落锤式冲击动力实验教学装置研制

楼晨笛，艾 婷，朱哲明，周 磊，王 蒙，董玉清

（四川大学a.水利水电学院水力学与山区河流开发保护国家重点实验室；b.深地科学与工程教育部重点实验室；c.建筑与环境学院，成都 610065）

0 引言

“土木工程试验”是四川大学土木工程专业本科生的必修课程，其实践性强，涉及知识面广，是土木工程学科发展的重要基础。而长期以来该课程实验教学项目单一，受依托实验室实验设备条件限制，课程设计多以静态力学实验为主，缺乏动态力学行为测试的教学。由于岩石混凝土等构件材料的不均匀性和复杂性，在静荷载和动荷载的作用下其变形破坏过程表现出显著的差异性［1-2］；且实际工程中，构件的动力灾变往往是结构整体失效的关键。因此，在本科教学过程中，动态力学实验的教学实践必不可缺。

目前国内外还未对动静态加载的界限进行严格划分，一般依据材料加载应变率的大小可将试验类型划分为蠕变、静态、准动态、动态、超动态5 种［3-4］。液压试验机、落锤装置是早期研究材料动态力学行为的主要实验装置，但由于加载速度限制，其应变率范围较小、最高应变率只能达到10 s-1左右，这制约了其在动态力学研究中的使用和发展。当前，中高应变率范围内的动态力学加载试验应用最广泛的是分离式霍普金森压杆装置（SHPB），因其构造简单、测量方法巧妙，且具备应力加载控制方便和可测应变率范围广等优点，被广泛应用于金属、岩石、混凝土、聚合物和泡沫等材料的动力学冲击或爆炸测试中。利用不同的试验方式，霍普金森压杆可测量材料的动态压缩强度、拉伸强度、动态弯曲强度、剪切强度以及动态断裂韧度等力学参数［5］。

然而，市面上材料尺度的动力学测试专用设备SHPB动态加载系统虽功能强大、测试精度高，但价格高昂，难以单纯为了在本科教学中开展新的实验项目去购置相应设备；另一方面，SHPB 动态测试系统也并不适用于尺寸相对较大的土木构件的动力测试教学。因此，充分利用实验室已有条件、节约教学成本，自制服务于本科教学的动力加载装置是最优选择。

本文研制了一套服务于本科教学的落锤式冲击动力实验教学装置，并通过SCT 试件动态断裂实验对该装置动力学测试的可行性进行了验证。

1 落锤式冲击动力实验装置

1.1 霍普金森压杆实验装置

早在1914 年，Hopkinson［6］基于惯性效应和应变率效应提出了一种测试瞬态脉冲应力的压杆装置，首次实现了对冲击类应力波形的测量。在此基础上，Davies于1948 年通过安装于霍普金森杆的波导开关，利用扫描装置和阴极射线显示器成功观测到应力波形［7］。而后，Kolsky［8］进一步改进试验技术提出了分离式Hopkinson 装置，极其接近于现代SHPB 装置。1963 年，Linholm［9］用粘贴于两根杆上的应变片取代了以往的电容式传感器，从而给霍普金森杆带来了测试方法的根本变革。目前SHPB测试技术被认为是测量固体材料在10～103s-1应变速率下动态特性的最有效的方法［10］。

SHPB装置的主体由撞击杆、入射杆与透射杆三部分组成，同时为获取实验数据和消除实验误差还包含有测速系统、超动态应变放大器、瞬态波形采集存储系统和数据处理系统［11］，其原理如图1 所示，实验时试件被夹持在两压杆之间。为保证在应力波传播过程中杆件始终处于弹性状态，撞击杆、入射杆和透射杆的材料一般都选取高强度的特种钢［12］，在实验过程中，其直径、弹性模量和波阻抗都不会随应力波传播而发生变化。

图1 SHPB装置工作原理示意图

实验过程中，高压气缸压缩空气驱动撞击杆高速撞击入射杆的一端（一般添加波形整形器来保证产生的应力波平滑），产生一压缩脉冲（入射波）并沿杆件轴向传播，其应力幅值、持续时间、波形分别由撞击杆的入射速度、冲头长度和形状控制。当应力波沿入射杆传递到与试件的交界面时，由于被测试件材料的波阻抗与入射杆的波阻抗存在差异，入射波被部分反射回入射杆中，产生反射波，而另一部分则透过试件传播至透射杆中，产生透射波，试件将产生压缩变形。压杆上的应变片会记录实验过程中的入射波、反射波和透射波，并由超动态应变仪处理后在数字示波器上显示。

1.2 装备研制考虑因素

拟研制的冲击动力实验装置借鉴SHPB 装置的工作原理，既考虑其直接应用于本科教学存在的不足，又要充分利用实验室现有条件。主要考虑如下因素：

（1）市面上的SHPB 动态加载系统价格高昂，难以单纯为了在本科教学中开展新的实验项目去购置。以降低成本为出发点，合理设计适用于本科教学及科研创新实验的动力实验教学装置。

（2）SHPB装置需使用火药或高压气体作为发射动力，加之实验杆件较重，使得实验操作具有一定危险性。此外，实验过程中由于发射气压、子弹长度、电桥桥压、增益系数、采样率和触发条件等实验参数的设置相互影响，需要通过重复性实验积累经验、探索规律才能熟练掌握其操作。若直接将该设备用于本科教学，重复性实验导致耗损费用较高、危险性增加［13］，因此保证教学实践过程的安全性和可操作性是本装置研制考虑的第2 个因素。

（3）实验室此前已购置多台高速动态应变采集仪，但是较少应用于本科教学实验项目。通过自制动力加载装置，可使其在本科教学中得到充分利用，拓宽现有设备使用范围，达到设备增值保值的目的。

（4）利用SHPB装置进行材料的动态力学行为研究时，被测试件通常制为圆柱型，金属材料直径为7～13 mm［14］，岩石类材料建议直径为50 mm［15］，为满足实验中一维应力波的传播假设［16］，试样的高径比一般也选取较小。因此，SHPB 装置并不适用于尺寸相对较大的土木构件的动力测试教学。基于此，需自制适用于大尺寸构件的冲击动力学装置以适用于土木结构方面的本科生课程。

1.3 设计要求

为有效解决前述装备研制所考虑因素，自制的冲击动力实验装置需满足：①满足SHPB 装置的全部要素，并充分利用实验室现有条件，尽可能降低研发成本；②与SHPB装置具有相同功能，并覆盖常规应变率的加载；③便于本科生教学实践并可服务于师生的科研需求，同时能够实现对大尺寸土工构件的动力学测试。

2 落锤式冲击动力实验装置结构

2.1 结构特征

设计的落锤式冲击动力实验装置由门字形桁架、导轨、第1、2 起重升降机、第1、2 滑块、冲击板、应变片、入射板、透射板、动态应变测试仪、红外线测速仪、红外线测距仪、摄像装置、波形整形器、阻尼器、电磁吸盘、夹具组成。装置结构如图2 所示，具体特征如下：

图2 落锤式冲击动力实验装置结构

（1）桁架底部与地面垂直固定连接，导轨设置在桁架内并固定于反力墙墙面上；桁架顶部设置有第1起重升降机，第1 起重升降机上连接有冲击板；导轨上设置有入射板和透射板，透射板底部与地面接触；冲击板设置于入射板上方，冲击板自由落体后，与入射板顶面接触。在本装置中，入射板和透射板都采用LY12CZ型铝合金材料，能保证实验过程中材料处于弹性状态，其弹性模量E＝72 GPa，泊松比μ ＝0.3，入射板和透射板长度分别为3 000 mm 和1 000 mm，宽度为300 mm，厚度为30 mm。

（3）为了使冲击板在冲击过程中准确与入射板顶部接触，设置了滑动装置，导轨为两根竖直设置的导柱；滑动装置包括两块分别与两根导柱滑动连接的第一滑块，冲击板两侧分别与两块第1 滑块螺纹连接，冲击板顶部与第1 起重机连接。

（4）第1 起重机上设置有电磁吸盘，便于冲击板的吸附与释放。冲击板通过所述电磁吸盘与第1 起重机连接。

（5）两根导柱上还设置有两块第2 滑块，两块第2 滑块之间设置有夹具，夹具与两块第2 滑块固定连接，夹具中部设置安装通孔；入射板穿过安装通孔并通过螺栓与夹具固定，夹具上设置有吊环螺丝。

（6）桁架中部设置有横梁；横梁位于入射板顶部，横梁设置有第2 起重升降机，它通过吊环螺丝与夹具连接；第2 起重升降机可以带动入射板上下移动，方便实验时将被测试件放入入射板和透射板之间。横梁在桁架内上下移动，实现对第2 起重升降机的高度调节，以适应不同长度入射板的尺寸需求。

（7）为直观了解冲击板的下落速度，入射板顶部设置有红外线测速仪，与桁架固定连接。为直观了解冲击板与入射板之间的高度，入射板上设置有用于测量冲击板底面与入射板顶面之间距离的红外线测距仪。为直观了解到被测试件在进行冲击动力实验中的裂纹扩展过程，桁架上设置高速摄像机和照明灯作为摄像装置，用于观察被测试件的裂纹扩展。

2.2 操作步骤

在对被测试件进行冲击动力实验时，首先将被测试件放置在黏有应变片的入射板和透射板间。为减轻应力波的高频振荡并适当延长应力波作用时间，在冲击板与入射板撞击端间黏贴与入射板厚度一致的紫铜板作为波形整形器，以调节入射应力波，使试件受荷均匀。经过调研证明紫铜材料能够很好地延长入射波的上升沿，有利于更好地观察到理想中的实验效果。为减弱端面反射的卸载波影响正常的应力波传播，将厚度为5 cm的钢板置于透射板底部与地面间，起到阻尼器的作用，可吸收大部分装置传来的能量，尽量消除反射波，削弱和延缓2 次波加载效应［17］。

利用第1 起重升降机带动冲击板上升至指定高度，然后让冲击板与第1 起重升降机脱离，使冲击板做自由落体运动掉落在入射板顶面；入射板和透射板中的应变片分别采集应力波信息，并将应力波信息传递给动态应变测试仪，以实时获取装置入射板、透射板的应力波波形，进而通过动力学相关方程推导获得动态载荷作用下材料和构件的动态应力-应变关系，测试得到峰值动态强度等力学参数。

3 实验验证

3.1 实验材料

实验所用试件为侧开单裂纹三角形（简称SCT）试件，可以满足大尺寸土工构件的实验要求，同时还具备易于加工等优点［18］。SCT试件示意图如图3 所示，试件尺寸为L×D×H＝200 mm ×30 mm ×325 mm 的长方体，顶边中部为一边长75 mm 的等边三角形开口，开口底部由1 mm 厚锯条切割形成30 mm 长的预制裂纹，并进行锐化处理。实验过程中，冲击板撞击入射板产生应力波，经由入射板应力波传递至被测试件，由于三角形开口的作用，预制裂纹尖端产生向两侧的拉伸应力，当拉伸应力超过岩石的动态抗拉强度时，裂纹开始扩展。而试件预制裂纹下部留有的距离能尽量减小边界反射波对透射应力波的影响，保证实验所测结果的准确性。

图3 SCT试件结构［18］（mm）

实验材料选用产自四川隆昌的青砂岩，其块体大，硬度高，密度ρ0＝2 265 kg／m3，弹性模量E0＝15.9 GPa，泊松比μ0＝0.18，动态抗拉强度T0＝30 MPa，纵波波速为2 563 m／s，瑞利波波速为1 457.6 m／s。

3.2 实验过程

试件放置前先将两端涂抹凡士林，润滑端部，以消除试件端部约束，然后将试件前后夹持，居中置于两板之间，以保证受力均匀并防止试件弯折，然后进行实验操作。为记录实验中试件的裂纹扩展时刻和速度，将裂纹扩展计（简称CPG）竖直粘贴于预制裂纹底端，实验中，当电磁吸盘释放后，冲击板自由落体撞击入射板，产生应力波在装置内传递。与此同时，利用超动态应变仪记录由应变片和裂纹扩展计采集的电压信号以得到试件受力变化及裂纹扩展的时程曲线。

本实验采用的CPG型号为BKX3.5-10CY，该扩展计包含由21 根等长不等宽的卡玛铜薄片平行并联而成的敏感栅丝和绝缘的玻璃丝布基底两部分构成。其中，敏感栅丝宽h为10 mm，总有效长度l为44 mm，相邻卡玛铜薄片间距l0为2.2 mm，额定初始电阻为3.5 Ω。在实验前，将CPG第1 根栅丝中部对准预制裂纹尖端并沿预制裂纹方向向下粘贴，如图4（a）所示。实验中，裂纹扩展计由16 V 恒压电源供电，为防止电流过大而导致电路过荷并减小温度引起的电阻变化，在实验电路中串联一个Rc1＝50 Ω的电阻，并将一个Rc2＝50 Ω的电阻与CPG并联，如图4（b）所示。当试件所受拉应力超过一定阙值后，敏感栅丝随着裂纹的扩展而断裂，CPG 的电阻逐渐增大，致使实验电路中的电压产生阶梯型变化，这一过程将被数字示波器采集并用于岩石裂纹扩展的研究与分析。

图4 CPG测试电路及其实物图

3.3 数据处理及实验结果

实验时冲击板高度可由红外线测距仪测量，不同的冲击板下落高度将产生不同的应力荷载，可应用于常规应变率范围内的动力冲击测试。多次测试表明，当冲击板置于入射板上方1.50～2.50 m时，可获得最理想实验效果。应变片所记录的电压信号可通过下式转换为应变

式中：U0为电桥单臂测量输出电压；供桥电压E＝2 V；灵敏度系数K＝2.1；超动态应变仪的增益系数n＝1 000。

通过式（1）计算采集到的电压信号并使用Origin软件进行降噪处理以过滤环境影响，所得应变-时间曲线如图5 所示。

图5 入射端和透射端的应变-时间曲线

SHPB 实验技术的理论基础为一维弹性波理论，当实验过程满足一维应力假设和应力均匀化假设两个基本假定［16］，试件两端应力加载到达平衡状态，入射板端和透射板端所受荷载Pi、Pt可通过下式计算：

式中：E为LY12CZ 型铝合金材料的弹性模量，E＝72 GPa；εi表示入射波；εr表示反射波；εt表示透射波。根据式（2）、（3），得到作用于试件所受应力变化如图6 所示。

图6 作用于试件上的应力-时间曲线

随着应力增加，裂纹开始扩展，而CGP 上的栅丝也开始由上至下断裂，其上第1 根栅丝破坏时，CGP的电阻开始变化引起电压信号的改变，第1 个台阶信号出现，此时可视为裂纹的起裂时间。

当栅丝断裂时，CPG测试电路中的电压信号会有瞬时突变，将所得的电压信号对时间求导，区间段内的极值点所对应时间即为相应栅丝的断裂时间，如图7所示为CPG测试电路中电压信号随时间的变化曲线及其对时间的导数曲线。同时，相邻栅丝间距固定，可由此得到裂纹扩展距离和速度随时间的变化关系，如图8 所示。可以发现，裂纹扩展速度并非常数，而是不断波动变化，扩展速度大致在300～400 m／s，并且当裂纹扩展至第16、17 根栅丝时，扩展速度达到最大值。

图7 CPG测试电路中电压信号变化及其对时间的导数

图8 裂纹扩展距离、裂纹扩展速度-时间的关系曲线

裂纹扩展路径如图9 所示。由图可见，试件裂纹为张开型裂纹（I型），即正应力垂直于裂纹面，扩展方向和正应力垂直，初期撞击产生的裂纹沿着预制裂纹方向扩展，但当裂纹延伸一定长度后，裂纹扩展的方向偏离预制裂纹方向。

图9 SCT试件动态变形破坏

通过以上实验可以看出，该装置可捕捉实验过程的载荷曲线、试件裂纹的扩展路径和速度，能较好地研究岩石的动态扩展行为，将其应用于材料的动态力学实验研究切实可行。

4 教学实践受益

4.1 充分整合实验室已有条件，实现动力测试本科教学

落锤冲击动力实验装置的研制充分利用了实验室原有反力墙结构和多组已购实验设备，以较低成本实现了动力学实验设备的自主研制，解决了动力实验教学从无到有的问题，更全面地服务于本科实验教学。针对“土木工程试验”，在原有静态实验项目中可新增综合性实验项目2 个：结构和材料冲击实验2 学时；动态应变测试实验2 学时。此外，该装置还可服务于“工程断裂力学”“结构动力学”等课程。在“工程断裂力学”中可新增3 个学时的动态断裂韧度测试实验项目，可扭转该课程目前仅有材料静态断裂韧度测试的现状。受益人数方面，可使土木工程专业每年级超110 人、工程力学约每年级40～50 人受益。

4.2 培养学生的科研兴趣，拓宽学生的学术视野

落锤冲击实验装置从设计、研发到制造的过程中，学生均自发主动参与进来，并充分结合了自己所学的力学知识献计献策，推动本装置的成功研制。通过本实验装置的研发，极大地增强了学生的学习能力和创新实践能力，激发了学生对结构材料动力学和工程动力灾变方面的研究兴趣和热情，也对实验装置的运行和性能参数有了进一步的了解。

通过该设备也可辐射支撑大学生创新实验计划，调动学生的科研热情，拓宽学生的学术视野，并为结构动力响应、岩石混凝土灾变力学等方面的科学研究提供了设备平台。

5 结语

结合本科教学需求，并充分利用实验室的反力墙结构和已有设备，设计研制了一套落锤式冲击动力实验教学装置，该装置可实现对大型土工构件的动力测试，同时操作简便、成本低廉，能够直观了解冲击动力实验中的裂纹扩展过程。本装置的研制填补了本科动力实验教学的空白，并为结构动力响应、岩石混凝土灾变力学等方面的科学研究提供了设备平台。