SHPB 波形整型器实验研究

陈明飞 饶岳成

(安徽理工大学，安徽淮南 232001)

0 引言

传统SHPB实验分析方法基于两个基本假设:杆件处于一维弹性状态;试件中的应力、应变是均匀的。利用杆件直径较小的SHPB装置研究均匀性好、变形量大的材料是比较容易满足上面的两个假设。然而，近年来SHPB的测试范畴已经拓展到中隔材料中，如陶瓷、混凝土、岩石等脆性材料。岩石属于脆性材料，破坏应变很小，只有几千分之一，SHPB装置所产生波形上升沿如果很短且波峰剧烈震荡，试件就可能在内部应力尚未平衡之前的加载初期就发生破坏，就不能满足试样均匀性变形［1］要求，这对于岩石材料的径向冲击是不利的，而且应力波的高频振荡也会增加其传播的弥散效应［2］，使实验结果有较大的波动性。

岩石试件在断裂之前，满足应力均匀分布是实验有效性及测试结果可靠性的前提。国外由Christensen R.J.等人［3］于1972年提出的波形整形技术，将入射波改造成三角形波进行实验研究。后经 Kolsky，H.［4］和 Davies，RM.［5］等人发展，广泛用于多种工程材料，如复合材料、陶瓷、岩石等，很好地解决了应力均匀性问题。李为民等人［6］研究了厚度相同、直径不同的H62黄铜材料作为波形整型器的整形效果，认为该黄铜整型器对入射波波形有明显的改善，入射波上升沿延长1倍～2倍，呈半正弦波形状。O S Lee等研究了直径相同、厚度不同的整型器对入射波的影响，结果表明，整型器厚度越小，入射波的上升沿越大。

1 使用波形整型器的必要性研究

图1是没有加任何波形整型器使子弹空打入射杆得到的入射波和反射波。

图2是图1的局部放大。可以看出波形下降沿比较短只有25μs且波峰有震荡。为了延长波形下降沿，减弱波峰的震荡，有必要选择合适的波形整型器。

2 不同材质波形整型器实验研究

通过空打入射杆，分析比较不同材质波形整型器下的入射波形，希望能够找出理想实用的波形整型器，改善测试波形。

图1 空打测试波形

图2 空打波形局部

图3 1mm厚铜片整形后波形

图3为使用1mm厚度铜片作为波形整型器时的入射波形，图4为使用2 mm厚度铜片作为波形整型器时入射波形。测试时气阀值均为0.08 MPa时的波形图。

图4 2mm厚铜片整形后波形

图5 为锡箔纸折叠多次后作为波形整型器时的入射波形，气阀值为0.08 MPa。图6为麻布作为波形整型器时的入射波形，气阀值为 0.07 MPa。

图5 锡箔纸整形后波形

图7 ，图8为在入射杆撞击端中心涂抹少许黄油时的入射波形。气阀值为0.07 MPa的波形图。

比较以上各图可以看出:

1)使用1 mm厚铜片、2 mm厚铜片以及多层叠加的锡箔纸作为波形整型器可以比较好的减少入射波形的弥散，并且在一定程度上延长波形的下降沿，但下降沿的延长程度有限，大约为10μs～15μs。仅仅比没加任何整型器的下降沿略有延长，改善效果不是很明显。

图7 黄油整形后波形Ⅰ

图8 黄油整形后波形Ⅱ

2)使用麻布作为波形整型器时可以明显的减弱波峰的震荡，并且延长波形下降沿至60μs。

3)使用黄油作为波形整型器时可以明显的延长波形下降沿至141μs。这对试件的应力均匀性有极大的好处。虽然黄油作为波形整型器可以很好的延长，可以比较好的满足试件应力均匀性，但由于黄油的用量不好精确把握、黄油涂抹在压杆的中心位置时也有偏差，得到的入射波形会所不同，图7和图8就是本文获得的两种典型的不同波形。

［1］尚 兵，吴立朋，庄 茁.应力不均匀性对混凝土材料动态实验结果的影响［J］.工程力学，2011，28(12):33-38.

［2］王从约，夏源明.傅立叶弥散分析在冲击拉伸和冲击压缩试验中的应用［J］.爆炸与冲击，1998，18(3):213-219.

［3］Christensen R.J.，Swanson S.R，Brown W.S.Split Hopkinson bar tests on rocks under confining pressure［J］.Experimental Mechanics，1972(12):508-513.

［4］Kolsky，H..An investigation of themechanical properties ofmaterials at very high strain rates of loading［J］.Proceeding of the Physical Society，1949(B62):676-700.

［5］Davies，RM.A critical study of the Hopkinson pressure bar［J］.Philosophical Transactions of the Royal Society of London，1948，240(A):375-475.

［6］李为民，许金余.大直径分离式霍普金森压杆试验中的波形整形技术研究［J］.兵工学报，2009，30(3):350-355.