金属材料SHPB 实验数据处理的三波校核法*

尚 兵,胡时胜,姜锡权,3

(1.清华大学航空航天学院,北京100084;2.中国科学技术大学近代力学系,安徽 合肥230027;3.炮兵学院,安徽 合肥230027)

1 引 言

自H.Kolsky 提出分离式Hopkinson 标杆实验装置以来,基于一维假定及均匀性假定的测试数据处理方法(二波法)一直作为标准方法,广泛应用于各种材料测试结果的处理。但是经典二波法的一个重要问题就是在透射波与反射波波头对齐过程中的误差及人为性,导致人们对S HPB 技术的怀疑[1]。唐志平等[2]对波头斜率进行特殊化的线性处理,以避开零线振荡,先按一定高度找到入射波前沿上一点A,再顺前沿找到第1 振荡峰值点B,然后反向找到前沿上1/3 高度点C,再按点C 前后6 点的平均斜率找到与基线相交的点D,作为计算波头。这种处理方法可以明显消除波形反常记录,是一种有效的方法。但是,这种经验性方法没有足够的理论说明波头是否真正对齐,存在较大的人为因素,因此误差较大。目前,有些研究者通过测量入射杆和透射杆应变计的距离,结合实测压杆波速及预估的试样波速计算三波之间的波头差,在理想条件下,该方法得到的实验结果精度较高。但是当任何一个因素,如波速、应变片间的距离等,测量误差偏大的时候,应力应变曲线就会偏离真实值,由于没有反馈机制,这种偏差不易被发现,最终影响到实际的工程应用。本文中,提出三波校核法,综合考察Hopkinson 实验的基本假定,首先由波速及距离对齐波头,再分别用二波法、三波法处理数据,可以得到3 条应力应变曲线,且波形和应力应变曲线分别显示在同一界面的2 个窗口。当3 条应力应变曲线对齐时,说明正确对齐了波头。否则移动波相对位置,则另一窗口动态的显示当前位置的应力应变曲线,再次判断是否正确对齐波头。本方法动态、直观,对于S HPB 实验数据处理结果的正确性有参考价值。

2 实验装置及原理

实验装置如图1 所示,入射杆、透射杆为Ø14.5 mm 的合金钢杆。入射杆和透射杆上分别粘贴应变计。紫铜试样的尺寸为Ø12 mm×6 mm。为了减小入射波波形弥散,在入射杆端采用Ø5 mm×1 mm的橡胶作为波形整形器。

根据SHPB 实验的一维假定,可以用三波法[3]确定试件材料的应变率、应变和应力

根据均匀假定,有如下关系

式(2)代入式(1),可得到2 种二波法的形式[4]。一种用入射波和透射波计算应力、应变、应变率

另一种用入射波和反射波计算应力、应变、应变率

图1 SHPB 实验装置图Fig.1 Schematic view of SH PB system

对于金属材料,应力均匀性假定是可以接受的[5-7],即3 个公式得出来的应力应变关系基本一致。程序编制就是依据这个原理。

图2 原始波形图Fig.2 The origin w aves

3 实验数据及分析

加载速度30 m/s 时,实验所得原始波形如图2所示。图3 ～4 为程序截图。入射波的位置固定,而透射波与反射波的位置可以左右移动,即可以人为调整波头。σ1 表示由入射波与透射波计算得到的应力应变曲线,σ2表示由入射波与反射波计算得到的应力应变曲线,σ3 表示用三波法得到的应力应变曲线。

图3(a)中,由于透射波与入射波之差与反射波的值相差较大,这种结果不符合均匀性假定,因此得到的应力应变曲线不精确。图3(b)中,3 条应力应变曲线是用图3(a)波形的相对位置,分别用3 种方法计算得到。这3 条应力应变曲线的差异,可以直观、明显地反应波头没有对准确,这是单纯用二波法或三波法所不能体现的。因此这种方法称为三波校核法。

图4 为恰当对齐波头以后的波形图。判断波头对齐的标准是,透射波与入射波之差近似等于反射波。这用所有采样点上透射波减入射波再加反射波的均方差判断。3 个波在不同的相对位置上,均方差是不相等的,均方差最小时,对应的波位置,就是波头对的最准确的一个。可以看出,透射波与入射波之差基本等于反射波。与此同时得出的3 条应力应变曲线也比较一致。

由图4(b)可以发现,卸载段的应变并不完全一致,这主要是由于反射波与透射波和入射波之差并不完全相等引起的。例如图4 中试件的应变为约0.3,但是3 种不同的方法得出来的应变相差不到0.005,这个误差是可以接受的。这个误差,主要由于仪器的精度,及标定时的人为误差引起。因此文中的一致通常指在一定数值范围内的一致。

图3 三波未对齐时的程序截图Fig.3 The select figure of the program as the three waves aren't even

图4 三波对齐时的程序截图Fig.4 The select figure of the program as the three waves are even

利用三波校核法处理了不锈钢、钛合金、铜、SuAgCu 等金属材料的SHPB 实验数据,3 种数据处理方法得到的应力应变曲线都具有较好的一致性。但是弹性段的数据并不可靠,主要有2 个原因:(1)在加载初期阶段,试样内存在严重的应力不均匀性,即不满足均匀性假定;(2)试件与杆端的面积失配会导致压杆在与试件接触处产生凹陷,形成凹陷二维效应,对于极小变形的弹性阶段影响极大[8]。

由式(1)～(4)和实验结果可以得出:正确对齐波头,无论三波法还是二波法得出来的应力应变曲线是一致的。而三波法相当于二波法的平均,可以减小系统误差,因此三波法得到的结果更为精确。

4 结 论

提出了三波校核法处理Hopkinson 压杆试验数据的方法。引入了动态、显式的反馈机制来校核是否正确对齐了波头,减小了实验数据处理的人为因素影响,提高了实验结果的可靠性。同时简化了实验和数据数据处理过程,只要有三个波即可以得到较准确的实验结果。仅讨论了三波校核法处理金属材料的SHPB 实验数据,需进一步研究用该方法处理脆性材料、软材料等的SHPB 实验数据。

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