[发明专利]一种分离式霍普金森拉杆实验系统及实验方法

说明书

本发明提供了一种分离式霍普金森拉杆实验系统及实验方法，包括缓冲阻尼装置、激光测速仪、电磁阀、高压气泵、子弹杆、炮筒、气室、第一套筒、入射拉杆、PC机、透射拉杆、第二套管、单波传递杆、固定端支座、高速摄像机、前置放大器、超动态应变仪、两个强光光源和若干应变片。本发明采用一体化系统，可实现高速拍摄、试件冲击与速度采集同时触发，同时可以利用数字图像相关法技术得到材料的全场历史应变情况，确保了实验结果高精度与结果的正确性。

技术领域

本发明属于材料动态拉伸性能实验领域，特别是一种分离式霍普金森拉杆实验系统及实验方法。

背景技术

材料在准静态和高速冲击作用下的力学性能存在着较大的差异，即材料的应变率效应。纤维复合材料的准静态加载实验的应变率一般在10^-5～10^-2s^-1之间，而动态冲击的高应变率往往在10²～10⁴s^-1之间，如果是爆炸冲击甚至会达到10⁶s^-1。目前，在纤维复合材料动态冲击领域中，人们普遍使用的是霍普金森杆实验装置，1949年H.Kolsy根据Hopkinson的最初设想提出了一套的分段式Hopkinson杆测量材料的动态应力-应变关系。该技术的理论基础是利用一维应力波，通过测量两杆的应变来推导材料的应力-应变关系。Harding最先开展了分离式霍普金森拉杆(split hopkinson tensile bar，SHTB)实验：将实验杆放置在一个圆形套管内，并在杆端增加一个法兰，子弹拉动套管，套管中的拉伸脉冲通过法兰作用于杆件上，拉伸波发射形成拉伸波传入实验杆内，实现拉伸加载。

纤维复合材料在实际应用中往往涉及高速冲击、爆炸、碰撞等高应变率的极端情况，所以材料的动态力学性能是人们非常关注的一个重要内容。研究纤维复合材料在高应变率加载下的拉伸力学性能，对于材料的设计与性能研究具有重要意义。

霍普金森杆装置自1949年问世以来，经过几十年的发展，已经成为动态力学测量的主要设备，它具有结构简单、操作方便、测量方法精巧、加载波形易控制等优点，其所测量的应变率范围也是人们所关心的一般工程材料应变率敏感性变化比较剧烈的范围。但是过去的Hopkinson技术主要应用在金属及其合金材料上，这类材料拉压特性基本对称而且塑性变形能力较大，而纤维复合材料由于其结构的多变性，其阻抗、延展性等与金属相差较大，故此SHTB装置仍需不断的发展。

目前，国内关于霍普金森拉杆的探索取得了一定的成果，名称为“碳纤维机织复合材料动态力学性能研究”的论文(叶晓盛，哈尔滨工业大学，2020)中霍普金森拉杆装置采用固定直径杆件与子弹杆，无法更换不同直径，难以对不同尺寸需求的试件进行实验。

在“一维霍普金森拉杆的纤维增强复合材料动态拉伸实验技术”(曲英章，Hopkinson杆实验技术研讨会，2007)一文中采用反射式SHTB实验装置，其缺点在于入射杆与透射杆间使用承压块传递应力波，难以消除承压块与杆件界面的一些不确定因素，例如摩擦力、界面无法完全吻合、界面间存在杂质等。

随着数字图像相关法(digital image correlation，DIC)技术的发展与成熟，该技术在生物科学、材料力学和结构工程等领域应用于位移和应变情况的测量频率越来越高。其原理是截取试件上散斑变形前后的图像，通过相关函数计算散斑变形位置得到材料的全场位移与应变情况。通过DIC技术我们可以得到试件全场历史应变情况，使测量结果更为精确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分离式霍普金森拉杆实验系统及实验方法，用于不同尺寸、类型的纤维复材动态拉伸性能测试，以此来弥补纤维复材动态拉伸领域的不足。