材料的动力学实验技术

1、材料的动力学实验技术因为自己的导师一直在做结构动力学方面的研究，所以对结构动力学方面的 一些的实验内容有一定的了解，通过阅读一些文献，对材料的动力学的实验的技 术也有了更一步的了解，下面简要介绍一下材料的动力学实验技术及其研究进 展。材料动力学具有重要工程意义，其中包括各类实验技术，如材料低应变率、中 应变率、高应变率、超高应变率和材料高压物理状态方程实验，以及这些实验相 应的测试技术等，随着军事、航空航天、造船、石油和核等工业和科学技术的发 展，在爆炸和冲击等高能量密度条件下的结构和材料的瞬态动力学研究己日益显 得重要和迫切。如高速加工成型、工程结构的抗冲击或抗爆炸、弹体对装甲的侵 彻、贯穿

2、和层裂、核爆炸及其防护、卫星及载人航天器的返回着陆等方面的研究 中，都会首先遇到这类问题。在这类问题中，载荷的作用时间通常在微秒甚至纳秒 量级，材料和结构在这类载荷的作用下表现出的力学性能明显的不同于静态和准 静态情况。材料动力学实验的类型有低应变率、中应变率、高应变率、超高应变率和材 料高压物理状态方程实验。其中低应变率实验属于低速冲击载荷试验，中应变率 实验、高应变率实验、超高应变率实验属于中速冲击载荷实验，材料物理状态方 程实验属于高速冲击载荷实验。这些材料动态性能实验在试验方法、装置和操作 手段上都存在差异和不同。下面就对这些实验技术进行阐述和总结。低应变率实验该类实验中惯性力可以忽略

3、不计,它的应变率范围为0-1s-i,它的试验特征 时间大于l秒。蠕变和准静态属于这类情况。该类实验的实验设备有普通材料万 能试验机等。中应变率实验该类实验的应变率范围为1-100 s-i,它的试验特征时间1-10-2秒。该类实验的实验设备有高速材料实验机、落锤式材料实验机、气动式和机械 式的凸轮式材料实验机等。该类试验可以不考虑惯性效益，从而要求试验时加载 过程快速而平稳。利用凸轮式塑性仪研究了最大真实应变率为240 s-1的一些金 属材料的力学性能。夏源明等对国内外中应变率实验技术进行了广泛的调研，并研制了液压驱动的中应变率材料实验机。高应变率实验技术高应变率实验的应变率范围为102-104

4、S-1,它的试验特征时间10-2-10-8秒。该 类实验的实验设备有膨胀环、Hopkinson装置。Kolsky于1949年提出了分离式Hopkinson压杆实验系统。该装置采用应变 片测量得到弹性压杆中的加载脉冲和输出杆中的透射脉冲，间接的推算得到夹在 这两根杆中材料试件的动态本构关系，避开了冲击作用下直接测量试件中应力和 应变得困难。并经过几十年的发展形成了比较完整的Hopkinson试验技术，在材 料的动态性能试验中得到了广泛的应用.冲击拉伸的Hopkinson实验装置(SHTB),随着复合材料等拉压力学特性明显 不同的工程材料的大量使用，开展对材料冲击拉伸性能的试验研究显得越来越重 要

5、。二十世纪六十年代以来很多学者研制了不少专门用于材料冲击拉伸性能实验 装置。其中典型的有kawata研制的杆一块试验装置和夏源明等研制的转盘式的 试验装置。前者施加在试件上的应变率较低，因而使用受到一定的限制，后者在试 验中可以达到较高的应变率，经过改进该试验装置还可以很好的控制施加脉冲的波形和脉冲的强度，但该试验装置结构较为复杂，造价较高。图7:小直径（6 7,6nnOSHP8试验装重实物图 图8:中直径（。14. 5imi）SHPB试验装置实物图图9;大直径（O74rwn）SHPB试验装置实物图超高应变率实验技术超高应变率实验的应变率范围为104S-106 S-1,该类实验的实验设备微型H

6、opkinson实验装置、一维应变实验装置和压剪实验装置，将Hopkinson实验装 置小型化可以实现超高应变率的材料特性试验。Gorham等采用此方法实现了 104/s量级的材料动态性能试验，试验装置中压杆的尺寸为150mm* 3mm,此外，由 于微型Hopkinson装置的独特优点，它可以广泛用于微型生物材料如骨骼和贵重 材料如Pb等的材料动态性能试验,同时它还可以用于微型结构如MEMS系统的冲 击试验。SHPB等杆撞击实验装置是基于一维应力问题，材料试件在试验中处于无约 束状态，因而对试件的压力很难以达到较高的水平，从而限制了试验中的应变率。 要获得超高的应变率可采用板撞击实验装置。板撞

7、击实验属于一维应变问题，它 可以使试件产生很高的压力和应变率。它采用的方法是将薄板材料试件夹持于两 块高阻抗弹性板之间,并且件的法向和撞击方向一致,这种试验方法可是得应变 率达到105的量级。材料高压物理状态方程的实验技术低、中速冲击载荷实验中材料的本构方程采用含应变率变量的应力。应变方 程表示。在高速冲击载荷实验中材料的应变率为106/s以上,这时材料的变形响 应时间非常非常地短暂，使得不同应变率下的效果无差别，因而对材料按可压缩 物粘性流体处理，材料的本构方程通常采用以内能、比容和压力为参数的固体高 压状态方程描述。利用高速冲击载荷研究材料的高压物理状态力学性能，它的装置需满足两个 要求:

8、第一压力具有较宽的可调范围;第二产生的冲击波应满足够的平面度。材料动力学实验技术的研究展望以上对国内、外在材料动力学实验技术的各个研究领域包括试验的种类及其 装置、试验测试技术、它的拓展应用的领域等方面的研究进展进行了总结和回顾。 不难看出材料动力学实验技术研究在近几十年取得了很大进展，获得了许多研究 成果，解决了一系列的工程问题。通过对以往工作的综述和分析，一下几个方面的 研究方向值得期待：Hopkinson拉杆试验装置改进和试验技术的完善。由前面的总结可以看 出Hopkinson拉杆试验装置和试验技术还存在诸多的问题,它还没有H叩kinson 压杆装置和试验技术那样完善。高应变率下的双轴或多轴作用下的材料动力学试验装置和试验技术。随 着一维材料动力学实验技术的完善和工程需求的发展,双轴或多轴作用下的材料 动力学试验装置和试验技术必将成为今后研究的趋势。新型材料和结构的高应变率试验。新型材料和结构日益丰富，为材料动力 学的试验提供了广阔的空间，同时也成为学者们关注的领域。材料动力学实验的数值模拟。采用数值模拟可以对材料动力学试验技术 进行完善和补充,从而建立一套“实验一材料本构模型一有限元模拟一试验环境 和条件扩展的有限元模拟的研究方式。随着航空航天事业的高速发展,空间物体的碰撞越来越引起人们的重视, 因而为空间材料和结构碰撞提供试验手段的三级炮