试验原理与装置详解

Kolsky和Davis在1949年改进的分离式霍普金森压杆（SHPB）测试系统是目前普遍认可和广为应用的中等应变率（102～104 s-1）范围内材料动力学行为测试技术。如图7.11所示，SHPB试验装置主要由撞击杆、入射杆、透射杆组成。

图7.11　SHPB试验装置示意图

SHPB试验技术基于以下两个基本假定［299，300］：

1.杆中一维应力波假定

该假定认为，当撞击杆以一定速度撞击入射杆时，入射杆和透射杆中有且仅有一维弹性波传播，利用一维应力状态下弹性波在细长杆中传播时无畸变的特性，根据入射杆表面应变片测量得到的入射波εi（t）和反射波εr（t）信号，平移可以得到入射杆和试件接触面X1上的应变和应力波形，此界面上的作用力F（X1，t）和质点速度v（X1，t）为：

式中，SB、E、c0分别是压杆的横截面积、弹性模量和一维应力弹性波速。同理，根据透射杆表面应变片测量得到的透射波εt（t）信号，平移可以得到透射杆和试件接触面X2上的应变和应力波形，此界面上的作用力F（X2，t）和质点速度v（X2，t）为：(www.xing528.com)

2.试件中的应力场和应变场沿试件长度方向均匀分布假定

该假定认为试件均匀变形，任意时刻试件都处于受力平衡状态，即有F（X1，t）＝F（X2，t），即可得到εi（t）＋εr（t）＝εt（t），试件中的应变率、应力和应变可表示为：

式中，Ls和Ss分别为试件的长度和横截面积。式（7.5）～式（7.7）仅用到反射波εr（t）和透射波εt（t）信号进行分析计算，由于三波信号不独立，εi（t）＋εr（t）＝εt（t），测量任意两个应变信号就能确定试样的应力σs（t）、应变εs（t）和应变率（t）。

35CrMnSiA钢SHPB动态压缩测试在北京理工大学冲击环境材料技术国家级重点实验室进行，分离式霍普金森压杆参数列于表7.4中，实测三波信号如图7.12所示。采用压缩N2作为动力源驱动撞击杆，试验现场布置如图7.13所示。

表7.4　分离式霍普金森压杆参数