讲座中科大SHPB实验技术短训班(6)SHPB实验技术概要

机械工程学院研究生研究型课程考试答卷课程名称：材料动态特性实验（SHPB实验）考试形式：□专题研究报告□论文√大作业□综合考试评阅人：时间：年月日材料动态特性实验实验目的：1、了解霍普金森杆的实验原理和实验步骤；2、会用霍普金森杆测试材料动态力学性能。

1.SHPB 组成：Kolsky 在Hopkinson 压杆技术的基础上提出采用分离式 Hop-kinson 压杆 SHPB )技术来测定材料在一定应变率范围的动态应力 ── 应变行为 ,该实验的理论基础是一维应力波理论, 它通过测定压杆上的应变来推导试样材料的应力 ── 应变关系, 是研究材料动态力学性能最基本的实验方法之一。

为了测出A3钢（又称Q235钢）的屈服极限、弹性模量以及其他性能参数。

用SHPB 实验就行数据测量。

SHPB 的实现装置如下图：分离式Hopkinson 压杆装置示意图它由压缩气枪、撞击杆、测时仪、输入杆（入射杆）、超动态应变仪、试件、透射杆、吸收杆、阻尼器和数据处理系统组成。

2.实验原理：SHPB 技术建立在两个基本假定的前提上：（1）杆中应力波是一维波；（2）试件应力/应变沿其长度均匀分布。

根据垂直入射应力波在界面出的反射、透射原理和上述假定由：应力相等：)()()(t t t T R I σσσ=+ (1)应变相等：)()()(t t t T R I εεε=+ (2)式中()I t σ和()R t σ分别为入射杆的入射应力和反射应力，()T t σ为透射杆的透射应力，()I t ε和()R t ε为入射杆的入射应变和反射应变，()Tt ε为透射杆的透射应变。

图1 输入杆-试件-输出杆相对位置如图2所示，在满足一维应力波假定的条件下，一旦测得试件与输入杆的界面X 1处的应力，可理论推导得： []112()(,)(,)(,)2S I R T SA t X t X t X t A σσσσ=++ （3） SR I T S S L t X v t X v t X v L t X v t X v t ),(),(),(),(),()(11212--=-=ε （4） []⎰⎰--==t R I T S t S S dt t X v t X v t X v L dt t 01120),(),(),(1)(εε （5）式中：A 为压杆的横截面积，s A 为试件的横截面积，S L 为试件的长度。

第二讲 杆运动的控制方程一、物质坐标和空间坐标以质点为坐标的参考系称为物质坐标，也称Lagrange 坐标。

以位置为坐标的参考系称为空间坐标，也称Euler 坐标。

描述力学问题的两种处理方法：○1 L 氏法：研究的是物质团（流体力学中的橡皮袋；球场中的人盯人）。

○2 E 氏法：研究的是空间场（流体力学中的鼠笼；球场中的打位置）。

固体力学中常采用L 氏法，因为固体材料变形小，又，测点都固定在质点上。

流体力学中常采用E 氏法，因为流体介质易流动，又，测点都安置在空间场。

在爆炸力学中，则两种方法都采用。

在连续介质力学中，空间位置x⇔材料质点X即 x=x(X,t) 或者 X=X(x,t)物理量F 既可以用空间坐标描述 F=F(x,t)也可以用物质坐标描述 F=F(X,t)。

在我们的讨论中，均采用物质坐标来描述二、控制方程等截面 均质 细长杆 1、基本假定：○1、一维假定: v ,σ,ε仅仅是X ，t 函数。

○2、应变率无关假定: σ=σ(ε) 2、基本方程： ○1、连续方程：XZ YtX v X t u t X u ∂∂=∂∂⇒∂∂∂=∂∂∂ε22 ○2、运动方程：()()t X P t dX X P tvdXA ,,00−+=∂∂ρ Xt v ∂∂=∂∂⇒σρ0 ○3、本构方程： )(εσσ= (弹性杆: εσE =) 3、控制方程⎪⎩⎪⎨⎧===εσσρεE v v X t tX 0 形式三种控制方程的 ○1ε~v ： ⎪⎩⎪⎨⎧===X X t t X C E v v εερε200 中 020ρE C = （以下同） ○2σ~v ： ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==X t t X v C v σρσρ020011 ○3 u : XX tt u C u 20= 典型的波动方程以上三种形式完全等价()t dX X P ,+(X P ,XX+dX三、特征线和特征线上的相容关系求解波动方程的一种好方法：特征线法。

SHPB原理范文SHPB（Split Hopkinson Pressure Bar）是一种应用广泛的高速冲击试验技术，用于研究材料在高速冲击载荷作用下的力学行为。

SHPB原理基于冲击波的传播和反射，通过试验装置中的冲击杆和样品，将冲击力传导到试件中，并测量其动态响应。

SHPB试验装置由多个组件组成，包括冲击杆、样品和检测设备。

冲击杆通常由两根长杆和一个短杆组成，它们被放置在一个冲击器中。

样品则被夹持在两根长杆之间，以使冲击力传递到样品上。

检测设备包括应变计和压力传感器，用于测量样品表面的应变和冲击力。

在SHPB试验中，首先通过冲击器对短杆施加冲击力，产生冲击波。

冲击波通过长杆向样品传播，当它到达样品的一端时，一部分冲击波会反射回来，另一部分则会继续传播到另一根长杆上。

这种传播和反射的过程将冲击力传递到样品中，并引起样品的动态响应。

通过在样品上放置应变计，可以测量样品表面的应变响应。

通过压力传感器，可以同时测量冲击杆中的冲击力。

结合所施加的冲击力和样品的应变响应，可以计算出主要的应力-应变行为，从而研究材料在高速冲击载荷下的力学特性。

SHPB原理的关键在于冲击波的传导和反射。

传导过程中的波速计算依赖于速度匹配条件，即波速在相邻材料中保持一致。

反射相对复杂，取决于材料的应力-应变关系和波速的差异。

通过测量反射波的幅值和相位，可以计算样品的冲击特性，如应力、应变和变形等。

SHPB技术的应用十分广泛。

它可以用于研究各种材料，如金属、陶瓷、复合材料和生物材料等的高速冲击响应。

通过改变冲击能量、冲击载荷速度和样品尺寸等参数，可以模拟不同冲击条件，并研究材料的损伤与断裂行为。

例如，SHPB技术可以用于评估材料的冲击韧性、应力波传播特性、动态断裂行为和高速变形机制等。

总的来说，SHPB原理是利用冲击波的传导和反射，通过冲击杆和样品传递冲击力，并测量样品的动态响应。

它是一种重要的高速冲击试验技术，已广泛用于研究材料在高速冲击载荷下的力学行为。

SHPB实验及其在钛合金材料中的研究摘要:钛合金材料在航空航天等工程领域中得到了广泛应用，对其动态冲击力学性能的研究需借助分离式霍普金森压杆(SHPB) 实验完成。

研究了影响SHPB 实验结果的因素。

通过对钛合金材料冲击动态力学性能进行研究发现:钛合金材料的流动应力和屈服强度往往会随着应变率的升高而升高，随温度的升高而降低。

关键词: 钛合金；SHPB；动态力学性能0 引言分离式霍普金森压杆(SHPB)装置是研究金属材料在102～104s-1应变率范围内动态力学特性的主要实验手段。

通过测试两个杆中的应力脉冲信号，可以得到杆件与试件端面的应力、位移和时间关系，进而求解试样的应力－应变关系。

利用长弹性杆中应力波的传播来测量动态过程的压力脉冲，研究了应力波在长杆中的传播特征。

钛合金材料因密度低、强度高和抗腐蚀性等优点，在航空航天、船舶及化学工业中被广泛应用。

钛合金可用于制造飞机的任何部分：机身、引擎机舱、飞机起落架、机翼和尾翼等，它已成为现代飞机不可缺少的结构材料。

众所周知，安全性能一直是航空飞行器的首要任务。

大鸟撞击导致飞机损坏严重威胁着航空安全，据民航局数据统计，全世界每年大约发生1万次鸟撞飞机事件，而在撞机过程中，钛合金作为结构材料经常会承受高速冲击载荷：这就对钛的强度、使用寿命和可靠性提出了更高的要求，需要其在规定的冲击载荷下保证结构的完整性和连续性，具有良好的动态承载能力。

由于实际工作环境的复杂性，钛合金必然会承受动态冲击载荷，动态冲击载荷所引起的高应变率和高温等因素使得材料的力学性能较静态载荷时有显著的不同，因此对钛合金材料的动态力学性能的研究受到越来越多的关注。

本文通过对 SHPB 实验装置及其原理的研究，分析影响SHPB实验结果的因素，并在该实验系统上对钛合金材料动态力学性能研究中的应用进行研究，以便为进一步提升SHPB实验装置的测试精度和工程应用提供重要参考。

1.SHPB实验装置组成及其影响实验结果因素分析1.1 SHPB 实验装置组成及原理SHPB实验装置是基于一维假定和应力均匀假定基本假设而成立的:（1）在导杆的横向尺寸与应力波的波长相比很小时，应力波在细长杆中传播，弹性杆的每个截面始终保持为平面状态，任意一个应力波在杆中的传播速度为定值，仅与材料有关; （2）应力波在试件中反复2～3个来回，试件中的应力处处相等。

脆性材料shpb实验技术的研究
脆性材料SHPB实验技术的研究
脆性材料是指在一定载荷范围内，物理性能变化较大的材料，是衡量材料力学特性的重要参数。

SHPB实验技术是一种新型实验技术，用于研究脆性材料的力学特性，它可以模拟脆性材料在短时间内的变形和断裂行为。

SHPB实验技术的原理是将材料的内部应力分布在一定的载荷范围内，以衡量材料在一定载荷下的弹性和破坏性能。

在实验中，材料被放置在一个均匀的横截面板上，然后将这个材料放在一个专用的高速冲击装置中，前后运动使材料受到一个时间和位移梯度的脉冲载荷。

SHPB实验技术的研究可以帮助我们更好的了解脆性材料的力学特性，从而有助于精确的设计和消能材料的应用。

它有助于我们了解材料在拉伸、压缩、翻转和切削等强度条件下的行为特性，从而使我们更好地利用这些材料。

此外，SHPB实验技术还可以用于研究脆性材料中复杂破坏过程中的拉伸、压缩、断裂和持久化等行为，从而更好地利用脆性材料在不同场合中的应用，比如汽车制造业，航空航天等。

总之，SHPB实验技术是一种新型实验技术，可以有效模拟脆性材料力学性能，为我们设计和应用脆性材料提供有价值的理论参考。

第22卷 第11期岩石力学与工程学报 22(11)：1798～18022003年11月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Nov .，20032003年3月31日收到初稿，2003年6月27日收到修改稿。

作者 王鲁明 简介：男，41岁，1983年毕业于南京工学院(现东南大学)力学专业，现为中国矿业大学博士研究生、工程兵指挥学院副教授、总参合肥创新工作站首批进站专家，主要从事岩体力学实验和数值模拟方面的研究，同时从事工程力学的教学工作。

E-mail ：CJ_WLM62@ 。

脆性材料SHPB 实验技术的研究王鲁明1，2，3赵 坚1，4华安增1 赵晓豹4(1中国矿业大学建筑工程学院 徐州 221008) (2工程兵指挥学院基础部力学教研室 徐州 221004) (3总参合肥创新工作站 合肥 230037) (4南洋理工大学土木及环境工程学院 639798 新加坡)摘要 用SHPB 装置研究脆性材料(硬岩、混凝土、高强度砂浆、陶瓷等)及脆性材料组构的非均一材料高应变率下的动力特性。

在实验技术方面取得进展，简要研讨了万向头、波形整形器、异形炮弹、软性介质、节理试样与结构性试样等问题。

关键词 材料科学，冲击动力学，SHPB ，实验技术，脆性材料，进展分类号 TU 502，O 347.1 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2003)11-1798-05RESEARCH ON SHPB TESTING TECHNIQUE FORBRITTLE MATERIALWang Luming 1，2，3， Zhao Jian 1，4，Hua Anzeng 1，Zhao Xiaobao 4(1Architecture Engineering College ，China University of Mining and Technology ， Xuzhou 221008 China )(2Engineer Command Academy ， Xuzhou 221004 China )(3Hefei Science and Technology Innovation Station of General Staff Headquarters ， Hefei 230037 China ) (4School of Civil and Structural Engineering ，Nanyang Technological University 639798 Singapore )Abstract The dynamic characteristics in higher strain rate of brittle materials ，such as hard rock ，concrete ， mortar and ceramics with high strength ，and the non-homogeneous structural materials consisting of brittle material are researched using SHPB device. The progress is brought about in SHPB testing technique. The problems are discussed briefly of gimbals ，pulse shaper ，non-uniform linear projectile ，soft medium on the impacted end of the input bar ，artificial joint sample and structural material sample.Key words material science ，impact dynamics ，SHPB ，testing technique ，brittle material ，progress1 引 言分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar ——SHPB)，是研究材料在101～104/s 应变率下动态力学性能的主要装置。

动态测量系统介绍一．现代测量技术的特点：现代测量技术的一个明显特点是采用电测法，即非电量电测。

采用电测法，首先要将输入物理量转换成电量，然后再进行必要的调理、转换、运算，最后以适当的形式输出。

这一转换过程决定了测量系统的组成。

另一个特点是采用计算机作为测量系统的核心器件，具有数据处理、信号分析及显示等功能。

二．测量系统组成测试工作的基本任务是通过测试手段，对研究对象中有关信息量作出比较客观、准确的描述，以得到一个恰当的全面的认识，并能达到进一步改造和控制研究对象的目的。

一个完整的测量系统包括以下几个部分：传感器、信号变换与测量电路、显示记录仪、数据处理器等外围设备。

此外还有系统的相关标定仪备、电源等附属部分。

传感器是整个测量系统中采集信息的首先环节，其作用是将被测物理量转换成便于放大、记录的电信号。

中间变换与测量电路又可称为二次仪表。

根据测量任务的不同有很大的伸缩性。

如果是远距离测量，则数据传输系统是必不可少的，。

显示与记录仪的作用是把中间变换与测量电路送来的电压或电流信号不失真地显示和记录下来。

三．测量系统的基本要求1. 测试系统的静态性能：灵敏度、量程及测量范围、线性度、迟滞性、重复性性、准确性、分辩率、漂移等。

2. 测试系统的动态特性测量系统对动态信号的测量任务：不仅需要精确地测量信号幅值的大小，而且需要无失真的再现和记录动态信号变化过程的波形。

测试系统的动态特性是指对激励（输入）的响应（输出）特性。

一个动态特性好的测量系统，其输出随时间变化的规律（变化曲线），将能再现输入随时间变化的规律，即具有相同的时间函数。

这就是动态测量中对测试系统提出的新要求。

3. 测试系统动态特性的分析方法及指标。

研究动态特性可从时域和频域两方面，采用瞬态响应法和频率响应法分析。

a. 频率响应法：测试过程中的任意信号可以变化为由不同频率的正弦信号叠加而成，对于组成测试系统的各个环节，不同频率信号的激励有各自的响应，理论上应该知道所有信号频率各自的响应，才能准确进行动态测试。

SHPB试验技术需要注意的几个问题
孙宝玉;庄惠平
【期刊名称】《高校实验室工作研究》
【年(卷),期】2009(000)002
【摘要】霍普金森压杆（SHPB）实验技术作为材料动态力学性能测试的有效手段，广泛地应用于材料的动态力学性能研究。

本文系统地综述了SHPB实验技术当前
存在的主要问题，并在此基础上提出解决问题的基本思路与方法。

具体包括实验技术的基本原理、实验装置及数据处理方法的改进。

【总页数】4页(P39-42)
【作者】孙宝玉;庄惠平
【作者单位】徐州空军学院机场工程系,江苏徐州211000
【正文语种】中文
【中图分类】TB852.1
【相关文献】
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SHPB 装置由动力系统、撞击杆（子弹）、输入杆、输出杆、吸收杆和测量记录系统组成，被测试样夹在输入杆和输出杆之间，如图2.1.1所示：`图2.1.1 SHPB 实验系统简图Fig 2.1.1 SHPB experimental system中国矿业大学（北京）Φ50mmSHPB 实验系统，子弹长度采用400mm 、600mm 、800mm 、1000mm 四种。

如图2.2.1所示的实验装置系统。

SHPB 实验原理：实验中撞击杆以一定的速度沿轴向冲击输入杆（如图2.1.5），在输入杆中产生一压缩应力波。

输入杆和输出杆发生弹性变形，由于压杆的应力波是一维传播。

当应力波到达试件与输入杆的1-1界面时，试件的波阻抗小于压杆的波阻抗，将反射一个卸载波到输入杆中，并透射一个压缩波进入试件中。

冲击波在试件中传播一个试件长度后，在试件与输出杆的2-2界面反射与透射，分别进入试件与输出杆。

随后反射回试件的应力波将会继续在1-1界面与2-2界面之间反射与透射。

当应力波在1-1界面与2-2界面之间反射3个来回后，一般地，试件将达到应力平衡。

当试件的长度与应力波的矩形脉冲长度相比足够小时，从宏观上看，可当作应力波反射一个卸载波返回输入杆中，经过试件透射一个加载波进入输出。

利用粘贴在弹性杆上的应变片记录下应变脉冲，从而能计算出材料的动态应力－应变关系。

图2.1.5 SHPB 实验原理Fig2.1.5 Theory of SHPB experiment若输入杆与输出杆的横截面面积为A 0，弹性波波速为C 0，弹性模量为E 0，被测试件的横截面积、试件的长度分别为A 、L 。

1-1界面、2-2界面和试件的应力分别为1()t σ、2()t σ、()t σ，输入杆的入射波应变为i ε、反射波应变为r ε，输出杆的透射波应变为t ε。

试件左右端面的质点速度分别为1u 与2u，试件中的平均应变为ε，试件中的应变率为ε。

根据应力波传播理论和一维应力假设，并依位移的连续性要求，1-1和2-2界面的运动速度1()u t 、2()u t 的具体表达式如下:[]10()()()i r u t C t t εε=- 2.1.1 20()()t u t C t ε= 2.1.2 单位时间内试件所产生的应变(应变率)为[]012()()()()()()i r t C u t u t t t t t L Lεεεε•-==-- 2.1.3 试件在时间t 内的应变为： []00()()()()t i r t C t t t t dt L εεεε=--⎰ 2.1.4根据作用力和反作用力相等的原理，在1-1界面和2-2界面处的应力为1()t σ、2()t σ，并应该满足下式：[]100()()()i r A t A E t t σεε=+ 2.1.5 200()t A t A E σε= 2.1.6 故被测试件中的平均应力()t σ为：[][]1200()()()()()()22i r t t t A E t t t t A σσσεεε+==++ 2.1.7由测得的入射波i ()t ε，反射波r ()t ε和透射波t ()t ε三个波形，根据三式2.1.7、2.1.4和2.1.3，就可以确定试验过程中试件的平均应力()t σ，应变()t ε和应变率()t ε，即通常所说的“三波法”，也就是“三波公式”。