霍普金森压杆试验-sillyoranger.docVIP

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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。压杆用塑料或尼龙稳定的支撑在底座上。但要注意不能影响应力波的传递。压杆分为输入杆、输出杆和动量杆三部分。输入杆中的初始脉冲是用压缩弹簧或者火药枪发射的方法,在它的端部通过一个质量块或撞击杆的碰撞加载而产生的。撞击杆与输入杆具有相同的材料和直径,因而撞击应力波可以无反射的传入输入杆。由于撞击杆自由端的反射,一个拉伸卸载波通过界面进入输入杆,所以输入杆中入射脉冲的长度是撞击杆长度的两倍。动量杆的端部用弹簧或活塞油缸吸走动量杆带走的无用动量。

初始输入应力的脉冲幅值与撞击速度成正比。当输入杆中的入射脉冲到达试件界面时,一部分脉冲被反射,另一部分脉冲通过试件透射进输入杆。这些入射、反射和透射脉冲的大小取决于试件材料的性质。在加载脉冲的作用期间,试件中发生了多次内反射,因为加载脉冲的作用时间比短试件中波的传播时间要长得多,由于这些内反射,使得试件中应力很快地趋向均匀化,因此可以忽略试件内部的波的传播效应。

如果我们能够在压杆上记录入射、反射和透射脉冲的连续的应变—时间历史,那么就可以决定试件界面上所受的力和位移的边界条件。安装在压杆径向表面上的阻力应变传感器纪录了这些脉冲。注意每个传感器到压杆端部之间的距离必须大于撞击杆的长度,以保证纪录数据的完整性。

假设测试记录的入射、反射和透射脉冲分别用和表示,根据试件与压杆的界面条件,按一维弹性波传播理论得到位移的表达式

(8-SEQ(8-\*ARABIC1)

式中u是时间t的位移,C0是弹性纵波速度,是应变,输入杆界面上的位移u1,不仅包括沿X正向传播的入射应变脉冲,同时也包括在X负方向传播的反射应变脉冲。因此

(8-SEQ(8-\*ARABIC2)

类似的,输出杆截面上的位移u2是由透射应变脉冲造成的。因此

(8-SEQ(8-\*ARABIC3)

试件中的平均应变

(8-SEQ(8-\*ARABIC4)

式中,l0为试件的初始长度,如果假设通过短试件的应力是常量,这就意味着试件长度,即

(8-SEQ(8-\*ARABIC5)

代入方程(8-4)中,得

(8-SEQ(8-\*ARABIC6)

试件两端的荷载分别是

因此试件中的平均应力

(8-SEQ(8-\*ARABIC7)

式中E是压杆的弹性模量,A1/AS是压杆与试件的截面比。利用(8-5)上式可以简化为

(8-SEQ(8-\*ARABIC8)

试件的平均应变率为

(8-SEQ(8-\*ARABIC9)

由于MARC不适合瞬态动力响应,这里用ABAQUS软件计算。在这里采用显式算法的ABAQUS/Explicit中的Johnson-Cook模型。Johnson

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