SHPB装置.ppt

Company Logo LOGO 高温SHPB相关实验技术 Company Logo 背景与任务 武器工程设计与分析中，大量涉及材料的动态力学性能方面的研究课题，如武器服役的安全性及抗事故能力、动能侵彻过程中材料的动态性能、爆炸驱动下材料的高速变形与破坏、强激光辐照下材料响应等。在武器吊装、运输过程中，异常事故主要为跌落、火烧以及恐怖袭击等，结构状态可能是包装、执勤，武器中不同部件、不同部位有不同的失效过程或机制。归结起来，不外乎是结构和材料的动态、高温响应。 Company Logo 结构和材料的动态行为中，功能失效的主要威胁是破坏或大变形；而高温行为中，功能失效首先是热软化，丧失承载能力，其次是物态变化，由固态变为液态，无法维持内能所需的形状。 结构和材料的动态不损伤、不破坏，高温下不软化、不液化，在某种程度上讲，也是难以达到的，但是在一点的时间将某些特殊部位的状态控制在允许范围内，是可以设计的。因此，对于含炸药结构，炸药以内的响应，高温更重要，炸药以外，动态特性更重要。 Company Logo 因此，在爆炸驱动的压缩过程中，研究材料的动态变形与损伤是重要的。对于穿甲弹的设计，材料破坏机制、力学模型、特征参量的研究是主要的。 由此，发展高温高率Hopkinson杆实验技术，研究材料动态力学性能，在武器物理与工程设计中发挥着重要作用。 Company Logo 目前高温SHPB装置的实验方案分类 一种是局部导杆和试件共同加热，在进行实验数据处理时对导杆中温度梯度的影响进行修正。 这种方法其实验数据处理比较复杂，且导杆的弹性限制也制约了这种方法的温度上限。或者采用异形压杆，加工不同截面积的压杆以抵消因温度梯度所引起的阻抗变化，使得在高温实验过程中压杆的阻抗保持为一常数，从而不需要对测得的实验波形进行修正。这种设计的缺点在于对于不同温度下需要使用不同形状的压杆，且需要获得压杆中准确的温度分布以及设计相应的压杆。 Company Logo 对于导杆和试件共同加热的实验方案，由于部分压杆在实验过程中总是处于加温状态，因而温度不能太高，否则会严重影响压杆的使用寿命，且不能用于测量高温下强度仍然较高的材料，以免加载时试样嵌入到在高温下软化的压杆端面中，从而引起明显的应变测量误差。 另一种高温动态实验技术则通过单独对试件加热，待试件加热完成后，再利用机械装置将导杆与试件快速组装，在几毫秒内完成实验。 Company Logo 这种实验方法忽略压杆和试件中的温度变化，数据处理简单，可实现的实验温度相对也较高，然而机械装置机械装置要求控制精度高，且短时间内压杆和试件端部剧烈的温度变化有可能对压杆和试件的材料性能产生不可忽略的影响。 此外，还有一些采用温度不敏感材料来避开温度梯度影响的实验方法。 或在试件两端增加保护块的高温动态实验技术，选取弹性常数对温度不敏感的保护块材料，在对试样和保护块加热的过程中，使杆处于室温状态。 Company Logo 用于测量材料高温动态力学性能的SHPB 技术 带有温控装置的波导杆装置示意图 Company Logo 组合式隔热陶瓷短杆高温SHPB实验技术 在试件端面和压杆之间各加一直径与压杆相同的A95陶瓷短杆，通过套管进行装配，套管的内径和压杆相同，可在压杆上自由滑动。试样通过套管内的两个簧片支撑定位，试样上的温度通过直接贴在试样表面的热电偶进行测定。本工作中使用的加温电阻炉的加热陶瓷管长约110 mm，为了保证在实验温度为800℃时压杆上的温度低于200℃，从而可忽略温度梯度对应力波在压杆中传播的影响。 Company Logo 添加陶瓷短杆后可能会对应力波传播带来一定影响，为此首先在常温下对常规和添加陶瓷短杆两种条件下进行了对比实验。 两种实验条件下加载的入射波形基本保持一致，反射波和透射波除了陶瓷短杆带来的延时，波形特征也基本一致。 温下常规方法和添加陶瓷短杆方法LYl2铝试样的实验结果 Company Logo 添加陶瓷短杆使得弹性变性段应变偏大，在流动应力段两者重合很好。 这是由于处理过程中引入了陶瓷短杆的弹性变形，在试样弹性变形段，陶瓷的弹性变形会带来一定影响，而进入塑性变形段之后，试样的塑性变形要远远大于陶瓷短杆的弹性变形量，因此添加陶瓷短杆对应力一应变曲线的流动应力段基本不产生影响。 Company Logo 对于高温实验中温度梯度场的影响，采用数值模拟的手段进行分析和评估。以实验温度800℃为例，采用Ansys Multiphysics／Ls—Dyna模块。模型为1／2二维模型，先稳态求解得到实验系统模型的温度分布，再将求得的温度分布作为载荷边界条件导入到模型中进行动力学分析。 由图可