材料動力學性能試驗裝設備分離式霍普金森桿

　　分離式Hopkinson(霍普金森)實驗技術是目前實驗技術和應用情況研究最多的材料動力學性能實驗。要講霍普金森壓桿實驗，就要先從材料動態力學性能實驗開始講起。

　　材料動態力學性能實驗

　　在各類工程技術、和科學研究等廣泛領域的一系列實際問題中，甚至就在日常生活中，人們都會遇到各種各樣的爆炸/沖擊載荷問題，并且可以觀察到，物體在爆炸/沖擊載荷下的力學響應往往與靜載荷下的有顯著不同。

　　19世紀開始，人們才逐步認識到了材料在動載下的力學性能與其在靜載下的力學性能不同。

　　Thomas Young是分析彈性沖擊效應的先驅，他(1807)提出了彈性波的概念，指出桿受軸向沖擊力以及梁受橫向沖擊力時可從能量進行分析而得出定量的結果。J. Hopkinson 1872完成了第一個動態演示實驗，觀察到鐵絲受沖擊而被拉斷的位置不是沖擊端，而是固定端；并且沖擊拉斷的控制因素是落重的高度，即取決于撞擊速度，而與落重質量的大小基本無關。Pochhammer，1876；Chree，1886；Rayleigh，Lord 1887分別研究了一維桿中的橫向慣性運動。1897年Dunn 設計了第一臺高應變率試驗。1914年B.Hopkinson想出了一個巧妙的方法，用以測定和研究爆炸或彈丸射擊桿端時的壓力～時間關系。所采用的裝置被稱為Hopkinson壓桿（Pressure Bar），有時縮寫為HPB。

　　二戰之前，很少有人研究動態壓縮加載問題，只是G..I.Taylor 在三十年代末想出了一個方法來測量材料的動態壓縮強度。Taylor方法主要是假設材料是剛性——理想塑性，運用一維波傳播的基本概念，用一個圓柱撞擊剛性靶，然后測出其變形，最后得到材料動態壓縮屈服應力。

　　高應變率實驗技術的發展史

　　1807 固體中的彈性波與斷裂強度；

　　1800s 關注剛軌道的動態斷裂前度；

　　1872 Hopkinson實現金屬絲的動態加載；

　　1870s-1880s Pochhammer和Chree發現長桿中彈性波的耗散；

　　1897 Dunn 設計了第一臺高應變率試驗機；

　　1905 Hopkinson實現金屬試件的動態加速加載；

　　1914 利用Hopkinson壓桿測定彈丸撞擊和爆炸的脈沖波形；

　　1920s-1930s 致力于高溫下鋼的拉伸和扭轉沖擊加載的技術研究；

　　1940s Carrington and Gayle等發展Taylor試驗技術；

　　1940s Fehr 和 Parker等在動態拉伸試驗中開始使用應變片技術；

　　1948 Davies分析了波在Hopkinson壓桿中的傳播，并發展了電容方法測量桿中應力脈沖；

　　1948- 9 Volterra and Kolsky發明分離式SHPB

　　1950s Loizou and Sims發展了凸輪塑性儀；

　　1950s Davies等確定采用表面應變片測量應力波傳播的合理性。

　　目前，已能對材料進行不同應變率下的力學性能實驗研究。常規的實驗設備只能實現應變率在0.1/s以下；凸輪塑性機和落錘實驗裝置可以實現應變率到500/s；輕氣炮和平面波發生器可以獲得10000/s 以上的超高應變率加載，核爆炸產生的應變率比108/s 大；分離式Hopkinson壓桿裝置被認為是獲得材料在100/s- 10000/s高應變率范圍內應力應變關系的最主要實驗手段。分離式Hopkinson實驗技術完善了準靜態加載與超高應變率加載之間的部分空缺應變率范圍，這個范圍恰好包括了流動應力隨應變率變化發生轉折的應變率，所以對它的實驗技術和應用情況研究也最多。
      霍普金森壓桿實驗

　　Kolsky證實了試樣的應力和應變與壓桿位移之間的關系。利用超動態應變放大器+數字示波器，記錄存儲入射桿和透射桿的應變-時間波形。

　　該技術的理論基礎是一維應力波理論，通過測定壓桿上的應變來推導試樣材料的應力－應變關系。SHPB技術之所以能受到人們的重視，主要原因是該測試技術的優點十分突出，主要表現在：

　　測量方法巧妙，成功的避開了要在試樣同一位置上同時測量隨時間變化的應力和應變的難題；

　　SHPB試驗所涉及的應變率范圍包括了流動應力隨應變率變化發生轉折的應變率（100～10000/s）；

　　入射波形易于控制，改變彈丸(撞擊桿)的撞擊速度及形狀，即可調節入射脈沖波形，從而也調節了作用于試樣上的波形。

　　霍普金森壓桿實驗的應用

　　霍普金森壓桿實驗主要用于研究材料在沖擊荷載下的應力-應變關系和破壞機理，包括：

　　巖石、混凝土、陶瓷材料試驗;

　　塑料、復合材料、泡沫材料、減震材料等材料試驗;

　　高聚物、固體推動劑材料試驗等。

　　1 動態荷載下應力-應變關系

　　靜態荷載下，材料應力σ=應變ε·楊氏模量E。

　　而在動態荷載下，材料力學性能會與加載率（應變率）顯著相關。高幅值短持續時間脈沖荷載所引起的材料力學性質的應變率效應，對于抗動載的結構設計與分析是非常重要的。這些動載來自常規兵器爆炸、偶然爆炸和高速撞擊等許多軍民事。

　　當驅動撞擊桿撞擊入射桿時，通過采集入射桿和透射桿的應變脈沖-時間波形，就可得到作用于試件的沖擊荷載。而改變撞擊速度就可以改變作用于試件的沖擊荷載和試件的應變率。通過多次測試，就能得到試樣在不同應變率下表現出的不一樣的應力-應變關系。下圖是鋁在一個測試結果，在較高的應變率下，試件發生了較大的變形。

　　2 應力波傳播特性和能量耗散分析

　　對不同的試樣進行試驗，得到其波阻抗特性并進行能量耗散分析。在一定波阻抗匹配系數范圍內，演示波阻抗匹配效果的改善，有利于提高能量利用率，降低巖石大塊率，改善破巖效果。

　　3 試樣破壞機理研究

　　試樣在不同沖擊速度下呈現不同的應變時程曲線，且破壞形態也不一樣。以復合巖體為例，隨著沖擊速度的增大，巖體破壞逐漸加劇，碎塊數量增多、體積減小。

　　霍普金森壓桿實驗數據采集

　　霍普金森壓桿試驗，需要非常快速（數MHz）的采集應變數據。

　　數字示波器是我們實驗室常用的設備，采樣頻率很高，但是應變片在經過橋路轉換后的輸出電壓非常小，在mV級別甚至μV級別。而超動態應變放大器可以將橋路的輸出電壓進行無失真的放大到1-10V，放大后示波器可以很輕易的采集，而且信噪比高。

　　在擁有數字示波器的前提下，我們只需要再配備2個或多個超動態應變放大器，即可以較低的成本高規格的滿足試驗要求。