霍普金森杆实验技术经验简介

第６期
杨鹏飞等 ：基于 Ｈ ｏ ｋ ｉ ｎ ｓ ｏ ｎ 杆的材料高应变率拉伸实验技术 ｐ
６ ７ ５
接撞击而产生 ， 拉伸脉冲沿入射杆传 至 试 件 ， 一 部 分 反 射 回 入 射 杆 中， 另 一 部 分 通 过 试 件 传 至 透 射 杆。 ） 、 ） ） 入射波ε 反射波ε 和透射波ε 分别由入射杆和透射杆上 Ｇ 经 ｔ ｔ ｔ Ｇ２ 和 Ｇ３ 三处的 应 变 片 测 得 ， ｉ（ ｒ（ ｔ（ １、 超动态应变仪放大后由瞬态波形存储器存储 。
０ 引言
工程材料和结构在加工和使用过程中可能承受高速切削 、 高 速 碰 撞、 爆 炸 等 冲 击 加 载 作 用， 了解材 料在高应变率加载下的力学行为对其工程设计和应用具有重要意义 。 常规的准静态材料力学试验使用
１ －１ 但该类系统无法实现应变率 １ 液压伺服加载系统 ， ０ ｓ 以上的动态加载 。 常见 的 用 于 动 态 加 载 的 装 置 ２ －１ ４ －１ （ ） 是分离式霍普金森杆 Ｓ 可以获得材料在高应变率 （ 加载 ｌ ｉ ｔ Ｈ ｏ ｋ ｉ ｎ ｓ ｏ ｎ Ｂ ａ ｒ 试验系统 ， １ ０ ｓ ～１ ０ ｓ ） ｐ ｐ ］ １－４ 。 下的力学性能 ［
１ 分离式霍普金森拉杆试验装置的测试原理
直接杆杆型高应变率拉伸试验装置的测试原理如图 １ 所示 。 拉伸加载脉冲由撞击套筒与撞块的直
；修回日期 ： ２ ０ １ １ ０ ５ １ ９ ２ ０ １ １ ０ ６ ２ ２ ＊ 收稿日期 ： － － － － ， ： 通讯作者 ：汪洋 （ 男， 博士 、 教授 。 主 要 研 究 方 向 ： 极 端 条 件 下 的 材 料 力 学 行 为、 冲 击 动 力 学 。Ｅ－ｍ １ ９ ６ ８－ ） ａ ｉ ｌ ｓ ｔ ｃ ． ａ ｎ ｗ ａ ｎ ｙ ｇ ｇ＠ｕ ｅ ｄ ｕ． ｃ ｎ

霍普金森压杆实验在爆破中的应用
霍普金森压杆实验是一种利用金属杆的压缩性进行测量的实验，在近年来的矿山爆破领域中被广泛应用。

本文将围绕这个实验展开，详细阐述它在爆破中的应用。

第一步：测量工程爆破预处理
在进行矿山爆破前，需要对爆破前的地质结构和岩石强度进行测量和评估，以此为基础设计爆破方案。

这其中有一个关键步骤就是测量地下岩体的应力状态，其中之一的测量方法便是通过霍普金森压杆实验来评估地质条件和确定安全距离。

第二步：构建压杆实验基础
在进行霍普金森压杆实验之前，需要先构建出实验基础，通常为混凝土块或固定架。

而实验基础的建造需要严格的工程施工规范和技术手段，以保证实验数据的准确性和可靠性。

第三步：插入压杆进行测量
在构建好实验基础后，需要将压杆插入基础中。

在此过程中，需要对压杆进行校准和测试，以确保压力传感器和测量仪器的准确性和可靠性。

压杆通常包括一个测量传感器和一个压力传感器，可以测量岩石的应力和应变状态。

第四步：应力状态测量
在应力状态测量阶段，需要进行岩体应力状态的测量和记录，包括岩石的承载能力和破坏状态。

通过这些数据，可以评估矿山爆破方案的合理性和安全性，并制定相关的爆破方案或调整现有方案。

总结起来，霍普金森压杆实验是一种可靠的测量方法，在矿山爆破预处理阶段和实施过程中都有着重要的应用。

这一方法能够帮助工程师、科学家和矿山工人对地形、地质、地下建筑物和其他关键因素进行测量，并在需要时调整设计方案，以提高爆破的效率和安全性。

大尺寸霍普金森拉杆装置实验研究Chapter 1：引言1.1 研究背景和意义1.2 国内外研究现状与发展趋势1.3 研究内容和目的Chapter 2：理论基础2.1 霍普金森拉杆装置的原理2.2 大尺寸霍普金森拉杆装置的概述2.3 装置设计的理论分析Chapter 3：实验系统的设计与搭建3.1 设计要点与工艺流程3.2 模型搭建与实验操作注意事项3.3 实验器材及检测手段介绍Chapter 4：实验结果与分析4.1 对试样进行拉伸实验4.2 实验数据处理方法介绍4.3 结果分析与测试数据比对Chapter 5：结论与展望5.1 实验结果总结5.2 实验不足和进一步完善方案5.3 对未来发展趋势的预测和展望参考文献第一章引言随着科学技术的发展，实验研究成为科技创新的重要手段之一，而大尺寸霍普金森拉杆装置是实验研究中比较重要的设备之一，被广泛应用于材料力学、结构分析及设计等领域。

霍普金森拉杆装置是用来测定材料的拉伸性能的一种实验方法，其可靠性和准确性得到广泛认可。

因此，对大尺寸霍普金森拉杆装置的研究，对于完善实验研究手段、提高实验数据可靠性及实验效率具有重要意义。

本文将围绕大尺寸霍普金森拉杆装置的实验研究展开，并从背景、研究现状、研究内容和目的几个方面进行介绍。

1.1 背景与意义霍普金森拉杆装置是用来测定材料的拉伸性能的，可广泛应用于航空、汽车、交通、机械等领域。

材料的塑性和强度均是材料力学研究的基础，而霍普金森拉杆实验则是测量和验证材料力学特性的重要手段。

在汽车工程方面，霍普金森拉杆实验不仅用于汽车材料的研究，更为重要的是可利用得到的力学特性，研究车辆在不同碰撞状态下的特性，为汽车的制造和安全提供参考。

而大尺寸霍普金森拉杆装置是常用的局部断裂分析装置，其特点是不依赖于整体性材料测试时的大型测试设备，而能在不影响材料力学性能的情况下测试样品的局部特征参数，利用微型传感器记录受力情况，使得实验数据更加准确和可靠。

霍普金森压杆实验流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。

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第34卷第4期2018年4月科技通报BULLETIN OF SCIENCE AND TECHNOLOGYVol．34No．4Apr．2018霍普金森杆在猪膝关节软骨研究中的应用方乐，申永刚*，陈冬强（浙江大学建筑工程学院，杭州310058）摘要：在传统霍普金森压杆基础上，针对膝关节软骨这种软物质在动态力学性能测试中存在的试样两端应力无法平衡及透射信号弱的问题，提出了相应的改进措施，并采用改进后的分离式霍普金森压杆对猪膝关节软骨进行了不同应变率下的冲击压缩实验，获得了猪膝关节软骨在五种应变率下即500s －1、1000s －1、2000s －1、2700s －1和3500s －1的应力－应变曲线。

探讨了猪膝关节软骨在不同应变率下的力学性能、对应变率的相关性和本构关系，为新型人工膝关节假体的设计提供了理论依据。

关键词：固体力学；动态力学性能；SHPB ；膝关节软骨中图分类号：O347；Q66文献标识码：A文章编号：1001－7119（2018）04－0051－04DOI ：10.13774/j．cnki．kjtb．2018.04.011Application of Split Hopkinson Pressure Bar in Tests forPig Porcine Knee CartilegeFang Le ，Shen Yonggang *，Chen Dongqiang（College of Civil Engineering and Architecture ，Zhejiang University ，An-zhong Building ，866，Yuhangtang Ｒoad ，Hangzhou 310058，China ）Abstract ：The dynamic response of porcine knee cartilage in compression is studied using the Kolsky bar technique．We have made modifications to the technique that allow loading of a soft tissue specimen in compression based on traditional split Hopkinson Pressure Bars （SHPB ）．Porcine knee cartilage ’s dynamic stress-strain curves at strain rate of 500s －1，1000s －1，2000s －1，2700s －1，and 3500s －1are obtained by the experiment．This thesis firstly developed a viscoelastic constitutive model to describe the behavior of porcine knee cartilage under quasi －static loadings or high strain-rate loadings．Through experiments and experimental data processing ，the parameters of the constitutive have been obtained and well cover the experimental results．Consequently ，this study can provide material data to numerical simulation of the behavior of knee cartilage．Keywords ：solid mechanics ；dynamic mechanical properties ；SHPB ；porcine knee cartilage 收稿日期：2017－05－03基金项目：浙江大学青年教师交叉研究种子基金项目（JCZZ －2013023）。

1 前 言
目前工程材料的工作环境往往涉及到爆炸 、高 速冲击 、切削 、高温 、高应变率等极端条件 , 此时材 料的动态力学性能是人们非常关心的一个重要问 题 。这类载荷作用时间一般较短 (微秒乃至纳秒) 、 冲击强度高 ,足以引起大变形乃至破坏 ,所以研究材 料在冲击载荷作用下的力学性能具有重要的工程意 义。
一般情况下材料的准静态的应变率在 10 - 5 ～ 10 - 2 s - 1 之间 ,其动态冲击的高应变率往往在 102 ～ 104 s - 1 之间 ,甚至会达到 106 s - 1 (应变率即应变变化 的速率 ,指单位时间产生的应变) [1] 。一般材料在准 静态和冲击载荷下的力学性能存在着较大的差异 , 即应变率相关性 。
段的长度 ;εi ( t) 、εt ( t) 、εr ( t) 分别为试件入射波 、透
射波 、反射波的应变值 ;A 为杆的初始横截面积 ;A0
为试样的初始横截面积 ; E 为杆的初始模量 。
为了准确的测试复合材料的动态力学性能 ,在
霍普金森杆试验中必须注意以下几个问题 :
(1) 弹性杆的阻抗应该与复合材料的阻抗相匹
第2期 2005 年 6 月
实验研究
纤维复合材料 FIBER COMPOSITES
No12 4 4 Jun1 ,2005
霍普金森杆在复合材料动态测试中的应用
刘文建
(东华大学纺织学院 , 200051) 摘 要 霍普金森杆具有结构简单 、操作方便 、测量方法精巧 、加载波形易控制等优点 ,已经被广泛的用来测试复合 材料的动态压缩 、拉伸等性能 ,本文详细介绍了其原理 、影响因素 ,以及这套装置在复合材料测试中的应用和发展 。 关键词 霍普金森杆 ;动态性能 ;高应变率 ;复合材料

析 比较 了三种典 型传 爆药 在过 载 冲击 环境 中的动态 力
１ 气 室 ， 一 子 弹 ，３ 弹 托 ， 一 入 射 杆 ，５ 试 样 ，６ 透 射 一 ２ 一 ４ 一 一 杆 ， 一 吸 收杆 ， 一 能 量 吸收 块 ， 一 超 动 态 应 变 仪 ， 一 信 号 ７ ８ ９ １ Ｏ
中 图分 类 号 ：Ｔ５ ； ８ Ｊ ５ ０３ ９ 文献标识码 ： Ａ Ｄ ： ０ ３ ６ ｉ ｎ １ ０ — ９ １ ２ １ ． １ ０ Ｏｌ １ ． ９ ９ ｓ ．０ ６９ ４ ．０ ０ ． １ ｓ ２ ５
１ 引 言
传爆 装药作 为 武器 弹 药 传 爆 序列 的最 后 一级 ， 是 弹药 系统 不可 缺少 的组 成部 。因此 ， 爆 药 的性 能 传 起着 至关 重要 的作 用 ， 是决 定 弹药 和 战 斗部 整 体 效 能
、 王
图 １ 分 离 式 Ｈｏ ｋ ｓ ｎ 实 验 装 置示 意 图 ｐｉ ｏ 杆 ｎ
娜 、 邓琼 、 陈鹏 万 等关 于 Ｈ ｐ ｉｓ ｎ杆技 术 及 ｏ ｋｎｏ
含 能 材 料 损 伤 理 论 研 究 的 实 验 方 法 ， 用 分 离 式 利 Ｈｏ ｋｎｏ 杆 、 ｐ ｉｓｎ 高速摄 影 、 扫描 电子 显 微等 技 术 综 合 分
采 集 系统
Ｆ ｇ １ Ｓ ｈ ｍａ ｉ ｏ ｐ ｉ Ｈｏ ｋ ｎ ｏ ｒ ｓ ｕ ｅ ｂ ｒ ｉ ． ｃ ｅ ｔ ｆｓ ｌ ｐ ｉ ｓ ｎ ｐ ｅ ｓ ａ ｓ ｃ ｔ ｒ １ ａｒｃ ａ ｅ ，２ ｂ Ｉ ｔ 一 ｓ ｂ ｔ 一 ｉ ｃｄ ｎ ａ ，５ ｓ ｍ— 一 ｉ ｈ ｍｂ ｒ 一 ｕ Ｉ ，３ ｅ ａ ０ ，４ ｎ ｉ ｅ ｔ ｂ ｒ 一 ａ ｐ ｅ － ｔａ ｓ ｓｉ ｎ ｂ ｒ － ａ ｓ ｒ ｔ ｎ ｂ ｒ 一 ｅ ｅ ｇ ｂ ｏ ｐ ｉ ，６ ｒ ｎ ｍｉ ｏ ａ ，７ ｓ ｂ ｏ ｐ ｉ ａ ，８ ｏ ｎ ｒｙ ａ ｓ ｒ — ｔ ｎ ｂｏ ｋ ９ ｓ ｐ ｒ ｙ ａ ｃ ｓ ａｎ ｉｓｒ ｍｅ ｔ １ — ｓ ｎ ｌ ｉ ｌｃ ， 一 ｕ ｅ ｄ ｎ ｍｉ ｔ ｉ ｎ ｔｕ ｎ ， Ｏ ｏ ｒ ｉ ａ ｇ

(Байду номын сангаас)
νⅠ = ν2 = ν i +ν r = −c(ε i − ε r )
′ = ν t = −cε t νⅡ = ν 2
(t= ε )
νⅡ −νⅠ
l0 c l0
=
t
c (ε i − ε r − ε t ) l0 − ε r − ε t )dt
ε= (t )
∫ (ε
0
i
(2)
由 (1) 、 (2) 式进而可得试件材料的应力应变关系。根据均匀假定，可得
1. 霍普金森压杆(SHPB)实验装置、基本原理及用途
1.1 实验装置及用途
如图 1 所示为 SHPB 的实验装置及数据采集处理系统：
图 1 SHPB 实验装置
SHPB 装置主要由三部分组成：压杆系统、测量系统以及数据采集与处理系 统。其中压杆系统是由撞击杆、入射杆、透射杆和吸收杆四部分组成。撞击杆也 称之为子弹， 一般来说压杆所采用的截面尺寸及材料均相同，因此子弹的长度就 决定了入射应力脉冲的宽度λ，一般取λ=2L（L 为子弹的长度） ，吸收杆主要是 用来吸收来自透射杆的动能， 以削弱二次波加载效应，为保证获得完整的入射及 反射波形， 入射杆的长度一般要大于子弹长度的两倍，所有压杆的直径应远小于 入射应力脉冲的波长，以忽略杆中的惯性效应影响。 测量系统可以分为两个部分，一个是撞击杆速度的测量系统，另一个是压杆 上传感器测量系统。对撞击杆速度的测量常采用激光测速法，如图 1 所示，在发 射管与入射杆之间装有一个平行光源，用来发射与接收激光信号，两个光源之间 的间距是可测的， 当子弹经过平行光源时，会遮挡住光信号而产生一定宽度的脉 冲信号， 据此可测出子弹通过平行光源的时间即可求出子弹的撞击速度。压杆传 感器测量系统则是在压杆相应位置处粘贴电阻应变片， 并将应变片经电桥连接至 超动态应变测试仪上，据此即可测出压杆中的应变。 数据采集和处理系统主要由 TDS5054B 数字示波器，CS—1D 超动态电阻应 变仪，TDS2000B 波形存储器，以及微机等组成。其作用是完成对信号的采集、 处理和显示。

Improvement and application of a mini desktop SHB system
Candidate Name： Liu Shuang School or Department: School of Aerospace Engineering Faculty Mentor: Prof. Liu Zhanwei Chair, Thesis Committee： Prof. Dong Chunying Degree Applied: Master of Engineering Major： Aerospace Engineering Degree by: Beijing Institute of Technology The Date of Defence： June，2015
关于学位论文使用权的说明
本人完全了解北京理工大学有关保管、 使用学位论文的规定， 其中包 括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学 校可以采用影印、 缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； ③学校可允 许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换 学位论文； ⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容 （保密学位论文在 解密后遵守此规定） 。
微 型 霍 普 金 森 杆 系 统 的 改 进 与 应 用
北 京 理 工 大 学
研究成果声明
本人郑重声明： 所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行 的研究工作获得的研究成果。 尽我所知， 文中除特别标注和致谢的地方外， 学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。 与我一同工 作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 特此申明。 签 名： 日期：

展。
15
展望
1、传统加载缺陷
精度低 重复性差 调节范围小 存在安全隐患
1
展望
2
3
2、电磁加载优势
精度高 重复性好 脉宽、应变率随意调节 操作简单，稳定性安全性高
3、未来发展方向
小型化，使产品更加便携 智能化，应变率精确选择 规范化，形成行业标准 人性化，使产品更加美观
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航电磁科技有限公司董事长兼首席科学家。发表论文80多篇，授权发明
专利30项，出版专著2部，以第一获奖人获省部级奖三项。工作三十年
来一直从事电磁加载技术的研究，突破了电磁பைடு நூலகம்载多项核心技术，如放
电线圈的制造技术、冲击大电流电源制造技术、电磁铆枪的减振及小型
化技术等。基于电磁加载技术开发了系列化应用产品。
3
研究背景
传统加载与电磁加载对比
现有加载方式多采用空气炮加载，然而由于空气的压缩性
导致试样应变率无法精确控制，从而导致试验重复性差；获
得不同应变率需要采用长度不同的入射杆，使得同一台设备
无法实现应变率大范围调节；此外，由于空气膨胀系数很高，
导致空气炮加载在使用过程中存在安全隐患。
精确性低
精度高
重复性差
安全性差
调节范围小
传
电
统
磁
加
加
载
载
重复性好
安全性高
调节范围大
5
目录
背景
原理
研发基础
展望
6
原理
电磁力加载原理
电磁力产生的应力波是一种可控性能优越的加载波， 具有脉冲宽度 可调、加载应变率跨度大、脉冲幅值控制精确、稳定性高等特点。图为 电磁力产生的应力波，负值表示压缩波，正值表示拉伸波。如果将该应 力波作为入射波，直接作用到霍普金森实验的入射杆中， 可以有效地实 现入射波的精确加载，霍普金森压杆实验可靠性和可控性能将大幅提高， 霍普金森杆实验的加载应变率跨度将大范围拓展，对于材料动态力学性 能测试具有开拓意义。

基于光学检测方法的霍普金森压杆技术综述
杨山伟
【期刊名称】《科技创新与应用》
【年(卷),期】2018(000)009
【摘要】分离式霍普金森压杆技术是一种被广泛应用于测量材料在高应变率范围内动态力学性能的一种行之有效的实验手段.传统的霍普金森压杆测量方法主要是利用粘贴在入射杆和透射杆上的应变片实现对被测材料动态力学性能测量的目的,但是这种应变片式的霍普金森压杆技术中仍存在一些固有的问题和不足.为了获得更高效、精确的实验数据,基于光学检测方法的霍普金森压杆测量技术应运而生.它具有非接触性、高度可重复性、测量结果更加可靠和准确等优点.文章首先简要回顾了传统分离式霍普金森压杆技术的起源与发展,以及测量装置和测量原理.在此基础上,重点介绍了三种基于光学检测方法的分离式霍普金森技术,并简要说明了各个测量方法的特点.
【总页数】6页(P4-9)
【作者】杨山伟
【作者单位】北京交通大学教育部发光与光信息重点实验室,北京100044
【正文语种】中文
【中图分类】TB301
【相关文献】
1.基于霍普金森压杆气凝胶及其复合材料抗冲击性能试验研究
2.基于霍普金森压杆的波形整形技术研究
3.基于霍普金森压杆的RDX基含铝炸药装药双脉冲加载实验
4.基于霍普金森压杆的高g值加速度发生器的改进
5.基于霍普金森压杆的电爆管小容腔输出压力测试
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Hopkinson压杆装置技术参数一、招标设备高温、高应变率耦合动态实验系统1台。

该产品需要根据招标方的要求定制加工，国内采购。

必须具有同型号设备在近3年内案例并提供合同复印件。

二、应用范围该设备主要用于获得高应变率下材料的应力应变关系，材料动态力学性能试验，能够获得材料的应力-应变曲线、应变率-时间历程曲线以及进行脆性材料的动态强度等测试，对于船舶海洋工程结构物才爆炸/冲击等动态冲击载荷下的力学行为研究具有重要学术意义和工程应用价值。

可配备高温炉、低温装置等还可进行多种环境条件下的动态力学性能试验。

三、主要技术指标1.使用气源：空气或普通氮气，压力：≤0.8MPa2.工作压力：0-0.8MPa3.发射炮管：不锈钢，长度约1600mm,管内不圆柱度优于0.1mm、不直线度优于0.10mm，内表面光洁度优于1.0μm；4.★标准加载杆：1.超高强度不锈钢杆（18Ni;C350）：屈服极限：≥2200MPa, 直径14mm,长度包括（mm）：1200、1200、400、300、200；注2根2.高强度7075铝合金杆：屈服极限：≥455MPa(7075)，直径30mm,长度包括（mm）：2000、2000、400、300、200；注2根3.45#调质钢杆：屈服极限：≥ 355MPa，直径40mm,长度包括（mm）：2000、2000、400、300、200；注2根。

以上所有加载杆不圆柱度优于0.1mm、不直线度优于0.10.mm，表面光洁度优于1.0μm；端面垂直度0.04mm.5.平台支架2个：工业造型防锈处理，采用不锈钢或铝合金组成。

使用温度：77K-1000℃范围6. 设备整体长宽比大小不超过1000×6000mm四、性能要求1.操控模块为独有结构，在发射体上安装，具有进气阀、储气室微调阀、减压阀、压力表、炮管底部排气阀、自动快速放（气）炮开关。

可以自动操作子弹就位，子弹发射，采集冲击信号，导出冲击方波，得出应变率和应力等测试结果。

doi: 10.11857/j.issn.1674-5124.2018.08.025基于霍普金森压杆的波形整形技术研究高嘉诚， 范锦彪， 王 燕(中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051)摘　要: 为保证火工品实验的试件能达到高g 值的加速度，该文改进传统霍普金森压杆中的波形整形技术，采用圆台形薄片和圆柱形薄片作为波形整形器，应用ANSYS/LS-DYNA 进行数值分析，得到试件的速度-时间曲线、加速度-时间曲线、压杆末端应力-时间曲线。

数值模拟仿真和实验结果分析一致，实验结果表明：圆台形整形器的上表面直径和圆柱形整形器的直径相同，子弹以相同速度撞击压杆，在圆台形整形器的作用下试件的加速度和速度都大于圆柱形整形器作用下的试件的加速度和速度；子弹以相同速度撞击压杆，下表面直径相同上表面直径越大的圆台形整形器，试件的加速度和速度越大。

关键词: Hopkinson 杆; ANSYS/LS-DYNA 软件; 应力-时间曲线; 加速度-时间曲线; 速度-时间曲线中图分类号：TB302 文献标志码: A 文章编号: 1674–5124(2018)08–0136–04Research on waveform shaping based on Hopkinson barGAO Jiacheng, FAN Jinbiao, WANG Yan(Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement, Ministry of Education,North University of China, Taiyuan 030051, China)Abstract : In order to ensure that pyrotechnics test piece of pyrotechnics can achieve high g value accelerations,this paper has improved the waveform shaping technique of traditional Hopkinson pressure bars, using circular-table slices as wave shaper, and ANSYS/LS-DYNA for numerical analysis. The speed-time curve,acceleration-time curve, stress-time curve at the end of the rod were obtained. The experimental results show that, when the diameter of the upper surface of the circular-table wave shaper and the cylindrical shaper are the same and the bullet hits the pressure bar at the same speed, the acceleration and velocity of the test piece under the action of the circular-table wave shaper are always higher than those of the cylindrical shaper, and when the bullet hits the pressure bar at the same speed, the larger the upper surface diameter of the circular-table shaper (with the same lower surface diameter) is, the higher the acceleration and velocity of the test piece will be.Keywords : Hopkinson bar; ANSYS/LS-DYNA software; stress-time curve; acceleration-time curve; velocity-time curve0 引　言霍普金森压杆在航空、军事或其他民用领域中受到广泛应用，主要用于加速度传感器的标定和产生高g 值加速度[1]，李玉龙和R.D.Sill 等均采用霍普收稿日期: 2018-01-02；收到修改稿日期: 2018-02-05作者简介: 高嘉诚（1992-），男，黑龙江哈尔滨市人，硕士研究生，专业方向为动态测试与智能仪器。

100mm/75mm/50mm/20mm霍普金森压杆Hopkinson压杆一、Hopkinson压杆构成霍普金森多功能压杆设备主要由储气设备、发射系统、杆系与子弹、量测系统、中心支撑部件、基础导轨、缓冲装置和辅助设备等组成。

1 、发射系统：由储气室、发射体、汽缸、活塞、联接体、支承座、多种可更换炮管、反后座支架等组成。

压力最高可达 5.8MPa ，炮管内径可实现为Φ 7 5 ，Φ 20 等多种规格，长度为3m 。

2 、杆系与子弹：分两种材料：（1）弹簧钢，热处理，规格Φ 7 5 ，Φ 20 ，最大长度3m 。

（2）超硬铝LC4 规格Φ 7 5 ，Φ 20 ，最大长度3m 。

3 、中心支撑部件：由基座、三向移动锁定定位机构、高精度轴承、压盖、手动机构等构成。

主要特点在统一基准导轨下可使不同直径杆系沿轴向运动为滚动摩擦。

滑动轻快，自调整极其方便。

4 、基础导轨：由多根铸铁地轨、地脚调节装置等拼合组成的一条整体导轨。

使用专用技术，使导轨在安装好后，形成两个基准：一个是侧基准，一个是水平基准，可使发射装置、杆系、支撑部件等在同一基准下工作，大大提高调试工作效率。

整体基准直线度可控制在0.04/m 以内。

二、系统指标：1 、压力范围：0.2~5.8MPa2 、杆系直径：两种：Φ 7 5 ，Φ 20 。

3 、子弹速度：≤ 40m /s4 、杆件材料：弹簧钢、超硬铝LC4 ，均热处理。

5 、导轨长度：12.4m6 、适用杆件直径范围：Φ 20 ~ Φ 75三、动态压缩试验1测试系统传统的Hopkinson压杆测试系统包括有：加载系统、动态应变仪、数据记录与采集系统和数据分析计算系统，如图1所示。

图1 分离式Hopkinson压杆实验原理图1.1.2测试原理Hopkinson压杆装置的核心部分是两段分离的弹性波导杆，即输入杆和输出杆，试样夹在两杆之间。

加载脉冲由撞击杆撞击输入杆的端部产生。

撞击杆在压气枪中由高压气体的推动作用被加速到一定的撞击速度，以此速度撞击输入杆的端部，产生一个持续时间取决于撞击杆长度的入射弹性压力脉冲。

文献综述工程力学应力三轴度对混凝土力学性能影响的实验研究混凝土是土木工程中用途最广、用量最大的一种建筑材料。

我国正处在快速城市化的进程当中，研究各种因素对混凝土力学性能的影响有利于我们更好地使用混凝土，有着重要的意义。

实验研究的是应力三轴度对混凝土力学性能影响，应力三轴度属于一个比较新的课题，直接的文献较为难找，查阅的文献主要从3个方面入手：一、霍普金森杆技术（实验研究的主要设备），二、对混凝土损伤的力学性能的研究，三、本构方程。

1. 霍普金森杆技术由Koisky(1949)提出的分离式Hopkinson压杆(简称SHPB)可用于实测材料在高应变率下的动态应力应变曲线。

由于其结构简单、测量方法巧妙、加载波形易于控制、应变率范围宽、成本低而得到广泛应用，并成为测试材料动态力学性能实验系列中最基本的一种实验装置。

在本实验中，SHOB也是一个十分重要的设备。

胡时胜在文献[1]中简单地向我们介绍了霍普金森压杆技术：（1）SHPB实验技术是建立在两个基本假设上面的，一是一维假定（又称平面假定），即任意一个应力脉冲都是以一个与材料性质有关的常数的速度在压杆中传播的。

二是均匀假定。

（2）SHPB 实验技术具有以下几个优点：一、实验设备简单，操作方便，二、测量方法巧妙简单（通过测量压杆上的应变来反推试件材料的应力应变关系，从而避开了在实验装置上同时测量应力应变的难题）（3）SHPB实验涉及到的应变范围为1*e2-1*e4/秒，恰好包括了流动应力随应变率变化发生转折的应变率。

（4）加载波形容易控制（利用输入干可直接测得入射波和反射波，两者之差即为冲击载荷，改变子弹的冲击速度和形状可调剂波形）。

陈德兴等人在文献[2]中（1）介绍了国内最大尺寸的SHPB装置——由总参工程兵科研三所研制的(I)100SHPB装置。

（2）；讨论并在一定程度上解决了在大尺寸SHPB装置上测量混凝土类材料动态力学性能将会出现的三个问题：一、试件两端和压杆端面之间不完全贴合的情况，会造成试件受力不均且维持短，这对对岩石、陶瓷和混凝土等破坏应变很小的脆性材料，影响十分明显。

直接撞击式大变形霍普金森压杆实验技术陈浩;郭鑫;宋力【摘要】As a major method of mechanical property test under high strain rate, the time duration of the Hopkinson Bar test is limited by the length of the pressure bars, and the specimen can't achieve large deformation in a wide range of strain rate. In this paper, an experimental technique for large deformation loading with finite bar length is presented. The traditional method of direct impact test for ultra-high strain rate test has been applied to the dynamic performance testing of materials in relatively lower strain rate. Using this technique, the dynamic stress-strain curve of materials under the strain rate in the order of 102s-1can be obtained. Practical application shows that the method is simple and effective. The range of application of the technique, the geometrical parameters of the experimental device and the influence of the material parameters on the test results are also discussed.%作为高应变率材料力学性能测试的主要手段, 霍普金森压杆实验的测试时长受到压杆长度限制, 试件无法在较宽广的应变率下实现大变形. 由此提出了一种在有限杆长下实现大变形加载的实验技术, 该技术将传统上用于超高应变率实验的直接撞击方法应用于较低应变率下的材料动态性能测试, 可实现102s-1量级应变率下材料较大变形下的动态应力—应变曲线测试. 实际应用表明该方法简单有效. 并且文中也对该技术的适用范围、实验装置的几何参数及材料参数对测试结果的影响进行了分析讨论.【期刊名称】《宁波大学学报（理工版）》【年(卷),期】2018(031)004【总页数】4页(P70-73)【关键词】直接撞击;霍普金森压杆;大变形【作者】陈浩;郭鑫;宋力【作者单位】宁波大学机械工程与力学学院, 浙江宁波 315211;宁波大学机械工程与力学学院, 浙江宁波 315211;宁波大学机械工程与力学学院, 浙江宁波315211【正文语种】中文【中图分类】O347.4在动态加载条件下, 工程材料的力学特性通常采用应变率相关的本构方程来描述, 材料动态力学特性的差异则通过其本构参数来体现. 由于材料的相关本构参数无法用理论分析方式得到, 而必须通过材料动态加载实验来确定. 分离式霍普金森压杆(SHPB)或Kolsky杆是现今使用最为广泛, 并被认为可有效地应用于测试材料高应变率下力学特性的实验装置[1], 常用来测试各种工程材料在102~104 s-1应变率范围内的动态应力—应变曲线[2-3]. 与其他测试技术相比, 霍普金森压杆实验具有加载平稳可控、测试精度高、装置耐用可靠等优势. 然而经典的霍普金森压杆也存在某些不足, 其测试时长受到压杆系统的总长限制, 而且经典数据处理方法要求在测试上满足杆中左行、右行波的明确分离, 因此对于长度为L的撞击杆, 通常要求入射杆长度Li大于2L, 透射杆长度Lt等于或略小于入射杆, 而加载持续时间小于2L/C0(C0为杆中一维应力波速). 这样, 在装置总长度有限的情况下, 霍普金森压杆实际上只能在较高应变率下实现较大的实验应变, 而在102 s-1量级的应变率下不能或很难实现满足需要的试件变形.为使试件在测试中达到足够大的应变, 最直接方法是采用超长SHPB实验系统, 其优点是可以采用通常的霍普金森压杆实验方式、脉冲整形技术及数据处理方法. 不过超长实验系统的空间要求、系统加工难度及成本都远高于常见的SHPB装置, 因此其虽有应用, 但仍较为少见. “慢杆”技术则是另一种可实现大变形实验的方案, 由Zhao等[4]提出, 它由液压加载系统、压杆系统及相应的应力波反演数据处理软件组成, 但其结构较复杂, 也较少使用. 出于应用的需要, 我们提出一种基于传统霍普金森压杆系统的直接撞击式大变形实验技术, 可以在现有测试装置上很好地实现大变形冲击实验, 能够在102s-1量级应变率下测得材料的动态应力—应变曲线. 最早由Dharan等[5]提出直接撞击式霍普金森杆压杆技术, 后由Gorham等[6]予以改进, 该技术是出于对高应变率(104s-1量级)冲击压缩实验需要而提出的. 实际上, 该技术也可方便地用于102s-1量级应变率下的常规测试, 或103 s-1量级应变率下的大变形测试上.对于图1所示的实验方式, 在引入应力均匀性假设及适当简化的前提下, 试件的应变率、应变、应力可由下式计算:式中, MB及VB分别为撞击杆的质量及初速度; E0为压杆材料的弹性模量; C0为杆中一维应力波波速; 是仅由于试件作用所引起的透射杆中的右行应力波, 在测试时间较长时, 需要通过应力波反演来确定.在利用直撞式方案进行测试时, 可以采用应力波分离技术来实现长时实验[7]. 设透射杆长度为L0, 其上记应变片距接触试件一端的距离为a, 应变片测得信号为, 压杆横截面面积为A0.记,对于图1的测试系统可写为:其中:最后可得:采用上述直撞击杆分别对一种铜合金材料及一种有色金属多孔材料进行了测试, 试件统一尺寸为1cm×1cm×1cm, 实验中使用Φ37钢质压杆, 透射杆杆长2m, 撞击杆杆长0.8m.图2~图3即为2种材料的测试结果. 从图中可见, 对于测试的实体铜合金试件, 最大工程应变可以达到0.6左右, 而多孔金属材料实验最大工程应变可达0.9, 并且同时实验中应变率下降程度在可接受范围, 而上述结果在传统霍普金森压杆系统上(超长压杆系统除外)是难以实现的.此外, 从图2和图3还可以看到, 直撞式压杆的实验应变率总随着时间的增加呈下降趋势. 实际上对于特定装置, 其在实验过程中的应变率总是有所变化的, 这种变化与试件、压杆系统有关. 而有效的霍普金杆压杆实验需要实验中试件的应变率具有某种程度的恒定性, 为此引入应变率下降率, 其中, 为实验的初始工程应变率, 为实验中止时的应变率. 对于直接撞击霍普金森压杆系统, 可以采用限定的方式来提出应变率恒定性要求.从满足工程需要角度出发, 可从平均意义上来讨论实验中应变率的下降问题, 此时可将撞击杆与透射杆近似视为刚体. 记被测材料的平均屈服应力为Ys, 横截面面积为As, 试件高度为H, 撞击杆质量为, 透射杆质量为, 设试件左右端面的运动速度分别为和, 参考图1可写出:上式中实验初始工程应变率为, 实验中止时的应变率为.近似取测试过程中试件平均应变率为:此时需注意到实验中止时()试件最大应变, 利用式(8)对特定可给出条件:式(9)可作为实验设计的依据, 即在给定实验应变率下降及最大实验应变要求的情况下, 公式应得到满足. 图4则是基于式(9)的软件小工具对图2中实验相关设计参数进行验证的结果.实际应用中, 在提出实验要求后, 可以用式(9)来进行相关参数的选择及其评价. 例如, 对某种平均屈服应力为200MPa的材料, 采用Φ74mm, 长3m的撞击杆与透射杆, 在试件截面为8mm×8 mm×12mm, 实验应变率降幅为0.2, 且待测最大应变为0.1的条件下, 其实验平均应变率下限约在102s-1左右.本文提出了采用直接撞击来实现材料大变形冲击压缩动态应力—应变曲线测试的实验方法, 结果显示能有效地实现冲击大变形实验, 效果良好, 简单易行; 且给出了直撞式压杆实验的设计条件准则, 便于工程应用.直撞式实验时, 试件中应力均匀性是需要考虑的问题. 从理论分析来看, 直接撞击实验时, 试件中的应力均匀性相对较差, 但对于实体材料测试而言, 由于其在较低应变率下变形时间较长, 因此在大多数情况下可满足均匀性要求[8]. 而当直撞式压杆用于软体材料或泡沫材料测试时, 更容易实现大变形及较低的实验应变率, 但由于此类材料中的应力波波速通常很低, 此时均匀性问题就需要有针对性地予以考虑.文中所提方案中可以采用更长的撞击杆. 从实现大变形的角度, 当撞击杆与透射杆等径, 撞击杆与透射杆等长时为最佳设计. 但在使用长撞击杆时, 应力波在其中的传播应予以考虑, 采用与透射杆中类似的反演方法, 技术上并无困难.直撞式霍普金森杆的一个不足之处是其所测应力—应变曲线的初始段较标准霍普金森杆实验所测曲线初始段更为倾斜, 主要原因是由于其试件与压杆间的接触相对不够理想所致. 尽管一般认为霍普金森杆实验所测得的弹性段是无效的, 但仍可考虑引入某种修正来予以解决.【相关文献】[1] Gray III G T. Classic Split-Hopkinson Pressure Bar Testing[M]//Kuhn H, Medlin D. SAM Handbook, Mechanical Testing and Evaluation, Vol. 8, Materials Park, OH: ASM International, 2000:462-476.[2] Chen W W, Song B. Split Hopkinson (Kolsky) Bar: Design Testing and Applications[M]. New York: Springer Press, 2015.[3] 韩李斌, 杨黎明. 泡沫混凝土动态力学性能及破坏形式[J]. 宁波大学学报(理工版), 2017,30(1):68-72.[4] Zhao H, Gary G. A new method for the separation of waves: Application to the SHPB technique for an unlimited duration of measurement[J]. Journal of the Mechanics & Physics of Solids, 1997, 45(7):1185-1202.[5] Dharan C K H, Hauser F E. Determination of stress-strain characteristics at very high strain rates[J]. Experimental Mechanics, 1970, 10(9):370-376.[6] Gorham D A, Pope P H, Field J E. An improved method for compressive stress-strain measurements at very high strain rates[J]. Proceedings: Mathematical and Physical Sciences, 1992, 438(1902):153-170.[7] Park S W, Zhou M. Separation of elastic waves in split Hopkinson bars using one-point strain measurements[J]. Experimental Mechanics, 1999, 39(4):287-294.[8] 宋力, 胡时胜. SHPB测试中的均匀性问题及恒应变率[J]. 爆炸与冲击, 2005, 25(3):207-216.。

100mm/75mm/50mm/20mm霍普金森压杆Hopkinson压杆之青柳念文创作一、Hopkinson压杆构成霍普金森多功能压杆设备主要由储气设备、发射系统、杆系与子弹、量测系统、中心支撑部件、基础导轨、缓冲装置和辅助设备等组成.1 、发射系统：由储气室、发射体、汽缸、活塞、联接体、支承座、多种可更换炮管、反后座支架等组成.压力最高可达 5.8MPa ，炮管内径可实现为Φ 7 5 ，Φ 20 等多种规格，长度为3m .2 、杆系与子弹：分两种资料：（1）弹簧钢，热处理，规格Φ 75 ，Φ 20 ，最大长度 3m .（2）超硬铝 LC4 规格Φ 7 5 ，Φ 20 ，最大长度 3m .3 、中心支撑部件：由基座、三向移动锁定定位机构、高精度轴承、压盖、手动机构等构成.主要特点在统一基准导轨下可以使分歧直径杆系沿轴向运动为滚动磨擦.滑动轻快，自调整极其方便.4 、基础导轨：由多根铸铁地轨、地脚调节装置等拼合组成的一条整体导轨.使用专用技术，使导轨在装置好后，形成两个基准：一个是侧基准，一个是水平基准，可以使发射装置、杆系、支撑部件等在同一基准下工作，大大提高调试工作效率.整体基准直线度可节制在 0.04/m 以内.二、系统指标： 1 、压力范围： 0.2~5.8MPa2 、杆系直径：两种：Φ 7 5 ，Φ 20 .3 、子弹速度：≤ 40m /s4 、杆件资料：弹簧钢、超硬铝 LC4 ，均热处理.5 、导轨长度：12.4m6 、适用杆件直径范围：Φ 20 ~ Φ 75三、动态压缩试验1测试系统传统的Hopkinson压杆测试系统包含有：加载系统、动态应变仪、数据记录与收集系统和数据分析计算系统，如图1所示.图1 分离式Hopkinson压杆实验原理图Hopkinson压杆装置的核心部分是两段分离的弹性波导杆，即输入杆和输出杆，试样夹在两杆之间.加载脉冲由撞击杆撞击输入杆的端部发生.撞击杆在压气枪中由高压气体的推动作用被加速到一定的撞击速度，以此速度撞击输入杆的端部，发生一个持续时间取决于撞击杆长度的入射弹性压力脉冲.当初始的压力脉冲经撞击杆的自由端反射成为一个拉力脉冲并回到撞击面时，撞击杆就完成了对输入杆的卸载，因而在输入杆中将发生波长为撞击杆长度两倍的入射应力波.当输入杆中的入射应力波到达试样时，一部分由于杆和试样横截面积不等和波阻抗不匹配而反射回输入杆形成反射应力波，另外一部分则穿过试样到达输出杆形成透射应力波，透射应力波再由吸收杆捕获，最后由能量捕收器吸收.装置见图如图1所示.1.2 动态拉伸试验图2 改进的Hopkinson杆测试系统传统的Hopkinson杆实验设备主要用于测试资料的动态压缩力学性能参数，改进后的Hopkinson杆则可以实现动态拉伸试验，图2给出的是加载板状拉伸试样的加载装置示意图.测试系统包含：加载系统、动态应变仪、数据记录与收集系统和数据分析计算系统等.测试记录的入射、反射、透射脉冲分别用、、暗示，根据试样与拉杆的界面条件，按一维弹性波传播实际可计算得到试样中的应力、应变以及相应的应变率大小，其计算公式与动态压缩试验中的公式一样.备注：此系统为定制产品，主要规格有100mm，75mm, 50mm, 20mm等，欢迎广大客户来电咨询.。