趙 磊，李玉龍，陳 煊

(西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，陜西 西安 710072)

低強(qiáng)度材料或低波阻抗材料由于抗沖擊緩沖吸能性能，被廣泛應(yīng)用于儀器設(shè)備在運(yùn)輸和搬運(yùn)過程中的破壞防護(hù)、結(jié)構(gòu)內(nèi)部的填充和重要物品的緩沖保護(hù)，因此，在航空航天、包裝運(yùn)輸、軍事防護(hù)和汽車等各領(lǐng)域內(nèi)起到非常重要的作用。一些低強(qiáng)度材料還應(yīng)用于復(fù)合材料的構(gòu)造中，在復(fù)合材料中起到主導(dǎo)作用；還有一些在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中時常用到；很多聚合物都是低強(qiáng)度材料。所以，研究低強(qiáng)度材料在動態(tài)沖擊下的本構(gòu)行為是非常有必要的。

由于低強(qiáng)度材料的特點(diǎn)，使運(yùn)用傳統(tǒng)的Hopkinson 桿技術(shù)不能獲得有效可用[1]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對這類材料的加載過程中，很難保證試樣中的力平衡或變形均勻性[2]，而且，測量的應(yīng)力信號微弱，使真實(shí)信號的誤差偏大。針對以上兩個問題，L.Wang等[3]建議改用波阻抗較低的聚合物桿取代傳統(tǒng)的金屬桿；H.Zhao等[4]則采用彈性模量較低的黏彈性桿測試了泡沫塑料的動態(tài)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線。而采用黏彈性桿，既需要考慮黏彈性波的彌散，又需要考慮黏彈性波的衰減，數(shù)據(jù)處理十分復(fù)雜；A.Sharma等[5]使用高速攝像機(jī)和黏彈性分離式Hopkinson壓桿技術(shù)對低強(qiáng)度材料在動態(tài)載荷下的行為進(jìn)行了研究；W.Chen等[6]采用空心鋁桿作為透射桿，試圖減小壓桿與試樣之間的波阻抗差距，但信號的增益僅在一個量級以內(nèi)。胡時勝等[7]采用半導(dǎo)體應(yīng)變片技術(shù)測量透射波信號，可以將信噪比提高50 倍以上，但半導(dǎo)體應(yīng)變片的缺點(diǎn)是電阻的變化與應(yīng)變之間的關(guān)系隨溫度變化。王寶珍[8]對肌肉動態(tài)拉伸力學(xué)性能進(jìn)行研究，通過離散傅里葉變換編寫了計(jì)算黏彈性桿波傳播系數(shù)的程序，并由實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算得到了尼龍桿的衰減系數(shù)和相速度，驗(yàn)證了該程序在修正彌散和衰減效應(yīng)問題上結(jié)果可信，可是這一方法不容易推廣。X.Nie等[9]在對三元乙丙橡膠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，對Hopkinson拉桿進(jìn)行創(chuàng)新性改變：使用短管狀式樣減小軸向徑向慣性影響，對脈沖整型。

本文中，采用分離式Hopkinson拉桿的測試技術(shù)，采用鋁桿作為透射桿，并且使用半導(dǎo)體應(yīng)變片測量數(shù)據(jù)，通過一種芳綸綢布材料，驗(yàn)證這種實(shí)驗(yàn)方案的可行性。

1 實(shí) 驗(yàn)

芳綸綢布材料的動態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)在分離式Hopkinson拉桿系統(tǒng)進(jìn)行。試樣由芳綸綢布裁剪制成，尺寸為長度46 mm、寬度11 mm。

目前，分離式Hopkinson 拉桿已廣泛地應(yīng)用在測定材料動態(tài)力學(xué)行為的研究中，它通過調(diào)節(jié)氣炮氣壓及使用不同長度的子彈實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)變率的加載，原理如圖1 所示。開始加載時，氣室推動子彈撞擊入射桿端處的凸緣，在凸緣中產(chǎn)生壓縮應(yīng)力波，壓縮應(yīng)力波在自由端面反射成為拉伸應(yīng)力波，然后，拉伸波沿拉桿向試樣傳播，到達(dá)入射桿與試樣接觸面時，一部分入射波反射回入射桿中，另一部分經(jīng)過試樣傳入透射桿。利用入射桿和透射桿上的應(yīng)變片可以精確地測出入射波εi、反射波εr和透射波εt信號，這些信號經(jīng)過超動態(tài)應(yīng)變儀傳給波形存貯器，最后將數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)并進(jìn)行處理。

在獲得入射波εi、反射波εr和透射波εt數(shù)據(jù)后，根據(jù)一維應(yīng)力波理論[10]，試樣的應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率歷史可以分別用下列公式計(jì)算：

式中：Ls為試樣的長度，E和c0分別為壓桿材料的彈性模量和彈性波波速，Ab和As分別為入射桿/透射桿和試樣的橫截面積。

圖1 分離式Hopkinson拉桿原理圖Fig.1 Scheme of split Hopkinson bar

實(shí)驗(yàn)中，采用鋼桿作為入射桿，鋁桿作為透射桿，并且采用半導(dǎo)體應(yīng)變片采集數(shù)據(jù)。為了將芳綸綢布固定在桿子上，采用了加強(qiáng)墊片，針對入射桿和透射桿墊片也分鋼制和鋁制兩種，長度18 mm、寬度11 mm、厚度1 mm。先使用膠黏劑(DG-3S環(huán)氧膠黏劑)將試樣左右兩端上下面分別黏貼一對鋼制和鋁制墊片。考慮試樣與墊片邊緣接觸，沖擊加載時有可能出現(xiàn)應(yīng)力集中問題，因此，給墊片邊緣倒圓角。黏貼墊片的試樣，室溫放置24 h凝固。再使用黏粘劑將凝固的試樣固定在桿子上，室溫放置24 h凝固后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?？紤]實(shí)驗(yàn)需耗時間，使用了轉(zhuǎn)接頭(見圖2) ，轉(zhuǎn)接頭也分鋼制和鋁制兩種，鋼制轉(zhuǎn)接頭與入射桿連接，鋁制轉(zhuǎn)接頭與透射桿相連接，開槽尺寸為長度18 mm、寬度11 mm、厚度3 mm。先將黏貼墊片的試樣與轉(zhuǎn)接頭膠黏凝固后，再將轉(zhuǎn)接頭分別于鋼桿和鋁桿連接，然后進(jìn)行動態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)。圖3是試樣連接后的照片 。

圖2 轉(zhuǎn)接頭與試樣連接示意圖Fig.2 Sketch of the connection between adapter and sample

圖3 試樣連接照片F(xiàn)ig.3 Photo of sample connection

2 結(jié)果與討論

2.1 有效性驗(yàn)證

由于低強(qiáng)度材料的低模量和低強(qiáng)度特點(diǎn)，有必要進(jìn)行一系列的驗(yàn)證，確保實(shí)驗(yàn)的有效性。分別對試樣兩端應(yīng)力平衡、沖擊速度以及半導(dǎo)體應(yīng)變片與電阻應(yīng)變片的對比進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖4 試樣兩端的應(yīng)力平衡Fig.4 Equilibrium of stress on the two sides of specimen

2.1.1應(yīng)力平衡

比較與入射桿和透射桿黏接在一起的試樣兩端的載荷曲線P1和P2，如圖4所示：P1=εi+εrEiAi，P2=εtEtAt。其中，ε、E和A分別表示彈性桿的應(yīng)變、彈性模量和橫截面積，i、r和t則分別表示入射、反射和透射。從圖4可以看到，試樣兩端的載荷基本平衡。

2.1.2沖擊速度

圖5 激光器測得的實(shí)驗(yàn)速度與計(jì)算得出的速度Fig.5 Impact velocities from laser measurement and from calculation

所采用的速度是入射桿和透射桿端的速度差。由入射應(yīng)變、反射應(yīng)變和透射應(yīng)變，可以得到速度：v=-c·(εi-εr+εt)。

為了驗(yàn)證該速度是否準(zhǔn)確，采用激光測速儀進(jìn)行驗(yàn)證。首先，在入射桿與透射桿桿端處放置測速激光器，激光器由發(fā)射器和接收器兩部分組成。發(fā)射器發(fā)出的激光面照射在入射桿和透射桿下沿，激光穿過端面間下沿的空擋進(jìn)入接收器，激光器的信號將在示波儀上顯示為電壓值。開始實(shí)驗(yàn)后，當(dāng)入射波傳至入射桿端面時，根據(jù)激光器電壓差ΔU和在一個脈寬內(nèi)所用的時間Δt，可得到試樣的速度v=15.2ΔU/(254Δt)，254/15.2是標(biāo)定出來的單位長度下的激光器的電壓值。另外，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，可以通過調(diào)節(jié)氣室的氣壓控制實(shí)驗(yàn)過程中試樣所承受的速度。圖5為某實(shí)驗(yàn)中激光器測得的實(shí)驗(yàn)速度與計(jì)算得出的實(shí)驗(yàn)速度的比較。

圖6 半導(dǎo)體應(yīng)變片與電阻應(yīng)變片測得的原始波形Fig.6 Original signals from semiconductor and resistance strain gauges

2.1.3半導(dǎo)體應(yīng)變片和電阻應(yīng)變片的對比

圖7 半導(dǎo)體應(yīng)變片和電阻應(yīng)變片的伸長載荷Fig.7 Load-strain curves from semiconductor and resistance strain gauges

由于試樣的波阻抗很低，用傳統(tǒng)的應(yīng)變片測量得到的透射波信號很弱，受噪聲的干擾較大，因此需采用高靈敏度的應(yīng)變傳感器，比如半導(dǎo)體應(yīng)變片。圖6是分別用半導(dǎo)體應(yīng)變片和電阻應(yīng)變片測量的原始波形，可以看出半導(dǎo)體測量的波形的透射波比半導(dǎo)體測量的透射波明顯。圖7是半導(dǎo)體應(yīng)變片和電阻應(yīng)變片測量的伸長載荷曲線，可以明顯看出，半導(dǎo)體應(yīng)變片所測量的曲線比電阻測量的光滑，電阻測量的信號過于震蕩。由以上對比，可知半導(dǎo)體應(yīng)變片測量的波形和電阻測量的波形相同，而半導(dǎo)體測量的效果更好。

2.2 結(jié) 果

如圖8所示，準(zhǔn)靜態(tài)加載時，剛開始隨著應(yīng)變增加應(yīng)力增加緩慢，應(yīng)變到0.02以后，隨著應(yīng)變的增加，載荷急劇增加。造成這種原因是由于綢布材料的編織成型有很多間隙，緩慢加載時，這些間隙逐漸達(dá)到密實(shí)。圖9是同種速度下的應(yīng)變載荷曲線，可見相同條件下實(shí)驗(yàn)有很好的重復(fù)性。

圖8 芳綸綢布準(zhǔn)靜態(tài)時的應(yīng)變-載荷曲線Fig.8 Strain-load curve of aramid fiber silk under quasi-static loading

圖9 相同速度下芳綸綢布的應(yīng)變-載荷曲線Fig.9 Strain-load curves of aramid fiber silk under a impact loading

對所測試的綢布材料，其力學(xué)性能無論在準(zhǔn)靜態(tài)還是高速度下都具有明顯的規(guī)律性，而且本構(gòu)曲線呈非線性。圖10給出了芳綸綢布不同速度下的應(yīng)變率曲線和應(yīng)變-載荷曲線。從應(yīng)變率曲線可見，這個裝置給出的加載過程比較理想: 在相當(dāng)大的范圍內(nèi)，比較接近于恒應(yīng)變率，而初期的斜坡上升沿則有利于試件中的應(yīng)力趨于均勻。從應(yīng)變載荷曲線中可見，隨著速度的增加，載荷和應(yīng)變都明顯增加。

圖10 不同速度下芳綸綢布的應(yīng)變率曲線和應(yīng)變-載荷曲線Fig.10 Strain rate and strain-load curves of aramid fiber silk at different loading velocities

圖11是芳綸綢布在不同速度斷裂時的載荷和應(yīng)變。從圖11(a)可見，斷裂時隨著速度，載荷呈現(xiàn)增加的趨勢；從圖11(b)可知，速度在10至20 m/s時，伸長也有增長趨勢，然而20到25 m/s時伸長減小，造成這種情況的原因是，在25 m/s的高速沖擊下，沖擊速度由之前的均值速度變?yōu)榱朔逯邓俣?，這加劇試樣兩端的應(yīng)力集中，影響試樣的破壞模式，從而影響試樣伸長的測定，導(dǎo)致在25 m/s沖擊速度下試樣的伸長出現(xiàn)了下降。從試樣破壞圖(見圖12)可見，試樣斷裂時出現(xiàn)拔絲相互扯斷的情況。

圖11 不同速度下芳綸綢布斷裂時的載荷和應(yīng)變Fig.11 Load and strain of aramid fiber silk at fracture at different impact velocities

圖12 芳綸綢布的拉伸斷裂圖Fig.12 Diagram of tensile fracture of aramid fiber silk

為了更好地觀察試樣的破壞過程，使用高速攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，幅頻為55 016 s-1，即兩張照片間隔18.2 μs。圖13是芳綸綢布整個破壞過程的典型圖組，對應(yīng)于圖14中各點(diǎn)：(1)圖13(a)中，試樣未受到載荷，整個試樣編織完整，材料編織分為徑向和緯向，加載時承受力的方向是徑向，與其垂直的方向是緯線方向；(2)圖13(b)中，試樣承受載荷，徑線方向受力逐漸拉緊，它與緯線方向相交的節(jié)點(diǎn)處，徑線方向由原先的自然狀態(tài)到拉緊狀態(tài)過度，緯線方向材料之間的間隙逐漸增大，出現(xiàn)AB段平緩曲線的情形。

圖13 芳綸綢布動態(tài)拉伸破壞圖組Fig.13 Fracture process of aramid fiber silk under dynamic loading

圖14 芳綸綢布動態(tài)拉伸破壞的載荷曲線Fig.14 Load curve of aramid fiber silk under dynamicloading

而緯線方向因?yàn)闆]有承受載荷，絲線變得越來越彎曲，試樣寬度逐漸變窄;(3)圖13(c)中，試樣的徑線方向因受力由拉緊持續(xù)伸長，此時的材料隨著時間的增加，載荷增加的幅度較大，緯線方向材料之間的間隙繼續(xù)增大，試樣的寬度越來越窄;(4)圖13(d)中，隨著徑線方向的載荷逐漸增加，試樣兩邊緣的材料先達(dá)到極限承載，逐漸被拉斷，此時材料所受的載荷最大，緯線方向材料之間的間隙繼續(xù)增大，試樣的寬度繼續(xù)變窄;(5)圖13(e)中，由于試樣邊緣的材料失去承載能力，破壞形式由邊緣逐漸向中心擴(kuò)展，最終導(dǎo)致整個材料破壞，此時緯線方向材料之間的間隙最大，試樣的寬度最小。

3 結(jié) 論

采用改進(jìn)的Hopkinson拉桿測試技術(shù)對一種芳綸綢布材料進(jìn)行了動態(tài)測試，并進(jìn)行了一系列驗(yàn)證。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，該裝置可以很好地捕捉微弱的應(yīng)力信號，實(shí)現(xiàn)對低強(qiáng)度材料試件的動態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)。

[1] Gray Ⅲ G T, Blumenthal W R. Split-Hopkinson pressure bar testing of soft materials[C]∥Mechanical testing and evaluation: Metals handbook, Vol. 8. Park, Ohio: American Society for Metals Materials, 2000:488-496.

[2] 周風(fēng)華，王禮立，胡時勝.高聚物SHPB 試驗(yàn)中試件早期應(yīng)力不均勻性的影響[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué)，1992，7(1):23-29.

Zhou Feng-hua, Wang Li-li, Hu Shi-sheng. On the effect of stress nonuniformness in polymer specimen of SHPB tests[J]. Experimental Mechanics, 1992，7(1):23-29.

[3] Wang L, Labibes K, Azari Z, et al. Generalization of split Hopkinson bar technique to use viscoelastic bars[J]. International Journal of Impact Engineering, 1994，15(5):669-686.

[4] Zhao H, Gary G, Klepaczko J R. On the use of a viscoelastic split Hopkinson pressure bar[J]. International Journal of Impact Engineering, 1997,19(4):319-330.

[5] Sharma A, Shukla A, Prosser R A. Mechanical characterization of soft materials using high speed photography and split Hopkinson pressure bar technique[J]. Journal of Materials Science, 2004,37(5):1005-1017.

[6] Chen W, Zhang B, Forrestal M J. A split Hopkinson bar technique for low impedance materials[J]. Experimental Mechanics, 1999,39(2):81-85.

[7] 胡時勝，唐志平，王禮立.應(yīng)變片技術(shù)在動態(tài)力學(xué)測量中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué)，1987，2(2):73-82.

Hu Shi-sheng, Tang Zhi-ping, Wang Li-li. Application of strain gage technique in dynamic measurement[J]. Experimental Mechanics, 1987，2(2):73-82.

[8] 王寶珍.肌肉類軟組織動態(tài)力學(xué)性能研究[D].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2010.

[9] Nie X, Song B, Ge Y, et al. Dynamic tensile testing of soft materials[J]. Experimental Mechanics, 2008,49(4):451-458.

[10] 郭偉國,李玉龍,索濤.應(yīng)力波基礎(chǔ)簡明教程[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2007:128-132.