软材料动态拉伸试验

1、软材料动态拉伸试验摘要：因为实验困难，测定软材料动态力学响应一直是项挑战。分体式霍普金 森拉杆（shtb）是一种常用的表征高强度工程材料的设备。不过，当这个标本是 软的，设计必要的夹头来保证测量微弱信号传输和标本达到动态平衡是具有挑战 性的。在这项工作中，我们修改了 shtb的加载脉冲、力平衡检测系统和试样几 何形状。使用这个修改后的设备所取得的成果描述一个软橡胶表明，试样动态应力平衡条件下的变形近恒应变速率。软的动态特性材料的轴向和径向惯性效应经 常会面临降到最低。关键词：分离式霍普金森拉杆 冲击试验 动态平衡 惯性的影响 软质材料介绍非生物、机械阻抗低的软质材料已被广泛用作冲击吸收部件，其

2、机械性能， 特别是冲击载荷条件下的机械性能，在有效地利用这些之前需要了解材料在汽 车、航空航天、交通运输和便携式电子产品中应用。此外，生物组织被列为一类 软质材料，因为其具有机械阻抗低的优点。 软材料的机械性能，如橡胶和生物组 织材料应变率通常是非常敏感的 2。动态响应和高速率下加载材料的破坏行为， 如发生碰撞和碰撞射入，跟静态载荷下不同。因此，有必要确定动态等效软质材 料，在高速率响应下的行为，优化发展可靠率相关材料模型设计工程元件或人类 对高速率的负荷保护系统。软质材料的动态压缩性能得到了广泛的调查与最近开发可靠的技术实验 1-3。 高速率拉伸行为是这些软质材料的动态响应另一个方面的重要认

3、识。然而，准确地确定所需的动态拉伸实验的挑战进展有限。霍普金森压杆（SHPB实验），最初由Kolsky开发，已被广泛用于研究率 依赖压缩流动行为韧性的金属，通常的应变率范围102到104S-1。这种方法一 直延伸到用于各个版本的霍普金森拉杆（SHTB）动态拉伸特性5-7。 SHTB技 术常见的工程材料开发，如金属8，9、聚合物10，11、和复合材料12，13中。在一 个理想的分离式霍普金森杆实验中，一个几乎恒定的应变率下的试样变形动态平 衡单轴应力状态14。在任何从远场获得力学性能的实验测量，在近应力分布均匀；标本是一项基本要求。当标本是由柔软的材料与低机械阻抗的组织，如橡胶或软生物组织，我们

4、正面临着重大的挑战，如在杆的微小信号检测，动态平衡的 监测，设计样本均匀变形，夹持试样，产生重复的低幅载荷脉冲。在讨论我们研 究的目标后，描述我们用实验方案解决克服这些问题。软质材料的波速度相比大多数其他工程材料通常很低。建立在标本应力波的传播和反射下，一个平衡在动态应力状态可能无法达到自应力变形15。 “生产的有效性和实验数据的准确性由霍普金森杆软标本决定，因此必须加以更详细的检查。为实现轴向应力的方法平衡，在柔软的标本动态压缩过程中应变速率恒定 已经提出并分析。薄标本通常没有足够的硬度15。射入脉冲还必须进行修改，以便在一个软标本中实现动态的应力平衡3，15,18。不同于准静态测试，闭环控

5、 制系统是用于机器监控和维护所需的测试条件，霍普金森杆实验中没有这样的控制系统。脉冲整形是达到试样所需的试验条件的典型做法。这些修改霍普金森杆 技术，已成功确定动态压缩行为软质材料，如橡胶1,19，聚合物泡沫20，猪皮21 和肌肉2。类似的措施一直延伸到动态拉伸实验玻璃状聚合物11。在这项研究中，脉冲整形技术的创建和在恒应变下的加载软标本变形的到达动态应力平衡率。在霍普金森杆实验，成就动态应力平衡是检查实验的有效性的一个重要的条 件。这通常是通过比较传输信号（1波）射入和反射信号之间的差异（2波）14o 由于标本很软，它很难从传输信号的测量杆得到一个合理的信号噪声，实现表面 应变计比率。这个信

6、号是用来计算在标本上的应力过程。因为只有入射脉冲的一小部分是透过标本的传输栏，所以很难找到入射和反射信号之间的差异。为了有效地检测低幅应力，然后监察动态应力平衡，在软压缩试样两侧安装敏感的力传 感器实验22。惯性力传感器的影响射入杆侧可能成为这样的实验重大因素。为 了纠正这些影响，惯性补偿制度已提出23 0在这研究中，纠正分析力传感器装 配惯性的影响，在细节描述实验设置部分。应当指出的是，当导电材料，如生物 组织测试，石英晶体力传感器还需要被电隔离，这也将在后面介绍。试样的几何成为一个重要的因素在实验设计时，试样是软的。为了满足动态 平衡的要求，试样必须薄3,4,15-17。这也减少了惯性的影

7、响沿加载轴。为了尽量 减少在惯性的影响径向方向，试样必须是空心的24 0在动态试验中，试样的加速从静止到所需的变形率或速度。泊松比材料夫妇轴向应变加速径向变形。 这种 惯性诱导径向应力是试样的边缘零增加对标本中心24，25 0这径向应力产生一个额外的轴向应力是由记录在霍普金森杆实验的传输信号。虽然这个惯性诱发额外的压力是低振幅（1 - 2MPa）,这对机械的叠加在同一个实力的软质材料的反应 为了使动态的实验结果非常不可靠的。去除试样的中心部分材料不仅减少多轴向 加载材料，但也创造了新的内应力自由边界标本， 从而最大限度地减少了径向惯 性效应24。石英晶体力传感器在杆两端的存在使得有必要修改夹紧

8、软标本的方 法。考虑到短期的需要规长度的标本，以达到动态平衡，镂空的几何惯性最小， 紧张加载，我们开发出一种新的管状试样粘接 /夹紧方法。由于试样是软的，负载振幅需要执行在较低的实验时，要小应变率。这通常是低的影响前端的速度和使用适当的脉冲塑造者。当惊人的速度非常低，在新一代的低振幅的入射脉冲的一致性实验成为一个相对的问题摩擦力的作用以及管 和杆之间的前端，成为射入杆不平衡的影响更为显着。 在这项研究中，我们使用 了势头导流栏最前端的冲击能量吸收，留下一小部分产生的冲击能量入射脉冲。 此外，在阻抗减少联合之间的钢和铝的射入栏部分（图 1）进一步限制负荷的幅 度在试样上传授的脉冲。这些修改使高得

9、多的前端冲击速度， 从而保证重复性实 验。Hg. A schematic iUusCrBlion of lhe SHTB modified fbr the dynamic characlmzalitm of sufl tissues实验装置A制f ig. 2 A scheniiitic illustration of momentum diversion M the impact Oange霍普金森拉杆的示意图在这项研究中所使用的显示图1。它由一个动量转移杆，复合射入杆，管状的前端，和传输杆。在25.4毫米直径钢势头导流栏(如图2所示)拥有2,692毫米的长度。2286毫米长的型钢射入栏，有一

10、个直径19.0 毫米1,830 -毫米长的铝型材有一个直径为12.7mm。12.7毫米铝传输杆是1830 毫米长。钢管前端，这对钢铁部分射入杆，具有相同截面积为钢射入杆和533毫米长。期间实验的势头导流栏对接起来对在射入栏结束的法兰。肾小管前端是由气体枪朝法兰结束射入杆和对法兰的影响。一旦发生撞击，的势头导流栏吸收的影响最由于其较大的截面积的能量。使用理想化1D弹性波动力学的原理如图。 2，压力的，诱发射入杆，射入前端在初始速度的影响为 Vo，(1)其A 1中，和c分别为密度和钢材料的波动传播速度， Vo是管状6=2尖端的Am 1 R 速度，Ai和Am横截面的面积。通过以上的介绍，使用导流杆时

11、传输杆的应力水平是不用导流杆时的 53%。由于传输杆的拉伸脉冲传播速度比钢铝连接点快，通过一维弹性波原理估计铝部分应力为二a :cVoAi2A Am其中a是铝型材的横截面面 R 号 积，是钢铁和铝的射入杆部分aCaAa之间的机械阻抗比。同实验装置如图 1, : a是60%左右的：i。因此，用的势头 分流杆和钢/射入应力振幅铝联合，只有？ 32%产生在传统的霍普金森拉杆。这 使高得多的惊人速度产生相对较低，但可重复射入的压力脉冲用于软材料测试的 需要。人们还注意到，复合射入杆保留钢钢的影响机制，产生加载脉冲软的标本。 相较于铝-铝接触，钢的影响机制有更好的重复性持续更长的时间。为了展示对于软之材

12、料来说新 SHTB的能力，我们进行了一个以乙烯丙烯二 烯单（EPDM ）橡胶为模型材料的实验。我们以橡胶作为试样，在MTS机上做准静态拉伸响应实验，其结果将作为对照，并和动态应力应变曲线图在图9显示。 在动态实验中，试样将安装在12.7毫米直径的铝部分和传输杆之间，在 SHTB 实验中，试样的夹持夹紧方法为维持几近均匀的变形和获得有效地实验数据起 到了关键的作用。任何试样和杆之间的延迟将使得最终的实验结果不准确。将试样与杆在接触处胶合可以有效阻止试样打滑。 然而，在试样表面，杆的两端给其 以径向约束；胶合使其不可以自由移动从而削弱了轴向载荷。 尤其是在较薄的试 样需要达到动态应力平衡时，几乎整

13、个试样上的压力是处于三力平衡状态，这又违反了实验的单轴应力条件。这导致实验数据复杂化，并需要重新分析更正，这 使得试验结果增加了额外的不确定性27, 28。此外，固体样本的单独使用增加了 额外的径向惯性，这在软质材料的动态测试中具有重要的意义。 为了减少软质材 料高速率测试中的径向惯性，空心几何形状的试样已被采用24。虽然，这种空心 圆盘试样设计在压缩实验中很有效，但是试样两端都进行胶合时就无效了， 它会 产生显著的三维应力状态。为了克服上述难题，在这项研究中，我们把软质的板状试样缠绕在铝杆末端以形 成一个管状几何体，如图3所示。表面粗糙的薄金属内胆连接到杆的表面和螺丝 钳的内表面，使得拉伸试

14、样受到的剪切最小化。这种设计不仅最大限度减小了三 维应力状态的发生，而且，削弱了径向惯性的影响，从而使得软质材料测试所需 的石英晶体可以安装在杆的末端。sample (rubber)l i, 3 Hhistralion of specimen mounting on the gaye secuon(EdlAI)65-4：00.00 0.02 0.04 0.06 0.08 OJO 0J2 0.14 0.16StrainFi痊 4 Comparison of the stress-strain cunes for the solid, hollow, and wrapped specimens a

15、t strain rate of 1,(X)O s 1图4是比较实心固体、空心试样和钢套在相同的应变率的情况下的应力应变曲线。实心实体的末端和空心试样的末端是和杆的末端胶合在一起的，而被包裹的试样如图3所示。图4表明，在应变为10%时，被包裹管状试样所受应力分别 是实心实体和空心试样的85%和80%。在实心试样的应力测量中，三维应力状 态、径向惯性和力学响应相互混合在一起。当使用空心试样使径向惯性减弱时， 压力减小，但是被包裹试样却由于受到胶合末端引起的三维应力状态的影响而变 大。被包裹的管状试样的设计最大限度减少了三维应力状态和径向惯性对压力测 量的影响，从而接近软质材料的真实的力学响应。

16、这种包裹的管状试样设计的成 效已经由高速数码相机（Cordin 50）验证。在杆试样和试样夹具表面是没有滑 动的。通过测量，管状试样的管壁厚度也不会引起显著地剪切变形。包裹试样的 应变响应也是十分接近材料的内在力学响应。而实心实体胶合试样的误差比空心 试样的更大（图4）意味着三维应力状态的影响比径向惯性的影响更为显著。Incident pulse亠pulse of plastic chmp Refleded pui&e d si eel damp Reflected pulse nf ring hanger3.0x104-eqa) urao2.5x10-2.Qx104-UjcIO4-I.Oxl

17、O1-5.0x10*-|lll I P!0255075100125150175200225Time (us)l Jg 5 Efleets of clamp weight on the rellected pulse in the incident bar0.0 一随着试样夹具（图3）的引进，关注点是杆中一维波的传输和相应的实验杆上的反射信号，还有随之而来的应变率和应变将不能准确的描述试样的变形。为了解决这个问题，我们进行了在实验杆末端安装三种不同夹具的实验，分别为 45.19g的黄铜裂环衣架，8.07g的不锈钢卡箍，1.33g的塑料软管夹具。图5显示 了实验脉冲和三种在安装了不同夹具情况下的反

18、射脉冲。 如果没有夹具，反射脉 冲和入射脉冲近于重合。较重的黄铜夹具的反射脉冲受到夹具的影响明显。 然而， 当使用较轻的塑料夹具时，反射信号的影响是可以忽略不计的（图 5）。应当指 出的是，实验中使用尖形脉冲会使夹具的影响更小。 因此，本文所述的实验使用 的是塑料夹具。包裹的管状试样有一个实现轴向应力平衡必须的1.0毫米的标距15。为了使试样具有一致的标距长度，在试样未被包裹及固定前在实验杆和传输杆末端夹一 个1.0毫米的光滑垫片。人们发现仅仅使用一个薄试样可能不利于动态应力平衡 的产生，而加载脉冲也应该经过脉冲整流器进行处理 29,30。在这项研究中，我们 像放置脉冲整流器一样放置一种边长

19、4毫米、厚0.06毫米、面积为4平方毫米 的铜纽扣在法兰亮边的周围。试样的动态应力平衡时通过位于穿过试样的杆的末端的石英晶体力传感器 进行检测的。高敏的X-cut圆形石英晶体压电力传感器（波士顿压电-光学公司） 同样是12.7毫米的直径，而且有着和铝杆相近的机械阻抗。因此，在一维波在 杆中传播产生的干扰信号中，石英晶体产生的干扰最小 22。每个石英晶体夹在 两个铝的导电环氧保护的磁盘之间。被夹住的每一个单元受到带有绝缘的环氧树 脂的铝杆隔绝，从而与实验杆不导电。杆其他部分的力传感器的绝缘不仅最大限 度减少了电的干扰，也防止了在使用导电的软生物组织样本时发生短路。石英晶 体两侧的铝盘同时作为测量

20、感应负载电荷的电极使用。在自由端的铝盘的圆柱表面也是管状试样的夹持表面。由于铝盘有自重，石英晶体的实验杆一边将会测量 加载加速阶段由其惯性引起的额外应力。在这项研究中，铝盘的惯性力会在综合 加载脉冲文件和加速记录后进行分析更正。为了表征软质材料的动态拉伸响应：（1）我们使用修改后的带有动量转移杆的分离式霍普金森压杆控制对试样进行重复的低振幅脉冲加载实验。（2） 个复合的实验杆，在维持钢钢机制重复性产生原始入射脉冲时进一步降低了入射脉冲 的幅度；（3）单包裹的管状几何试样，可以尽量减小在动态实验中径向惯量和三 维应变对轴向应力应变的影响；（4）粘结夹紧的安置软质试样的方法，修改后 的统一标距对于

21、在杆中传播的一维波的影响最；（5）用脉冲整流技术加载试样， 可以使其在近乎恒应变率的动态平衡下变形；（6）绝缘的石英晶体测力系统，监 测着动态平衡的全过程。在这个修改后的SHTB中，电阻应变计与作用杆的铝质部分相连接用以记录 实验中入射和反射信号。半导体应变计连接到铝质传输杆上用以记录一般非常微 弱的传输信号。半导体应变计（灵敏度是电阻片的 70多倍），和铝杆（刚度是钢 筋的三分之一）显著提高了传输信号的灵敏度。石英晶体力传感器位于式样周围， 更靠近试样的应力状态较复杂的试样部分，所以它仅仅是用来检测试样的动态平 衡。当试样处于动态平衡时，名义应变率在试样中和作用杆的反射信号成比例14.人=-

22、乎（ 3）L是试样的原始标距，由试样的嵌入式间隔决定。是作用杆中与反射脉冲同步的应变，CO是铝杆材料的弹性波传输速度，方程（3）是随时间变化的试 样的轴向应变。试样中轴向应力（T S由下列方程式确定：s t = A Et t t（4、其中，As是试样的横截面积，；tT是时间分辨的中铝的轴向应变截面积， A 是传输杆弹性模量等。实验结果z) eo-JOLLsm 1 匚aipQu-2000-1000I500I0-500-i-1000I-1500-200004*4200400600 BOOTime (us)Incident bar signal Transmiston bar signal Fron

23、t end quartz signal Back end quarlz signa J50100150 J 一- -(N)电 2uowemue Pub NUEnoli 片 6 A typical set of oscilloscope record ol lhe modi lied SHTB experiments图6显示了一个典型的示波器记录集从实验上使用这个修改SHTB三元乙丙橡胶标本。形脉冲入射脉冲测量铝射入杆节电阻应变计。 大多数设计的射入脉冲 过程中产生了恒定应变速率变形。由于很低机械阻抗软标本，只有一小通过传输 部分入射脉冲标本。大部分的入射脉冲被反射回射入杆。 后跟一个有一个初步

24、的 高穗在负载历史的高原，由石英晶体测射入杆侧对应的轴向惯性在射入栏的末尾 所附的铝盘。近加载过程结束，有一个负尖峰加载历史相同的石英晶体测，这也是轴向的铝盘的惯性结果。它清楚地表明，惯性力铝盘总成引起的黯然失色在试 样的内应力，必须予以纠正。惯性力 Fin，铝盘所致装配计算。FindV(5)=m 一 dt其中m是质量的铝盘总成包括磁盘，胶水和线；V是粒子的速度在射入栏的末尾由于石英传感器是非常关闭栏的末尾，使用一维应力波理论，我们有(6)V -Co ；r因此，在惯性力的计算Fn= mcddt(7)据悉，这两个射入和反射脉冲需要平滑过滤掉之前的惯性电气噪声力计算公 式（ 7）。在实际应力试样的

25、前端通过减去惯性从生效前的石英传感器测量力frontasure - Fn(8) Front quartz force signal c Inertial force Specimen front end force *Specimen back end force160-120-8040s*40-80J-120-1600.00000.00010.00020.0003Time （s）Fi舟 7 Dynamic equilibrium in the specimen at strain rate of 2,000 s 1图7显示了历史的测量石英传感器和惯性力的计算方程（7）。前端力计算公 式（ 8）也被绘制在图7和与力后端的标本。后端的力量直接测量与石英换能器 上的结束传动杆。由于负载通过标本是非常小的，网络加速/减速该铝盘装配在传动杆侧不太重要。因此在这种