[实用新型]三维冲击加载实验装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种冲击加载实验装置，更具体地说，尤其涉及一种三维冲击加载实验装置。

背景技术

分离式Hopkinson压杆（Split Hopkinson Pressure Bar, SHPB）装置是研究各类工程材料动态力学性能的基本实验手段之一，其研究的应变率范围在                                                ~之间。该装置最初由B. Hopkinson提出，后来经过R.M．Davis对它进行了改进。1949年，H．Kolsky在这些基础上建立了进行材料单轴动态压缩性能试验的试验方法，测试了高应变率下金属材料的力学性能。其结构如图1所示，其原理是将试样夹持于两个细长弹性杆(入射杆与透射杆)之间，由圆柱形子弹以一定的速度撞击入射弹性杆的另一端，产生压应力脉冲并沿着入射弹性杆向试样方向传播。当应力波传到入射杆与试样的界面时，一部分反射回入射杆，另一部分对试样加载并传向透射杆，通过贴在入射杆与透射杆上的应变片可记录入射脉冲，反射脉冲及透射脉冲，由一维应力波理论可以确定试样上的应力、应变率、应变随时间的变化，以及应力、应变曲线。实验装置如图1所示。常用的SHPB装置主要用于材料的单轴动态抗压性能的测试。然而，在大多数情况下，岩石以及其他工程材料往往处于多向受力状态。因此，在SHPB装置上研究材料的三维动力学特性是非常有必要的。

常规的SHPB装置不能直接用于三维冲击实验，研究者在实验装置的研究设计等方面也作了大量改进工作。1972年，R. J. Christenson等首次对岩石进行了维亚下的动力实验。后来，川北稔等[10]利用北海道大学的岩石三维SHPB试验系统进行了一些研究。欧盟联合研究中心设计了用于岩石和混凝土的三维加载冲击试验机。2000年，S.Nemat-Nasser等设计了一种改进的三维SHPB 装置，并对混凝土砂浆进行了冲击试验研究。国内从20世纪80年代开始，北京科技大学、重庆大学相继研制了加围压的SHPB 装置，并进行了一些相关的岩石动态试验研究。最近，李夕兵等研制了新型的动静组合加载SHPB装置，实现了适用于岩石类材料的三维动静组合加载，并进行了一系列相关研究。

目前，三维SHPB冲击试验机从装置构造特征和实现的功能上可以分为两大类：常规三维SHPB试验机和动静组合加载三维SHPB试验机。

1.1 常规三维SHPB试验机

常规的三维SHPB试验机是参照静态试验机的工作原理设计的，即在普通SHPB 试验机的基础上，设计一个加围压的装置，施加围压后进行冲击试验。该类试验机以犹他州立大学、北海道大学、加州大学圣地亚哥分校和北京科技大学的冲击试验机为代表。该类试验机由于入射杆、透射杆及试样均为圆柱形，所以施加的围压在径向二维方向上相同。不过，对该类试验机，按照施加围压装置的不同，还可细分为油压驱动和固体套筒加压的两类试验机， 前一类以犹他州立大学、北海道大学和北京科技大学的试验机为代表，后一类以加州大学圣地亚哥分校的试验机为代表。下面分别选取两类典型试验机进行详细介绍。

北京科技大学的试验系统如图2所示，在普通SHPB试验机上增加了使试样处于静水压力的油压缸。入射杆和透射杆的直径为30mm，长度分别为700和500mm。油压缸耐压为100MPa，将套有橡胶套的岩石试样装入油压缸进行密封，利用轴向油压系统将试样两段夹紧，再用侧向压力系统使试样周围施加一定围压，冲击系统沿着入射杆-试样-透射杆轴向发射一定质量和速度的加载杆撞击入射杆，加载杆速度可达40m/s。为使应力波持续时间为100，加载杆长度选择为266mm。

美国加州大学圣地亚哥分校冲击试验机试验系统如图3至图5所示，包括气炮、冲头、第一入射杆、第二入射杆、入射管、透射杆、透射管、塑料套筒和铝质套筒等。和普通的SHPB 系统相比较，主要是增加了一个第二入射杆、入射管、透射管及施加围压的套筒装置。第一入射杆直径为27mm，第二入射杆直径为19mm。试样直径和第二入射杆及透射杆的直径相同，安装在塑料套筒内。铝质套筒材料参数如下：弹性模量70GPa，泊松比0.3，可以承受500MPa的压力，保证试验过程中施加足够的围压。进行试验时，首先由冲头冲击入射杆，杆上的应变片记录下入射应力波型；应力波由入射杆冲击入射杆和入射管，并由入射杆传递到试样上，再由试样传递给透射杆，透射杆上的应变片记录下透射波型，并按照一维应力波理论对试验数据进行处理