分离式森压杆实验技术改进应用

材料在高应变率冲击载荷下的本构行为是材料性质很关键的材料在高应变率冲击载荷下的本构行为是材料性质很关键的一个方面，分离主要的实验手段本文首先根据应力波理论，讨论了弹性杆中一维应力波的传播，两弹性杆的进而从理论上阐明了传统的SHPB技术的基本原理，并且简要介绍了本实验室研率加载这两大问题，建立了入射波整形技术。在输入杆前端的中心位置粘贴一块的黄铜圆片，通过它的塑性变形来有效地增加入射应力脉冲的上升时间，从而保变形均匀和应力平衡。另外，通过整形器的合理设计，可以很方便地获得常应更进一步，通过应力波传播过程的理论分析，建立了预估入射波形的理论模型。模型，可以计算出各种参数情形下的入射波形。这样结合整形器的设计思想。便我们选取合适的初始条件，以便确保常应变率加载，可以减少实验的尝试，真正硅橡胶材料高应变率下的动态压缩力学性能。利用石英晶体的压电效应，用x一切片代替应变片直接测量输出杼中的应力信号，信号幅值可以提高三个量级，大大力信号的信嗓比。另外，我们在试样两端的压杆表面嵌入石英晶体，来直观地监端的应力平衡。实验结果表明，这种硅橡胶材料对应变率十分敏感最后，我们利用改进的SHPB技术对三种树脂基尼龙复合材料进行了高应变压缩力学性能的实验测试。获得了应变率分别约S“的材料力应变曲线，给出了材料本构的应变率效应分析和高应变率下材料性质的比较impactloadingusuallyimpactloadingusuallymaterialshighofAccordingtowave，thetransmissionofone—dimensionalharddynamicequilibriumconstantstraintechniquedeveloped，Wethefrontfaceoftheincidentbar，theofdampstheincidentwaveformdynamicequilibriumanddeformationinthespecimen．Accordingmethodofpulsedesigning，theloadedconstanteasily．Furthermore，wetheoreticalmodelsurfacemountedtransmissionexperimentssiliconrubber．ThisCantheenhancethesignal—noiseWhat’Smore，wemountpiezoelectriccrystalforcethefacesinshowthatthreedynamiccompressivestress．straintheS～respectively，Weanalyzeeffecttestedmaterials，andcomDa辩matrix本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取的研究成果．尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意学位论文题目盆受盛霍萱全盘压盘塞坠茧盔数迭堂狸应圭立以年f月洲学位论文作者签名日期学位论文版权使用授权本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文(保密学位论文在解密后适用本授权书学位论文题目金直盛霍董金盎压盘塞验拉盔的邀进塑座重猛日期以年r月立作者指导教师签名Et期：》哆年r序名论第一章课题背材料的力学性能是十分复杂的，它依赖于许多论第一章课题背材料的力学性能是十分复杂的，它依赖于许多因素。不仅与材料本身的内部而且与外部加载条件如加载速率、加载的大小有关。同时还受加载时的环境因湿度以及围压等的影响。其中加载速率的影响是很重要的，许多材料在动态加响应行为，与其在静态加载条件下的响应行为相差很大。不同的实验装置用于研不同应变率下的力学性能。以研究材料的压缩力学性能为例，液压伺服式材料试提供S’)条件下产生高加载的能力。分离式Hopkinson压杆实验技术被认为是获得材料在S1高应变率范围内应力应变关系的最主要实验手段[1]。轻气炮加载和平面波s。以上超高应变率的动态加载。分离式Hopkinson压杆实验技术填补了载与超高应变率加载之间的部分空缺应变率范围，这个范围恰好包括了流动应力变化发生转折的应变率。因此，分离式Hopkinson压杆实验技术已经成为研究缩力学性能一个最基本的实验手段其中，从而使这一装置可以用于测量材料在冲击荷载下的应力应变关系。由于这～用了分离式结构，因而被称为分离式Hopkinson压杆，简称HPressureBar)SHPB实验技术的核心是两个基本假定，即：一维性假定和均匀性假定。根据～定，可以通过一维弹性波理论推导出实验材料的应力一应变一应变率关系的基据均匀性假定，可以进一步简化这一基本公式。在最初的二十年里，人们围绕这术的两个基本前提：一维应力波的传播和试样处于均匀的受力和变形状态，进行了较容易满足的。然而，目前我们更需要研究的是一些比较特殊的材料较容易满足的。然而，目前我们更需要研究的是一些比较特殊的材料。如岩石、装等破坏应变很小的脆性利料；泡沫塑料、硅橡胶等波阻抗很低的软材料；以及内部组分复杂、均匀性极差的混凝土材料等等。利用传统的SHPB实验技术来研首要的问题是实验中均匀性假定是否仍然成立。周风华等[5的讨论，并将这种不均匀性分为“时间不均匀性”和“空间不均匀性”，提出平移法及三波法计算公式。刘剑飞等[6]在此基础上，针对多孔介质进一步提于一般材料的解耦的数据处理方法。然而，这类修正方法通常给数据处理带来相当性，而且还可能引起新的误差。因此，如果使用SHPB实验技术测试材料高应变态压缩力学性能，应该首先从实验技术上加以改进，使之满足其前提条件其次，在以往的SHPB实验中对试样的常应变率加载问题也一直未能引起足够的了试样中应变率的状态，平的反射波形意味着常应变率加载，对应的应变时程曲入射波和透射波的制约，也是不可调的。因此很难有效地控制加载过程的应变率其是获得常应变率状态另外，利用分离式霍普金森压杆(SHPB)对一些软材料进行测试时，由于软值，与外界的干扰信号处于同一个量级，此时已经无法采用常规的电阻应变片来另外由于返回输入杆中的反射波和入射波幅值信号非常接近，也已经不能够用它L等[10]建间的差值来确定试样加载侧的应力。为了解决这方面的问题抗较低的聚合物杆取代传统的金属杆H等[11]则成功地采用E值较低的粘试了泡沫塑料的动态压缩应力应变曲线。然而采用粘弹性杆，既需要考虑粘弹性—性以及拉压不对，弱加据—性以及拉压不对，弱加据上难剑飞等采用VDF电计测试了一种硬质聚氨酯泡沫塑料的动态压缩力学性能，但是实验结果给出曲线与应变片测量的结果相差较大针对以上这些问题，传统的SHPB实验技术还需要进一步地加以改进，使得这项实验技术研究越来越多材料的动态压缩力学性能，从而拓宽这项实验技术在及科学研究中的应用范围课题研究的主要内助。课题的主要任务是以研究材料高应变率下的动态压缩力学性能为目的，对实验技术加以改进，从实验与理论两方面出发，建立能够有效地用于研究软材本构行为的SHPB实验技术和理论分析方法>综述了国内外SHPB实验技术的研究现状>从理论上分析推导了SHPB实验技术的基本原理>通过实验研究了入射波整形技术的规律，以及如何实现常应变率加载射波形的预测结果>实验测试了一种硅橡胶材料高应变率下的动态压缩力学性能。实验中应波整形技术，使得试样在加载过程中保持应力平衡和实现常应变率加载还应用石英测试技术来直观地监测试样两端的应力平衡和测量微弱的透射对实验数据进行了处理。对比静态参数进行了应变率效应分析，并对复合材料在同一应变率下的动态压缩力学性能进行了比较析推导了预估入射析推导了预估入射波形的理论模型，给出了经过整形器整形以后入射波形的预测结四章介绍了一种硅橡胶材料高应变率下的动态压缩实验测试。重点介绍了如何利用电传感器直接测试透射杆中的应力信号和监测试样两端的应力平衡。并应用了入技术，使得试样在加载过程中保持应力平衡和实现常应变率加载；第五章系统分尼龙复合材料高应变率下的动态压缩力学性能，并加以比较；最后为结束语，总结所做的工作和今后的研究方向分离式霍普金森压杆的研究现1949年Kolsky的论文被认为是SHPB分离式霍普金森压杆的研究现1949年Kolsky的论文被认为是SHPB实验技术的始创。SHPB实验装置从以来，已经有五十多年了。它作为研究材料动态力学性能的最基本实验装置，的应用。当今，国内外一些从事材料动态力学性能研究的高校或单位，大多都实验装置在国内，二十世纪80年代初，中科院力学研究所率先设计加工了置，至今有这种装置的单位约有十多家，如中科院力学所、中国科技大学、中研究院以及解放军工程兵三所等等。利用这些装置，已经做了大量的实验。涉有金属、岩石、有机玻璃、树脂、橡胶、泡沫塑料以及混凝土等在国外，二十世纪70年代前后，关于这项实验技术的讨论很热烈，美英大量的文献[15一18]讨论了这方面的问题。主要围绕这项实验技术的两个基本较为全面的研究论证，建立了有关试样的设计原则和数据处理的修正方法。了各种实验方法上的改进和理论方面的修正[19，20]。特别是通过改进SHPB实试研究了两类特殊材料(软材料和脆性材料)的冲击压缩性能。如w．Chen等脆性材料的动态应力应变关系[22]由于SHPB实验装置具有结构简单、操作方便、测量方法精巧、加载波形容程材料流动应力的应变率敏感性变化比较剧烈的范围。因此，SHPB现在已经成为测动态力学性能最基本的一种实验装置，并且仍有蓬勃发展的趋势。主要的发展动向>设计大口径的SHPB装置。由于岩石、混凝土和一些复合材料其内部结构不外，通过在SHPB装置上附加恒温加热炉，可以用来测量高温条件下材料》加强对Hopkinson装置自身的研究。外，通过在SHPB装置上附加恒温加热炉，可以用来测量高温条件下材料》加强对Hopkinson装置自身的研究。如对制作杆材料的选择；用数值带来的误差[28]；实现测试系统和数据处理的自动化等等弹性杆中一维应力波的传SHPB实验方法的基本核心是弹Jf＼⋯一x推导弹性杆中一维应力波的基本公式x+八、：JfI：／j2．2、1弹性杆中的一维应力图2．1给出了杆中微元在一维应x+△x+u+缸图杆中微元在一维应力下的变’式中A为杆的横截面积，p是杆的密度，u是微元在X处的位移。根据应力定义以及虎克定律，可以得到微元内质点轴向应力、应变的表达式及它们之间的￡=一一—』堡垒垒垒姿兰些些堡兰垒垡二兰一—』堡垒垒垒姿兰些些堡兰垒垡二兰竺 2吒缸方程(2．6)一般有通解将上式关于x求偏导数综合(2．3)、(2．4)、(2．9)以及(2．10)四式，最终可以得到微元内质点的轴质点速度的关系式中cn是杆中质点沿x轴方向的速度。以上我匪竺incidenta)撞击习图2．2表示一撞击杆以速度v0从左向右撞击原来静止的输入杆。撞击图2．2表示一撞击杆以速度v0从左向右撞击原来静止的输入杆。撞击杆的长度击杆的弹性模量、横截面积、密度以及其中的波速分别为邑。A。P。。和c扎，输t和c。撞击前(t<O)，撞击杆中的质点速度等于撞击速度，即：v=Vo。撞击后(t>O)，两个压缩波分别传入撞击杆和输入杆中。设撞击后界面速度为Vn，那么根据界面处性条件，我们知道，界面处撞击杆内的质点速度与输入杆内的质点速度应该相等。％一又根据牛顿第三定律，我们知道，界面处两个表面上的受力应该相等。即盯∥。=盯，爿P。C。％爿。=p．c。K爿。联立(2．12)式和(2．14)式，我们可以分别解出撞击杆内的质点速度与输入杆_：—拿牛 ：j粤譬。。‘⋯’’‘⋯。⋯p，爿，f。+pⅢ爿相应地，撞击杆与输入杆内质点的轴向应力分别为铲印，—型型如果撞击杆与输入杆为相同的材料，并且具有相同的横截面积。c。爿。=一C，爿，=pc04，则(2．15)～(2．18)式可以进一步地简化为1达撞击杆的左端面，此时整个撞击杆以Vo／2的速度向右运动。同时，由于撞击杆达撞击杆的左端面，此时整个撞击杆以Vo／2的速度向右运动。同时，由于撞击杆与右行的卸载波发生重叠，这样当t=2L／c。时，整个撞击杆内质点的应力和质端面的质点速度V。=Vo／2广—肛2阻抗pc。A时，输入杆l⋯r—I肛21c2的幅值由撞击速度制，波持续的时间由度来控制图2．3撞击杆中应力波传播示意传统SHPB实验技术的基本原传统的SHPB装置由撞击杆、输入杆和输出杆组成，被测试样夹在输入杆和输出如图2．4所示自的波阻抗小于压杆的波阻抗，将反射一个波返回到输入的波阻抗小于压杆的波阻抗，将反射一个波返回到输入杆中，并经过试样透射一到输出杆中压杆中的脉冲信号通过应变片来测量，输入杆表面的应变片测量入射和反射e，，输出杆表面的应变片测量透射信号s。。假定压杆为同一种材料并具有相同积，压杆的弹性模量、波速和横截面积分别为E，c。，A。试样的横截面积和厚：和l。。下面根据上节的应力波传播理论，推导如何利用应变片测量的入射、反t来确定试样中的应力应变关系。推导过程中我们均假定压为正，右为正鲁=半⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯弦根据上节推导的质点的轴向应力和质点速度的关系，我们有于是，试样两端面上的质点速度v；，v：可以表达成VI=Co(s。一2oo占将上述两式代入(2．22)式中，便得到了试样中应变率的计算公式t=争j(t下面计算试样中的应力。试样两端面的受力分别为：P,--EA(，+占，)，PfEAs，。丁二只=华：等于均匀状态，可以得到F。(f)+嚣，(f)=日(f)。这样于均匀状态，可以得到F。(f)+嚣，(f)=日(f)。这样三波公式便可以简化为两波公射波秘反射波进行计舞删吒。铲一孕n堕：一鱼。。斑l这样只要试样中威力应变处于均匀状态，我们便可以根据应变片测量的反射瓣售号计算密试襻孛懿应力、应交稻纛交率。以上公式中诗舅逛匏应歹了穗应交实程应力和应变。在不可压的假定条件下，真实应力和成变与工程应力朔应变之间系为盯r=(1一s)盯根据传统SHPB实验技术的基本原理，本实验室自行设计建立了一套霍普金森压系统，并研铡了褶应豹电路测艇系统，配备了相关的硬俘设备，编写了相应的数件。整个实验装置及测量系统筒图如图2．5所示压杆是实验装置中最为重要的部分，压杆材料的选择、尺寸压杆是实验装置中最为重要的部分，压杆材料的选择、尺寸的确定一般需要综输入杆与撞击杆材料相同时，撞击杆的长度L决定了入射应力脉冲的宽度九反射波形；输出杆的长度应保证其端面反射回来的卸载波不会干扰透射信号的测量力波的传播，从而可以忽略横向惯性效应的影响我们的霍普金森压杆系统主要由撞击杆、输入杆、输出杆以及吸收杆组成20mm和40ram，可以分别用来测试均质材料的小试样和料的大试样。输入杆和输出杆的长度分别为2000rIlIIl和1000mm，杆质为相同的材验的需要得到不同宽度的加载波形。另外，我们加工了若干个尼龙套，尼龙套的径分别与撞击杆的直径和发射管的内径相同。将尼龙套套在撞击杆的前后两端保证了撞击杆能够撞击输入杆端面的中心位置，减小了撞击杆与发射管之间的摩擦重要的是，实验时对于不同直径的压杆，我们只需要选用不同内径的尼龙套就可以不需要再建立另外一套直径的压杆吸收杆主要用来吸收来自输出杆的动能，削弱和延缓二次波加载效应。将吸出杆连接起来，可以防止输出杆端面反射回来的卸载波干扰正常的透射信号。吸的吸收器用来吸收由吸收杆传来的能量。为了避免撞击过程中压杆跳起，同时为的轴向撞击，我们在压杆的轴向方向上用一排套筒固定。套筒内采用轴承或尼龙样减少了与杆之间的摩擦，使得杆在撞击过程中能够无约束地移动速度为我们使用的光测装置为卢力老师设计研制的KD205—2B红外测速度为我们使用的光测装置为卢力老师设计研制的KD205—2B红外测速仪杆上应变波形的测量采用电阻应变片法，入射、反射和透射应变分别由贴在输出杆表面的应变片来测量。我们分别在输入朽和输出杆两侧对称位置粘贴两片高变片，将应变片分别连接到两台KD205—1A动态变测试仪，仪器是由卢力老师设计研制的D205—1A动态应变测试仪是按照电桥对称臂外A所示。此仪器的原理是利用电桥的特性来测量变电阻的变化。我们知道，处于平衡状态的电桥△u：坠：竺dR由上式可以看出，输出电压的变化与任意桥臂电阻的变化呈线性关系。进一步称臂的电阻同时变化时，输出电压的变化是这两臂变化的线性叠加。利用这一特将两个应变片加到电桥对称臂上进行测量由于应变片阻值的变化与应变成线性关系，即：：—————墅璧堂苎查垄型垡兰些型型鎏式中U。为电桥的桥：：—————墅璧堂苎查垄型垡兰些型型鎏式中U。为电桥的桥路电压，K为应变片的灵敏系数，灵敏系数在进行动态进行动态标定。根据2．2节的应力波传播理论，容易得到应变值8与撞击速度Vo中声速C。的关系占：卫根据(2．38)和(2．39)两式，我们便可以对应变片的灵敏系数进行动态标定杨=4月 巡％U⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(2．4。2．4．3数据采集和处理系目前，实验室用于记录波形的示波器主要有美国力科公司的Lecroy9370双们通过专业的采集程序Star来完成。关于SHPB实验后的数据处理，根据技术的基本原理和我们装置自身的特点，白行编写了相应的数据处理程序[附录1]。唐建平同学还用目前已经利用这套新建成的SHPB实验装置系统实验测试了金属、碳酚醛复及尼龙、硅橡胶和泡沫等高分子聚合物材料高应变率下的动态压缩力学性能。大量结果表明，我们的这套实验装置系统使用起来方便快捷，可重复性好，实验结果靠，可以广泛应用于材料动态压缩力学性能的研究测试第三章入射波整形技术的实验和理论研传统的SHPB实验第三章入射波整形技术的实验和理论研传统的SHPB实验技术采用直接加载，加载波形上叠加了由直接碰撞引起的高频另外，此时加载波形的上升前沿只有10～20微秒。对于金属这类高阻抗材料波速在3000m／s以上，即使厚度超过lO毫米的试样，也能在加载波的上升时力平衡。而对于低阻抗材料，材料中的波速在1000m／s甚至100m／s以下，即使G等[31]的载波在试样中来回反射三次以上可以达到试样中应力平衡的要求。所以在相当长时试样处于应力不均匀状态，此时在数据处理中经常采用的应力均匀性假定不再是SHPB实验方法的前提。因此对于低阻抗材料，运用传统的SHPB实验技术不对于试样中难以达到应力平衡和变形均匀的问题，目前主要有两类解决途径实验技术上加以改进，使实验过程满足SHPB实验的前提条件：二是在数据处定的措施，修正实验数据的偏差。这类修正方法通常给数据处理带来相当的复还可能引起新的误差。因此，如果使用SHPB实验技术测试低阻抗材料高应变率应变关系，应该首先从实验技术上加以改进，使之满足其前提条件于是，入射波整形技术被提出来了。入射波整形技术最初用来过滤加载波碰撞引起的高频分量，从而减小波的弥散效应[32]。在我们的实验中，入射波要用来保证实验时试样中的应力平衡和变形均匀，以及实现常应变率加载实验时我们在输入杆撞击端的中心位置用真空脂粘贴上单片或组合型的整形器击杆在碰撞加载过程中先撞击整形器，再通过整形器将加载应力波传入输入杆载波的波形就会发生变化。整形器的材料一般选取塑性较好的材料，通过它们来有效地增加入射应力脉冲的上升时间，从而保证试样中变形均匀和应力平衡：=：————墼窑丝垒垒望型垒型塑丝丝圣载问题一直未能引起足够的关注。：=：————墼窑丝垒垒望型垒型塑丝丝圣载问题一直未能引起足够的关注。在SHPB实验中，应该通过调整加载条件，保传统的SHPB技术采用直接加载，入射波为不可调的方波，反射波的波形受透射波形的制约，也是不可调的。因此很难有效地控制加载过程中的应变率情获得常应变率状态。入射波经过整形以后，根据入射波形的情况，通过合理的[34]，可以很方便地获得常应变率加载图3．i给出了SHPB实验中整形以后的典型入射波形示意图。从图中可以看出上升后出现第一个拐弯点A，然后继续爬升至最B，最后开始下降卸载。这两点的幅值分别与整的直径越大，A点的幅值越高；撞击速度越大的幅值越高。只要碰撞速度大于A点处幅值对们通过合理调整整形器的直径和撞击速度的∞小，可以设计出入射波形由两部分组成，图3．1整形后的入射波，=sJl+‘f2，并使得占，2=占，，则由应力平衡条件，占，。=k|∞卜争(f)一》(fo)这一设计思想可以帮助我们根据反射波形的情况，来合理地调整加载速度，以波是一个平台波，从而实现常应变率加载要降低加载速度；相反地，如果反射波从拐点处开始下降，则需要增加撞击速度，实现反射波持续一平台过程喜葶』臻入骞聋波整形技术，我农针对穗橡蔽试群{葶』臻入骞聋波整形技术，我农针对穗橡蔽试群{羲了一系列实验，送行整形矮律采用入射波整形技术厢，改善了加载波形，使得加载波形变褥平滑；获得了具时溺藏上升前沿平缓的入射波形，使德硅橡黢试弹在实验过稳中处予应力平衡整形器的直径，通过邋当地调熬加载速度，获得了常虚变率加载；并且得到了整与加载应变率之间以及加载应变率与试样厚度两者之间的定量关系。这对今瞄进商应变率的动态压缩实验有一定蛇参考意义实验是在冲击波物理与爆轰物理黧防重点实验室瓣SHPB图2．5所示。压杆的材料为LC4铝合众，撞击杆、输入杆和输出杆的崴径都怒击耪豹长度为113蕊，输入释秘输密释匏长度筠为793mm。嚣释的洚赣模量P=2．859／cm3，泊松比胪O．31。试样的材料是硅橡胶，密度P=1．189／cm3。根据等[3S3的试样尺寸设计原酗，针对蠹径为14．5mm的隧秆，将试样热工成直径为面平行度小于lOm的薄圆柱彤。厚度分别为2．1mm，3．5mm秘4，9mm实验中一般采用黄铜来作为整形器材料，但对于像硅橡胶这类特别软的材个整形爨对波形蛉改饕效果仍不§§长加载波形的上升时间，我们采用了组合型的糇形器，在较大尺寸的黄铜整形器的爵叠嬲一个出醚橡胶誊《残懿雯，j、鹣整形器。实验黠我餐在输入耔撞壹端翡中心3．3。2渡形整形静效闰3．3和图3．4绘出了来加整形器和采用整形器厢的入射波形和反射波形。从过滤了，这样减少了波在长距离传播中的弥散失真；另外，采用了整形器以后，入上升前沿变得平缓，上升时间明显增加，从而可以保过滤了，这样减少了波在长距离传播中的弥散失真；另外，采用了整形器以后，入上升前沿变得平缓，上升时间明显增加，从而可以保证试样中应力平衡和变形的均同时，反射波基本上是一个平台波，由应变率和反射波之间的比例关系式(2．32)知验中实现了常应变率加载3．3．3常应变率加载的实根据软材料的试样尺寸设计原则[36]，我们重点针对2．1mm厚度的试样改直径(3．5mm～lO．5mm)做了一系列实验。按照§3．2节提出的常应变率加载方一尺寸的整形器，通过合理地调整加载速度，实验中均实现了常应变率加载。表了厚度为2．1mm硅橡胶试样的实验加载条件和相应的应变率值同一尺寸硅橡胶试样常应变率实验的加载条件和结表试样尺整形器尺撞击速应变m10．OOx2010巾巾中中中1054(brass中从表3．1可以看出，当整形器直径越大时，要实现常应变率加载，相应的撞击越大33=：=：。一：』些邕兰垒堕兰墼型璧塞垒堡圣材料)直径之间成线性增长的关系以上我=：=：。一：』些邕兰垒堕兰墼型璧塞垒堡圣材料)直径之间成线性增长的关系以上我们只考虑了同一尺寸鲍试榉，对不同尺寸的试样，蕻他实骏也证明了类似缝谂。基3，S绘出了是忿稳碳酸醛试撵与整形器壹绞之淹懿关系。实验是在我韬图3．5整膨器直径与应变率(冠一蟮度试榉己实骏室的SHPB上完成的，压杆为400r秆。尼龙试样的厚度为6cm，碳酚醛试样的度为5．5cm。嗽于两种试样的熙度不～榉，此为了考虑试样厚度的影响，将试样厚度应变霉含共为一项。另钤，必了毙较，黧3。还给出了硅橡胶试样穰!铝杆上常应变率实一∞、E￡一ral苎#靛结菜。霆3．6表强：对子不弼足寸豹试撵动态加载过程中应变率和试样厚度的祭积图3,6整形器直檄与应变率增长的关系；整形器巍径相弼时，试榉厚(不同浮度试榉贯外，为了磅究应变率与试缮厚发之蚓懿关系，我翻对予同一蠹径鳃整6．54mm)，针对三种厚度的硅橡胶试样分别做了常应变率实验。表3．2给出了三不同尺寸硅橡胶试样常应变率实验的加载条件和结表Il试样尺整形器尺应变撞击速‘辔低，两者之间成反比的关系，这与SHPB实验的理论结果是一致的入射波低，两者之间成反比的关系，这与SHPB实验的理论结果是一致的入射波形的理论预以上我们从实验设计的角度，讨论了常应变率加载的实现。可以看出，入射计对于常应变率加载十分重要。入射波经过整形以后，根据入射波形的情况，通整形器设计，可以很方便地获得常应变率加载。但是实验中要得到常应变率加载进行实验尝试。D指导脆性材料的SHPB实验。如果我们能够建立入射波形的理论模型，根据给定数准确地预估出入射波形，那么可以减少实验的尝试，真正地对实验起到指导作我们通过应力波传播过程的理论分析，建立预估入射波形的理论模型4．1入射应力的计3图3．7给出了撞击杆撞击整形器的示意图，图中撞击杆和入射杆为同一材料，声速分别为p和c，横截面积均为A。撞击杆的长度为L，撞击速度为V。。整形黄铜H62，整形器的初始横截面积和厚度分别为a0和ho。一---Istr-incident图3．7撞击杆撞击整形器示意当撞击杆撞击整形嚣时，整形器开始发生变形。假定整形器作不可压缩的均为：=————』些垒兰型坠兰些塑尘兰些垒二根据作用与反作用定律知：=————』些垒兰型坠兰些塑尘兰些垒二根据作用与反作用定律知道，撞击过程中整形器作用面两边的力应相等，即有盯。(f)口0)=o，(r)4=盯。式中o'p(f)，仃。(f)和叮。(f)分别表示整形器、入射杆和撞击杆中的应力。将(3-不妨令加载时整形器材料的应力应变函数为：盯，=crof(e，)，cr0为整形器的材同时考虑整形器作弹性卸载，假定卸载时整形器的应力应变关仃，=仃：一Epo：一s，)，其中仃；和s：分别是开始卸载时的应力和应变，E，的弹性卸载模量。那么根据(3．5)式我们就可以分别计算加载阶段和卸载阶段的入删=竿，揣咖㈣盯·(f)2而ao‘[盯P+-Ep(sP+一占删】(碱札由(3．6)及(3．7)两式可见，要得到应力时程曲线盯，(r)，必须首先要计算出变时间函数s。(f)当撞击杆撞击整形器时，分别在撞击杆和入射杆中产生一个加载波。加载中来回一次的时间z=2L／c。首先分析[0，t]时段内的情形。设图3．7中l—l，2—K(f)=％一而根据第二章中的应力波基本理论，我们知道一)：以(})：盟粕)：坐￥塑将(3．10)式代入上式，并将加载时整形器材料的应力应变函数关粕)：坐￥塑将(3．10)式代入上式，并将加载时整形器材料的应力应变函数关系代入，可以得到和归·一K筹胚式中K：堑也．f：丝C下面来分析h，2T]时段内的情形。当t=t／2时，撞击杆中左行的压缩波到达撞自由端面，将反射一个右行的卸载波。当t=t时，这一右行的卸载波到达撞击杆的接触面，将会反射一个波并透射一个波我们分别将右行的卸载波、反射波和透射波记为一o。。(t—t)，o，1(t—t)和o。1(t—根据整形器两侧受力平衡的条件，此时有盯，(，)口("=水l(，)+一(，一f)】爿=[ck(，)一t丁’，(，一f)+o-：(t—％(f)：¨(，)+¨，(卜r)：业+业^。s，(，)：v0一鱼盟一旦!!!!型一生尘二尘一业一型尘；％一三[盯，(，)+一(，一r)]一—20：．(—t-而根据(3．4)缸归·一K篇以等高一心“⋯⋯⋯⋯··cs一般地，只要v．>v：，整形器就仍处于压缩加载缸归·一K篇以等高一心“⋯⋯⋯⋯··cs一般地，只要v．>v：，整形器就仍处于压缩加载状态。重复上述的分析可以2x]当K≤％时，整形器开始卸载。根据实验的情况，卸载时刻一般发生在范围内。不妨假定整形器在h，2t]范围内的某一时刻t+处K=％，即开始卸载。那么在盯．(，)+口(t-r)=三生等芋堕竺=j五笔五[盯+P-Ep(占；一占将(3．21)和(3．18)两式代入(3．16)式，便可以得到It+，2x]时段内处于卸一K墼一尘％“---。e．(t)=1-K≤如果整形器在2t时刻还没有完全卸载，类似上述的分析，可以得到[2z，3x]时于卸载状态的应变率时间函数，此时需要分段表示堕。e(t)=1-K互盟!趔一Ⅺ』堕!型+丝￡!二型协曼‰h。ge(t)=l-K[≤篙≠+≤错M％‘1一￡P0一r)1一s口(，一cro(1一占～n手z口1，整彤希仕Lnx，ln+I九』H1砹冈处于划藏状念明他，艾率盯1日堕。，(r)：l‘斑!；二兰坐；二!￡业+¨．+!；二墨!呸二丛二!!二塑11％。口o(1一Jo(1一s。(f一(”一一1==————星塑鲨堡垒垄塑垒墅垡堡垒垒如果整形器在[2t，3t]范围==————星塑鲨堡垒垄塑垒墅垡堡垒垒如果整形器在[2t，3t]范围内某一时刻t+处开始卸载，相应地可以得到It’，3T]时段占p(t)=l-K≤瓮铲咽等高+等高卜如果整形器在31时刻还没有完全卸载，整形器在～般Int，(n+1)t]时段内处于卸分别根据上述加载和卸载段内的应变率时间函数，将等式左边化为差分形式，通求解出相应时段内整形器中的应变时间函数占。(f)。然后通过运用(3．6)及(3．7)两式以得到整个入射应力的时程曲线正(f)。上述应变计算模型中需要知道整形器材料的及一些具体的参数值，所以在计算应变之前，我们需要确定出整形器材料的模型和3．4．3整形器材料模型及参数的确况可以得到黄铜H62的弹性卸载模量E。为102GPa啪¨妨^日m：}s∞一日L：一螺∞占∞o)暑瑚讥*删图3．8黄铜的动态压缩应力应变曲酬图3．9黄铜整形器的实验拟合然后，我们取不同厚度的整形器，以不同的速度撞击，得到不同的入射波形。实别测量出每一个整形器的变形，算出相应的工程应变占。。另外通过测量出入射波==』型垡兰鳖垒兰墨圣型堑皇垒垒根据上述推导的理论预估模型，针对我们使用的这种黄铜H62整形器程序见附录2]。图3．10给出了两组计算结果和实验结果的比较，实线是计算的是实验的结果。实验中压杆和撞击杆均为40Ct钢杆，压杆的直径为20ram，为150mm。左图中黄铜整形器的直径为4．5mm，撞击速度为7．3m／s；右图中黄==』型垡兰鳖垒兰墨圣型堑皇垒垒根据上述推导的理论预估模型，针对我们使用的这种黄铜H62整形器程序见附录2]。图3．10给出了两组计算结果和实验结果的比较，实线是计算的是实验的结果。实验中压杆和撞击杆均为40Ct钢杆，压杆的直径为20ram，为150mm。左图中黄铜整形器的直径为4．5mm，撞击速度为7．3m／s；右图中黄的直径为6．5mm，撞击速度为10．5m／s1r萝。二∞】卜experim∞iction，帅j{{}舯：I时∞1j芒∞嚣uI]』—，—，——．—0锄。j—l—，———，—(e山：_嚣量百萑粤口c一、日图3，10黄铜H62整形器整形后入射波形计算结果和实验结果的比从图3．10中可以看出，对于同一材料的整形器，直径越大，整形后入射波处的值越大；撞击速度越大，入射波形的峰值也越大。计算结果与实验结果都表3．3黄铜H62整形器实验数据与理论预估值的比最大入最终直径最终厚度整形器撞击速初始直初始厚，硅橡胶是一种二有机基硅氧烷的直链状高分子聚合物，硅橡胶是一种二有机基硅氧烷的直链状高分子聚合物，由于其具有较高的分子以具有很好的弹性性能。它的分子主链由硅原子和氧原子交替组成(一Si一0一键的键能高达370KJ／mol，比一般橡胶的碳一碳结合键能(240KJm01)要大的多橡胶具有良好的高热稳定性。另外硅橡胶的分子链比较柔顺，链间距大，还具寒性，能够在一100～300℃很宽的温度范围内使用。由于在侧链上引入了极少代基团，这种低不饱和性的分子结构使得硅橡胶具有优良的电绝缘性能和良好臭氧性能，对紫外线和臭氧的作用十分稳定胶为主要原材料，添加了增强填料、阻尼填料、硫化剂等制成的。具有优异的耐热耐候以及电绝缘和阻尼等性能，已经广泛应用于垫圈、密封件、高温电线、电缆料种车辆、光电仪器仪表的减震器和缓冲器等为了充分认识这种硅橡胶材料高应变率下的动态压缩力学性能，在室温下，我种硅橡胶材料进行了应变率为102～io⋯S的冲击压缩实验。实验是在我们实HPB实验装置上进行的。SHPB实验中，应用了入射波整形技术，使得试样在加保持应力平衡和实现常应变率加载。另外，还应用了石英测试技术来直观地监测入射波整形技术的应2．1试样尺寸对应力平衡的影4LD．Bertholf等[35]的二维数值计算结果表明，可以忽略惯性效应的试样最(长度和赢径之比)为√3／4。林玉亮等[36]针对软材料试样尺寸设计的数值计首先我们不加整形器，分别对三种厚度的试样进行加载，图4．1给出了没有加时试样两端首先我们不加整形器，分别对三种厚度的试样进行加载，图4．1给出了没有加时试样两端的应力平衡情况。(a)，(b)，(C)分别对应了6mm，4mm和2mm厚度试样的加载速度均为10．6m／s。很明显，不加整形器进行直接加载时，试样两端的应力处的不平衡状态。并且试样越厚，应力的平衡越差 图未加整形器时三种厚度试样两端的受力时程曲4．2．2整形以后应力平衡的情从图4．1中可以看出，即使对于最薄的2mm试样，加载过程中试样两端的应且通过前面的实验表明，对于硅橡胶这类软材料，只加单个的整形器，应力平不理想。所以，实验时采用了组合型的整形器，我们在较大尺寸的黄铜整形器个很小的黄铜整形器，尺寸为中2．5唧×1．5m左右。对于4咖和6咖厚度的试小黄铜整形器的前端，还加了一个由硅橡胶制成的更小的接形器，使得加载波缓冲V～一、～f；、_⋯“7j～、、、、、：l_2j二—2J，”7．5mm，撞击速度为8．3m／s；对于2mm厚度试样，所加的主整形器直径为7．5mm，撞击速度为8．3m／s；对于2mm厚度试样，所加的主整形器直径为i0．5mm，撞击度为17．Im／s。从图中可以看出，对于6mm厚度的试样，即使加了组合型的整形器，试两端的应力也处于不平衡状态。对于4mm厚度的试样，加了组合型整形器以后，试样两的应力基本上处于平衡状态：而对于2mm厚度试样，加了组合型整形器以后，两端面的力基本上完全相同。可见，对于硅橡胶这类软材料，按照传统的试样尺寸设计原则，已不能保证试样在加载过程中处于应力平衡和变形均匀的状态§4．3石英测试技术的应41试样两端应力平衡的我们知道，试样中保持应力平衡和变形均匀是SHPB实验方法的前提。试样中否均衡，可以通过比较分离后的透射波形与入射波形和反射波形的差来判断。但对于软料来说，由于入射波形和反射波形的幅值基本相当，所以这一方法误差很大。因此，为更加直观地了解试样中应力的平衡状况，我们采用了在压杆中嵌入石英压电晶体来监测样两端的应力平衡情况[38]图嵌入石英晶体监测试样两端应力平衡的SHPB装置简在原来的实验装置上，在试样两端的输入杆和输出杆端面，用导电胶分别粘贴一X-切石英晶体。石英晶体的直径与压杆的直径相同，厚度为0．01英寸。为了防止试样横向变形损坏石英片，在每一块石英片的外端面分别用导电胶粘贴～个很薄的LYl2铝片第28一型堑壁垒奎垒塑璧兰垒型塑鎏二铝片的直径与压杆的直径相同。在铝片和石英一型堑壁垒奎垒塑璧兰垒型塑鎏二铝片的直径与压杆的直径相同。在铝片和石英片附近的压杆上分别用导电胶缠上导线，后将导线连接到电荷放大器的电荷输入端，再将经电荷放大器转换和放大的信号输入到字示波器。实验装置简图如图4．3所示。实验中，通过导线将测得的信号输入到电荷放器，电荷放大器将输入的电荷信号转换为电压信号，并且进行放大。然后将电压信号输到数字示波器，最终由示波器记录下石英片受压的时程曲线。由于石英片所受外力与石晶体表面产生的极化电荷成正比[39]，具体为七k是石英晶体的压电系数。在电荷放大器中将石英晶体的压电系数归一后，可以得石英片所受外力与示波器记录的电压值之间的关系f(my|h上式中v为示波器记录的电压值，f(my／N)为电荷放大器的放大倍数。根据(4．2)我们便可以计算出被测试样前后两端面的受力图4．1和图4．2是根据示波器记录的信号并按照(4．2)式计算得到的试样两端面的力时程曲线。从图中我们可以很直观地判断试样中应力的平衡情况。如果试样两端面的力是一致的，即试样两端面的受力达到了平衡，则可以认为试样中的应力分布是均匀的我们的实验结果是合理有效的2微弱透射信号的测利用分离式霍普金森压杆(SHPB)对一些低阻抗材料进行测试时，透射信号非常小通常其幅度只有入射信号的几十分之一甚至几百分之一。这时外界的干扰信号就足以与射信号相比，甚至可以完全淹没透射信号，这样直接计算出来的结果误差很大为了解决这方面的问题，国内外学者做了～些有益的探索。主要从降低输出杆的EAZhao值来考虑(其中E是输出杆的弹性模量，A。是输出杆的横截面积)如等采用E值较低的粘弹性杆来获得较大的输出信号：Chenw等采用空心铝杆以降低A。来到同样的目的。对于粘弹性杆来说，杆材料本身性能的不稳定性是其致命的弱点，非线性的材料性质也给数据处理带来了相当的复杂性。同时，仅从降低EA。值来考虑，信号增益在一个量级以内，对于特别软的材料，如硅橡胶，这个增益仍是不够的。w在2000年提出了嵌入石英压电晶体技术[40]，用于软材料的SttPB实验中，信号幅值可增加3个量级，大大提高了应力信号的信噪比硅橡胶是一种低阻抗材料，对于4mm厚度的试样，由于透射信号非常小，外界的干第29绩号与透射信号摆当，应用传统豹建绩号与透射信号摆当，应用传统豹建变片测试技术缀滩准确地测量黥透射铸号。为此，文采用石英测试技术代替应变片测试透射信号。用两根铝杆取代原来的输出杆，用导电褥一x一囊磊荚磊落薄片糖薅在嚣投键籽之阁，强渴麓石蝤爨瓣，尽爨减少蠲烫繇壤对石压电性能的影响。石英片的厚度为0．01英寸，直径与压杆的直径相同。由于石英晶体LYl2铝酶波隧抗基零稽藏，耩竣在输出秆之蔺嵌入石英晶体并不影桶波静～维传播。在英片附近的雁杆上分别用导电胶缠上导线，然后将搏线连接到电荷放大器的电荷输入端再将经电荷放大器转换和放大的电疆信号输入到数字示波器。实验装蹩筒图如图4．4所示图4．4嵌入石英晶体测试透射信号的SHPB装置简输入杆表面上的应变片用来记泶入射信号￡．和反射信母￡。输如杆之间的石英片用记录透袈痿弩at。巍试榉楚予应力平衡状态辩，试群中静疲力6与透袈信弩#。之瓣毒下关系A式中A和A，分剐为输酷秆和试样的横截面积。由矿将(4．4)式代入(4．3)式中，便可以计算出试样中的应力将(4．4)式代入(4．3)式中，便可以计算出试样中的应力．．．．．⋯-．·-······-·u图4．5给出了4mm硅橡胶试样测试得到的原始记录。Chl记录的是由应变片测量入射和反射信号，Ch2记录的是由应变片测量的透射信号，Ch4记录的是由石量的透射信号。从图中可以清楚地看到，利用嵌入压电石英晶体可以得到大于2伏的信而用应变片测得的透射信号只有2毫伏左右，信号幅值上放大了3个量级，从了应力信号的信噪比。这说明利用嵌入石英压电晶体技术完全可以测试这种硅橡胶材料4mm硅橡胶试样测试得到的原始记§4．4实验测试及结果分4．4．1实验所测试的这种硅橡胶材料是由中国兵器工业集团53所提供的代号为wsxJ一208性硅橡胶，密度为1180kg／m：’。冲击压缩实验是在我们自己的SHPB装置上完成的，压杆材料为LYl2铝，压杆的直径为20mm，输入杆和输出杆的长度分别为2000mm和1000mm输入杆和输出杆上应变片距试样两端面的距离分别为1210mm和520mm。撞击杆的长度300mm试样的直径均为14mm，试样的厚度分别为2唧和4mm。对于2rfm口厚度的试样，由于射信号有5mv以上，直接采用传统的应变片测试技术测量透射信号：而对于4mm厚射信号有5mv以上，直接采用传统的应变片测试技术测量透射信号：而对于4mm厚度的样，当进行低应变率加载时透射信号非常小，只有2mv左右，所以我们采用石英测试技来测量微弱的透射信号为了减少端面摩擦的影响，我们在试样的两个端面均匀地涂上少量的二硫化铝润剂，然后将试样夹在输入杆和输出杆之间。为了保证实验过程中试样中的应力平衡和变均匀，我们在输入杆被撞击面的中央用真空脂粘贴一组合型整形器。按照前面提出的常变率加载思想，通过调整子弹的速度和整形器的尺寸，得到了不同应变率下试样的应力变曲线图4．6中(a)和(b)分别给出了2mm和4mm厚度试样常应变率加载的典型原始波形。中实线为输入杆上应变片测得的入射波￡t和反射波￡。(a)中虚线是输出杆上应变片测得透射波￡。(b)中虚线是输出杆上石英片测得的透射波o。。图中平的反射波形意味着实验实现了常应变率加载。图4．6中(a)和(b)所对应实验的应变率分别为1800s。1和700s一一^)芎一，ij△om口m口量巴ls芑¨图2mm(a)和4mm(b)厚度试样常应变率加载的典型原始波2实验结果及分对于2mm厚度的试样，分别得到了四种应变率下的应力应变曲线。为了验证实验结的可靠性和准确性，同样，对于4mm厚度的试样，也得到了四种应变率下的应力应变曲线图4．7中(a)和(b)分别给出了2mm和4mm厚度试样四种不同应变率下的应力应变曲线。中的标注符号代表原始实验数据，图中的曲线是根据实验数据进行多项式拟合得到的果。对于硅橡胶这种高聚物材料，由于它的应力应变曲线的起始部分不是直线，所以我采用其应力应变曲线起始部分上应变为0．2那点到原点连线的斜率来表示杨氏模量，称为割线模量。高聚物本质上是韧性材料，而韧性材料的使用极限一般不是它的极限强度而正是它的屈服应力[29]。对于这种硅橡胶材料，由于其应力应变曲线上没有明显的屈第32：—垦些坚鎏窒圣耋些垫堂塑竺尘耋点，只看到曲线上有较大的弯曲部分。与材料力学中一般屈服点的定义不同，我们定义真实应力一应变曲线出现极大：—垦些坚鎏窒圣耋些垫堂塑竺尘耋点，只看到曲线上有较大的弯曲部分。与材料力学中一般屈服点的定义不同，我们定义真实应力一应变曲线出现极大的位置为内在屈服点。而屈服点所对应的应力和应变则分定义为屈服应力和屈服应变。图4．7表明，这种硅橡胶材料具有明显的应变率敏感性一mL：一∞n暑-苜已=)s∞aq∞o己_51～一图4．72mm(a)和4mm(b)厚度试样不同应变率时的应力应变曲为了清楚地表示上述定义的主要力学参量随应变率变化的情况，我们将根据图4．7应力应变曲线得到的结果用表格来表示。表4．1和表4．2分别列出了2mm和4mm厚度试其屈服应力、屈服应变以及割线模量随应变率的变化情况表4．12mm厚度试样主要力学参量随应变率变化的情应变屈服应屈服应割线模表4tam厚度试样主要力学参量随应变率变化的情屈服应应变屈服应割线模：——S-I增加对应变率非常敏感。：——S-I增加对应变率非常敏感。2mm厚度样，当 变率从1s。增加到4800s1时从3．4MPa增加到25．7MPa；对于4mm厚度试样，当应变率从服应力从1．9MPa增加到12．4MPa。相应地，这种硅橡胶材料的屈服应变也随应变率的增而增大。对于2mm厚度试样，当应变率为7700s。时，其屈服应变高达179％，而一般金材料的屈服应变不到1％。这说明硅橡胶材料与一般的金属材料相比，具有很好的韧性硅橡胶材料是一种典型的高聚物，高聚物力学性能的最大特点是它的高弹性和粘弹性。聚物是由大量小分子单体以化学键的方法结合而成的大分子化合物，分子量极大，可104～107数量级。极大的分子量加上高聚物主链的碳一碳单键(碳一氧单键，硅一氧单键的内旋转，使得高分子链具有很好的柔性。高分子链的柔性在力学性能上的反映，就是聚物独有的高弹性。同样，由于高分子链的柔性，同一个高分子链也会表现出大小不同运动单元，使得高聚物表现出明显的粘弹性。由于高聚物的粘弹性本质，分子链的运动有强烈的外力作用时间依赖性，所以高聚物材料的屈服应力有很大的应变率依赖性，屈应力随应变率的增大而增大。另外．这种硅橡胶材料的割线模量随着应变率的增加而提高但数值却很小。当应变率为7700s。时，割线模量的值也只有28MPa。由于这种硅橡胶材实验回收的试样来看，实验后所有试样都有微小的体积收缩。这个微小的体积收缩应该生在屈服过程中，因为屈服后的塑性流动体积不变的为了确信实验结果真实地反映了材料性质我们进一步考察了试样厚度对实验结果的影响图4．8给出了2mm和4mm厚度试样应变率3600s。1和3500s1时的应力应变曲线。图中虚一m乱善器尝#是2mm厚度试样的应力应变曲线，实线是4mm度试样的应力应变曲线，两者之间基本上是一的。这表明在我们的实验中，试样的厚度对硅图2mm4mm厚度试样3600s1和3500s⋯时的应力应变曲线比胶材料的性质确实没有影响，我们的实验结果反映的材料性质是准确、可靠的第五其具有高强度、耐磨、自润滑等优良的性能，第五其具有高强度、耐磨、自润滑等优良的性能，历年来居五大工程塑料之首。PA66是类工程塑料的主要品种之一，它具有优良的力学性能和热性能，有很高的耐冲较高温度下也能保持较大的强度和刚度；而且耐磨性和自润滑性优异，低温性自熄，耐化学药品和耐油性突出。PA66是聚酰胺材料中具有最佳协调性能的塑泛应用于汽车工业、仪器壳体以及其它需要有抗冲击性和高强度要求的产品中造不需润滑的齿轮、轴承、轴座等机械部件工程塑料研究的热点，目前已经取得了较大的成就。其中采用层状硅酸盐(MMT)插层PA66可以获得纳米插层复合材料[41，42](或称纳米塑料)。层状土的主要成分为含蒙脱土的层状硅酸盐，其基本结构单元是由1片硅氧四面氧八面体之间靠共用氧原子而形成的层状结构。每个结构单元的尺度为厚约约lOOnm的片层，层间有可交换性阳离子，如Na+、Ca”、M92+等。有机阳离子可与它们进行阳离子交换进入粘土层间，使层间距扩大。在适当条件下，熔融使层间距进一步扩大，甚至剥离成单层，使粘土以几纳米～几十纳米厚的片层聚合物基体中。另外，PA66添加钛酸钾晶须K：O·6TiOz可以获得一种具有更高机复合材料。所用钛酸钾晶须为白色针状单晶纤维，长度m，结晶完善，具有性能和物理性能。其拉伸强度为7GPa，拉伸弹性模量为280GPa，莫氏硬度为及很好的电气绝缘性和耐热、隔热性能本文对三种树脂基尼龙复合材料进行了高应变率下的动态压缩力学性能研究时的力学性能特征Base 7 Bending时的力学性能特征Base 7 Bending实验测实验采用本实验室研制的分离式Hopkinson压杆(SHPB)来实现高应变率的实验中所有的压杆均为40Cr钢杆，直径为20am，压杆材料的密度为为21IGPa。输入杆长2000mm，输出杆长1000mm，撞击杆长150mm。制的KD205一IA超动态应变仪。Lecroy9370高采样率(1Gs／s)1GHz带宽数字存用于采集实验信号，装置简图如图2．5所示实验中所用的材料试样均加工成直径为13．7mm，厚度为6mm的薄圆柱形。被在输入杆和输出杆之间，为了减小端面摩擦的影响，在试样的端面涂上二硫化钼了获得一定应变率下的加载条件，实验中采用了入射波整形技术，目的在于获得率加载。传统SHPB实验技术中由子弹直接撞击加载，所得的入射波形为方波。我们反射波形反映了应变率的状态，平的反射波形意味着常应变率条件，对应的应变呈线性变化。由于受实验材料响应的制约，反射波波形是被动变化的。如果入射波不同的材料响应会使透射波呈不同的形状，难以保证反射波有理想的平台，从而很试样中的常应交率状态。因此，我们在输入杆被撞击面的中央用真空脂粘贴一黄铜时程曲线，从图中可以看出，应变在大部分变形过程中随时间基本呈线性变化中达到了常应变率状态，直线的斜率对应了时程曲线，从图中可以看出，应变在大部分变形过程中随时间基本呈线性变化中达到了常应变率状态，直线的斜率对应了常应变率的值一一。nA1l^善4誊．／~fo／辛昙-0哪_o∞∞m∞07-0哪m口精-0∞“矗∞∞_o眦应变率效应分为了研究材料的应变率效应，我们分别选用了直径为6．5rm，10．5mm和14．5mm整形器。通过调整子弹的速度，对每一种尼龙复合材料都得到了三种不同应变率应变曲线5．3．1材料G0的动态压缩应力应变曲一一图5．3是尼龙PA66材料试样在应变率一n为400，1000和1500s1时的真实应力应■4毒罢拟合曲线。图5．3表明，在400s一1的应变况下，PA66材料(代号GO)呈现出典型的一淼。．．V，．一一一————垦墼些垒垒垡丝垒塑丝篁I垡也相应地增大，材料表现为应变硬化的响应性质。在1500s‘的应变率情况下————垦墼些垒垒垡丝垒塑丝篁I垡也相应地增大，材料表现为应变硬化的响应性质。在1500s‘的应变率情况下，在类服特征的拐点(区)之后，应变增加，应力却基本上保持不变。屈服点以前材料完全可以恢复的，屈服点以后材料将在恒定的应力下发生“塑性流动”。应力应现出类似于理想塑性的本构响应特征。我们定义拐点处的应力值为材料的屈服曲线表明屈服强度值随应变率的增加而增加：对于400s。1和1000s。1时的0MPa：而当应变率增加到1500s。1时，屈服强度相应地增加到约130MPa。另外变曲线的走势可以看出材料刚度随着应变率的增加，变化也是明显的。由于实02那点到原点连线的斜率来表示杨氏模量，称之为割线模量。在S。的应料的割线模量比而两种较低应变率情况下材料的割化不明显5．3．2材料M1的动态压缩应力应变曲图5．4是材料Ml试样在应变率分别0，1000和1800s～l料m的应力应变曲线也表现出了一定的率相关性。相对于应变率为400s1的情况，种较高应变率情况的应变率效应在材料割一曲线表明，应变率在400smn甩嚏甩 105MPa。随着应变率的提高，强度值增120MPa以上。在s1时，材料的割图5．4材料Ml的动态应力应量比s‘1时的高出25％。两种高应变况的比较表明，应变率效应在屈服强度和割线模量上的影响不明显，但应力应变出不同的形态特征。在1000s100s—星堡垒塑型鎏兰些型垄兰竺鳖三—一倍多，这与一般金属材料的应变率效应¨、0磊变化很小。三种—星堡垒塑型鎏兰些型垄兰竺鳖三—一倍多，这与一般金属材料的应变率效应¨、0磊变化很小。三种应变率情况下，屈服强度约125MPa。材料M2有类似的性态，但量值上差别较大，强萋一酸钾晶须K。0·6Ti02填料的尼龙复合材A图5．5材料M2的动态应力应能和物理性能动态压缩力学性能的比图5．6-5．8给出y--种材料试样在应变率分别约为400，1000和1500s。时应力的比较。三种尼龙或尼龙复合材料都表现出了较高的屈服强度和割线模量，屈于105MPa，最低割线模量的参考值约2．O～2．5GPa～一j、。一、日正t‘，搴∞咎s篓一一一『 图5．6三种材料400s1时的应力应变曲图5．7三种材料1000s1时的应力应从图中可以看出，材料M2的应力应变曲线与其他两种材料有类似的性态，但——』丝垒型垒坠耋丝垒塑丝皇丝坠另外，从图5．6～5．8中还可以看出：——』丝垒型垒坠耋丝垒塑丝皇丝坠另外，从图5．6～5．8中还可以看出：呈现出相同的性态。在400s。1的应下，材料呈现出典型的聚合物粘弹性本征，表现为变形滞后的响应性质。在1000s。图5．8三种材料1500s1时的应力应似于屈服特征的拐点之后，应力应变曲现出类似于理想塑性的本构响应特征结利用SHPB实验技术获得了三种尼龙复合材料高应变率下的动态压缩应力应变验结果表明，三种尼龙和尼龙复合材料都表现出较高的动态屈服强度和割线模度均大于105MPa，最低割线模量的参考值约2．0～2．5GPa在相同的应变率下，相对于纯尼龙材料Go，加有钛酸钾晶须填料的尼龙复料性能提高显著，尤其是割线模量增加显著，割线模量增加约20‰-．1加，最大增幅超过20n／o。但添加了蒙脱土插层的Ml材料的动态性能相对于纯在所测试的应变率范围内，三种材料的应力应变曲线都表现出一定的应变率相应变率相关的趋势一致。应变率效应更多体现在材料变形刚度的加强上，割线20％--1．0倍。对屈服强度的影响相对小一些，屈服强度值的最大增幅约20％三种应变率下的应力应变啦线反映了三种不同的本构响应特征。在400s‘1的下，三种材料均呈现出典型的聚合物粘弹性本构特征，表现了变形滞后以及应应性质。在1000s11应变率范围内动态力学性能的最基SHPB实验技术作为研究1应变率范围内动态力学性能的最基SHPB实验技术作为研究孝才料在10乙段，蠲前已经得到了广泛的应用。本文首先简单介绍了这一襄验技术国内外的研发展动岛，并从分攒撵性抒中一维戏力波的传援嚣始，阐述了SHPB实验技术靛基针对率实验室新建的SHPB实验系统，改进和完善了实验测量及数据处理的相关环钳对传绕憝SHPB难以达到平衡，以及黻以实现常应变率加载等问题，我们通道实验研究了入射静援臻，滋及躲籍实袋常应交率麓载。逶过波的传搔疆论分轿雍导了采霜整形入射波形的理论预估模型，并给出了黄铜H62熬形器的计算缎果，计黧结果与实实验测试了～种碱橡胶材料高应变率动态压缩下驰力学性毙。实验中应耀了号，将信号的幅值提简三个量级。实验中还应用石英晶体直观地监测了试样两端簿。}毒凝。实验绫暴表嘲，这耱醚橡茨李辛瓣其簿弱显的疲交奉敏感洼整生产中有著广泛的斑雳。我们应孺SHPB率下的动态压缩力学性能。对比静态参数进行了应变宰效应分孝斥，并对这三祧尼料在耐～应变率下的动态压缩力学性能进行了比较。三种材料都表现出一定的的本构响应特征为了挺宽SHPB实验技零懿应用莲飘，还蒜要靖SHPB装鬟本身戳及穗疫鹣实以改进和完善。如用大直径的SHPB篷分耩，送行弥鼗掺歪。在瓣试较麓糕时，为了减夺馁往效瘦的影喻，还需要一——皇皇些型垡奎兰些塑垄兰堡堡垒致本文是在导师卢一——皇皇些型垡奎兰些塑垄兰堡堡垒致本文是在导师卢芳云教授的亲切关怀和悉心指导下完成的，导师渊博的学识、舍的工作作风、严谨求实的治学态度、以及诲人不倦的师者风范，不仅使我在学业匪浅，而且为我今后的工作和学习树立了榜样。在这一年多的学习过程中，老师不作中给予我耐心的指导，使我的工作能力得到了很大的提高。更重要的是，老师教从事科学研究的正确态度和方法。在学习期间，阶段性学术论文的修改验证、发本文的定稿都凝聚了老师的大量心血。正是老师的谆谆教诲、悉心指导和无私得我顺利地完成了这篇硕士论文，在此首先谨向我的导师表示最衷心的感谢感谢205教研室这个温暖和谐的集体，浓郁的学习气氛和融洽的人际关系进步和能力的培养提供了良好的外界环境。在两年多的学习过程中，我还得到授、汤文辉教授、曾新吾教授、赵国民副教授、张振宇副教授以及龚昌超老师师他们热情的关心和大力帮助，在此表示真挚的谢意l在学习过程中，与蒋邦海林玉亮、崔伟峰、冉宪文、张舵、王瑞峰、皮爱国以及田占东等同学的愉快合令人难忘，在这里一并表示感谢感谢冲击波物理与爆轰物理国防重点实验室提供了良好的实验条件!实验期点实验室的老师和同学们合作得十分愉快。特别感谢王悟老师和李英华等在工作给予我热情周到的帮助感谢养育了我二十多年的父母，他们对我的学习和生活关怀备至，给我全力支持。同时，本文的完成与我的妻子唐琴女士的理解和支持是分不开的。她在上给了我极大的鼓励和帮助，使我能够全身心地投入到论文的研究工作中，愿完成能使她们感到欣慰感谢国家自然科学基金和冲击波物理与爆轰物理国防重点实验室对本文工作感谢所有帮助和鼓励过我的人参考文WofMSratel(4)：273—loading[J]．Proe．Phys．Soc．，1949，B62：676—Sbar[J]．Mech．Phys．Solids，1963，11：155—splitHopkinsonLtwo-dimensionalelastic[5]周风华，王礼立，胡时胜．高聚物SHPB试验中试件早期应力不均匀性的影响[J力学[6]参考文WofMSratel(4)：273—loading[J]．Proe．Phys．Soc．，1949，B62：676—Sbar[J]．Mech．Phys．Solids，1963，11：155—splitHopkinsonLtwo-dimensionalelastic[5]周风华，王礼立，胡时胜．高聚物SHPB试验中试件早期应力不均匀性的影响[J力学[6]刘剑飞，王正道，胡时胜．低阻抗多孔介质材料的SHPB实验技术【J]．学，1998，13(2)：218-[7]宋博，宋力，胡时胜．SHPB实验数据处理的解耦方法【J]．deformationSatLD[J】．Phys．E：Sci．Instrum．，1982，15：280-[1Z．GeneralizationL，Labibessplit5：669-[11】JR．OntheuseH，Garyasplitbar[J]．Int．J．ImpactEng．，1997，19：319-M[12】splitialuminumlength【J】Mechanics，1969，36：533-JL．Atwo—dimensionalnumericalelasticvMechanics，1971，38：62—oftwo-dimensional[18】splitJL[19】DinA．Dispersionsplit[20】DXmethodPhysique．IV，1997，7(3)：223—【21]thenW，LuDM【Dtoaluminumlength【J】Mechanics，1969，36：533-JL．Atwo—dimensionalnumericalelasticvMechanics，1971，38：62—oftwo-dimensional[18】splitJL[19】DinA．Dispersionsplit[20】DXmethodPhysique．IV，1997，7(3)：223—【21]thenW，LuDM【Dtomaterials[J1．Exp．Mech．，2002，42(1)：40-CofJS[24】胡时胜，刘剑飞．硬质聚氨酯泡沫塑料本构关系的研究【J】摄，1998，30(2)：151-[251刘剑飞，胡时胜，胡元育等．花岗岩的动态压缩实验和力学性能研究【J】．糟程学报，2000，19(5)：618。[26】胡时胜，王邋荣．冲击载荷下混凝土材料的动态本构关系[J1．爆[27】夏开文，程经毅，胡时胜．SHPB装置应用于测爨商湿动态力学·陡能的磷究fjl。学，1998．13(3)：307—Msplit[29】何平聱．赢聚物的力学燃能[M】．会肥：中国科学技术大学出版享土【30】唐建平．霍普金森秆实验数据采集与数据处理程序设计【硕士学位论文1．科学技术大学KolskyMethod[J]．IntImpactJPropertiesJ．软材料的SHPB实验设计[J]．D[34]卢芳云击，2002，22(1)：15-ofC【LsMech．Phys．Solids，1975，23：1-MD[37】withKolskyMethod[J]．IntImpactJPropertiesJ．软材料的SHPB实验设计[J]．D[34]卢芳云击，2002，22(1)：15-ofC【LsMech．Phys．Solids，1975，23：1-MD[37】withshapingsplitHopkinson【foam[39]秦自楷．压电石英晶体[M]．北京：国防工业出版社HopkinsonMechanics，2000，40(1)：1—[41]乔放，李强，漆宗能等．聚酰胺／粘土纳米复合材料的制备、结构表征及性能研究分子通报。[42】舒中俊，刘晓辉，漆宗能．聚合物／粘土纳米复合材料研究[J】．中国塑料附录forofshpb变量及数组的定mplicitreal(k，1)2=6000)character*4haracter*4附录forofshpb变量及数组的定mplicitreal(k，1)2=6000)character*4haracter*4rit(+，+)”一～输入试验编号!输入初始参数并读入数B，ROUB01，U021DS，LS分别是试样的直径和厚度；DB，EB，ROUB分别是压杆的直径、弹性模量和密!KDl，KD2分别为入射杆和透射杆上应变片的动态灵敏系!U0l，U02分别为1#，2#应变仪的桥路电压，单位为!f1，f2分别为1#，2#电荷放大器的输出放大系数，单位为pen(4，file。e：＼shpb、treatmentrecordpen(5，file。M为计算点的个数；NI，NR，NT分别为入射、反射和透射信号的起点位置；NP，NQ分别为起点pen(4，file。e：＼shpb、treatmentrecordpen(5，file。M为计算点的个数；NI，NR，NT分别为入射、反射和透射信号的起点位置；NP，NQ分别为起点位置o，o．o．o⋯oo⋯oo⋯oo，。o⋯o。o⋯o。o⋯o⋯ooo o⋯o。o⋯o 信号的分离和计ocalculateEDandstrainOtrue(1)一log(1．O-signalcal(-Otrue(I)盎s(I)+(1．0-1l-l，signalcal(-Otrue(I)盎s(I)+(1．0-1l-l，麓format(1X，lofortransformformulationofortransformformulationO}+’+++_+}+·十++···+++}}++··++十+++}+}+}·十}·}}++}十}+}}}++十{+●··++-·+★}·++$}++}++}十++★·+十thetheincidentpulseawithknownprogrampulseshapingcharacter+8thetheincidentpulseawithknownprogrampulseshapingcharacter+8cl，c2，c3，c4，e5，c6／'time','thick','diameter','e∥s∥si。write(*，+)”⋯一输入计算编号EP0=I+)D，E，ROU，Ca0=d0*'2'PI／4print+，’a-andn=num／8／8forfirsttravelofwavedoep(i)forfirsttravelofwavedoep(i)。(vO／hO)+(1-k+(ep(i—1)“an)／(O．O-ep(i一1)++am)+(1．0·ep(i-1))))+delt+ep(i-h(i)=hO+(1-epx2ep(i一1、(1．O-epx++amdi(i)。SQRT(4+area(i)／pisigpx2si90+(epx++an)l(1．O-epx++amdi(i)=SQRT(4+area(i)／piept(i)=(ep(i)一sigpx2si90+(epx++an)l(1．O-epx++amdi(i)=SQRT(4+area(i)／piept(i)=(ep(i)一sigpx=sigO+(epx++an)／O．O-000tofortraveldof12(ep(i‘n)++an