霍普金森压杆测试系统

霍普金森杆实验技术简介1．材料动态力学性能实验简史在各类工程技术、军事技术和科学研究等广泛领域的一系列实际问题中，甚至就在日常生活中，人们都会遇到各种各样的爆炸/冲击载荷问题，并且可以观察到，物体在爆炸/冲击载荷下的力学响应往往与静载荷下的有显着不同。

了解材料在冲击加载条件下的力学响应必将大大有助于这些材料的工程应用和工程设计。

此外，数值模拟已在工程设计中发挥着重要作用，而进行数值模拟的ns）量，即比应变率的提高，材料的屈服极限提高，强度极限提高，延伸率降低，以及屈服滞后和断裂滞后等现象变得明显起来等等。

因此，除了上述的介质质点的惯性作用外，物体在爆炸/冲击载荷下力学响应之所以不同于静载荷下的另一个重要原因，是材料本身在高应变率下的动态力学性能与静态力学性能的不同，即由于材料本构关系对应变率的相关性。

从热力学的角度来说，静态下的应力-应变过程接近于等温过程，相应的应力应变曲线可近似视为等温曲线；而高应变率下的动态应力-应变过程则接近于绝热过程，因而是一个伴有温度变化的热-力学耦合过程，相应的应力应变曲线可近似视为绝热曲线。

这样，如果将一个结构物在爆炸/冲击载荷下的动态响应与静态响应相区别的话，则实际上既包含了介质质点的惯性效应，也包含着材料本构关系的应变率效应。

然而从19世纪开始人们才逐步认识到了材料在动载下的力学性能与其在静载下的力学性能不同。

ThomasYoung是分析弹性冲击效应的先驱，他(1807)提出了弹性波的概念，指出杆受轴向冲击力以及梁受横向冲击力时可从能量进行分析而得出定量的结果。

J.Hopkinson1872完成了第一个动态演示实验（如图1所示），铁丝受冲击而被拉断的位置不是冲击端A，而是固定端B；并且冲击拉断的控制因素是落重的高度，即取决于撞击速度，而与落重质量的大小基本无关。

Pochhammer,1876;Chree,1886Rayleigh,Lord1887分别研究了一维杆中的横向惯性运动。

ANSYS/LS—DYNA数值模拟霍普金森压杆试验1 功能概述大多数材料在强度等力学性质方面都表现出某种程度的加载率或应变率敏感性,高幅值短持续时间脉冲和荷载所引起材料力学性质的应变率效应，对于抗动载的结构设计和分析是非常重要的。

这些动载来至常规武器侵彻与爆炸、偶然爆炸和高速撞击等许多军事和民用事件,对于这些事件的理论分析和数值模拟必须知道材料的高应变率强度、断裂特性和应力—应变关系等本构性质.要研究材料在脉冲动载作用下的力学性质的实验设备和实验必须模拟类似现场的应变率条件，分离式霍普金森杆被公认为是最常用最有效的研究脉冲动载作用下材料力学性质的实验设备.数值模拟是一种依靠电子计算机对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题进行研究的技术。

它利用材料的本构函数，结合有限元或有限容积的概念，采用数值计算和图像显示的方法,因此具有如下优势:（1）检验理论结果是否正确；（2）弥补实验与观测得不足;（3）利用模拟结果，了解非线性过程中的因果关系与主要物理机制；（4）预测在不同初始条件与边界条件下非线性过程的发展情形;（5）数值模拟成本低,可以带来巨大社会经济效益。

由于很多材料的本构性质已经知道，因此在设计产品时，可以利用材料的本构性质通过仿真来模拟复杂的系统。

ANSYS/LS—DYNA数值模拟霍普金森压杆试验，就是通过ANSYS/LS-DYNA软件来模拟霍普金森压杆实验，通过设置弹丸不同速度，对试件进行研究.霍普金森压杆实验分为自由式和分离式两种，本仿真采用分离式的办法.2 原理简介2。

1 霍普金森压杆实验简介霍普金森杆实验装置的基本原型最早是由Hopkinson提出的,它可用于测量冲击载荷的脉冲波形。

1949年Kolsky将压杆分成两段,试件置于输入杆和输出杆中间，通过加速的质量块、短杆撞击或炸药爆轰产生加速脉冲,利用这一装置可测量材料在冲击载荷作用下的应力—应变关系。

Kolsky的工作是一项革命性改进，现代的分离式霍普金森杆都是在其基础上发展而来，所以分离式霍普金森杆也称之为Kolsky杆。

霍普金森杆实验技术简介霍普金森杆实验技术简介1．材料动态力学性能实验简史在各类工程技术、军事技术和科学研究等广泛领域的一系列实际问题中，甚至就在日常生活中，人们都会遇到各种各样的爆炸/冲击载荷问题，并且可以观察到，物体在爆炸/冲击载荷下的力学响应往往与静载荷下的有显著不同。

了解材料在冲击加载条件下的力学响应必将大大有助于这些材料的工程应用和工程设计。

此外，数值模拟已在工程设计中发挥着重要作用，而进行数值模拟的前提是必须首先建立一个基于材料在各种应变率下（尤其是在动态应变率下）的精确应力－应变曲线基础上的本构模型。

所以，获得一套材料在高应变率下的应力—应变曲线则成为首要任务。

尽管人们已经研制了多种动态实验技术，但是，与准静态实验相比，进行有效并准确的高应变率下的动态实验依然是一个很大的挑战。

因此，为得到有效并准确的材料的应变率相关的应力—应变曲线，研制高效的、精确的高应变率实验装置是非常重要的。

首先，人们知道，固体力学的静力学理论所研究的是处于静力平衡状态下的固体介质，以忽略介质微元体的惯性作用为前提。

这只是在载荷强度随时间不发生显著变化的时候，才是允许和正确的。

而爆炸/冲击裁荷以载荷作用的短历时为其特征，在以毫秒（ms）、微秒（?s）甚至纳秒（ns）计的短暂时间尺度上发生了运动参量（位移、速度、加速度）的显著变化。

在这样的动载荷条件，介质的微元体处于随时间迅速变化着的动态过程中，这是一个动力学问题。

对此必须计及介质微元体的惯性，从而就导致了对应力波传播的研究。

一切固体材料都具有惯性和可变形性，当受到随时间变化着的外载荷的作用时，它的运动过程总是一个应力波传播、反射和相互作用的过程。

在忽略了介质惯性的可变形固体的静力学问题中，只是允许忽略或没有必要去研究这一在达到静力平衡前的应力波的传播和相互作用的过程，而着眼于研究达到应力平衡后的结果而已。

在忽略了介质可变形性的刚体力学问题中，则相当于应力波传播速度趋于无限大，因而不必再予以考虑。

霍普金森压杆(SHPB)试验报告一、SHPB试验目的及用途1、了解霍普金森压杆(SHPB)测试的试验原理，掌握试验的基本操作步骤；2、霍普金森压杆(SHPB)测试技术主要用来测试材料在高应变率下的力学性能。

此试验主要通过霍普金森压杆(SHPB)测试技术，来测试泡沫铝(37mm×21mm)的力学性能，获取应力-应变曲线。

二、SHPB试验装置及其示意图1—发射气枪2—撞击杆3—激光发射器4—激光接收器5—电阻应变片6—入射杆7—试件8—透射杆9—吸收杆10—缓冲装置11—超动态应变仪12—波形存贮器13—数据处理系统三、试验原理1、三种波形的获取过程通过发射气枪作用，赋予撞击杆一定的初速度，此初速度可以由激光发射器和接收器测出间隔时间，然后计算得出。

撞击杆以此速度撞击入射杆，输入入射波脉冲，随着入射波的传播，在试件表面产生反射和穿透。

入射、反射、透射脉冲均可以通过电阻应变片测出，进而通过超动态应变仪传递到波形存贮器进行保存三种波形，从而利用入射、反射和透射脉冲来推导出试件中的应力、应变和应变率。

2、应力应变曲线获取的原理利用这些脉冲信号来获得材料在高应变率下的应力-应变曲线原理如下：图SHPB系统加载示意图上图是SHPB系统加载过程的示意图，Iε、Rε、Tε分别表示的是应变片测量到的入射、反射和透射信号。

1、2分别是试件的两个端面，S A是试件的横截面积，L是试件的长度，A和E分别是压杆的横截面积和弹性模量。

根据一维应力波理论，试件的两个端面的位移1u和2u可分别表示为1010t u C dt ε=⎰ (1) 2020tu C dt ε=⎰ (2)式中，1ε、2ε分别是试件两个端面的应变，0C 是压杆的弹性波速。

由于入射波到达杆与试样接触端是立刻会有反射波产生，因此入射杆与试件接触面上的应变1ε既包括了向右传播的应变脉冲I ε，又包括向左传播的反射应变脉冲R ε，即：1I R εεε=+ (3)因此界面1上的位移1u 就可以表示为：100()t I R u C dt εε=-⎰ (4)而界面2处的位移2u 只与透射脉冲T ε有关，故有：200t T u C dt ε=⎰ （5）这里的应变均是压应变。

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。

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.。