摘 要

在高应变率加载下，研究材料的力学响应有十分重要的意义。然而由于应力波效应和材料应变率效应是相互影响的，这就增加了研究材料高速率力学响应的难度。材料动态本构关系是分析应力波传播的前提,高应变率实验研究时一般采用冲击加载，这样就必须考虑实验装置和试样中的应力波传播和相互作用，这两者构成了一种耦合关系。为了解决耦合问题，实验过程中设法将应变率效应与应力波效应解耦。其中分离式霍普金森压杆试验（简称SHPB）是最为典型且应用最为广泛的方法。分离式霍普金森压杆实验技术及应用研究已发展多年，但是该实验技术在国内发展都并不成熟，发展和应用空间还有很大。

本文首先对常规分离式霍普金森装置进行数值模拟仿真实验，探究常规SHPB实验中应力波传播规律，数值模拟的可行性，并对不同初始条件下SHPB进行仿真实验，对比差别。本文针对传统霍普金森试验中的应力波在端面反射形成反射波对试样造成多余加载的问题，主要是透射波的反射波的干扰，设计一种应力池对这种反射波进行吸收，然后对反应池式SHPB实验进行数值模拟，最后对应力池式SHPB装置对透射波的吸收效果进行分析与讨论，找到合理的SHPB改进方案，从而减少反射波对测试结果的影响，完成SHPB实验装置的改进。使试样的真实受载情况与应力-应变曲线的吻合度更高，提高SHPB实验的准确性。

关键词：分离式hopkinson杆，应力波，数值模拟

Abstract

Under high strain rate loading, it is very important to study the mechanical response of the material. However, due to the effect of stress wave effect and material strain rate effect, this increases the difficulty of studying the high-rate mechanical response of materials. The dynamic constitutive relation of the material is the prerequisite for the analysis of the stress wave propagation. In order to solve the coupling problem, the experiment tries to decouple the strain rate effect and the stress wave effect. The separation of the Hopkinson pressure bar test (referred to as SHPB) is the most typical and most widely used method. The experimental technique of separating the Hopkinson pressure bar is the most important experimental method to study the mechanical properties of the material under high strain rate and is an important part of the experimental technology of explosion and impact dynamics. Separation of Hopkinson pressure bar experimental technology and application research has been carried out for many years, but the experimental technology in the domestic development are not mature, development and application space is still great.

In this paper, the numerical simulation of the conventional split Hopkinson device is carried out. The feasibility of the stress wave propagation in the conventional SHPB experiment is studied. The simulation experiment is carried out under different initial conditions. The simulation experiment is carried out. In this paper, the stress wave in the traditional Hopkinson test is reflected by the reflected wave on the end face, which is mainly caused by the reflected wave of the transmitted wave. A stress cell is designed to absorb the reflected wave, and then Finally, the absorption effect of the transmission wave is analyzed and discussed, and a reasonable SHPB improvement scheme is found, which can reduce the influence of the reflected wave on the test results. The SHPB experimental device is completed by the SHPB experimental device. Improve. So that the load of the sample load and stress - strain curve of the higher degree of consistency, improve the accuracy of the SHPB experiment.

Key Words：, Separation hopkinson bar, stress wave, numerical simulation

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题背景 2

1.2 研究目的及意义 3

第2章 分离式霍普金森压杆的基本原理 3

2.1 应力波理论 4

2.2 弹性波在物质界面的反射与透射 5

2.3 分离式霍普金森压杆实验技术基本原理 6

第3章 常规霍普金森压杆实验的数值模拟 7

3.1 LS-DYNA软件和hypermesh软件 7

3.2 常规SHPB实验的有限元模拟与网格划分 8

3.3 材料属性及边界条件 9

3.4 数值模拟结果分析与讨论 10

3.5 不同初始条件下SHPB仿真实验对比 12

第4章 基于数值模拟的常规SHPB改进设计 19

4.1常规SHPB技术存在的不足 19

4.2应力池SHPB改进设计方案 19

4.3应力池SHPB有限元数值模拟 20

4.4应力池SHPB仿真结果及分析 26

第5章 结论与展望 27

参考文献 28

致 谢 30

第1章 绪论

1.1 课题背景

随着科技的不断发展，在制造加工、建筑运输、军事科技等生产实践领域，材料可能会遇到如碰撞、爆炸、地震等冲击载荷的作用。由于冲击载荷作用时脉冲具有幅值高，时间短等特点，因此在研究材料的力学性能时必须考虑质点的惯性和材料的应变率对整个动态力学过程的影响。各种加载方式对应的加载应变率范围各有不同，对于高速率，高应变率的实验来说分离式霍普金森压杆实验技术是最常用的手段。

1914年，hopkinson B^[1]设计了一个子弹射击杆的装置来测量加载过程中压力-时间关系，这就是后来的SHPB装置的雏形。1949年，kolsky^[2]在传统装置的基础上，采用两段压杆，在压杆之间加上合适的试样，并用这个装置进行材料特性的测量。国外SHPB技术发展历史已有70年左右，SHPB实验装置和技术相当成熟。在SHPB装置上，Harding等^[3]首先开展了分离式霍普金森拉杆（SHTB）实验，使霍普金森杆技术能测量更多不同组织、不同特性的材料。Ogawa^[4]采用撞击管代替子弹撞击法兰形成拉伸加载，成为了同样应用广泛的分离式霍普金森拉杆。在SHPB加载上，Frew等^[5]将预加载试样换成特定的材料，如黄铜、硅橡胶等，最后发展形成整形器技术。为了解决防止反射拉伸波在入射杆的撞击端面形成反射压缩波，造成二次加载的问题，Namat-Nasser等^[6]在1991年提出了单脉冲加载的霍普金森压杆技术方案。上世纪80年代后，数字化波形分析技术被应用到分析霍普金森压杆应力波波形，之后国外SHPB装置和实验技术进入了高速发展的阶段：有用于结构和混凝土材料的大型SHPB装置问世，磁感应快速升温技术与软恢复技术在SHPB装置中的应用，还有各种新型SHPB装置的研制，例如分离式霍普金森扭杆装置，扭压双轴分离式霍普金森压杆装置，分离式霍普金森压剪杆等。在实验技术应用方面，1989年Yokoyama和Kishida^[7]进行了三杆三点弯动态断裂实验；2003年grantham等^[8]利用片激光技术来测试试样的变形；