霍普金森杆试验报告

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。

霍普金森杆原理
霍普金森杆原理，又称霍普金森效应，是指当一个粒子穿过一段不均匀的介质时，由于介质折射率的变化而导致粒子的轨迹发生偏折的现象。

这一原理在光学、粒子物理学等领域有着重要的应用，对于我们理解光的传播和粒子行为具有重要意义。

首先，我们来了解一下霍普金森杆原理的基本原理。

当一束光线或者一束粒子穿过一个介质时，介质的折射率不均匀会导致光线或粒子的轨迹发生偏折。

这是因为在介质中，光线或粒子的速度会发生变化，从而导致它们的传播方向发生改变。

这种偏折现象正是霍普金森杆原理的基本特征。

在实际应用中，霍普金森杆原理被广泛运用于光学仪器和粒子加速器等领域。

例如，在光学仪器中，我们可以利用霍普金森杆原理来设计透镜和棱镜，从而控制光线的传播方向和聚焦效果。

而在粒子加速器中，霍普金森杆原理则可以帮助我们设计出更高效的加速器结构，从而提高粒子加速的效率。

除此之外，霍普金森杆原理还在核物理和凝聚态物理等领域有着重要的应用。

在核物理中，我们可以利用霍普金森杆原理来研究核反应和粒子碰撞的过程，从而揭示物质的微观结构和性质。

而在凝聚态物理中，霍普金森杆原理则可以帮助我们理解材料的光学和电学性质，为新材料的设计和应用提供理论基础。

总的来说，霍普金森杆原理作为一种重要的物理现象，对于我们理解光的传播和粒子行为具有重要意义。

它不仅在光学和粒子物理学领域有着重要的应用，还对核物理和凝聚态物理等领域有着重要的意义。

因此，我们有必要深入研究霍普金森杆原理的基本原理和应用，从而更好地理解和利用这一重要的物理现象。

南京理工大学机械工程学院研究生研究型课程考试答卷课程名称：材料动态特性实验考试形式：□专题研究报告□论文√大作业□综合考试学生姓名：学号：评阅人：时间：年月日材料动态特性实验一．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。

二．实验原理：分离式Hopkinson 压杆的工作原理如图1.1所示装置中有两段分离的弹性杆,分别为输入杆和输出杆,短试样夹在两杆之间。

当压气枪发射一撞击杆(子弹),以一定速度撞击输入杆时,将产生一入射弹性应力脉冲,随着入射波传播通过试样,试样发生高速塑性变形,并相应地在输出杆中传播一透射弹性波,而在输入杆中则反射一反射弹性波。

透射波由吸收杆捕获,并最后由阻尼器吸收。

图1.1 现在的Kolsky 杆装置示意图根据压杆上电阻应变片所测得的入射波、反射波、透射波,以及一维应力波理论可得到如下的计算公式。

试样的平均应变率为:)00t r i l cεεεε--=（ （1-1）试样中的平均应变:dt l c t r i s ⎰--=)(00εεεε （1-2）试样中的平均应力:)(20t r i A AE εεεσ++= （1-3）式中t r i εεε，，分别表示测试记录的入射、反射和透射波,C 0是弹性纵波波速,C=5189m/s,L 0为试样的初始长度,E 为压杆的弹性模量,A/A 0为压杆与试样的截面比。

由应力均匀化条件可知:r i t εεε+= (1-4)将公式(l 一4)代入(1一l)!(l 一2)!(l 一3)式可得t s E A A εσ0= (1-5)⎰-=dt l c r s εε002 (1-6)一般采用公式(l 一5)、（1一6)来计算材料的动态应力一应变行为。

该试验技术作了如下几个假定:(1)一维假定弹性波(尤其是对短波而言)在细长杆中传播时,由于横向惯性效应,波会发生弥散,即波的传播速度和波长有关。

Pochhammer 最早研究过波在无限长杆内的色散效应,但当入射波的波长(可由子弹的长度来控制,即波长为子弹长度的2倍)比输入杆的直径大很多时,即满足必/兄<<1时,杆的横向振动效应,除波头外,可作为高阶小量忽略不计。

简述“霍普金斯”杆测量材料动态应力应变曲线的原理；选用一种大型软件对其进行计算模拟，并对模拟结果进行分析。

答：选用ABAQUS大型有限元软件一、“霍普金斯”压杆理论：Hopkinson压杆技术源于1914年B．Hopkinson测试压力脉冲的试验工作，后来R．M．Davies对它进行了改进。

1949年，H．Kolsky在这些基础上建立了进行材料单轴动态压缩性能试验的试验方法，测试了高应变率下金属材料的力学性能，这个方法称为分离式Hopkinson压杆(或Kolsky杆)技术。

其原理是将试样夹持于两个细长弹性杆(入射杆与透射杆)之间，由圆柱形子弹以一定的速度撞击入射弹性杆的另一端，产生压应力脉冲并沿着入射弹性杆向试样方向传播。

当应力波传到入射杆与试样的界面时，一部分反射回入射杆，另一部分对试样加载并传向透射杆，通过贴在入射杆与透射杆上的应变片可记录入射脉冲，反射脉冲及透射脉冲，由一维应力波理论可以确定试样上的应力、应变率、应变随时间的变化，以及应力、应变曲线。

5O多年来，此技术广泛用在高变形速率下材料力学性能的测试。

研究人员也对Hopkinson压杆试验方法进行了系统深入的研究，使该技术不断地改善和发展。

J．Harding 等在1960年将用于单轴压缩试验的Hopkinson压杆推广到了单轴拉伸试验，在此基础上，1983年又提出至今被广泛使用的Hopkinson拉杆试验方法。

W．E．Backer等、J．D．Campbell 等、J．Dully等又提出了Hopkinson扭杆技术，可对于试样施加高应变速率的纯扭转载荷。

为提高试验精度，前人在应力波的弥散效应、三维效应、应力波分离、试样中的瞬态平衡对试验结果的影响等方面做了大量工作。

分离式Hopkinson压杆实验的示意图如下：图8-1 分离式Hopkinson压杆示意图上图表示了压杆、试件和测试仪器等的位置安排。

压杆由高强度合金钢制成。

压杆与试件的接触面需要加工得很平并且保持平行。

图4
砂岩在不同冲击速度下的破坏形貌
对于岩石强度的率相关性， 可以从理论上讲解其 基本原理， 使学生的认识从感性上升到理性。 对于材 料的变形， 可以认为弹性变形是瞬时响应的 ， 但是对于 如位错运动， 应力引起的扩散， 损伤演化， 裂纹的扩展 和传播过程等各种类型的非弹性变形， 它们都是以有 限速度发展和进行的， 这就使同一材料在不同的应变 率下表现出不同的性质。所以可以认为塑性变形都是 ［7 ］ 率相关的 。 （ 3 ） 节理岩体的动力性质。实际工程中所遇到的 岩体都是存在各种各样的节理和裂隙， 前所述及的都 是对单个岩块进行实验。而要了解实际岩体的力学性 质， 还必须对岩体中的节理有进一步的认识。 目前对 节理的认识主要集中在其几何形态及分布上 ， 与其相 关的力学性质研究较少。 由于波能穿透岩体介质， 所 以地震波成为了解岩体性质的一个重要手段 ， 这样节 理岩体中应力波的传播规律的研究就有了重要的意 义。 节理的动力特性及其对应力波传播的影响 ， 是国 ［13 ］ 内外的一个热点研究课题。 王鲁明等 利用 SHPB 实验装置， 以人工材料节理试样模拟天然岩体节理 ， 研 究了冲击波在节理岩体中的传播规律 。 进行节理岩体的应力波传播规律研究不仅能让学 生对岩块与岩体两个不同的概念有进一步的认识 ， 而 且还能为以后相关的原位测试课程打好基础 。 （ 4 ） 应用数值模拟增强教学效果。在科学研究中 将理论分析、 实验研究和数值模拟这三种方法相互结
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SHPB 实验的特点与存在的问题
（ 1 ） 学生对应力波理论理解有难度。对于土木工 程专业学生， 学校未开设数学物理方程和应力波基础 等基础课。学生对应力波的理论不是很了解， 普遍认 为动力学较静力学有更高的难度， 使部分学生产生畏 难心里， 降低了学生的学习积极性。 （ 2 ） 实验偏重于演示和验证。目前的实验主要是 按照实验指导书对一些经典材料进行实验 ， 了解材料 的动力学性质。实验的主要目的是验证课本理论， 内 容比较死板和单调， 难以发挥学生的主观能动性。 实验的流程基本上是老师进行实验演示后学生按 照老师的演示过程重复操作。 在实验前， 实验员都已 将实验仪器调试完毕， 实验数据的处理也有现成的软 件。这样就使实验变成了机械的模仿和重复， 不能调 动学生的实验积极性， 达到训练学生创新性思维的作 用。上述原因在一定程度上造成了学生对实验课程的 轻视， 浪费了通过实验来加深认识的宝贵机会 。 （ 3 ） 实验现象不明显。 SHPB 实验入射杆， 透射 杆和吸收杆都是实心铁杆或者铝杆 ， 在撞击过程中， 会 发生压杆从试验台掉落的情况。而且脆性材料在实验 中会发生飞溅， 所以本实验不能近距离观察。 而实验 总耗时小于 10 s， 如果不是对实验理论和实验过程比 较了解， 实验很容易变成走过场。

凝土类材料 SHPB 实验中存在的若干问题(端面摩擦、骨料、惯性效应、温度)的研究进展；通过对混凝土 SHPB 实验的精细化数值模拟，深入分析惯性效应产生机理，提出材料的塑性流动引起的横向加速度是产生围压的关键 原因，围压波在试件中心的反射和边缘的卸载形成试件中围压从中心向四周逐渐减小的抛物线型分布；利用本文 所提的 SHPB 实验惯性效应产生机理，较好地解释了 SHPB 实验的尺寸和主动围压的影响规律；基于自主研制的 可进行围压和温度共同加载的 SHPB 实验装置 TSCPT-SHPB， 对在 5～25MPa 围压作用下以及在 40℃～80℃温度 下盐岩动态力学性能进行实验研究，结果表明，高围压下应变率效应不如低围压下显著，温度越高，强度越低； 建立了考虑粗骨料随机分布的三维混凝土细观模型，对混凝土各细观组分对动态效应影响进行研究，结果表明， 各组分材料静态强度越高，混凝土动态强度也越高；在相同粒径条件下，体积率越高，混凝土动态强度也越高； 而相同骨料体积含量条件下，骨料越大，混凝土动态强度越低。 关键词：混凝土类材料；霍普金森压杆实验；数值模拟；惯性效应；围压；温度；三维细观模型 中图分类号：O347.4 文献标识码：A
其中大型通用有限元软件abaqus凭借其十分丰富的单元库和材料库可以模拟大多数实际工程材料和结构可以解决从相对简单的线性分析到极富挑战性的非线性模拟等各种问题由此得到广泛应用45许多学者都通过数值模拟对shpb实验进行了研究早在1975年bertholf和karnes46就利用二维有限差分法对shpb实验进行数值模拟在三种长径比以及不同的端面摩擦条件下分析shpb实验中惯性效应和端面摩擦效应的影响大小发现端面摩擦对结果影响较大
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、液压伺服实验 和分离式霍普金森压 [19,24] 杆实验 等对混凝土类材料动态性能进行研究，得到混凝土动态强度放大因子(DIF)与应变率的关系。 欧洲国际混凝土委员会规范(FIP-CEB) 借鉴 Bischoff 和 Perry 的工作，给出了受压和受拉条件下的 DIF 与

基于光学检测方法的霍普金森压杆技术综述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。

标签：光学检测；霍普金森压杆；动态特性；光干涉Abstract：The split Hopkinson pressure bar（SHPB）technology is an effective experimental method for measuring the dynamic mechanical properties of materials at high strain rates. The traditional Hopkinson pressure bar measurement method mainly uses strain gauges attached to the incident rod and transmission rod to achieve the purpose of measuring the dynamic mechanical properties of the material under test. However，there are still some inherent problems and shortcomings in this strain gauge Hopkinson pressure bar technology. In order to obtain more efficient and accurate experimental data，Hopkinson pressure bar measurement technology based on optical detection method came into being. It has the advantages of non-contact，high repeatability，more reliable and accurate measurement results. This paper traces the origin and development of the traditional split Hopkinson pressure bar technology，and the measuring device and the measuring principle are briefly reviewed. On this basis，three separate Hopkinson techniques based on optical detection are introduced，and the characteristics of each measurement method are briefly described.Keywords：optical inspection （OI）；Hopkinson pressure bar （HPB）；dynamic characteristics；optical interference1 概述在军事和民用领域中的许多方面，类似于高速碰撞和爆炸等冲击加载形式的力学现象十分常见[1-2]。

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。

第1篇一、实验目的本次实验旨在研究材料在不同加载条件下的力学响应特性，通过静态和动态加载实验，了解材料在受力过程中的变形、应力、应变等力学行为，为材料选择和工程设计提供理论依据。

二、实验原理1. 静态力学响应：在静态加载条件下，材料受力后产生的应力、应变与时间无关，可通过对材料进行拉伸、压缩等实验来测定。

2. 动态力学响应：在动态加载条件下，材料受力过程中产生的应力、应变与时间有关，可通过霍普金森杆实验等动态实验手段来测定。

三、实验设备1. 万能材料试验机：用于静态力学响应实验。

2. 分离式霍普金森杆（SHPB）：用于动态力学响应实验。

3. 加载装置：用于对材料进行静态和动态加载。

4. 数据采集系统：用于采集实验数据。

四、实验材料本次实验选用了一种常见的工程材料——低碳钢作为研究对象。

五、实验步骤1. 静态力学响应实验：（1）将低碳钢试样固定在万能材料试验机上。

（2）按照实验要求，逐渐增加加载力，直至试样断裂。

（3）记录试样在不同加载力下的应力、应变值。

2. 动态力学响应实验：（1）将低碳钢试样固定在分离式霍普金森杆的加载装置上。

（2）按照实验要求，设置合适的加载速度。

（3）启动加载装置，使试样受到冲击载荷。

（4）记录试样在不同加载速度下的应力、应变值。

六、实验结果与分析1. 静态力学响应：（1）根据实验数据，绘制低碳钢应力-应变曲线。

（2）分析低碳钢的弹性模量、屈服强度、抗拉强度等力学性能。

2. 动态力学响应：（1）根据实验数据，绘制低碳钢应力-应变曲线。

（2）分析低碳钢在不同加载速度下的应力、应变值，了解其动态力学性能。

（3）对比静态和动态力学响应，分析加载速度对材料力学性能的影响。

七、实验结论1. 低碳钢在静态加载条件下，具有良好的弹性性能和塑性性能。

2. 低碳钢在动态加载条件下，表现出明显的动态强化现象，其力学性能随加载速度的增加而提高。

3. 静态和动态加载条件下，低碳钢的应力-应变曲线存在差异，表明加载速度对材料力学性能有显著影响。

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.。

霍普金森杆原理霍普金森杆原理，又称霍普金森效应，是指在一定条件下，一根细长的杆子在一端受到外力作用时，会在另一端产生一定的位移。

这一原理被广泛应用于工程和科学领域，对于理解杆的力学性质和结构设计具有重要意义。

首先，我们来了解一下霍普金森杆原理的基本概念。

在一根细长的杆子上，当一端受到外力作用时，由于杆子的材料特性，外力将会沿着杆子传递，最终在杆的另一端产生位移。

这种现象可以用一系列的力学公式和理论来描述和解释，其中包括杨氏模量、剪切模量等材料力学参数的影响。

其次，我们需要了解霍普金森杆原理的应用范围。

在工程实践中，霍普金森杆原理被广泛运用于桥梁、建筑、机械等领域。

例如，在桥梁设计中，我们需要考虑桥梁的受力情况和变形情况，而霍普金森杆原理可以帮助我们分析和预测桥梁在受力情况下的变形情况，从而指导工程设计和施工。

此外，霍普金森杆原理还可以应用于科学研究中。

在物理学和材料科学领域，研究人员可以通过对杆的受力和变形情况进行实验和分析，来探索材料的性能和力学特性，为新材料的研发和应用提供理论依据和技术支持。

除此之外，霍普金森杆原理还可以在日常生活中找到应用。

比如，我们在搬运长条物体时，就需要考虑霍普金森杆原理对物体的受力和变形情况的影响，以避免因受力不当而导致的意外损坏或伤害。

总的来说，霍普金森杆原理作为材料力学和结构工程中的重要原理，对于理解和分析杆的受力和变形具有重要意义。

通过对霍普金森杆原理的研究和应用，我们可以更好地设计和使用杆结构，提高工程质量和安全性，推动科学技术的发展和进步。

希望本文对大家对霍普金森杆原理有所帮助，谢谢阅读！。

1、霍普金森压杆实验中的一些问题的现状:关于霍普金森压杆技术有效性的讨论过去主要集中试件的尺寸效应，波在杆中的二维弥散修正等。

实验过程中试件是否处于应力均匀状态以及试件是否以恒应变率变形这两个问题上所给予的关注并不多，或者说还没有找到一个非常可行的方法来解决这两个问题。

2、常规霍普金森压杆技术所遇到的问题：要得到有效并精确的数据，下列霍普金森压杆的假设必须得到满足：1）压杆中的波传播必须是平面一维的，因为应变片所测得的杆的表面应变通常代表压杆整个横截面上的轴向应变。

2）试件中的应力和应变均处于均匀状态3）此外，为保证得到有效的应力—应变数据，还应该使试件中的应变随时间变化的历史也是均匀的，即试件的变形是在恒应变率的条件下进行的。

所对应的问题：1）二维波动效应(或称为波的弥散效应)2）在高应变率霍普金森压杆实验中，加载的上升时间在10μs左右，高速撞击将导致明显的应力波传播效应（纵向惯性效应），低应变率下的试件中应力均匀性的结论不再成立，因而这时的试件也不可能处于实际的应力均匀状态3）在常规霍普金森压杆实验中，子弹的撞击在入射杆中产生一个梯形的入射脉冲。

由于试件横截面的增加和试件材料的硬化，应变率则会随时间减小以致于不能在整个实验中保持为一恒定值3、常规霍普金森压杆对不同材料测试时存在的主要问题：3.1金属类材料：因为金属的弹性行为发生在非常小的变形下，在这样的小变形下，要得到精确的实验数据，因弥散效应引起的波的振荡问题和试件中应力均匀性是必须要考虑的敏感问题。

3.2脆性材料：首先，在霍普金森压杆实验中必须保持脆性材料试件两个端面严格平行以增加实验数据的精度，因为试件端面的不平行或不平整都可能导致局部失效和应变测量的不精确。

其次，常规霍普金森压杆实验中陡峭的梯形脉冲也导致脆性试件在小变形下的严重应力不均匀。

此外，经典的梯形入射脉冲还会导致脆性材料试件非恒应变率变形。

可以概括地说，对这样的脆性材料而言，常规霍普金森压杆已不能满足在脆性材料实验中恒应变率和应力均匀性的要求以致于难以获取有效的动态实验结果。