不同加載模式的經(jīng)驗總結(jié)

不同加載模式的經(jīng)驗總結(jié)

1物理試驗技術(shù)1914年，r.m.davius在b.horson試驗中進行了壓力脈沖試驗，之后r.m.davius改進了這一點。1949年,H.Kolsky在這些基礎上建立了進行材料單軸動態(tài)壓縮性能試驗的試驗方法,測試了高應變率下金屬材料的力學性能,這個方法稱為分離式Hopkinson壓桿(或Kolsky桿)技術(shù)。其原理是將試樣夾持于兩個細長彈性桿(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)生壓應力脈沖并沿著入射彈性桿向試樣方向傳播。當應力波傳到入射桿與試樣的界面時,一部分反射回入射桿,另一部分對試樣加載并傳向透射桿,通過貼在入射桿與透射桿上的應變片可記錄入射脈沖,反射脈沖及透射脈沖,由一維應力波理論可以確定試樣上的應力、應變率、應變隨時間的變化,以及應力、應變曲線?????????????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性能的測試。研究人員也對Hopkinson壓桿試驗方法進行了系統(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的Hopkinson壓桿推廣到了單軸拉伸試驗,在此基礎上,1983年又提出至今被廣泛使用的Hopkinson拉桿試驗方法。W.E.Backer等、J.D.Campbell等、J.Duffy等又提出了Hopkinson扭桿技術(shù),可對于試樣施加高應變速率的純扭轉(zhuǎn)載荷。為提高試驗精度,在應力波的彌散效應、三維效應[12,13,14,15,16,17]、應力波分離、試樣中的瞬態(tài)平衡對試驗結(jié)果的影響[21,22,23,24,25,26,27,28]等方面做了大量工作。在國內(nèi)Hopkinson桿方法及相關(guān)的實驗技術(shù)的研究也取得了較大的發(fā)展,有些方面已達國際先進水平,先后有多臺Hopkinson壓桿、拉桿及扭桿試驗系統(tǒng)誕生。胡時勝等、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,烏時毅等提出了儲能式Hopkinson拉桿及扭桿系統(tǒng),張方舉等提出了變截面彈丸在Hopkinson桿中的應用。胡時勝等利用變截面桿進行了水泥混凝土的動態(tài)實驗。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桿的試驗方法。夏源明等、夏開文等、佟景偉等將Hopkinson桿用于測量溫度對材料動態(tài)性能的影響。宋博等提出了Hopkinson桿試驗中數(shù)據(jù)處理的解耦方法,張寶平等給出了試件中應力狀態(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用于拉伸試驗及壓縮試驗。汪洋等討論了桿桿型沖擊拉伸裝置的一維試驗原理的有效性。鄭堅等討論了應變率的敏感性,李英雷等分別討論了磁場對Hopkinson桿試驗的影響,巫緒濤等提出了兩點應變測量法在Hopkinson桿試驗中的應用,劉孝敏等討論了應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用,包括:高溫環(huán)境下材料動態(tài)力學性能的測試、在高變形速率下材料損傷演化過程測試、材料動態(tài)起裂韌性的測試和高g值加速度傳感器的沖擊校準。2霍尼龍壓桿技術(shù)的應用2.1熱傳導作用下的桿密度計算材料在高溫和高應變率耦合作用下的力學性能是結(jié)構(gòu)在動態(tài)載荷作用下設計的基礎。自60年代初,就有學者試圖用Hopkinson桿技術(shù)確定在高溫環(huán)境下材料的動態(tài)力學性能。一直未能取得很大進展,困難在于:在Hopkinson桿試驗過程中,試樣必須與加載桿緊密接觸,以保證應力波從輸入桿傳入試樣,再由試樣傳給透射桿。如果試樣在加溫時與輸入桿及透射桿緊密接觸,熱傳導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使應力波畸變,導致測試結(jié)果誤差很大;另一方面,當桿中的溫度達到回火溫度時,桿的屈服極限下降,桿產(chǎn)生塑性變形,導致實驗失敗。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),當加熱試樣時,試樣與桿子未接觸,當試樣加熱到預定溫度時,開啟空氣炮發(fā)射撞擊桿,撞擊輸入桿,在輸入桿中產(chǎn)生應力脈沖,同時啟動同步組裝系統(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,到應力波到達入射桿與試樣的界面所需時間小于1ms時,試樣中溫度變化不大,在數(shù)據(jù)處理時可以忽略不計,詳細原理見相關(guān)文獻。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)境下的動態(tài)力學性能,典型曲線見圖2～3所示?？梢钥闯鲇眠@種方法,試樣的環(huán)境溫度可達1000K以上;在高溫環(huán)境下,材料的動態(tài)力學性能表現(xiàn)出明顯的溫度相關(guān)。在高應變率條件下,隨著溫度的升高,材料流動應力降低。對于FCC材料,當溫度超過某一臨界溫度,應變硬化率增高。2.2試驗原理及結(jié)果通常,材料在塑性變形過程中會產(chǎn)生損傷,例如,陶瓷顆粒增強的鋁合金復合材料在塑性變形過程中,隨變形的增加陶瓷顆粒會斷裂,材料內(nèi)的損傷將會增加,并導致流動應力降低。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,損傷演化過程對變形速率(應變率)的依賴性及敏感性對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性能及材料對應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過程中損傷與變形的關(guān)系,是一個被長期關(guān)注的問題。在常規(guī)的Hopkinson桿試驗中,子彈撞擊入射桿,并產(chǎn)生應力脈沖,當應力波傳播至試樣與入射桿的界面,一部分傳給試樣,另一部分會反射回入射桿,這個反射波再經(jīng)被撞擊端自由表面的反射,又會傳至試樣與入射桿的界面,對試樣進行第二次加載。這樣以此類推,試樣可能會受到多次加載,當反射波的幅值足以使試樣產(chǎn)生塑性變形時,那么用首次的入射脈沖、反射脈沖及透射脈沖利用一維應力波理論所確定的試樣的變形與試樣的實際變形不一致,而后續(xù)反射脈沖產(chǎn)生的變形很難準確估算。這樣,要確定試樣在當時的變形與當時的內(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。試驗前,在入射桿的凸緣與套筒之間留一適當?shù)拈g隙,套筒與質(zhì)量塊緊密接觸。當子彈撞擊入射桿時,在入射桿上產(chǎn)生的變形量正好與預設間隙相等。這時,入射桿的凸緣與套筒緊密接觸。當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傳入入射桿,成二次入射波。這時,套筒會把第二次入射波的能量通過它傳給質(zhì)量塊。原理性驗證試驗的結(jié)果如圖5所示。在原理性試驗中,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。預留間隙的大小是依據(jù)試樣所需要的變形量進行估算的。詳細可參閱文獻。李玉龍等利用以上的方法,對于SiC陶瓷顆粒增強的A359鋁合金在高變形速率下的損傷演化過程進行實驗研究。在高變形速率及準靜態(tài)情況下,分別將這種材料制備的8個柱狀試樣分別加載至0.05、0.1、0.2、0.3的應變,采用超聲波分別測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,對于這種材料,在高應變率下,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,即能起到增強效果的顆粒數(shù)量隨著變形量的增大而減小。2.3動態(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)出與準靜態(tài)完全不同的特性。首先,慣性效應可以改變物體內(nèi)的動態(tài)應力強度因子,使其不同于準靜態(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靜態(tài)的情況。對有些材料來說,在某些加載速率范圍內(nèi),動態(tài)起裂韌性可能會低于準靜態(tài)的情況。因此,材料動態(tài)起裂韌性的測試,是這些含裂紋結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下安全設計的基礎。其動態(tài)起裂韌性的測試方法起源于擺錘加載三點彎曲試樣。李玉龍對這一方法進行過綜述。在擺錘沖擊試驗中,試樣與錘頭的作用及應力波在試樣中的傳播相當復雜,通過試驗數(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確測定,使得動態(tài)應力強度因子的計算存在一定的困難。第三,由于錘頭沖擊速度的限制,使得試樣在第一個振動周期內(nèi)很難斷裂,試樣將會與支座出現(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)測試材料動態(tài)起裂韌性被廣泛采用。使用Hopkinson桿技術(shù)測試材料動態(tài)起裂韌性的基本原理,如圖8所示。試樣采用標準的含有疲勞預制裂紋的三點彎曲試樣,在裂紋前沿與裂紋成60°角方向貼有應變片以確定起裂時間,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靜態(tài)試驗標準的要求,并與試樣保持線接觸,當子彈以一定的速度撞擊入射桿時,會在入射桿上產(chǎn)生應力波,并向試樣方向傳播。當傳到入射桿與試樣的界面時一部分反射回入射桿,另一部分傳給試樣,對試樣進行加載,貼在入射桿的應變片可以記錄入射應力波及反射應力波。通過一維應力波理論,可以確定試樣加載點的位移、速度及載荷的時間歷程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為入射應力波與反射應力波。以這些量中的某一個為輸入,采用有限元方法就可確定試樣內(nèi)的應力強度因子隨時間的變化。貼在試樣上的應變片確定起裂時間,此時間對應力的應力強度因子值即為此材料的動態(tài)起裂韌性。李玉龍等先后進行過多種材料動態(tài)起裂韌性,典型的試驗曲線如圖9～10。在圖9中,通過試驗和以上方程(3)和(4),得到三點彎曲試樣加載點的載荷時間歷程,然后利用數(shù)值方法得到應力強度因子和時間的關(guān)系,見圖10,同時根據(jù)試樣上的應變片卸載點(圖10(b))即拐點的時間,找出對應時間的應力強度因子即可得到試驗試樣的動態(tài)起裂韌性KⅠD,可以看出,對于40Cr和30CrMnSiNi2A材料,動態(tài)起裂韌性KⅠD均低于準靜態(tài)起裂韌性KⅠC。2.4對校準法的基本原理高g值加速度傳感器作為一次儀表被廣泛的應用于撞擊及高速運動過程中高過載的測量,在深侵徹武器設計中,可以用它進行目標識別,也可以用于飛機抗墜毀試驗中過載的測量和汽車碰撞試驗中過載的測量。高g值加速度傳感器靈敏度系統(tǒng)的精度直接影響著測量精度。由于高g值加速度傳感器在很多場合都可重復使用,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)可能會發(fā)生變化,需經(jīng)常校準。因此,高g值加速度傳感器校準系統(tǒng)不僅在研制高g值加速度傳感器中扮演著重要角色,而且在過高載過測量中起著重要的作用。Hopkinson壓桿技術(shù)進行高g值加速度傳感器校準是一種相對校準法,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,在入射桿上將會產(chǎn)生以類似于正弦函數(shù)的應變脈沖,可以忽略應力波在Hopkinson桿中傳播時的衰減和彌散。貼在入射桿中央的應變片可以測定此入射應變脈沖,當應變脈沖傳到入射桿與被校傳感器界面時,如果被校傳感器的質(zhì)量可以忽略,由一維應力波理論可得界面的質(zhì)點速度為v(t)=2c0ε(t)(5)式中:c0為Hopkinson桿的應力波速。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,應變脈沖為壓縮變形,當加速度傳感器的質(zhì)量可忽略不計時,加速度傳感器感受到速度與其界面的質(zhì)點速度相等,令式(7)與式(5)相等,并取加速度脈沖結(jié)束時的時間(T0)或速度最大值的對應點為積分終點值Sa=∫T00Ua(t)dt/(2c0Kaε(T0))(8)Sa=∫0Τ0Ua(t)dt/(2c0Κaε(Τ0))(8)值得注意的是,要保證校準精度必須盡可能減小應力波在入射桿中傳播時的衰減及彌散效應。這時,桿子的細長比足夠大,應變脈沖長度遠遠大于桿子的直徑。李玉龍等在國內(nèi)首次成功研制了利用Hopkinson桿校準加速度傳感器的裝置,該系統(tǒng)可進行3000g到200000g范圍內(nèi)高g值加速度傳感器的校準,典型的試驗曲線和結(jié)果如圖12及表1所示。利用此Hopkinson桿系統(tǒng)校準加速度傳感器,校準范圍大,精度較高。3材料動態(tài)力學性能測試