2024年材料動態(tài)特性實驗報告SHPB實驗報告

機械工程學(xué)院碩士研究型課程考試答卷課程名稱：材料動態(tài)特性試驗（SHPB試驗）考試形式：□專題研究匯報□論文√大作業(yè)□綜合考試序號分項類別得分1234總分評閱人：時間：年月曰

材料動態(tài)特性試驗試驗?zāi)康模?、理解霍普金森桿的試驗原理和試驗環(huán)節(jié)；2、會用霍普金森桿測試材料動態(tài)力學(xué)性能。1.SHPB構(gòu)成：Kolsky在Hopkinson壓桿技術(shù)的基礎(chǔ)上提出采用分離式Hop-kinson壓桿SHPB)技術(shù)來測定材料在一定應(yīng)變率范圍的動態(tài)應(yīng)力──應(yīng)變行為,該試驗的理論基礎(chǔ)是一維應(yīng)力波理論,它通過測定壓桿上的應(yīng)變來推導(dǎo)試樣材料的應(yīng)力──應(yīng)變關(guān)系,是研究材料動態(tài)力學(xué)性能最基本的試驗措施之一。為了測出A3鋼（又稱Q235鋼）的屈服極限、彈性模量以及其他性能參數(shù)。用SHPB試驗就行數(shù)據(jù)測量。SHPB的實現(xiàn)裝置如下圖：分離式Hopkinson壓桿裝置示意圖它由壓縮氣槍、撞擊桿、測時儀、輸入桿（入射桿）、超動態(tài)應(yīng)變儀、試件、透射桿、吸取桿、阻尼器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成。2.試驗原理：SHPB技術(shù)建立在兩個基本假定的前提上：（1）桿中應(yīng)力波是一維波；（2）試件應(yīng)力/應(yīng)變沿其長度均勻分布。根據(jù)垂直入射應(yīng)力波在界面出的反射、透射原理和上述假定由：應(yīng)力相等：(1)應(yīng)變相等：(2)式中和分別為入射桿的入射應(yīng)力和反射應(yīng)力，為透射桿的透射應(yīng)力，和為入射桿的入射應(yīng)變和反射應(yīng)變，為透射桿的透射應(yīng)變。圖1輸入桿-試件-輸出桿相對位置如圖2所示，在滿足一維應(yīng)力波假定的條件下，一旦測得試件與輸入桿的界面X1處的應(yīng)力，可理論推導(dǎo)得：（3）（4）（5）式中：為壓桿的橫截面積，為試件的橫截面積，為試件的長度。、和為試件的平均應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率，、分別為入射應(yīng)力波在界面X1處的入射質(zhì)點速度和反射質(zhì)點速度，為透射應(yīng)力波在處的透射質(zhì)點速度。在彈性壓桿的狀況下，由一維應(yīng)力波分析可知，應(yīng)變與應(yīng)力和質(zhì)點速度之間存在如下線性關(guān)系：（6）可見，上述問題就轉(zhuǎn)化為怎樣測界面X1處的入射應(yīng)變波和反射應(yīng)變波，以及界面處的透射應(yīng)力波。由于，只要壓桿保持彈性狀態(tài)，不一樣位置上的波形均相似。這樣，最終由應(yīng)變片和所測信號就可以確定材料的動態(tài)應(yīng)力和動態(tài)應(yīng)變。（7）（8）于是，在入射應(yīng)變波、反射應(yīng)變波和透射應(yīng)變波中，實際上測量兩個就足以測量材料的動態(tài)應(yīng)力和動態(tài)應(yīng)變。在消去時間參量後，就可以獲得材料的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（8）式對時間求導(dǎo)可以求出應(yīng)變率：（9）故可以由（7）（8）（9）三式可以得到試件的應(yīng)力-應(yīng)變，應(yīng)變率-時間的曲線圖，由圖中得到試件的屈服極限以及彈性模量等其他參數(shù)。試驗環(huán)節(jié)：搭建該試驗裝置，檢查壓氣艙的氣壓與否到達(dá)試驗規(guī)定，0.2個大氣壓左右。調(diào)試動態(tài)應(yīng)變儀，波形存儲器與否處在良好的工作狀態(tài)。電壓調(diào)到5V。記錄壓桿（入射桿和透射桿）的材料、直徑和桿件長度（規(guī)定兩桿件的參數(shù)相似）。（2）對試件A3鋼進行清潔，測量尺寸(直徑、厚度)并記錄。試驗前對試件應(yīng)變片進行靜標(biāo)。試件左右端面涂抹凡士林(應(yīng)檢查試件的表面粗糙狀況)，與輸入、輸出桿(萬向頭)端面磨合，并夾緊對直。用布條纏繞包好以減小外部干擾；（2）打開氣壓閥，按照選定的氣體壓力進行發(fā)射子彈（或撞擊桿）；（3）運用平行光源進行測速，并記錄下顯示屏上的時間，以便計算發(fā)射子彈的速度。（4）當(dāng)撞擊桿撞擊到入射桿，輸入應(yīng)力波，可以通過貼在上面的應(yīng)變片測量入射應(yīng)立波，同步應(yīng)力波傳播到試件上面進行反射和透射，在透射桿上測量透射應(yīng)力，在入射桿上的應(yīng)變片測反射應(yīng)力，應(yīng)變片的數(shù)據(jù)通過超動態(tài)應(yīng)變儀進入到波形存儲，最終進入到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，進過轉(zhuǎn)換得到最終測量的材料動態(tài)本構(gòu)方程。（5）檢查試件破損狀況并記錄撞擊後A3鋼試件的直徑和厚度。收拾試驗裝置，將有關(guān)部件歸位。4.數(shù)據(jù)處理：(1)數(shù)據(jù)前期處理：打開波形記錄儀記錄的入射波和透射波的有關(guān)數(shù)據(jù)，將excel內(nèi)的ch1和ch3通道的數(shù)據(jù)粘貼復(fù)制到Origin8的表格中，然後分別對兩列數(shù)據(jù)取反：即右擊鼠標(biāo)，在下拉菜單中選擇setcolumnvalue，彈出對話框，在空白處輸入-col（a）點擊ok鍵後將其取反.如圖二所示：圖2然後點擊File，在下拉菜單中選擇export，將數(shù)據(jù)輸出保留，以同樣的方式將Ch3通道的數(shù)據(jù)也取反，并輸出保留。之後以記事本的格式將兩組數(shù)據(jù)打開復(fù)制到excel將數(shù)據(jù)與起初的時間相對應(yīng)，然後所有復(fù)制，保留在記事本中，形成一種三列的矩陣。如圖3;圖3（2）數(shù)據(jù)處理：編寫MATLAB程序，將此矩陣a數(shù)據(jù)復(fù)制到程序中，如下圖4所示：圖4需要指出的是矩陣a數(shù)據(jù)沒有所有采用,只是采用了中間數(shù)據(jù)段的1470行，這是由于前期的行的數(shù)據(jù)是還沒有計時時采集的數(shù)據(jù)，亦即外界的雜波由記錄儀形成的數(shù)據(jù)，需要剔除，之後的數(shù)據(jù)是波在A3鋼內(nèi)形成的彈塑性波進過反射和透射後兩個應(yīng)變片記錄的數(shù)據(jù)，而在後期成果并非是單純試件在彈塑性階段形成的波，而是進過多次的反射和折射後疊加而形成的波形數(shù)據(jù)，故也要剔除。然後運行圖標(biāo)後出現(xiàn)三個圖如下：圖5該圖中包括兩個圖，上圖是數(shù)據(jù)記錄儀中未通過處理的入射和透射波隨時間變化的波形，下圖為通過濾波後的入射和透射波隨時間變化的波形，從圖中可以入射波和透射波波形是對稱的，這表明沒有反射波的出現(xiàn)。圖六該圖是應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，從圖形可以看出，該曲線圖比較符合實際A3鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。只是在強化成果出現(xiàn)的較為大幅度的波動，這也許是有一定的干擾存在。此外可以看出在應(yīng)變?yōu)?0（這裏的橫軸不是真正的應(yīng)變，而是通過放大後的應(yīng)變）時為屈服極限（這裏取下屈服極限為屈服極限）。詳細(xì)的數(shù)據(jù)可由MATLAB中workspace內(nèi)進行查找。圖7該圖是應(yīng)變率波形圖，該圖和應(yīng)力應(yīng)變圖很相似。有關(guān)參數(shù)的求解：屈服極限：在應(yīng)力應(yīng)變曲線圖六中，屈服極限應(yīng)是應(yīng)力上升在下降後的最低點，在workspace中雙擊trueos《1477*1double》查找符合該特性的數(shù)據(jù)如圖8圖8可以看出最低點為4.2125e+04單位為MPA，這裏的應(yīng)力是通過放大200倍後的值，因此用該值除以200，最終得到屈服強度：210.626mpa。彈性模量：按照彈性模量的定義：σ=Eε。這裏只限制在彈性階段階段，因此彈性模量也為圖六比例階段的斜率，為了求解出這個斜率，可以截取比例階段部分的應(yīng)力應(yīng)變值進行一次線性擬合。如圖9：圖:9畫出來的線性曲線圖：圖10圖形只能大體符合線性規(guī)律得到的斜率k=0.8513*e4,不過這裏的應(yīng)變是放大了200倍後獲得是仟分單位，故真正的彈性模量為E=k*200*1000,最終彈性模量的值為163.06Gpa屈服應(yīng)變:屈服應(yīng)變應(yīng)是在外界力卸載後應(yīng)力恢復(fù)為零時試件的應(yīng)變值。在卸載過程中，應(yīng)力和應(yīng)變是按照直線規(guī)律變化的。這裏相稱于將比例極限段的往右平移且過屈服極限點，直線交橫軸的左邊就是塑性應(yīng)變，可以直接進行數(shù)值求解過屈服極限點的直線，斜率k=0.8513*e4,過點（40，4.2125e04），得到直線方程為：y-4.2125*e04=0.8513*e4(x-40)整頓後為：y=0.8513x*e4-2.984e5令y=0得到x=35.05,從而得到塑性應(yīng)變值為3.505%。試驗總結(jié)：在該試驗中充足應(yīng)用了彈塑性波的原理，通過度析數(shù)據(jù)求出了A3鋼的有關(guān)參數(shù)，通過網(wǎng)上查閱資料可知A3鋼（也稱Q235）的屈服極限為235Mpa,處理的成果為210.626mpa，誤差為（235-210.626）/235=10.37%,誤差較小，彈性模量值在2.058*e11,試驗測得的數(shù)據(jù)為1.63*e11,誤差率為（2.05-1.63）/2.05=20.49%誤差率較大，存在這樣的原因重要有：數(shù)組a數(shù)據(jù)的取舍過于粗糙，沒有深入