不同加載模式的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

不同加載模式的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

1物理試驗(yàn)技術(shù)1914年，r.m.davius在b.horson試驗(yàn)中進(jìn)行了壓力脈沖試驗(yàn)，之后r.m.davius改進(jìn)了這一點(diǎn)。1949年,H.Kolsky在這些基礎(chǔ)上建立了進(jìn)行材料單軸動(dòng)態(tài)壓縮性能試驗(yàn)的試驗(yàn)方法,測(cè)試了高應(yīng)變率下金屬材料的力學(xué)性能,這個(gè)方法稱為分離式Hopkinson壓桿(或Kolsky桿)技術(shù)。其原理是將試樣夾持于兩個(gè)細(xì)長(zhǎng)彈性桿(入射桿與透射桿)之間,由圓柱形子彈以一定的速度撞擊入射彈性桿的另一端,產(chǎn)生壓應(yīng)力脈沖并沿著入射彈性桿向試樣方向傳播。當(dāng)應(yīng)力波傳到入射桿與試樣的界面時(shí),一部分反射回入射桿,另一部分對(duì)試樣加載并傳向透射桿,通過貼在入射桿與透射桿上的應(yīng)變片可記錄入射脈沖,反射脈沖及透射脈沖,由一維應(yīng)力波理論可以確定試樣上的應(yīng)力、應(yīng)變率、應(yīng)變隨時(shí)間的變化,以及應(yīng)力、應(yīng)變曲線?????????????ε˙s(t)=c0l0[εi(t)?εr(t)?εt(t)]εs(t)=c0l0∫t0[εi(τ)?εr(τ)?εt(τ)]dτσs(t)=AbEb2A0[εi(t)?εr(t)?εt(t)](1){ε˙s(t)=c0l0[εi(t)-εr(t)-εt(t)]εs(t)=c0l0∫0t[εi(τ)-εr(τ)-εt(τ)]dτσs(t)=AbEb2A0[εi(t)-εr(t)-εt(t)](1)50多年來,此技術(shù)廣泛用在高變形速率下材料力學(xué)性能的測(cè)試。研究人員也對(duì)Hopkinson壓桿試驗(yàn)方法進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究,使該技術(shù)不斷地改善和發(fā)展。J.Harding等在1960年將用于單軸壓縮試驗(yàn)的Hopkinson壓桿推廣到了單軸拉伸試驗(yàn),在此基礎(chǔ)上,1983年又提出至今被廣泛使用的Hopkinson拉桿試驗(yàn)方法。W.E.Backer等、J.D.Campbell等、J.Duffy等又提出了Hopkinson扭桿技術(shù),可對(duì)于試樣施加高應(yīng)變速率的純扭轉(zhuǎn)載荷。為提高試驗(yàn)精度,在應(yīng)力波的彌散效應(yīng)、三維效應(yīng)[12,13,14,15,16,17]、應(yīng)力波分離、試樣中的瞬態(tài)平衡對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響[21,22,23,24,25,26,27,28]等方面做了大量工作。在國(guó)內(nèi)Hopkinson桿方法及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)的研究也取得了較大的發(fā)展,有些方面已達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平,先后有多臺(tái)Hopkinson壓桿、拉桿及扭桿試驗(yàn)系統(tǒng)誕生。胡時(shí)勝等、夏源明等先后建立了Hopkinson壓、拉桿系統(tǒng),薛青等提出了單脈沖加載的Hopkinson扭桿系統(tǒng),佟景偉等,烏時(shí)毅等提出了儲(chǔ)能式Hopkinson拉桿及扭桿系統(tǒng),張方舉等提出了變截面彈丸在Hopkinson桿中的應(yīng)用。胡時(shí)勝等利用變截面桿進(jìn)行了水泥混凝土的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)。盧芳云等、劉劍飛等分別建議了一種軟材料及脆性材料的Hopkinson桿的試驗(yàn)方法。夏源明等、夏開文等、佟景偉等將Hopkinson桿用于測(cè)量溫度對(duì)材料動(dòng)態(tài)性能的影響。宋博等提出了Hopkinson桿試驗(yàn)中數(shù)據(jù)處理的解耦方法,張寶平等給出了試件中應(yīng)力狀態(tài)的近似分析方法及慣性修正。王從約等將傅立葉彌散分析應(yīng)用于拉伸試驗(yàn)及壓縮試驗(yàn)。汪洋等討論了桿桿型沖擊拉伸裝置的一維試驗(yàn)原理的有效性。鄭堅(jiān)等討論了應(yīng)變率的敏感性,李英雷等分別討論了磁場(chǎng)對(duì)Hopkinson桿試驗(yàn)的影響,巫緒濤等提出了兩點(diǎn)應(yīng)變測(cè)量法在Hopkinson桿試驗(yàn)中的應(yīng)用,劉孝敏等討論了應(yīng)力脈沖在變截面桿中的傳播以及粘彈性Hopkinson桿中波的衰減和彌散。在本文中,將主要介紹Hopkinson壓桿技術(shù)在其他方面的一些應(yīng)用,包括:高溫環(huán)境下材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的測(cè)試、在高變形速率下材料損傷演化過程測(cè)試、材料動(dòng)態(tài)起裂韌性的測(cè)試和高g值加速度傳感器的沖擊校準(zhǔn)。2霍尼龍壓桿技術(shù)的應(yīng)用2.1熱傳導(dǎo)作用下的桿密度計(jì)算材料在高溫和高應(yīng)變率耦合作用下的力學(xué)性能是結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)載荷作用下設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。自60年代初,就有學(xué)者試圖用Hopkinson桿技術(shù)確定在高溫環(huán)境下材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。一直未能取得很大進(jìn)展,困難在于:在Hopkinson桿試驗(yàn)過程中,試樣必須與加載桿緊密接觸,以保證應(yīng)力波從輸入桿傳入試樣,再由試樣傳給透射桿。如果試樣在加溫時(shí)與輸入桿及透射桿緊密接觸,熱傳導(dǎo)的作用可能使加載桿的溫度也上升,一方面在桿中的溫度梯度會(huì)使應(yīng)力波畸變,導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果誤差很大;另一方面,當(dāng)桿中的溫度達(dá)到回火溫度時(shí),桿的屈服極限下降,桿產(chǎn)生塑性變形,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。90年代初S.Nemat-Nasser等已解決了這一問題,S.Nemat-Nasser等、李玉龍等使用了一種所謂的同步組裝系統(tǒng),當(dāng)加熱試樣時(shí),試樣與桿子未接觸,當(dāng)試樣加熱到預(yù)定溫度時(shí),開啟空氣炮發(fā)射撞擊桿,撞擊輸入桿,在輸入桿中產(chǎn)生應(yīng)力脈沖,同時(shí)啟動(dòng)同步組裝系統(tǒng),使得試樣與入射桿、透射桿緊密接觸,見圖1所示。有限元分析結(jié)果表明,如果試樣與加載桿接觸,到應(yīng)力波到達(dá)入射桿與試樣的界面所需時(shí)間小于1ms時(shí),試樣中溫度變化不大,在數(shù)據(jù)處理時(shí)可以忽略不計(jì),詳細(xì)原理見相關(guān)文獻(xiàn)。S.Nemat-Nasser等、李玉龍等采用這種技術(shù)確定了多種材料在高溫環(huán)境下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能,典型曲線見圖2～3所示。可以看出用這種方法,試樣的環(huán)境溫度可達(dá)1000K以上;在高溫環(huán)境下,材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能表現(xiàn)出明顯的溫度相關(guān)。在高應(yīng)變率條件下,隨著溫度的升高,材料流動(dòng)應(yīng)力降低。對(duì)于FCC材料,當(dāng)溫度超過某一臨界溫度,應(yīng)變硬化率增高。2.2試驗(yàn)原理及結(jié)果通常,材料在塑性變形過程中會(huì)產(chǎn)生損傷,例如,陶瓷顆粒增強(qiáng)的鋁合金復(fù)合材料在塑性變形過程中,隨變形的增加陶瓷顆粒會(huì)斷裂,材料內(nèi)的損傷將會(huì)增加,并導(dǎo)致流動(dòng)應(yīng)力降低。損傷可用彈性模量的改變定義,即D(ε)=1?E(ε)/E0(2)D(ε)=1-E(ε)/E0(2)式中:E0為材料初始的彈性模量,E(ε)為變形后含有損傷的材料的彈性模量。損傷的演化規(guī)律是研究材料破壞過程的基礎(chǔ),損傷演化過程對(duì)變形速率(應(yīng)變率)的依賴性及敏感性對(duì)于研究材料在高變形速率下的破壞過程至關(guān)重要。由于Hopkinson壓桿技術(shù)是確定材料在高變形速率下力學(xué)性能及材料對(duì)應(yīng)變率依賴性的有效方法。怎樣利用這種方法確定材料在塑性流動(dòng)過程中損傷與變形的關(guān)系,是一個(gè)被長(zhǎng)期關(guān)注的問題。在常規(guī)的Hopkinson桿試驗(yàn)中,子彈撞擊入射桿,并產(chǎn)生應(yīng)力脈沖,當(dāng)應(yīng)力波傳播至試樣與入射桿的界面,一部分傳給試樣,另一部分會(huì)反射回入射桿,這個(gè)反射波再經(jīng)被撞擊端自由表面的反射,又會(huì)傳至試樣與入射桿的界面,對(duì)試樣進(jìn)行第二次加載。這樣以此類推,試樣可能會(huì)受到多次加載,當(dāng)反射波的幅值足以使試樣產(chǎn)生塑性變形時(shí),那么用首次的入射脈沖、反射脈沖及透射脈沖利用一維應(yīng)力波理論所確定的試樣的變形與試樣的實(shí)際變形不一致,而后續(xù)反射脈沖產(chǎn)生的變形很難準(zhǔn)確估算。這樣,要確定試樣在當(dāng)時(shí)的變形與當(dāng)時(shí)的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)演化和損傷之間的聯(lián)系有很大的困難。在90年代,S.Namat-Nasser等提出了單次脈沖的Hopkinson壓桿系統(tǒng)(這種單次脈沖的原理如圖4所示),才使得確定在高變形速率下材料內(nèi)損傷的演化與變形的關(guān)系有了可能。這種方法的基本原理為:在入射桿的被撞擊端加工一凸緣,并在入射桿上套有套筒及質(zhì)量塊。試驗(yàn)前,在入射桿的凸緣與套筒之間留一適當(dāng)?shù)拈g隙,套筒與質(zhì)量塊緊密接觸。當(dāng)子彈撞擊入射桿時(shí),在入射桿上產(chǎn)生的變形量正好與預(yù)設(shè)間隙相等。這時(shí),入射桿的凸緣與套筒緊密接觸。當(dāng)從入射桿與試樣界面所產(chǎn)生的入射波傳播到撞擊端,并經(jīng)自由表面反射后又會(huì)傳入入射桿,成二次入射波。這時(shí),套筒會(huì)把第二次入射波的能量通過它傳給質(zhì)量塊。原理性驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果如圖5所示。在原理性試驗(yàn)中,只有入射桿而沒有透射桿,一次入射波經(jīng)過自由表面反射后,幾乎全部返回入射桿,但二次入射幾乎全部被套筒傳給質(zhì)量塊。預(yù)留間隙的大小是依據(jù)試樣所需要的變形量進(jìn)行估算的。詳細(xì)可參閱文獻(xiàn)。李玉龍等利用以上的方法,對(duì)于SiC陶瓷顆粒增強(qiáng)的A359鋁合金在高變形速率下的損傷演化過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。在高變形速率及準(zhǔn)靜態(tài)情況下,分別將這種材料制備的8個(gè)柱狀試樣分別加載至0.05、0.1、0.2、0.3的應(yīng)變,采用超聲波分別測(cè)定變形前后試樣的彈性模量,最終確定變形后試樣內(nèi)的損傷,其結(jié)果如圖6和圖7所示。結(jié)果表明,對(duì)于這種材料,在高應(yīng)變率下,隨著變形量的增大,發(fā)生破壞的SiC陶瓷顆粒的數(shù)量增大,即能起到增強(qiáng)效果的顆粒數(shù)量隨著變形量的增大而減小。2.3動(dòng)態(tài)起裂韌性在沖擊載荷作用下含裂紋結(jié)構(gòu)可能表現(xiàn)出與準(zhǔn)靜態(tài)完全不同的特性。首先,慣性效應(yīng)可以改變物體內(nèi)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子,使其不同于準(zhǔn)靜態(tài)加載的情況,而且,在沖擊載荷作用下材料的起裂韌性也可能不同于準(zhǔn)靜態(tài)的情況。對(duì)有些材料來說,在某些加載速率范圍內(nèi),動(dòng)態(tài)起裂韌性可能會(huì)低于準(zhǔn)靜態(tài)的情況。因此,材料動(dòng)態(tài)起裂韌性的測(cè)試,是這些含裂紋結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下安全設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。其動(dòng)態(tài)起裂韌性的測(cè)試方法起源于擺錘加載三點(diǎn)彎曲試樣。李玉龍對(duì)這一方法進(jìn)行過綜述。在擺錘沖擊試驗(yàn)中,試樣與錘頭的作用及應(yīng)力波在試樣中的傳播相當(dāng)復(fù)雜,通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)很難解釋某些現(xiàn)象。此外,由于錘頭作用于試樣中的沖擊載荷很難準(zhǔn)確測(cè)定,使得動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算存在一定的困難。第三,由于錘頭沖擊速度的限制,使得試樣在第一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)很難斷裂,試樣將會(huì)與支座出現(xiàn)失去接觸的現(xiàn)象,這給數(shù)據(jù)處理也帶來了很大的困難。鑒于以上原因,利用Hopkinson壓桿技術(shù)測(cè)試材料動(dòng)態(tài)起裂韌性被廣泛采用。使用Hopkinson桿技術(shù)測(cè)試材料動(dòng)態(tài)起裂韌性的基本原理,如圖8所示。試樣采用標(biāo)準(zhǔn)的含有疲勞預(yù)制裂紋的三點(diǎn)彎曲試樣,在裂紋前沿與裂紋成60°角方向貼有應(yīng)變片以確定起裂時(shí)間,入射桿的被撞擊端為平面,與試樣接觸的一端為半圓柱面,半圓柱面的半徑符合準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求,并與試樣保持線接觸,當(dāng)子彈以一定的速度撞擊入射桿時(shí),會(huì)在入射桿上產(chǎn)生應(yīng)力波,并向試樣方向傳播。當(dāng)傳到入射桿與試樣的界面時(shí)一部分反射回入射桿,另一部分傳給試樣,對(duì)試樣進(jìn)行加載,貼在入射桿的應(yīng)變片可以記錄入射應(yīng)力波及反射應(yīng)力波。通過一維應(yīng)力波理論,可以確定試樣加載點(diǎn)的位移、速度及載荷的時(shí)間歷程F(t)=EA(εi+εr)(3)x(t)=c∫t0(εi?εr)dτ(4)F(t)=EA(εi+εr)(3)x(t)=c∫0t(εi-εr)dτ(4)式中:c為桿的應(yīng)力波速,E和A分別桿的彈性模量和橫截面積,εi及εr為入射應(yīng)力波與反射應(yīng)力波。以這些量中的某一個(gè)為輸入,采用有限元方法就可確定試樣內(nèi)的應(yīng)力強(qiáng)度因子隨時(shí)間的變化。貼在試樣上的應(yīng)變片確定起裂時(shí)間,此時(shí)間對(duì)應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度因子值即為此材料的動(dòng)態(tài)起裂韌性。李玉龍等先后進(jìn)行過多種材料動(dòng)態(tài)起裂韌性,典型的試驗(yàn)曲線如圖9～10。在圖9中,通過試驗(yàn)和以上方程(3)和(4),得到三點(diǎn)彎曲試樣加載點(diǎn)的載荷時(shí)間歷程,然后利用數(shù)值方法得到應(yīng)力強(qiáng)度因子和時(shí)間的關(guān)系,見圖10,同時(shí)根據(jù)試樣上的應(yīng)變片卸載點(diǎn)(圖10(b))即拐點(diǎn)的時(shí)間,找出對(duì)應(yīng)時(shí)間的應(yīng)力強(qiáng)度因子即可得到試驗(yàn)試樣的動(dòng)態(tài)起裂韌性KⅠD,可以看出,對(duì)于40Cr和30CrMnSiNi2A材料,動(dòng)態(tài)起裂韌性KⅠD均低于準(zhǔn)靜態(tài)起裂韌性KⅠC。2.4對(duì)校準(zhǔn)法的基本原理高g值加速度傳感器作為一次儀表被廣泛的應(yīng)用于撞擊及高速運(yùn)動(dòng)過程中高過載的測(cè)量,在深侵徹武器設(shè)計(jì)中,可以用它進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別,也可以用于飛機(jī)抗墜毀試驗(yàn)中過載的測(cè)量和汽車碰撞試驗(yàn)中過載的測(cè)量。高g值加速度傳感器靈敏度系統(tǒng)的精度直接影響著測(cè)量精度。由于高g值加速度傳感器在很多場(chǎng)合都可重復(fù)使用,在使用過程中,由于所承受的高過載的作用,其靈敏度系數(shù)可能會(huì)發(fā)生變化,需經(jīng)常校準(zhǔn)。因此,高g值加速度傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)不僅在研制高g值加速度傳感器中扮演著重要角色,而且在過高載過測(cè)量中起著重要的作用。Hopkinson壓桿技術(shù)進(jìn)行高g值加速度傳感器校準(zhǔn)是一種相對(duì)校準(zhǔn)法,基本原理如圖11。用真空夾具將被校傳感器連接于Hopkinson桿一端,另一端用真空夾具將具有相同直徑的鋁塊或銅塊與Hopkinson桿緊密接觸。用空氣炮發(fā)射前端具有錐尖、后面具有圓錐坑的子彈,撞擊鋁塊或銅塊,使其產(chǎn)生部分塑性變形,在入射桿上將會(huì)產(chǎn)生以類似于正弦函數(shù)的應(yīng)變脈沖,可以忽略應(yīng)力波在Hopkinson桿中傳播時(shí)的衰減和彌散。貼在入射桿中央的應(yīng)變片可以測(cè)定此入射應(yīng)變脈沖,當(dāng)應(yīng)變脈沖傳到入射桿與被校傳感器界面時(shí),如果被校傳感器的質(zhì)量可以忽略,由一維應(yīng)力波理論可得界面的質(zhì)點(diǎn)速度為v(t)=2c0ε(t)(5)式中:c0為Hopkinson桿的應(yīng)力波速。如果被校傳感器的靈敏度系數(shù)為Sa,電荷/電壓放大器增益為Ka,輸出的電壓值為Ua(t),則加速度值a2(t)=Ua(t)(SaKa)(6)速度值v2(t)=∫t0Ua(τ)SaKadτ(7)加速度值a2(t)=Ua(t)(SaΚa)(6)速度值v2(t)=∫0tUa(τ)SaΚadτ(7)因加速度傳感器與入射桿緊密相切,應(yīng)變脈沖為壓縮變形,當(dāng)加速度傳感器的質(zhì)量可忽略不計(jì)時(shí),加速度傳感器感受到速度與其界面的質(zhì)點(diǎn)速度相等,令式(7)與式(5)相等,并取加速度脈沖結(jié)束時(shí)的時(shí)間(T0)或速度最大值的對(duì)應(yīng)點(diǎn)為積分終點(diǎn)值Sa=∫T00Ua(t)dt/(2c0Kaε(T0))(8)Sa=∫0Τ0Ua(t)dt/(2c0Κaε(Τ0))(8)值得注意的是,要保證校準(zhǔn)精度必須盡可能減小應(yīng)力波在入射桿中傳播時(shí)的衰減及彌散效應(yīng)。這時(shí),桿子的細(xì)長(zhǎng)比足夠大,應(yīng)變脈沖長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于桿子的直徑。李玉龍等在國(guó)內(nèi)首次成功研制了利用Hopkinson桿校準(zhǔn)加速度傳感器的裝置,該系統(tǒng)可進(jìn)行3000g到200000g范圍內(nèi)高g值加速度傳感器的校準(zhǔn),典型的試驗(yàn)曲線和結(jié)果如圖12及表1所示。利用此Hopkinson桿系統(tǒng)校準(zhǔn)加速度傳感器,校準(zhǔn)范圍大,精度較高。3材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試