SHPB實驗技術中國科學技術大學近代力學系胡時勝材料動態力學性能實驗研究

高速變形

材料+沖擊載荷

力學響應動態破壞高速變形之一:體變體變固體高壓狀態方程

f(P,V,E)=0

測沖擊絕熱線（Hugniot):D~U曲線

采用動高壓技術：

化

爆（平面波發生器）P(101~102GPA)輕氣炮

U(102~103m/s)高速變形之二:畸變

畸變粘塑性本構方程

測不同應變率的曲線采用系列的材料動態實驗材料力學性能（畸變特性）實驗按應變率劃分蠕變試驗：10-8~10-5/s準靜態試驗：10-4~10-2/s中應變率試驗：10-1~101/s高應變率試驗：102~104/s超高應變率試驗：104~106/s中應變率試驗（10-1~101/s）若

可不考慮波動（慣性）效應

加載過程快速而平穩但要求盡量避免慣性引起的振蕩中應變率試驗機高應變率試驗若

需要考慮慣性效應！

膨脹環

優點：裝置小，試件更小，勿需考慮慣性效應缺點：測量難度大，實驗精度差SHPB裝置

優點：（i）裝置雖大，但因為是細長型可采用一維應力波理論；

（ii）又試件尺寸小，則可不考慮慣性效應可按均勻體處理；

（iii）結構簡單，便于推廣使用。平板撞擊試驗（一維應變）

試件厚<<壓板厚類似于SHPB超高應變率試驗平板斜撞試驗（壓剪試驗）超高應變率試驗落錘實驗和沖擊擺實驗均未考慮慣性效應不能測量材料的動態

曲線材料動態力學性能實驗SHPB實驗技術SHPB中瞬態信號測量間接測量測壓桿上的

關系采用應變片技術（技術最成熟，方法最簡單）因而能使SHPB實驗技術得以推廣使用材料動態力學性能

金屬、聚合物、橡膠、泡沫材料、肌肉、巖石、陶瓷、混凝土、炸藥等受力狀態

壓、拉、扭、剪、壓剪推廣應用層裂、動態屈曲、動三點彎曲、高G值加速度傳感器標定、火工品檢測研究領域工作原理——基于二個基本假定一維假定（平面假定）——維彈性波理論均勻假定——試件可按準靜態處理基本公式(三波法)一維假定

；

基本公式(二波法)均勻假定

面臨的挑戰常規SHPB實驗技術規范化復雜材料SHPB實驗技術的研究常規SHPB實驗技術常規材料(金屬高聚物等)均勻性好、變形量大常規材料SHPB實驗技術規范化

測定等有規范測定動態曲線無規范

高頻振蕩二維效應波形彌散存在上升沿tr

曲線有振蕩屈服應力振蕩有偏差彈性模量E?一維假定的有效性波形整形器的三大功能可濾去高頻信號，減少波形彌散影響延緩波形上升沿，減少不均勻的影響可產生峰值平坦的反射波，利于實現恒應變率過程退火C11000紫銅脈沖整形器的實驗波形

硬材料：W合金、鈾合金、非晶金屬軟材料：橡膠、多孔介質、肌肉復雜材料脆材料：巖石、裝甲陶瓷復合材料：混凝土復雜材料SHPB實驗技術研究硬材料實驗技術采用硬質墊塊

采用小尺寸試件將導致：幾何二維效應物理二維效應121*2*11*22*數值模擬結果表明，幾何二維效應的影響不大物理二維效應引起的端面（彈性）凹陷需要分析幾何二維效應和物理二維效應幾何二維效應：物理二維效應：硬質聚氨酯泡沫應力-應變曲線泡沫鋁硅合金應力應變曲線特軟材料軟質聚氨酯泡沫材料肌肉等生物材料

透射波信號很弱試件內應力均勻不易實現橫向慣性效應影響明顯改進的SHPB實驗裝置整形石英片檢測試樣兩端應力端面絕緣后一石英片，半導體測應力厚薄規限位豬腿部肌肉(纖維方向)的應力應變曲線垂直纖維方向的應力應變曲線汽車座墊和靠墊的應力-應變曲線

（0.057g/cm3

和0.048g/cm3）脆材料

應變率受限制載荷不能太大

減緩脈沖升時，消除高頻振蕩波形整形器

有利于應力均勻化，減少波形彌散

混凝土材料

非均勻性（骨料粒徑大）大尺寸SHPB

束形SHPB直錐變截面SHPB

起點難確定

大尺寸波形嚴重彌散

頻移明顯脆

性

混凝土是SHPB實驗技術最難對付的材料混凝土沖擊壓縮試驗

Φ100SHPB裝置有機玻璃試件應變信號對比圖直接法測試件的應變試件尺寸大、破壞應變小可在試件圓柱面貼應變片在同一橫截面多貼幾個應變片可減少材料不均勻性的影響直接法測試件的應力PVDF壓電薄膜石英晶體壓電薄膜目前尚存在一些問題壓電薄膜的尺寸問題

壓電薄膜的靈敏度系數損傷“凍結”實驗方案沖擊拉伸(劈裂試驗）單次加載裝置高溫SHPB實驗接觸加溫修正波形預加溫冷接觸時間方法項目接觸加溫預加溫實驗裝置簡單復雜溫度范圍低高溫度均勻性(試件)均勻可能不均勻數據處理可能需要修正簡單彈速不能太高不能太高“快速對桿”裝置簡圖試件和波導桿同時加熱的裝置簡圖specimenHighdynamicstrainindictorTransientwaverecorderbulletshaperTemperaturecontrollerTransmissionbarSemiconductorstraingaugeDataprocessingsystemstraingaugeIncidentbar