霍普金森杆实验技术简介

霍普金森杆实验技术简介

1．材料动态力学性能实验简史

在各类工程技术、军事技术和科学研究等广泛领域的一系列实际问题中，甚至就在日常生活中，人们都会遇到各种各样的爆炸/冲击载荷问题，并且可以观察到，物体在爆炸/冲击载荷下的力学响应往往与静载荷下的有显著不同。了解材料在冲击加载条件下的力学响应必将大大有助于这些材料的工程应用和工程设计。此外，数值模拟已在工程设计中发挥着重要作用，而进行数值模拟的前提是必须首先建立一个基于材料在各种应变率下（尤其是在动态应变率下）的精确应力－应变曲线基础上的本构模型。所以，获得一套材料在高应变率下的应力—应变曲线则成为首要任务。尽管人们已经研制了多种动态实验技术，但是，与准静态实验相比，进行有效并准确的高应变率下的动态实验依然是一个很大的挑战。因此，为得到有效并准确的材料的应变率相关的应力—应变曲线，研制高效的、精确的高应变率实验装置是非常重要的。

首先，人们知道，固体力学的静力学理论所研究的是处于静力平衡状态下的固体介质，以忽略介质微元体的惯性作用为前提。这只是在载荷强度随时间不发生显著变化的时候，才是允许和正确的。而爆炸/冲击裁荷以载荷作用的短历时为其特征，在以毫秒（ms）、微秒（?s）甚至纳秒（ns）计的短暂时间尺度上发生了运动参量（位移、速度、加速度）的显著变化。在这样的动载荷条件，介质的微元体处于随时间迅速变化着的动态过程中，这是一个动力学问题。对此必须计及介质微元体的惯性，从而就导致了对应力波传播的研究。

一切固体材料都具有惯性和可变形性，当受到随时间变化着的外载荷的作用时，它的运动过程总是一个应力波传播、反射和相互作用的过程。在忽略了介质惯性的可变形固体的静力学问题中，只是允许忽略或没有必要去研究这一在达到静力平衡前的应力波的传播和相互作用的过程，而着眼于研究达到应力平衡后的结果而已。在忽略了介质可变形性的刚体力学问题中，则相当于应力波传播速度趋于无限大，因而不必再予以考虑。对于爆炸/冲击载荷条件下的可变形固体，由于在与应力波传过物体特征长度所需时间相比是同量级或更低量级的时间尺度上，载荷已经发生了显著变化，甚至已作用完毕，而这种条件下可变形固体的运动过程常常正是我们关心所在，因此就必须考虑应力波的传播过程。其次，强冲击载荷所具有的在短暂时间尺度上发生载荷显著变化的特点，必定同时意味着高加载率或高应变率。一般常规静态试验中的应变率为10-5～10-1 s-1量级．而在必须计及应力波传播的冲击试验中的应变率则为102～104 s-1，甚至可高达

107s-1，即比静态试验中的高多个量级。大量实验表明，在不同应变率下，材料的力学行为往往是不同的。从材料变形机理来说，除了理想弹性变形可看作瞬态响应外，各种类型的非弹性变形和断裂都是以有限速率发展、进行的非瞬态响应（如位错的运动过程，应力引起的扩散过程，损伤的演化过程，裂纹的扩展和传播过程等等)，因而材料的力学性能本质上是与应变率相关的。通常表现为：随着应变率的提高，材料的屈服极限提高，强度极限提高，延伸率降低，以及屈服滞后和断裂滞后等现象变得明显起来等等。因此，除了上述的介质质点的惯性作用外，物体在爆炸/冲击载荷下力学响应之所以不同于静载荷下的另一个重要原因，是材料本身在高应变率下的动态力学性能与静态力学性能的不同，即由于材

料本构关系对应变率的相关性。从热力学的角度来说，静态下的应力-应变过程接近于等温过程，相应的应力应变曲线可近似视为等温曲线；而高应变率下的动态应力-应变过程则接近于绝热过程，因而是一个伴有温度变化的热-力学耦合过程，相应的应力应变曲线可近似视为绝热曲线。这样，如果将一个结构物在爆炸/冲击载荷下的动态响应与静态响应相区别的话，则实际上既包含了介质质点的惯性效应，也包含着材料本构关系的应变率效应。

然而从19世纪开始人们才逐步认识到了材料在动载下的力学性能与其在静载下的力学性能不同。Thomas Young是分析弹性冲击效应的先驱，他(1807)提出了弹性波的概念，指出杆受轴向冲击力以及梁受横向冲击力时可从能量进行分析而得出定量的结果。

J. Hopkinson 1872完成了第一个动态演示实验（如图1所示），铁丝受冲击而被拉断的位置不是冲击端A，而是固定端B；并且冲击拉断的控制因素是落重的高度，即取决于撞击速度，而与落重质量的大小基本无关。

Pochhammer, 1876; Chree, 1886 Rayleigh,Lord 1887分别研究了一维杆中的横向惯性运动。

1897年Dunn 设计了第一台高应变率试验。

1914年,B.Hopkinson想出了一个巧妙的方法，用以测定和研究炸药爆炸或子弹射击杆端时的压力～时间关系。所采用的装置被称为Hopkinson压杆（Pressure Bar），有时缩写为HPB。

二战之前，很少有人研究动态压缩加载问题，只是G..I. Taylor 在三十年代末想出了一个方法来测量材料的动态压缩强度。Taylor 方法主要是假设材料是刚性——理想塑性，运用一维波传播的基本概念，用一个圆柱撞击刚性靶，然后测出其变形，最后得到材料动态压缩屈服应力。

1948年Davies 分析了Hopkinson杆中的应力波传播并发明了用电容方法测量杆中的应力脉冲。

Kolsky（1949）把Hopkinson压杆首先变成分离式并用以研究材料在高应变率下的动态力学行为及其数学模型—材料动态本构关系，成功地发展了分离式Hopkinson压杆（简称SHPB，有时也称Kolsky杆）技术。

50年代，人们用实验检验了St. Venant原理，这样便可以用贴在杆表面的应变片来测量杆中的应变脉冲。

在动态实验设备方面还先后发展了落锤和轻气炮。落锤装置主要由一个落锤和一个大质量的基础组成。它可以完成中等应变率的压缩实验。它的一个突出缺点是在这种实验中既不能实验恒定载荷，也不能实现恒应变率。利用轻气炮可以进行平板正撞实验和斜板撞击实验，可以研究一维应变状态和高应变率下的材料动态性能，方便研究一维纵波（压力波）和一维横波（剪切波）在试件材料中的传播特性以及材料在这两种应力波作用下的变形和破坏规律。其缺点是设备复杂，运行成本高。

2．分离式霍普金森杆实验技术的产生

2.1 1872年J. Hopkinson铁丝冲击拉伸试验

1872年J. Hopkinson 完成了弹性波研究方面的一个著名实验?——一端固定的铁丝冲击拉伸实验。图1是其实验装置草图。铁丝上端固定，下端接一托盘，一空心质量块套在该铁丝上，由上向下运动，当其运动到铁丝的下端，被托盘接住，形成对铁丝的冲击拉伸。J. Hopkinson 研究了杆（丝）中应力波传播的理论，得到了不同加载条件下铁丝断裂强度的实验结果。J Hopkinson通过变化落体的质量和速度来研究铁丝究竟加载端（下端）还是在反射端（上端）断裂。结果表明能冲断下端铁丝的冲击速度的一半就足以冲断上端铁丝，冲击拉断的主要控制因素是落体的高度，即取决于撞击速度，而不是落体的质量。这项研究从理论和实验两方面增强了人们对波在杆中传播规律及其在界面透、反射规律的理解。

2.2 1914年B. Hopkinson在霍普金森压杆方面的杰出工作

1905年B. Hopkinson继续他父亲J. Hopkinson的研究工作。他加长了铁丝的长度，给出了波在其中传播的分析表达式。进而他设计了一个实验，用一接触块和弹道计（摆）来测量铁丝的瞬间伸长，通过多次试验就可以准确确定铁丝的伸长量。这个试验为后来的霍普金森压杆的研制奠定了基础。1914年，B. Hopkinson 完成了霍普金森压杆的实验设计，并用以测定和研究了炸药爆炸或子弹射击杆端时的压力～时间关系。Hopkinson 观察到“如果用来复枪（rifle）发射一子弹撞击一圆柱形钢杆的端部，则在撞击期间，有一确定的压力作用在杆的端部，形成一个压力脉冲。这个撞击引起的压力脉冲沿着杆传播，在自由端发生反射产生一个拉伸脉冲。”他还指出如何用一与压杆（主杆）材料相同，直径相同的短杆捕捉入射波的动量，而飞离主杆。如图2所示，飞片（短杆）的动量由弹道摆测得，而留在杆内的动量则可由杆的摆动振幅来确定。显然，当飞片长（厚度）度等于或大于压力脉冲长度的一半时，压力脉冲的动量将全部陷入飞片中，从而当飞片飞离时，杆将保持静止。因此，变化飞片的长度，求得其飞离时而杆能保持静止的最小长度l0，就可求得压力脉冲的长度?=2l0，或压力脉冲的持续时

间?=?/C0=2l0/C0。这种测量压力脉冲的方式迅速在一战中得到了广泛的应用。

2.3 1948年Davies在霍普金森压杆压力波形检测与分析方面的杰出工作

在霍普金森压杆发明后三十多年中，这项实验技术并没有得到更多的关注。直到1948年 Davies首次用平行板电容器和圆柱形电容器测量压杆的轴向位移和径向位移（图3所示），这项实验技术才又取得了关键性进展。除了测量压杆的轴向和径向位移之外， Davies还首次详尽讨论了霍普金森压杆的一些局限性，如弥散问题。另外原始的霍普金森压杆还存在两个主要缺陷：（1）压杆与飞片之

间的粘附力的存在限制了对最小压力值的精确测量；（2）无法得到压力时间曲线（历史）。Davies指出杆端的质点速度和位移之间的关系，通过测量位移时间关系，可发计算出杆中的压力时间关系。Davies强调了几个重要的问题：（1）杆材料是均匀的，杆中所受应力均不超过材料的比例极限；（2）杆的直径是均匀的；（3）撞击端可以被一短的硬的砧垫保护；（4）少许油脂粘住砧垫；（5）所用杆长范围为2至22英尺；（6）通常情况下杆直径为0.5~1.5英寸。（7）杆中纵波速度由振动技术测得。由圆柱形电容器测得的向位移，由平行板电容器测得杆端的轴向位移，由它们分别计算出杆中的轴向和径向压力时间曲线。

2.4 1949年Kolsky在分离式霍普金森压杆方面的奠基性工作

1949年，即在Davies发表关于霍普金森压杆的重要文章后一年，Kolsky发表了他关于分离式霍普金森压杆的奠基性文章。他将霍普金森压杆实验中的飞片加厚（加长），并称之为扩展杆（extension bar）（现称为透射杆或输出杆）。并用它首次研究了几种材料（聚乙烯、橡胶、有机玻璃、铜、铅）的动态力学性能。他将被试材料制成圆形薄片试件，置于压杆与扩展杆之间，压力脉冲在试件界面上发生透、反射，他也采用Davies测量杆轴向、径向位移的方法，用平行板电容器和圆柱形电容器测量杆的轴向和径向位移。图4是分离式霍普金森压杆草图。它的主要部分与Davies的霍普金森压杆相类似只是多了一根扩展杆，其长度分别为4英寸，6英寸，8英寸。试件置于压杆与扩展杆之间，用一黄铜轴套帮助将压杆、试件和扩展杆联接在一起。Kolsky假设（1）平面压缩波（脉冲）在线性圆柱形杆中传播时没有弥散，这样它的速度为，式中杆中波传播速度，E为材料的弹性模量，为材料质量密度；（2）轴向压力在每个横截面上都均匀分布。在实际问题中径向应力是沿半径线性分布的，只有当所传播的应力波长远大于杆的半径，这个假设才能成立。在这两个假设（一维假设）之下，杆中压力（应力）可用下式计算：，为杆中应力，杆所求点的质点速度。自由端界面上的质点速度是杆中质点速度的2倍。平行板电容器测得的是杆自由端的位移，并据此计算出自由界面上的质点速度，进而算得杆中的质点速度。在此讨论基础上，再假设试件很薄，整个试件中（沿轴向和径向）应力、应变均匀（动态应力均匀假设），Kolsky推导了我们现在仍在用的霍普金森压杆实验试件中应力、应力和应变率的计算方法。Kolsky工作的重要性在于他改进了霍普金森压杆，加了一根扩展杆成为我们今天所说的分离式霍普金森压杆。扩展了霍普金森压杆的用途，使之成为研究材料动态力学性能的一种重要手段。

自Kolsky发明分离式霍普金森压杆（SHPB）以来，它已被普遍认为是测试多种材料，例如金属、陶瓷、岩石、混凝土、复合材料、橡胶等在高应变率下力学响应的一种行之有效的实验手段。分离式霍普金森压杆技术可以获得材料在102－104 1/s应变率范围内的应力－应变曲线。对有些材料可获得101 1/s应变率下的应力－应变曲线。

3．分离式霍普金森杆特点及基本原理

特点：如前所述，结构物在爆炸/冲击载荷下的动态响应与静态响应的区别实际上包含了介质质点的惯性效应（波传播）和材料本构关系的应变率效应。

研究材料在高就变率下的动态力学行为时，与研究材料在准静态力学行为时不同，一般必须计及这最基本的两类效应。问题的核心在于如何区分这两类效应，因为就材料的动态力学行为研究本身而言，研究的目的只是材料的应变率效应。然而，这两类效应恰好常常相互联系，相互影响，相互耦合，从而使问题变得十分复杂。事实上，一方面，在应力波传播的分析中，材料动态本构方程（材料动态力学行为）是建立整个问题基本控制方程组所不可缺少的组成部分;换言之，波传播的研究是以材料动态本构关系已知为前提的;而另一方面，在进行材料高应变率下动态本构关系试验研究时，一般又必须计及试验装置和试件中的应力波传播及相互作用，换言之，在材料动态响应研究中又要依靠所试验材料中应力波传播的知识来分析。人们就遇到了“狗咬尾巴”或者“先有鸡还是先有蛋”的怪圈。

解决这个问题的核心思想之一是设法将应力波效应和应变率效应解耦。霍普金森杆实验技术就是这个思想。在霍普金森杆装置中，子弹（撞击杆）、输入杆（入射杆）、输出杆（透射杆）均要求处于弹性状态，且一般要求具有相同的直径和材质，即弹性模量E，波速C0和波阻抗ρ0C0均相同。这种技术巧妙地解决了这个“狗咬尾巴”的问题。一方面，对于同时起到冲击加载和动态测量双重作用的入射杆和透射杆，由于始终处于弹性状态，允许忽略应变率效应而只计及应力波传播;并且只要杆径小得足以忽略横向惯性效应，就可用一维波理论来分析。另一方面，对于夹在两杆之间的试件，由于长度足够短，使得应力波在试件两端间传播所需时间与加载总历时相比小得足以把试件视为处于均匀变形状态，从而允许忽略试件中的应力波效应，只计及应变率效应。这样这两个效应就解耦了。对于试件而言，就相当于高应变率下的“准静态”试验，对于杆而言，相当于由杆中波传播信息反推相邻短试件材料的本构响应。这就是霍普金森杆技术的主要特点，它能使惯性效应和应变率效应解耦。

主要组成及基本原理

图5为现代常规霍普金森压杆示意图

它由气枪（炮，或称发射装置）、子弹、入射杆、透射杆、能量吸收装置和数据采集系统组成。试件被夹在入射杆和透射杆之间。子弹(一根短杆)受高压气体推动，从发射装置中以一定速度(由测速仪测出)射出，撞击入射杆，在入射杆中形成一个压力脉冲，即入射波(由贴在入射杆上的电阻应变片测得)，压力脉冲在入射杆中向前传播，当传至入射杆与试件界面时，由于试件材料和透射杆材料的惯性效应，整个试件将被压缩。同时，由于杆与试件之间的波阻抗差异，入射波

被部分反射为反射波重新返回入射杆，而另一部分则透过试件作为透射波进入透射杆。反射波还由贴在入射杆上的电阻应变片测得，透射波由透射杆上的电阻应变片测得，由测得的入射波、反射波和透射波就可以处理得到材料的变形和破坏情况，获得材料的动态力学性能数据。

在整个实验中，要求试件的横截面积总是不大于杆的横截面积。另外，要求入射杆足够长（大于两倍子弹长度）以避免入射波与反射波重叠，并在实验时保证杆材料始终处于弹性范围内。为提高实验精度，还要求在整个实验中杆与试件的接触面必须保持平整和相互平行。

图6是用常规霍普金森压杆对聚胺脂泡沫材料试件实验时的一组典型的入射波、反射波和透射波波形。

依据一维应力波理论，试件的应变率、应变和应力历史可分别用下列公式计算：式中：为试件中材料的应变率，，和分别为杆中入射、反射和透射的应变历史（就变—时间关系）；为杆的横截面积；和为杆材料的杨氏模量和弹性波波速；和分别为试件的原始横截面积和长度。当试件中应力达到均匀时，有

则公式（1）－（3）可以简化为

因此，利用公式（5）—（7）就可以方便地得到材料的应力—应变数据。但是要得到有效并精确的数据，下列霍普金森压杆的假设必须得到满足：

1）压杆中的波传播必须是平面一维的，因为应变片所测得的杆的表面应变通常代表压杆整个横截面上的轴向应变。

2）试件中的应力和应变均处于均匀状态。

此外，为保证得到有效的应力—应变数据，还应该使试件中的应变随时间线性变化，即试件的变形是在恒应变率的条件下进行的。

由上述公式可得到试件材料在某一应变率下的应力-应变曲线。

4.分离式霍普金森杆实验主要技术点

4.1试件中的动态应力均匀性问题

试件中的应力（应变）均匀是分离式霍普金森杆实验技术的基本假设之一。应力（应变）均匀化受诸多因素影响。主要包括试件与杆件的波阻抗之比；试件的厚度；加载脉冲的形状。一般认为：应力波（脉冲）至少应在试件中传4个来回以后，试件中的应力基本要认为是均匀的，而相应所需的时间则由试件长度和试件材料的波速确定。只有在试件中达到应力均匀后，相应的数据才是有效的。

因此，为了尽快地达到应力平衡，得到有效的实验结果，减小试件的厚度是必要的。但是，试件的厚度不可无限制地减小，否则由于试件端面摩擦效应等的影响将使试件中的应力状态大大偏离一维应力假定。此外，还有一些外在因素限制了试件尺寸不能无限减小，例如，泡沫塑料材料中泡孔尺寸的限制，生物材料中细胞尺寸的限制，以及混凝土材料中骨料尺寸的限制等。

此外，如果仅仅减小试件的厚度，而不控制加载率也是难以达到应力均匀的。

4.2一维应力及几何弥散问题

霍普金森压村实验技术的基本理论是一维应力波理论。要保证一维假设成立就要求：

（1）杆材均匀各向同性，这可以通过合理选材可以达到。

（2）在整个长度上，横截面均匀，轴线无明显弯曲。这可以通过无心磨加工做到。

（3）加载应力小于材料的比例极限，这可以通过控制加载波的幅值做到。（4）横截面上轴向应力均匀。根据Davies的工作，只要杆长大于20倍的杆径，便可满足这个条件。

（5）可以忽略几何弥散的影响。一维纵向应力波理论的核心是杆的平截面在变形后仍保持为平截面，并在平截面上只作用着均布的轴向应力。这时实际上忽略了杆中质点横向运动的惯性作用，即忽略了杆的横向收缩或膨胀对动能的贡献。横向惯性运动导致了应力波在杆中传播时发生几何弥散。当波沿杆传播时，几何弥散是不可避免的。是否可以忽略几何弥散效应或者在要求的精度内对弥散进行修正是是否可以将杆中传播的应力波看作为一维纵波的关键。Pochhammer和Chree是这个问题的两位最早的研究者，几何弥散所引起的波形振荡也称为P－C 振荡。当杆的半径a与波长λ之比小于、等于0.7时，采用Rayleigh修正（）能给出足够好的近似，但对于波长更短的波，就必须讨论更复杂的Pochhammer －Chree精确解了。新近发展起来的脉冲整形技术从物理上可以基本消除几何弥散引起的波形振荡。

需要注意的是，采用细长杆和对杆中的波的弥散进行修正不能消除或减少试件中的二维效应。在霍普金森压杆实验中，试件的面积通常要小于杆的面积，而这种试件与杆之间的面积失配会带来显著的二维效应，同时试件与杆之间的摩擦也将增加试件中的二维效应。优化试件的长径比和改善试件与杆之间的润滑条件可以减少试件的二维效应。因此，首先必须针对这些效应优化试件的长径比。

4.3恒应变率问题

在理想的霍普金森压杆实验中，试件应该是恒应变率变形。这样才能研究材料力学行为对应变率的敏感性。对于那些应变率敏感材料，在整个加载过程中保持恒定应变率显得尤为重要。但是在常规霍普金森压杆实验中，子弹的撞击在入射杆中产生一个梯形的入射脉冲。由于试件在变形过程中横截面的增加和试件材料的应变硬化，应变率则必然会随时间减小以致于不能在整个实验中保持为一恒定值。这是常规霍普金森压杆实验中的另一不足之处。最近兴起的脉冲整形技术可以弥补这一不足。按照一维应力波理论及短试件假设，霍普金森杆实验中试件发生变形的应变率与入射杆中传播的从杆－试件界面反射的反射波的幅值成正比，因而反射波水平便可说明试件在此时间内以恒应变率变形。

4.4试验精度问题

霍普金杆的试验精度是值得我们关心的问题，对于破坏变形很小的材料，精度就显得尤为重要，这主要受子弹、杆系的同轴度、直线度、断面平行度和垂直度的影响。我们经过多年的努力，已基本上较好的解决了上述四个问题。特别是采用高精度导轨和中心滚动支承系统，使全霍普金杆系统具有统一基准，较好地解决了试验精度问题，并使试验显得更为方便易行。

5.霍普金森拉杆

材料的动态力学性能的研究愈来愈引起人们的重视。为了这种研究, 百年来人们相继提出了一系列专用于测试材料动态力学性能的冲击加载装置, 其中分离式霍普金森（Hopkinson）压杆(SHPB)因其结构简单，运行成本低廉获得了广泛的

应用。诸多学者利用其研究了多种材料（金属、非金属、岩石、陶瓷、混凝土等）在单向压缩情况下的动态力学性能。但是，随着拉压性能不对称材料的广泛使用，研究材料动态拉伸性能的需求不断增加，人们开始着手研制类似于霍普金森压杆的动态拉伸装置。

六十年代以来, 曾有不少学者做过这方面的研究。其中块-杆型和间接式杆－杆型装置是典型动态拉伸装置，(如图１、２所示)它包括摆锤式和旋转圆盘式，中国科大冲击拉伸实验室拥有类似设备。它们是通过安装在摆锤端部或旋转圆盘边缘的钳状打击块，瞬时打击杆端的突出部位（法兰盘）形成在杆中传播的拉伸脉冲。图6所示装置能获得很高的应变率，但入射脉冲不平稳，不能得到应力－应变曲线，无法进行高低温的冲击拉伸试验。图7所示装置克服了上述缺点，并且增加了波形整形功能。但是无论采用摆锤还是旋转圆盘都因其结构复杂、加工精度高，造价高, 不利于推广。因此人们希望通过对已有的SHPB 装置进行适当改造，从而研制出简单的动态拉伸装置

也在６０年代,Harding 等人研制了套管式霍普金森拉杆装置, 它是利用拉杆外面的套管传播套管子弹撞击所产生的压缩波, 并通过联结点转换为输入拉杆中的拉伸波, 直接对试件实施冲击拉伸。由于有套筒套在拉伸杆和试件之外，因此在试验中不能对试件状态进行实时观察，由于中间环节多，或多或少地影响着波形质量。1981年Nicholas 提出了反射式霍普金森拉杆装置。与压杆类似，子弹打击入射杆形成压缩脉冲，试件位于入射杆与透射杆之间，外加肩套。当压缩脉冲传到拉伸试件时由套在试件外的肩套承受并使脉冲传过肩套至透射杆。压缩脉冲到达透射杆自由端时反射为拉伸脉冲,回头传到试件处对试件进行拉伸，故称之为反射式霍普金森拉杆装置。这种方式除了不能实时观察试件外，还不易准确知道试验过程中试件是否受压过。1991年Staab 和Gilat 提出了预拉式霍普金森拉杆装置, 它是在输入拉杆中间安装一套夹具, 由它夹紧拉杆, 再预拉该拉杆的一端, 随后突然松开夹具, 使储存在输入杆前半段的巨大拉伸能量瞬间释放, 产生拉伸波。虽说这套装置能产生比较好的拉伸波波形, 但它对夹具的要求很高。2000年Nemat-Nasser研制出带有吸收杆，能实现单次加载的直接拉伸式杆－杆型霍普金森拉杆装置，它与压杆不同之处主要在于这种装置是用一沿入射杆运动的管状子弹打击入射杆端的法兰盘直接在入射杆中形成拉伸波，以后的传播特性与压杆中的压缩波完全类似，这种方法比较简单易行，并且可以实时观察试件。西北工业大学、炮兵学院的霍普金森拉杆都采用了这类设计。至此，就设计思想而言，霍普金森拉杆的设计已经比较完善。但是具体结构设计还有不少问题需要解决。突出的问题是试件的连接问题和入射杆法兰盘端下垂的问题。第一个问题现在还没有很好的办法，处理方式大约有三种，但没有一种能理想地解决问题，更好的方法我们正在研究之中;第二个问题我们已经很好地解决。

6.附图

图8 美国亚利桑那大学霍普金杆压杆系统

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霍普金森杆实验技术经验简介

霍普金森杆实验技术简介 1．材料动态力学性能实验简史 在各类工程技术、军事技术和科学研究等广泛领域的一系列实际问题中，甚至就在日常生活中，人们都会遇到各种各样的爆炸/冲击载荷问题，并且可以观察到，物体在爆炸/冲击载荷下的力学响应往往与静载荷下的有显着不同。了解材料在冲击加载条件下的力学响应必将大大有助于这些材料的工程应用和工程设计。此外，数值模拟已在工程设计中发挥着重要作用，而进行数值模拟的 ns） 量 ，即比 应变率的提高，材料的屈服极限提高，强度极限提高，延伸率降低，以及屈服滞后和断裂滞后等现象变得明显起来等等。因此，除了上述的介质质点的惯性作用外，物体在爆炸/冲击载荷下力学响应之所以不同于静载荷下的另一个重要原因，是材料本身在高应变率下的动态力学性能与静态力学性能的不同，即由于材料本构关系对应变率的相关性。从热力学的角度来说，静态下的应力-应变过程接近于等温过程，相应的应力应变曲线可近似视为等温曲线；而高应变率下的动态应力-应变过程则接近于绝热过程，因而是一个伴有温度变化的热-力学耦合过程，相应的应力应变曲线可近似视为绝热曲线。这样，如果将一个结构物在爆炸/冲击载荷下的动态响应与静态响应相区别的话，则实际上既包含了介质质点的惯性效应，也包含着材料本构关系的应变率效应。 然而从19世纪开始人们才逐步认识到了材料在动载下的力学性能与其在静载下的力学性能不同。ThomasYoung是分析弹性冲击效应的先驱，他(1807)提出了弹性波的概念，指出杆受轴向冲击力以及梁受横向冲击力时可从能量进行分析而得出定量的结果。

J.Hopkinson1872完成了第一个动态演示实验（如图1所示），铁丝受冲击而被拉断的位置不是冲击端A，而是固定端B；并且冲击拉断的控制因素是落重的高度，即取决于撞击速度，而与落重质量的大小基本无关。 Pochhammer,1876;Chree,1886Rayleigh,Lord1887分别研究了一维杆中的横向惯性运动。 1897年Dunn设计了第一台高应变率试验。 1914年,B.Hopkinson想出了一个巧妙的方法，用以测定和研究炸药爆炸或子弹射击杆端时的压力～时间关系。所采用的装置被称为Hopkinson压杆（PressureBar），有时缩写为HPB。 二战之前，很少有人研究动态压缩加载问题，只是G..I.Taylor在三十年代末想出了一个方法来测量材料的动态压缩强度。Taylor方法主要是假设材料是刚性——理想塑性，运用一维波传播的基本概念，用一个圆柱撞击刚性靶，然后测出其变形，最后得到材料动态压缩屈服应力。 1948 称 50 2 2.1 图1 （丝）2.2 1905 长，通过多次试验就可以准确确定铁丝的伸长量。这个试验为后来的霍普金森压杆的研制奠定了基础。1914年，B.Hopkinson完成了霍普金森压杆的实验设计，并用以测定和研究了炸药爆炸或子弹射击杆端时的压力～时间关系。Hopkinson观察到“如果用来复枪（rifle）发射一子弹撞击一圆柱形钢杆的端部，则在撞击期间，有一确定的压力作用在杆的端部，形成一个压力脉冲。这个撞击引起的压力脉冲沿着杆传播，在自由端发生反射产生一个拉伸脉冲。”他还指出如何用一与压杆（主杆）材料相同，直径相同的短杆捕捉入射波的动量，而飞离主杆。如图2所示，飞片（短杆）的动量由弹道摆测得，而留在杆内的动量则可由杆的摆动振幅来确定。显然，当飞片长（厚度）度等于或大于压力脉冲长度的一半时，压力脉冲的动量将全部陷入飞片中，从而当飞片飞离时，杆将保持静止。因此，变化飞片的长度，求得其飞离时而杆能保持静止的最小长度l0，就可求得压力脉冲的长度?=2l0，或压力脉冲的持续时间?=?/C0=2l0/C0。这种测量压力脉冲的方式迅速在一战中得到了广泛的应用。

霍普金森压杆Hopkinson压杆

100mm/75mm/50mm/20mm霍普金森压杆Hopkinson压杆 一、Hopkinson压杆构成 霍普金森多功能压杆设备主要由储气设备、发射系统、杆系与子弹、量测系统、中心支撑部件、基础导轨、缓冲装置和辅助设备等组成。 1 、发射系统：由储气室、发射体、汽缸、活塞、联接体、支承座、多种可更换炮管、反后座支架等组成。压力最高可达 5.8MPa ，炮管内径可实现为Φ 7 5 ，Φ 20 等多种规格，长度为3m 。 2 、杆系与子弹：分两种材料： （1）弹簧钢，热处理，规格Φ 7 5 ，Φ 20 ，最大长度3m 。 （2）超硬铝LC4 规格Φ 7 5 ，Φ 20 ，最大长度3m 。 3 、中心支撑部件：由基座、三向移动锁定定位机构、高精度轴承、压盖、手动机构等构成。主要特点在统一基准导轨下可使不同直径杆系沿轴向运动为滚动摩擦。滑动轻快，自调整极其方便。 4 、基础导轨：由多根铸铁地轨、地脚调节装置等拼合组成的一条整体导轨。使用专用技术，使导轨在安装好后，形成两个基准：一个是侧基准，一个是水平基准，可使发射装置、杆系、支撑部件等在同一基准下工作，大大提高调试工作效率。整体基准直线度可控制在0.04/m 以内。 二、系统指标： 1 、压力范围：0.2~5.8MPa 2 、杆系直径：两种：Φ 7 5 ，Φ 20 。 3 、子弹速度：≤ 40m /s 4 、杆件材料：弹簧钢、超硬铝LC4 ，均热处理。 5 、导轨长度：12.4m 6 、适用杆件直径范围：Φ 20 ~ Φ 75

三、动态压缩试验 1测试系统 传统的Hopkinson压杆测试系统包括有：加载系统、动态应变仪、数据记录与采集系统和数据分析计算系统，如图1所示。 图1 分离式Hopkinson压杆实验原理图 1.1.2测试原理 Hopkinson压杆装置的核心部分是两段分离的弹性波导杆，即输入杆和输出杆，试样夹在两杆之间。加载脉冲由撞击杆撞击输入杆的端部产生。撞击杆在压气枪中由高压气体的推动作用被加速到一定的撞击速度，以此速度撞击输入杆的端部，产生一个持续时间取决于撞击杆长度的入射弹性压力脉冲。当初始的压力脉冲经撞击杆的自由端反射成为一个拉力脉冲并回到撞击面时，撞击杆就完成了对输入杆的卸载，因而在输入杆中将产生波长为撞击杆长度两倍的入射应力波。当输入杆中的入射应力波到达试样时，一部分由于杆和试样横截面积不等和波阻抗不匹配而反射回输入杆形成反射应力波，另一部分则穿过试样到达输出杆形成透射应力波，透射应力波再由吸收杆捕获，最后由能量捕收器吸收。装置见图如图1所示。 1.2 动态拉伸试验 1.2.1测试系统 图2 改进的Hopkinson杆测试系统

霍普金森压杆实验中的脉冲整形技术——笔记

1、霍普金森压杆实验中的一些问题的现状: 关于霍普金森压杆技术有效性的讨论过去主要集中试件的尺寸效应，波在杆中的二维弥散修正等。 实验过程中试件是否处于应力均匀状态以及试件是否以恒应变率变形这两个问题上所给予的关注并不多，或者说还没有找到一个非常可行的方法来解决这两个问题。 2、常规霍普金森压杆技术所遇到的问题： 要得到有效并精确的数据，下列霍普金森压杆的假设必须得到满足： 1）压杆中的波传播必须是平面一维的，因为应变片所测得的杆的表面应变通常代表压杆 整个横截面上的轴向应变。 2）试件中的应力和应变均处于均匀状态 3）此外，为保证得到有效的应力—应变数据，还应该使试件中的应变随时间变化的历史也是均匀的，即试件的变形是在恒应变率的条件下进行的。 所对应的问题： 1）二维波动效应(或称为波的弥散效应) 2）在高应变率霍普金森压杆实验中，加载的上升时间在10μs左右，高速撞击将导致明显的应力波传播效应（纵向惯性效应），低应变率下的试件中应力均匀性的结论不再成立，因而这时的试件也不可能处于实际的应力均匀状态 3）在常规霍普金森压杆实验中，子弹的撞击在入射杆中产生一个梯形的入射脉冲。由于试件横截面的增加和试件材料的硬化，应变率则会随时间减小以致于不能在整个实验中保持为一恒定值 3、常规霍普金森压杆对不同材料测试时存在的主要问题： 3.1金属类材料： 因为金属的弹性行为发生在非常小的变形下，在这样的小变形下，要得到精确的实验数据，因弥散效应引起的波的振荡问题和试件中应力均匀性是必须要考虑的敏感问题。 3.2脆性材料： 首先，在霍普金森压杆实验中必须保持脆性材料试件两个端面严格平行以增加实验数据的精度，因为试件端面的不平行或不平整都可能导致局部失效和应变测量的不精确。 其次，常规霍普金森压杆实验中陡峭的梯形脉冲也导致脆性试件在小变形下的严重应力不均匀。 此外，经典的梯形入射脉冲还会导致脆性材料试件非恒应变率变形。 可以概括地说，对这样的脆性材料而言，常规霍普金森压杆已不能满足在脆性材料实验中恒应变率和应力均匀性的要求以致于难以获取有效的动态实验结果。 此外，在对脆性材料尤其是高强度脆性材料进行动态实验时还面临着另一个挑战。如果 陶瓷材料的强度远高于杆材料的强度，在实验过程中陶瓷试件可能会侵彻到杆中。 3.3软聚合物材料： 首先，由于软材料试件的波阻抗远远小于金属杆的波阻抗，这样就导致透射信号非常微弱以致于杆表面的常规电阻应变片难以达到精确的测量。 其次，与金属材料相比，软材料中的波速极低。需要比在金属材料中长得多的时间才能在软材料试件中达到应力均匀。试件中应力的不均匀也会导致在试件中应变的不均匀，从而使得

霍普金森压杆试验-sillyoranger

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

霍普金森压杆测试系统

霍普金森压杆测试系统 系统简介 霍普金森压杆测试系统主要由霍普金森压杆试验装置（包括平台支架、气室及发射气动机构、输入杆/输出杆/阻尼杆、围压气动装置等）、超动态应变高速数据采集仪及配套的专用霍普金森压杆测试分析软件有机构成。下面由四川拓普测控科技有限公司介绍一下该系统。它用于测试材料在动态打击状态下的应力应变特性并得到在此应变率下的应力应变曲线。 系统特点 ★多功能性的系统 使用同一套压杆系统，可以快速将炮管换成需要试验的炮管，可实现多种规格杆件试验。调整方便快捷，为用户节省大笔费用。 ★高效便捷的系统 由专有技术拼合成的组合式高精度导轨，可任意接长或缩短，具有侧向和平面高精度统一基准，可使发射系统（包括各种炮管）、杆件（各种杆径）在同一基准下任一位置调试安装，极大节约调试时间，操作方便，实验重复精度高。

★标准化的系统模块 无论发射系统、中心支撑装置，还是导轨，全部采用标准模块化结构，不同的试验设备，都可以通过数量增减而达到试验要求，便于降低成本，有效利用设备功能，易于推广。 ★优越的高速同步数据采集 系统中高速同步数采选用本公司目前业界领先、具有高度自主知识产权的高速同步数据采集设备，具有高速采样率、高同步性、高精度，低噪声，低失真和测试信号范围宽的特点，能够及时、精细地捕捉到高频、瞬时的超动态应变信号。 ★灵活、专业的分析软件 系统配套专用分析软件D-Wave，从数据读取、处理到分析结果，过程完全自动化。具有自动计算结果、三种数据（入射波、反射波、透射波）计算方法、波形平滑、数据有效性验证、多种数据波形选取、多种数据形式输出等功能。能够全面应对复杂的数据分析任务。 ★可扩展性强 系统具有很强的扩展性，还可增加辅助设备。 ★无法拒绝的高性价比 拓普测控强大的研发动力和虚拟仪器平台自有的知识产权，让您能够以低于进口仪器的价格，购买到比肩进口仪器性能的仪器。 典型应用 ★材料动态力学性能测试 塑料、复合材料、泡沫材料、减震材料、粘结层、纤维等多种材料试验；岩石、混凝土、陶瓷材料试验；高聚物、炸药、固体推动剂材料试验；压缩，拉伸和剪切试验等。 ★其它力学、应变测试 爆炸冲击动力学实验测试分析；弹性力学试验测试分析；动态应变/超动态应变信号测试分析。

霍普金森压杆操作规程

霍普金森压杆设备操作规程 一．开机准备 1．连接之前进行检查： 【氮气瓶的检查】检查瓶内气压够不够，气压值要求大于2MPa，否则需要换瓶。 【电路接口的检查】应变片与盒式电桥焊接处有无脱落，数据采集电路接口有无正确插入主机。 【撞击杆的检查】准备2.5m长的粗铁丝，将撞击杆塞入炮筒底部，检查入射杆、透射杆和吸收杆有无弯曲变形，如有则需要换杆。 2．连接总电源线（请确认本仪器的各个分设备电源开关处于关闭状态）。二．开机 3．打开NI数据采集开关（会听到“嗡嗡”的电扇的声音），此时会自动启动主机并给主机配备一个地址。 4．等待有电脑开机的声音后打开显示器，此时会响“嘟嘟”两声，随后在显示器上看到分配的地址，按回车键进行确定，进入操作系统界面。 5. 打开应变片放大仪开关按扭及SHPB气压控制仪开关，如需进行加热操作，则 打开高温性能温度控制仪开关。 6．对应变片放大仪设备面板进行设置，设置其放大倍数（一般金属常速为200，高速冲击时为100）、桥压值（常速为8V、高速时为4V或2V）、低通（一般为100HZ，过滤掉高频干扰信息）。 7．打开气压瓶，稍微松动阀门听到气流声即可，保证减压前气压大于2MPa（一般为4～5Mpa），减压后气压值稍大于1MPa（可通过减阀节阀来微调减压后气压）。 8．上样：上样前检查撞击杆、入射杆、透射杆与吸收杆四杆一线，对中性要好，如不在同一直线上，通过左右微调蝶形螺母左右微调，通过单向固定扳手上下微调。上样后保证样品中心线在入射杆与透射杆中心线上，进行拉伸压缩 ） 实验必须进行端面润滑（一般为凡士林，有条件可用MoS 2 9．打开Labview虚拟仪表面板，初次使用必须相关设置，设置触发方式为通道

ANSYSLS-DYNA数值模拟霍普金森压杆试验资料

A N S Y S L S-D Y N A数值模拟霍普金森压杆试 验

ANSYS/LS-DYNA数值模拟霍普金森压杆试验 1 功能概述 大多数材料在强度等力学性质方面都表现出某种程度的加载率或应变率敏感性，高幅值短持续时间脉冲和荷载所引起材料力学性质的应变率效应，对于抗动载的结构设计和分析是非常重要的。这些动载来至常规武器侵彻与爆炸、偶然爆炸和高速撞击等许多军事和民用事件，对于这些事件的理论分析和数值模拟必须知道材料的高应变率强度、断裂特性和应力-应变关系等本构性质。要研究材料在脉冲动载作用下的力学性质的实验设备和实验必须模拟类似现场的应变率条件，分离式霍普金森杆被公认为是最常用最有效的研究脉冲动载作用下材料力学性质的实验设备。 数值模拟是一种依靠电子计算机对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题进行研究的技术。它利用材料的本构函数，结合有限元或有限容积的概念，采用数值计算和图像显示的方法，因此具有如下优势： （1）检验理论结果是否正确； （2）弥补实验与观测得不足； （3）利用模拟结果，了解非线性过程中的因果关系与主要物理机制； （4）预测在不同初始条件与边界条件下非线性过程的发展情形； （5）数值模拟成本低，可以带来巨大社会经济效益。 由于很多材料的本构性质已经知道，因此在设计产品时，可以利用材料的本构性质通过仿真来模拟复杂的系统。 ANSYS/LS-DYNA数值模拟霍普金森压杆试验，就是通过ANSYS/LS-DYNA软件来模拟霍普金森压杆实验，通过设置弹丸不同速度，对试件进行研究。霍普金森压杆实验分为自由式和分离式两种，本仿真采用分离式的办法。 2 原理简介 2.1 霍普金森压杆实验简介 霍普金森杆实验装置的基本原型最早是由Hopkinson提出的，它可用于测量冲击载荷的脉冲波形。1949年Kolsky将压杆分成两段，试件置于输入杆和输出杆中间，通过加速的质量块、短杆撞击或炸药爆轰产生加速脉冲，利用这

ANSYSLS-DYNA数值模拟霍普金森压杆试验

ANSYS/LS-DYNA数值模拟霍普金森压杆试验 1 功能概述 大多数材料在强度等力学性质方面都表现出某种程度的加载率或应变率敏感性，高幅值短持续时间脉冲和荷载所引起材料力学性质的应变率效应，对于抗动载的结构设计和分析是非常重要的。这些动载来至常规武器侵彻与爆炸、偶然爆炸和高速撞击等许多军事和民用事件，对于这些事件的理论分析和数值模拟必须知道材料的高应变率强度、断裂特性和应力-应变关系等本构性质。要研究材料在脉冲动载作用下的力学性质的实验设备和实验必须模拟类似现场的应变率条件，分离式霍普金森杆被公认为是最常用最有效的研究脉冲动载作用下材料力学性质的实验设备。 数值模拟是一种依靠电子计算机对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题进行研究的技术。它利用材料的本构函数，结合有限元或有限容积的概念，采用数值计算和图像显示的方法，因此具有如下优势： （1）检验理论结果是否正确； （2）弥补实验与观测得不足； （3）利用模拟结果，了解非线性过程中的因果关系与主要物理机制； （4）预测在不同初始条件与边界条件下非线性过程的发展情形； （5）数值模拟成本低，可以带来巨大社会经济效益。 由于很多材料的本构性质已经知道，因此在设计产品时，可以利用材料的本构性质通过仿真来模拟复杂的系统。 ANSYS/LS-DYNA数值模拟霍普金森压杆试验，就是通过ANSYS/LS-DYNA软件来模拟霍普金森压杆实验，通过设置弹丸不同速度，对试件进行研究。霍普金森压杆实验分为自由式和分离式两种，本仿真采用分离式的办法。 2 原理简介 2.1 霍普金森压杆实验简介 霍普金森杆实验装置的基本原型最早是由Hopkinson提出的，它可用于测量冲击载荷的脉冲波形。1949年Kolsky将压杆分成两段，试件置于输入杆和输出杆中间，通过加速的质量块、短杆撞击或炸药爆轰产生加速脉冲，利用这一装置

霍普金森杆试验报告

11—超动态应变仪 12—波形存贮器 13—数据处理系统 霍普金森压杆 (SHPB) 试验报告 一、 SHPB 试验目的及用途 1、了解霍普金森压杆 (SHPB) 测试的试验原理， 掌握试 验的 基本操作步骤； 2、霍普金森压杆 (SHPB) 测试技术主要用来测试材料在高 应 变率下的力学性能。此试验主要通过霍普金森压杆 (SHPB) 测试 技术，来测试泡沫铝 (37mm ×21mm) 的力学性能， 获取应力 -应变 曲线。 二、 SHPB 试验装置及其示意图 1 —发射气枪 2—撞击杆 3 —激光发射器 4—激光接收器 5 —电阻应变片 6—入射杆 7—试件 8—透射杆 9—吸收杆 10 —缓冲装置

三、试验原理 1、三种波形的获取过程 通过发射气枪作用，赋予撞击杆一定的初速度，此初速度可以由激光发射器和接收器测出间隔时间，然后计算得出。撞击杆以此速度撞击入射杆，输入入射波脉冲，随着入射波的传播，在试件表面产生反射和穿透。入射、反射、透射脉冲均可以通过电阻应变片测出，进而通过超动态应变仪传递到波形存贮器进行保存三种波形，从而利用入射、反射和透射脉冲来推导出试件中的应力、应变和应变率。 2、应力应变曲线获取的原理利用这些脉冲信号来获得材料在高 应变率下的应力-应变曲线原理如下： 1 2 上图是SHPB 系统加载过程的示意图，I、R、T分别表 示的是应变片测量到的入射、反射和透射信号。1、2 分别是试 件的两个端面，A S是试件的横截面积，L是试件的长度，A和E 分别是压杆的横截面积和弹性模量。根据一维应力波理论，试件的两个端面的位移u1和u2可分别表示为

霍普金森压杆实验装置操作规程

1.霍普金森压杆实验装置操作规程（非高温） (1) 2.高温条件下加热炉的使用 (4) 3.注意事项 (6) 1.霍普金森压杆实验装置操作规程（非高温） 1.打开电源 2.右旋总开关，指示灯亮设备开启。检查子弹是否回位(点击子弹回位，听到啪的一声后代表子弹已经到位。） 3.将空压机红色按钮（用力）拔起，打开空压机按钮（此时会听到机器响声）。 4.打开超动态应变仪，将第一、二通道滤波调到100kHZ，增益调到100（倍）。

6.打开数据采集卡，开启计算机。 7.装夹试样，将黄油涂抹试样两端黏到入射杆与透射杆之间（尽量保证试样与两杆同心），然后扣上防护罩。 8.调整炮管与入射杆之间的距离，保持在10-20mm 。 9.打开Datalab 软件，Datalab 软件设置中，选择00和01通道，点击硬件设置，将采样速率设置到40Ms/s,开始时间设置到-0.00197s ，采集时间设置到0.00801s 即可，【通道设置】将Ch00通道【触发沿】设置为下降沿，【触发电平】设置为-0.094。（本步骤基本不用动，可以作个检查，数据为ARCHIMEDES 魏道全魏经理推荐）。 第一通道 第二通道 增益 滤波 试样 防护罩 10-20mm

10.回到操作页面，点击单次采集。 11.发射子弹（前推子弹发射按钮，听到撞击声音后复位），Datalab中会出现波形，单击【显示全部】，继续点击【数据处理】，【滤波类型】设置为低通，【窗函数】设置为矩形窗，【下限频率】为10000。 12.拖动白色虚线显示第一个入射波和透射波后点击鼠标右键，保存波形数据（记住将文件命名）。 13.将该文件导入到Dataproc进行数据分析。 14.单击【文件】导入波形，点击【数据】选择识别，如果显示的波形如图（a）所示具有很长的多余波形，可以对要进行分析的部分抓取，选择【起始点】和【终点】来【抓取】波形，图（a）抓取之后如图（b）波形所示。然后在【数据】中选择【计算】，输入压杆参数，长度为1500mm，直径20mm，应变片距端面的距离为750mm，输入试样类型和参数。单击确定。通过右侧X轴、Y轴选项得到波形。

霍普金森杆试验报告

霍普金森压杆(SHPB)试验报告 一、SHPB试验目的及用途 1、了解霍普金森压杆(SHPB)测试的试验原理，掌握试验的基本操作步骤； 2、霍普金森压杆(SHPB)测试技术主要用来测试材料在高应变率下的力学性能。此试验主要通过霍普金森压杆(SHPB)测试技术，来测试泡沫铝(37mm×21mm)的力学性能，获取应力-应变曲线。 二、SHPB试验装置及其示意图 1—发射气枪2—撞击杆3—激光发射器4—激光接收器5—电阻应变片 6—入射杆7—试件8—透射杆9—吸收杆10—缓冲装置 11—超动态应变仪12—波形存贮器13—数据处理系统

I ε R ε S A E A T ε L 1 2 三、试验原理 1、 三种波形的获取过程 通过发射气枪作用，赋予撞击杆一定的初速度，此初速度可以由激光发射器和接收器测出间隔时间，然后计算得出。撞击杆以此速度撞击入射杆，输入入射波脉冲，随着入射波的传播，在试件表面产生反射和穿透。入射、反射、透射脉冲均可以通过电阻应变片测出，进而通过超动态应变仪传递到波形存贮器进行保存三种波形，从而利用入射、反射和透射脉冲来推导出试件中的应力、应变和应变率。 2、应力应变曲线获取的原理 利用这些脉冲信号来获得材料在高应变率下的应力-应变曲线原理如下： 图 SHPB 系统加载示意图 上图是SHPB 系统加载过程的示意图，I ε 、R ε、T ε分别表示的是应变片测量到的入射、反射和透射信号。1、2分别是试件的两个端面，S A 是试件的横截面积，L 是试件的长度，A 和E 分别是压杆的横截面积和弹性模量。根据一维应力波理论，试件的两个端面的位移1u 和2u 可分别表示为

霍普金森杆实验技术经验简介

精心整理 霍普金森杆实验技术简介 1．材料动态力学性能实验简史 在各类工程技术、军事技术和科学研究等广泛领域的一系列实际问题中，甚至就在日常生活中，人们都会遇到各种各样的爆炸/冲击载荷问题，并且可以观察到，物体在爆炸/冲击载荷下的力学响应往往与静载荷下的有显著不同。了解材料在冲击加载条件下的力学响应必将大大有助于这些材料的工程应用和工程设计。此外，数值模拟已在工程设计中发挥着重要作用，而进行数值模拟的前提是必须首先建立一个基于材料在各种应变率下（尤其是在动态应变率下）的精确应力－应变曲线基础研制高首先，而爆炸/）计的只是甚进行的等等)因此，除了上述的介质质点的惯性作用外，物体在爆炸/冲击载荷下力学响应之所以不同于静载荷下的另一个重要原因，是材料本身在高应变率下的动态力学性能与静态力学性能的不同，即由于材料本构关系对应变率的相关性。从热力学的角度来说，静态下的应力-应变过程接近于等温过程，相应的应力应变曲线可近似视为等温曲线；而高应变率下的动态应力-应变过程则接近于绝热过程，因而是一个伴有温度变化的热-力学耦合过程，相应的应力应变曲线可近似视为绝热曲线。这样，如果将一个结构物在爆炸/冲击载荷下的动态响应与静态响应相区别的话，则实际上既包含了介质质点的惯性效应，也包含着材料本构关系的应变率效应。 然而从19世纪开始人们才逐步认识到了材料在动载下的力学性能与其在静载下的力学性能不同。ThomasYoung 是分析弹性冲击效应的先驱，他(1807)提出了弹性波的概念，指出杆受轴向冲击力以及梁受横向冲击力时可从能量进行分析而得出定量的结果。

J.Hopkinson1872完成了第一个动态演示实验（如图1所示），铁丝受冲击而被拉断的位置不是冲击端A，而是固定端B；并且冲击拉断的控制因素是落重的高度，即取决于撞击速度，而与落重质量的大小基本无关。 Pochhammer,1876;Chree,1886Rayleigh,Lord1887分别研究了一维杆中的横向惯性运动。 1897年Dunn设计了第一台高应变率试验。 1914年,B.Hopkinson想出了一个巧妙的方法，用以测定和研究炸药爆炸或子弹射击杆端时的压力～时间关系。所采用的装置被称为Hopkinson压杆（PressureBar），有时缩写为HPB。 二战之前，很少有人研究动态压缩加载问题，只是G..I.Taylor在三十年代末想出了一个方法来测量材料的动态压缩强度。Taylor方法主要是假设材料是刚性——理想塑性，运用一维波传播的基本概念，用一个圆柱撞击刚性靶，然后测出其变形，最后得到材料动态压缩屈服应力。 1948年Davies分析了Hopkinson杆中的应力波传播并发明了用电容方法测量杆中的应力脉冲。Kolsky（ Kolsky 50 脉冲。 2 2.1 1872 图1 速度， 2.2 1905年 1914年，B.Hopkinson完成了霍普金森压杆的实验设计，并用以测定和研究了炸药爆炸或子弹射击杆端时的压力～时间关系。Hopkinson观察到“如果用来复枪（rifle）发射一子弹撞击一圆柱形钢杆的端部，则在撞击期间，有一确定的压力作用在杆的端部，形成一个压力脉冲。这个撞击引起的压力脉冲沿着杆传播，在自由端发生反射产生一个拉伸脉冲。”他还指出如何用一与压杆（主杆）材料相同，直径相同的短杆捕捉入射波的动量，而飞离主杆。如图2所示，飞片（短杆）的动量由弹道摆测得，而留在杆内的动量则可由杆的摆动振幅来确定。显然，当飞片长（厚度）度等于或大于压力脉冲长度的一半时，压力脉冲的动量将全部陷入飞片中，从而当飞片飞离时，杆将保持静止。因此，变化飞片的长度，求得其飞离时而杆能保持静止的最小长度l0，就可求得压力脉冲的长度?=2l0，或压力脉冲的持续时间?=?/C0=2l0/C0。这种测量压力脉冲的方式迅速在一战中得到了广泛的应用。 2.31948年Davies在霍普金森压杆压力波形检测与分析方面的杰出工作 在霍普金森压杆发明后三十多年中，这项实验技术并没有得到更多的关注。直到1948年Davies首

SHPB-50-3500霍普金森压杆实验系统操作规程

SHPB-50-3500霍普金森压杆实验系统操作规程 第一章试验前准备 第1节试件准备 保证试件变形后的直径不大于杆直径，试件长度大约为其直 径的一半。 保证试件两端面的不平度小于0.02，两端面的不平行度小于 0.02。 第2节杆系对中调整 以发射管轴线为基准调整杆系。将子弹置于发射管口部（出头20左右）以其端面为基准先调整入射杆，调整方式是 将入射杆用前后两个中心支架支撑，调整前先松开侧面的锁 紧螺丝（在侧面一个由4个螺栓固定的一块方板中间的螺纹 孔内），调整前后中心支架使杆端面了子弹端面密合。过程中 拟用高度尺、水平尺、千分表等。调整完毕后锁紧锁紧螺丝。 将其它中心支架滚轮轻轻靠上（杆在轴向运动时刚好能带能 带动滚轮滚动。 第3节应变片粘贴 应变片粘贴技术见相关教科书。建议在杆横截面一条直径两端沿轴向粘贴两片应变片，串联后作为1/4桥臂接入电 桥盒，或采用半桥接法。 应变片在轴向的位置： 入射杆：大致在中间，透射杆：大约在靠近试件的1/3处。

建议入射杆上和透射杆上各贴两组以作备用。记好所用应变 片到试件端面的距离，这个数据在数据处理中要用。 第4节测速装置准备 按其说明书操作 第5节气源准备 拟采用高压氮气和高压空气，瓶装为好。 第6节子弹就位 旋开发射管泄气阀（发射器上表面最靠近发射管的一个阀） 用软杆（铜质、铝质、塑料）将子弹推入到适当位置(可根据 需要)，如到发射管底部会发出声音。然后旋紧发射管泄气阀。第7节入射杆端部垫片及脉冲整形器 在入射杆端部套一套筒，将一垫片（与杆同直径，同材料， 厚度大约20的圆形垫块）置于其中，保证垫片露头，在垫片 上加脉冲整形器(用凡士林贴上)。 第8节试件两端垫片 用与第7节类似方法在试件两端入射杆端面上、透射杆端面 上加上垫片，垫片与杆之间加少许凡士林。 第9节缓冲装置就位 第10节脆性试件压缩时的安全防护 将保护套套于试验段 第二章试验 第1步打开气源开关