霍普金森压杆Hopkinson压杆测试技术

介绍

霍普金森压杆的发展历程是在1914年由Hopkinson明确提出来的，当时只能用于精确测量冲击载荷下的脉冲波形。1949年Kolsky对该设备进行了改善，将压杆分为两半，试样放置在其中，因此使这一设备还可以用作精确测量原材料在冲击性载荷下的应力-应变力关联。因为这一设备使用了分体式构造，因此被称作分体式Hopkinson压杆，通称SHPB（Split-Hopkinson-Pressure-Bar），或Kolsky杆。Kolsky还证明了试样的应力和应变力与压杆偏移相互关系。该技术性的理论基础是一维应力波基础理论，根据测量压杆里的应变力来推论试样原材料的应力－应变力关联。通过世界各国学者几十年的认真工作，SHPB压杆实验技术性已发展趋势为得到原材料在102～104s-1应变率范围之内应力-应力应变关联的最主要实验方式。SHPB技术性往往能得到大家的高度重视，主要原因是该检测技术的特点十分突显，具体表现在：**，该技术性测量法十分恰当，取得成功的绕开了要在试样同一部位上与此同时精确测量随时间变化的应力和应对的问题；第二，SHPB实验所涉及到的应变率范畴正好包括了流动性应力随应变率转变产生转折点的应变率（102～104s-1）；第三，入射波形易于控制，更改炮弹的撞击速率及样子，就可以调整出射脉冲波形，进而也调整了作用于试样里的波型。大家早已使用了这一优势在Hopkinson压杆里的前提下进行了动态拉伸、动态性破裂等领域的研究工作。

动态性缩小试验

传统式的Hopkinson压杆测试系统包含有：载入系统软件、动态性应变仪、数据记录与采集系统和数据统计分析计算系统，如下图所示。

Hopkinson压杆设备的关键部位是2段分离出来的延展性光波导入的杆，即键入杆和导出杆，试样夹在二杆中间。载入单脉冲由撞击杆撞击键入杆的顶端造成。撞击杆在压气动枪中由高压气体的推动作用被加快到一定的撞击速率，为此速率撞击键入杆的顶端，造成一个延续时间在于撞击杆长短的出射延展性工作压力单脉冲。当原始的工作压力单脉冲经撞击杆的自由端反射成为一个抗拉力单脉冲并返回撞击面时，撞击杆就完成了对键入杆的卸载掉，因此在键入杆里将造成光波长为撞击杆长短二倍的出射应力波。当键入杆里的出射应力波抵达试样时，一部分因为杆和试样横截面积不一和波阻抗不匹配而反射回键入杆产生反射应力波，另一部分则越过试样抵达导出杆产生散射应力波，散射应力波再由消化吸收杆捕捉，最终由动能捕收器消化吸收。设备见图如下图1所显示。

依据黏贴在压杆里的应变片测得的入射波、反射波、透射波，及其一维应力波基础理论可获得如下所示的计算公式。试样的均值应变率为：（1）试样里的均值应变力：（2）试样里的均值应力：（3）

式中，I、R和T各自表明测试记录的出射、反射和透射波，是延展性横波和纵波波速，为试样的初始长短，为压杆的弹性模具，为压杆与试样的截面比例。由应力平衡条件导出来：（4）；将式（4）带入（1）、（2）、（3）式可获得（5）（6）（7）

因此，在应力平衡的标准下可选用式（5）、（6）、（7）来计算材料的动态性缩小的结构力学个人行为。

动态拉伸实验

传统式的Hopkinson杆实验仪器主要运用于检测原材料的动态性缩小物理性能主要参数，改善后的Hopkinson杆则能够完成动态拉伸实验，图2得出的是载入板块拉申试样的载入设备平面图。测试系统包含：载入系统软件、动态性应变仪、数据记录与采集系统和数据统计分析计算系统等。

测试记录的出射、反射、散射单脉冲分别用I、R、T表明，依据试样与支撑杆的页面标准，按一维弹性波传播理论可测算获得试样里的应力、应变力及其对应的应变率尺寸，其计算方法与动态性压缩试验里的公式计算一样。