基于MATLAB GUI的SHPB實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理軟件

牛家樂，錢　昊，王榮鑫，巫緒濤

(合肥工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 宣城　242000)

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基于MATLAB GUI的SHPB實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理軟件

牛家樂，錢昊，王榮鑫，巫緒濤

(合肥工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 宣城242000)

文章選用MATLAB作為系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)，編制了1套分離式Hopkinson壓桿(SHPB)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理軟件。軟件可以快速、高精度完成沖擊壓縮和動(dòng)態(tài)劈裂實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理過程。軟件采用交互式界面進(jìn)行數(shù)據(jù)和參數(shù)的輸入輸出，實(shí)現(xiàn)入射波、反射波和透射波及數(shù)據(jù)處理過程的可視化。通過本軟件最終可獲得沖擊壓縮試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)劈裂試驗(yàn)的多種有效數(shù)據(jù)及曲線。包括沖擊壓縮試驗(yàn)中用三波法和兩波法得到的應(yīng)力——應(yīng)變曲線和應(yīng)變率、應(yīng)變、應(yīng)力、實(shí)驗(yàn)過程中各種能量時(shí)程曲線。動(dòng)態(tài)巴西試驗(yàn)中試樣拉應(yīng)力、各種能量時(shí)程曲線和劈裂強(qiáng)度等。

Hopkinson壓桿；數(shù)據(jù)處理；可視化；MATLAB GUI

分離式Hopkinson壓桿(簡(jiǎn)稱SHPB)實(shí)驗(yàn)裝置是用來研究材料高應(yīng)變率下力學(xué)行為的最有效實(shí)驗(yàn)裝置之一。由于高應(yīng)變率動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)涉及應(yīng)力波傳播,力學(xué)參數(shù)計(jì)算借助應(yīng)力波的相互作用,因此數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于靜態(tài)實(shí)驗(yàn),處理精度直接影響力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確性。有一些學(xué)者對(duì)SHPB實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法開展了研究。如宋力等對(duì)軟硬不同材料按SHPB三波法和兩波法處理的應(yīng)力——應(yīng)變曲線誤差進(jìn)行了系統(tǒng)分析。李英雷等提出的SHPB實(shí)驗(yàn)中波頭起點(diǎn)判讀辦法。尚兵等提出的金屬材料SHPB實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的3波校核法。可靠方便的數(shù)據(jù)處理軟件可以為上述研究提供有益的幫助,對(duì)于獲得準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有重要的作用。因此SHPB實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理軟件應(yīng)該具有交互式界面,可視性、通用及可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)。MATLAB平臺(tái)完全符合上述條件,其在多個(gè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)處理軟件編制的研究中有均大量成功的范例。如MATLAB的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理研究及軟件開發(fā)以及MATLAB的振動(dòng)信號(hào)采集與分析系統(tǒng)。本文采用MATLAB作為開發(fā)平臺(tái),編制了1套SHPB實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理軟件,可方便快速處理沖擊壓縮、動(dòng)態(tài)巴西試驗(yàn)。結(jié)合有限元模擬驗(yàn)證了本軟件的精度和有效性,最終用于實(shí)際SHPB實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理中。

1　SHPB裝置

SHPB裝置用于沖擊壓縮試驗(yàn)的示意圖如圖1所示。試樣夾在輸入桿和輸出桿之間,用高壓氣體驅(qū)動(dòng)子彈以一定的速度v0撞擊入射桿,產(chǎn)生向前傳播的入射波εi(t),經(jīng)過輸入桿應(yīng)變計(jì)被采集記錄。當(dāng)入射波傳播到試樣位置時(shí),推動(dòng)試樣開始變形,并在入射桿中產(chǎn)生一個(gè)反向應(yīng)力脈沖——反射波εr(t),經(jīng)過入射桿應(yīng)變計(jì)時(shí)也被采集。另一部分脈沖透過試樣進(jìn)入輸出桿向前傳播——透射波εt(t),由輸出桿應(yīng)變計(jì)和采集系統(tǒng)記錄。傳統(tǒng)的SHPB沖擊壓縮試驗(yàn)技術(shù)就是通過這3個(gè)脈沖信號(hào)得到試樣特定應(yīng)變率下的應(yīng)力——應(yīng)變曲線。

圖1　SHPB裝置

式(1)～式(3)為經(jīng)典的三波法處理公式

(1)

(2)

(3)

根據(jù)一維假定

則試樣的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率可以由任意2個(gè)波計(jì)算得到，即兩波法處理公式。

對(duì)于混凝土、巖石等脆性材料,SHPB裝置還可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)巴西試驗(yàn),用來測(cè)量材料的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度。此時(shí)試樣圓周面與輸入桿和輸出桿線接觸,或通過墊塊圓弧面接觸,按式(5)計(jì)算試樣中心線上的拉應(yīng)力時(shí)程曲線

其中,dS為試樣直徑,當(dāng)σSt(t)達(dá)到最大值時(shí)即為試樣的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度。同理按照式(4),動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度也可以僅用透射波計(jì)算得到。

根據(jù)式(1)～式(5)及圖1可以發(fā)現(xiàn),SHPB實(shí)驗(yàn)中計(jì)算應(yīng)力、應(yīng)變及應(yīng)變率的過程并不復(fù)雜,其關(guān)鍵問題在于如何有效保證時(shí)間同步性。由于輸入桿應(yīng)變計(jì)和輸出桿應(yīng)變計(jì)記錄的入射、反射和透射波存在時(shí)間差,而數(shù)據(jù)處理最終需要的是試樣當(dāng)?shù)氐?個(gè)波的時(shí)程曲線數(shù)據(jù)。因此通過交互式數(shù)據(jù)處理軟件能直觀反映試驗(yàn)過程中3個(gè)波的同步性及各種方法處理結(jié)果的偏差,可以有效提高SHPB實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的精度和效率。

2　程序正確性驗(yàn)證

利用有限元模擬對(duì)程序正確性及基本功能進(jìn)行了驗(yàn)證。用ANSYS/LS-DYNA模擬了SHPB沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)過程。輸入和輸出桿采用線彈性本構(gòu):彈性模量200GPs,密度7850kg/m3,泊松比0.25。試樣采用雙線性隨動(dòng)硬化本構(gòu):彈性模量72GPa,密度2700kg/m3,泊松比0.33,屈服應(yīng)力60MPa,切線模量5GPa。試樣和壓桿間采用自動(dòng)面面接觸。從模擬結(jié)果的輸入和輸出桿中取出的入射、反射和透射波如圖2所示(圖中應(yīng)變數(shù)據(jù)以壓為正)。

圖2　有限元模擬得到的入射、反射和透射波

將3個(gè)波、壓桿和試樣的相關(guān)數(shù)據(jù)輸入程序。為了保證時(shí)間同步性,需對(duì)齊入射、反射和透射波的波頭。在數(shù)據(jù)處理過程中按式(4),通過比較入射波和透射波疊加結(jié)果與實(shí)際反射波的差異,并觀察采用3波、入透波、入反波、反透波4種方法處理結(jié)果吻合程度來判斷時(shí)間同步性,如圖3、圖4所示。可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)力——應(yīng)變曲線兩段保持了很好的線性。處理得到試樣的彈性模量70GPa,屈服應(yīng)力60MPa,切線模量5.3GPa,均與數(shù)值模擬預(yù)設(shè)值很接近。

圖3入射、反射和透射波時(shí)間同步效果

圖44種方法處理的應(yīng)力——應(yīng)變曲線的比較

3　實(shí)際SHPB實(shí)驗(yàn)處理結(jié)果

3.1沖擊壓縮

對(duì)實(shí)際的SHPB沖擊壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。除基本的核心部分,程序還包含了消除零點(diǎn)漂移、曲線3點(diǎn)至10點(diǎn)光滑、峰值判斷、應(yīng)力——應(yīng)變曲線割線模量、平均應(yīng)變率計(jì)算等模塊和功能。圖5和圖6給出的分別是未光滑和經(jīng)過10點(diǎn)平均光滑得到的應(yīng)力——應(yīng)變曲線。

圖5未光滑的應(yīng)力——應(yīng)變曲線

圖6光滑后的應(yīng)力——應(yīng)變曲線

3.2動(dòng)態(tài)巴西試驗(yàn)

對(duì)動(dòng)態(tài)巴西實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理,入射、反射和透射波同步性如圖7所示,按三波法和透射波法得到試樣中心線拉應(yīng)力時(shí)程曲線如圖8所示。可以發(fā)現(xiàn),在保證時(shí)間同步情況下,2種方法處理結(jié)果的誤差較小。

圖7入射、反射和透射波同步性

圖8拉應(yīng)力時(shí)程曲線

3.3能量分析

由入射、反射和透射波還可以分析試驗(yàn)過程中的能量變化,如式(6)～式(7)所列[7]

(6)

(7)

其中,Wi(t)、Wr(t)、Wt(t)和WS(t)分別為試驗(yàn)過程人射波、反射波和透射波及試樣耗散能量的時(shí)程曲線。利用式(6)～式(7)計(jì)算某次實(shí)驗(yàn)中4個(gè)能量的時(shí)程曲線如圖9所示。

圖9　SHPB實(shí)驗(yàn)中能量變化時(shí)程曲線

4　結(jié)　　論

在對(duì)各種SHPB實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和誤差理論進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上,基于MATLAB平臺(tái)編制了1套SHPB實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理軟件。成功實(shí)現(xiàn)了沖擊壓縮試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)巴西試驗(yàn)的多種數(shù)據(jù)處理功能,包括數(shù)據(jù)及參數(shù)的輸入與輸出,操作提示,數(shù)據(jù)修飾(消除零漂和光滑),多參量曲線繪制、比較、調(diào)整與數(shù)據(jù)點(diǎn)讀取(三波法和兩波法得到的應(yīng)力——應(yīng)變曲線,應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率、能量時(shí)程曲線)等。利用有限元模擬對(duì)程序正確性及基本功能進(jìn)行了驗(yàn)證,處理結(jié)果準(zhǔn)確可靠。程序采用模塊設(shè)計(jì)具有可擴(kuò)展性,預(yù)留了二次開發(fā)的接口和輸入規(guī)則。

[1]胡時(shí)勝，王禮立等.Hopkinson壓桿技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展回顧[J].爆炸與沖擊，2014，(6)：641-657.

[2]宋力，胡時(shí)勝.SHPB數(shù)據(jù)處理中的二波法與三波法[J].爆炸與沖擊，2005，(4)：368-373.

[3]李英雷，胡昌明，王悟.SHPB實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的規(guī)范化問題討論[J].爆炸與沖擊，2005，(6)：553-558.

[4]尚兵，胡時(shí)勝等.金屬材料SHPB實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的三波校核法[J].爆炸與沖擊，2010，(4)：429-433.

[5]劉康.基于MATLAB的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理研究及軟件開發(fā)[D].中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，2011.

[6]唐世振.基于MATLAB的振動(dòng)信號(hào)采集與分析系統(tǒng)的研究[D].中國(guó)海洋大學(xué)，2007.

[7]巫緒濤，胡俊.EPS混凝土的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度和能量耗散[J].爆炸與沖擊，2013，(4)：369-375.

(責(zé)任編輯陳化鋼)

SHPB experimental data processing software Based on GUI MATLAB

NIU Jia-le，QIAN Hao，WANG Rong-xin，WU Xu-tao

(Depariment of Structural engineering，HeFei University of Technology，Xuancheng 242000，China)

In this paper,the data processing software for a set of separate Hopkinson pressure bar (SHPB) tests is developed by using MATLAB as the developed platform of this system.The software can accomplish the data processing of the shock compression and dynamic split tests quickly and with high precision.The data and parameters of the system are input and output by using the interactive interface,and the visualization of the process of the incident wave,reflected wave and transmission wave is realized.A variety of effective data and curves of impact compression test and dynamic splitting test could be obtained through this software.Including the stress-strain curves obtained by the three wave method and the two wave method in the shock compression test,and the time history curves of strain rate,strain,stress and various energy during the tests process.Morever the time history curves of various energy,tensile stress and splitting strength in dynamic Brazilian tests.

Hopkinson pressure bar; data processing; visualization; GUI MATLAB

2016-03-16；

2016-03-18

合肥工業(yè)大學(xué)2015年大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2015CXCYS117)

牛家樂(1994-)，男，本科生，從事土木工程專業(yè)研究。

10.3969/j.issn.1671-6221.2016.03.004

O34

A

1671-6221(2016)03-0014-04