載波上升段僅有10～20 μs，在這么短的時間中保證早期PC試件中的應力分布均勻很困難，該情形下的實驗數據基本不能真實反映材料動態力學性能［11］.

聚碳酸酯類材料的波阻抗較低，因此通過在實驗中利用紫銅脈沖整形器，一方面能夠延長入射脈沖波形上升沿的時間，使得試驗加載過程中在聚碳酸酯試件產生塑性變形前應力能均勻平衡化；另一方面能有效消除應力波的高頻成分并實現在加載過程中試件的近似恒應變率加載.滿足這兩方面的條件可以保證試驗的有效性和數據的準確性.

1 SHPB試驗的研究和數據分析

本文的SHPB試驗裝置見圖1，采用的撞擊桿長度為500 mm，壓桿的直徑為40 mm，被測聚碳酸酯試件的大小均為Φ25 mm×8 mm，紫銅脈沖整形器的尺寸大小見圖2.

圖1 霍普金森壓桿裝置Fig.1 SHPB apparatus

圖2 紫銅脈沖整形器Fig.2 Copper pulse shapers

1.1 紫銅脈沖整形器的研究

1.1.1 撞擊速度對脈沖信號的整形效果

圖3給出了不同撞擊速度下整形的脈沖波形對比圖，采用的紫銅脈沖整形器的尺寸均為Φ3 mm×2 mm，撞擊速度分別為7.14 m·s－1、4.54 m· s－1、3.57 m·s－1.從圖3波形的對比中可見，相同尺寸的脈沖整形器，隨著撞擊速度的增加，入射脈沖波形上升沿升時相應的提高，同時也延長了加載脈沖的周期長度.另外，從反射脈沖波形的對比中看出，撞擊速度愈高，反射脈沖的振蕩愈嚴重，撞擊速度愈低，反射脈沖波形的平臺長度也有所減短，對同一尺寸的脈沖整形器，理想的反射平臺對應一個特定的速度值.

圖3 整形器尺寸為Φ3 mm×2 mm時不同撞擊速度下的波形圖Fig.3 Waves under different impact velocities with pulse shaper Φ3 mm×2 mm

1.1.2 脈沖整形器厚度對脈沖信號的整形效果

如圖4所示，試驗采用的撞擊速度均為4.7 m·s－1，使用的紫銅脈沖整形器的尺寸，直徑均為5 mm，厚度分別為1 mm、2 mm、3 mm，以研究脈沖整形器厚度對脈沖波形的整形效果.

圖4 不同厚度的脈沖整形器在撞擊速度為4.7 m·s－1下的波形圖Fig.4 Waves under different thicknesses of pulse shapers with impact velocity 4.7 m·s－1

從圖的波形對比可見，同一撞擊速度，紫銅脈沖整形器的直徑越大，得到的入射脈沖波形的上升沿升時越長，相應的加載波形的周期長度也得到了延長，但降低了入射波的幅值高度，這可能是紫銅脈沖整形器在受撞擊過程中產生了彈塑性的變形，而吸收的能量更多，以致波形的幅值降低；從反射波波形對比的角度看出，脈沖整形器厚度為1 mm時，反射波的初始段有較為明顯的凸起現象，其波形的平臺不夠長，以致不能滿足試件加載過程中的近似恒應變率的加載條件，3組波形中，脈沖整形器厚度為3 mm時的反射波形平臺足夠長，其較能滿足試驗的條件要求.

1.1.3 脈沖整形器直徑對脈沖信號的整形效果

與前相同，本小節采用的試驗撞擊速度也為4.7 m·s－1，但采用的紫銅脈沖整形器的厚度為3 mm，而其直徑分別為3 mm、4 mm、5 mm和6 mm，波形對比見圖5.

圖5 不同直徑的脈沖整形器在撞擊速度為4.7 m·s－1下的波形圖Fig.5 Waves under different diameters of pulse shapers with impact velocity 4.7 m·s－1

從該圖的入射波波形的形狀看出，同一撞擊速度下，隨著脈沖整形器直徑的增大，入射脈沖波形上升沿升時越長，加載脈沖的周期長度也得到了延長，但其幅值的大小同樣受紫銅脈沖整形器的吸能效應影響而相應的降低；另外，從反射脈沖波形的形狀得出，該撞擊速度下，脈沖整形器的直徑越小，反射波的平臺越短，而脈沖整形器直徑為6 mm時的反射波平臺最長，因此，更能表明該狀態下的試件在加載過程中保持近似恒應變率加載條件.

1.2 聚碳酸酯材料在不同應變率下的動態力學響應

根據上一小節的脈沖整形器的研究，把紫銅脈沖整形器應用到聚碳酸酯材料的SHPB試驗研究中，不僅為了消除應力波高頻成分的影響，而且也保證了聚碳酸酯材料在加載過程中發生塑性變形之前達到應力平衡狀態以及近似恒應變率加載的條件，以達到試驗結果的有效性條件；同時也為了研究聚碳酸酯材料在不同應變率加載狀態下的動態力學響應狀態，采用5種不同的應變率，分別為120 s－1、220 s－1、320 s－1、420 s－1、530 s－1，試件的應力應變曲線見圖6.

圖6 不同應變率下聚碳酸酯的應力應變曲線圖Fig.6 The stress-strain curves of PC materials under different strain rates

從該圖的本構響應曲線對比可見，所有應力應變曲線的發展趨勢相似，并隨著試驗應變率的增加，聚碳酸酯材料的屈服強度也相應增大，即其抗承受的強度增強，聚碳酸酯材料表現出了應變率敏感性.

2 結 論

脈沖整形器的試驗研究表明，脈沖整形器的厚度或直徑的增加，在一定程度上提高了入射脈沖波形的上升沿升時，延長了脈沖加載的周期長度，但相應的降低了入射脈沖的幅值；撞擊速度的提高，降低了入射脈沖波形的上升沿升時，但提高了入射脈沖的幅值.在高分子材料聚碳酸酯的SHPB動態試驗的研究中，采用脈沖整形器技術對試驗進行改進，獲得了較為光滑的入射脈沖波形，降低了應力波的振蕩效應的影響，同時改變紫銅脈沖整形器的尺寸大小，實現了試件在試驗過程中保持近似恒應變率的加載狀態，并獲得了較為準確和真實的應力應變曲線；同時對比了不同應變率下聚碳酸酯材料的動態力學響應，發現了其具有明顯的應變率敏感效應.

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Application of pulse shaper in SHPB experiment for polycarbonate

YANG Zi-chao，HUAN Shi，TA0Wei-jun，PANG Shu-meng
（Civil Engineering Protection Research Center，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China）

The dynamic responses of polycarbonate material under different strain rates are studied using SHPB experiment.Also a pulse shaper technique is applied to analyzing the relationship among the pulse shaper's size，impact velocity and pulse wave，and then the dynamic stress equilibrium conditions of the polycarbonate specimens during the experiment are obtained through applying the relationship into SHPB experiment，as well approximate constant strain rate loading conditions are acquired.The experimental results show that the polycarbonate material is sensitive to strain rate and its strength increases with the increasing of strain rate.

pulse shaper；polycarbonate；SHPB；dynamic response

TU 528.572

A

【責任編輯：周 全】

1671-4229（2015）05-0049-04

2015－04－21；

2015－05－10

國家自然科學基金專項儀器基金資助項目（51227006）

楊自超（1990－），男，碩士研究生.E-mail：1587172982＠qq.com

*通信作者.E-mail：huanshi＠gzhu.edu.cn