王維斌 索 濤 郭亞洲 李玉龍 聶海亮 劉會(huì)芳 金康華 杜 冰 江 斌西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院, 西安 710072

陜西省沖擊動(dòng)力學(xué)及工程應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710072沖擊動(dòng)力學(xué)及其工程應(yīng)用國(guó)際聯(lián)合研究中心, 西安 710072

1 引 言

傳統(tǒng)霍普金森桿實(shí)驗(yàn)裝置的研究起源于20世紀(jì)初期(Hopkinson 1914), 最初的霍普金森桿只能測(cè)量沖擊載荷下的脈沖波形. Davies (1948)在Hopkinson設(shè)計(jì)的裝置基礎(chǔ)上發(fā)明了利用電容方法測(cè)量桿中的應(yīng)力脈沖. Kolsky (1949)將霍普金森壓桿采用入射桿、透射桿分離式結(jié)構(gòu)用于研究材料在高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為及材料的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系, 成功發(fā)展了分離式霍普金森壓桿(圖1), 簡(jiǎn)稱SHPB (split Hopkinson pressure bar), 很多學(xué)者利用該實(shí)驗(yàn)裝置開展了大量的材料動(dòng)態(tài)性能研究工作.

圖1

由于材料與結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變形及破壞過(guò)程都是在應(yīng)力波的作用下發(fā)生的, 因此應(yīng)力波的產(chǎn)生方式至關(guān)重要. Kolsky (1949)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置最初是利用炸藥起爆來(lái)產(chǎn)生沖擊脈沖, Krafft等(1954)改用炮/槍發(fā)射一個(gè)彈體(通常稱為撞擊桿)撞擊入射桿形成了一個(gè)梯形脈沖, Hauser等(1961)使用Hyge速度發(fā)生器成功獲取了恒定幅值的應(yīng)力波. 1964年, Lindholm進(jìn)一步完善了霍普金森壓桿裝置, 后來(lái)的研究者所使用的霍普金森桿基本上都是通過(guò)高壓氣體驅(qū)動(dòng)子彈撞擊入射桿來(lái)產(chǎn)生入射波.

將預(yù)先儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能突然釋放是應(yīng)力波的另一種產(chǎn)生方式, 其中部分入射桿被靜態(tài)扭轉(zhuǎn)、拉伸或壓縮而夾緊并施加預(yù)應(yīng)力(Duffy et al. 1971), 該方法雖然可以同時(shí)釋放拉伸(或壓縮)波和扭轉(zhuǎn)波, 但由于應(yīng)力波縱波與橫波速度不同, 應(yīng)力波到達(dá)同一試樣的時(shí)間存在差異, 因此試樣未能同時(shí)完成加載.

除子彈撞擊與能量釋放兩種方式外, 也有研究學(xué)者考慮將電磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)應(yīng)用到霍普金森桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)中. 電磁驅(qū)動(dòng)的原理是將電磁能轉(zhuǎn)換為其他形式能, 目前在電磁成型(Davies et al. 1970)、電磁彈射(Bushway 2001)、電磁軌道炮(李軍等 2014)、電磁剎車(牛潤(rùn)新等 2006)、電磁式斜波驅(qū)動(dòng)(Wang et al. 2016)及電磁鉚接(Deng et al. 2013)等領(lǐng)域取得了很多突出成果. 趙志衡等(2016)將電磁鉚接技術(shù)產(chǎn)生的應(yīng)力波應(yīng)用于落錘實(shí)驗(yàn)中, 以提高落錘實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)力水平, 并通過(guò)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證, 然而他們僅將該想法應(yīng)用于落錘實(shí)驗(yàn), 并未擴(kuò)展到材料動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)試的其他實(shí)驗(yàn)中.

Silva等(2009)首次提出采用電磁力代替高壓氣體, 為分離式霍普金森壓桿系統(tǒng)中子彈提供驅(qū)動(dòng)力. 郭偉國(guó)等(2010)也研制出一套基于電磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)的微型霍普金森桿實(shí)驗(yàn)裝置, 并測(cè)試了鎂合金的動(dòng)態(tài)應(yīng)力?應(yīng)變曲線, 驗(yàn)證了裝置的可靠性與實(shí)用性. 劉戰(zhàn)偉等(2013)和Liu等(2014)研制出多級(jí)電磁驅(qū)動(dòng)的微型霍普金森桿(圖2), 并進(jìn)行了鋁合金材料的動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn). Huang等(2017)研制的七級(jí)磁阻小型化霍普金森桿電磁發(fā)射裝置具有精度高、體積小、噪聲污染小等特點(diǎn), 符合小型化霍普金森桿對(duì)高應(yīng)變率的要求. Huang等(2019)還研制出一套小型多脈沖串聯(lián)磁阻線圈發(fā)射裝置, 其中串聯(lián)磁阻線圈發(fā)射極由兩個(gè)單級(jí)磁阻線圈和兩個(gè)彈丸組成, 通過(guò)電磁驅(qū)動(dòng)兩個(gè)彈丸依次撞擊入射桿產(chǎn)生兩個(gè)振幅相同的加載脈沖, 這種精確的多脈沖加載技術(shù)可用于測(cè)量和研究SHPB實(shí)驗(yàn)中不同材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)(圖3). 謝倍欣等(2019)和Xie等(2019)研制的雙子彈電磁驅(qū)動(dòng)SHPB系統(tǒng), 使用聚碳酸酯作為桿件材料, 克服了軟材料試件帶來(lái)難以應(yīng)用于非鐵磁材料的問題, 同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)線圈發(fā)射的精準(zhǔn)控制. Chen等(2014)設(shè)計(jì)了一套動(dòng)態(tài)壓縮與拉伸試驗(yàn)于一體的微型霍普金森桿裝置, 電磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)的引入使得裝置結(jié)構(gòu)更加小型化, 且可靠性高,移動(dòng)方便(圖4). 上述學(xué)者通過(guò)電磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)對(duì)子彈施加驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行材料動(dòng)態(tài)性能的研究, 但其應(yīng)力波加載方式依然是通過(guò)子彈撞擊入射桿實(shí)現(xiàn), 相對(duì)于更加成熟的氣體驅(qū)動(dòng)方式而言, 影響因素更多, 例如子彈上的線圈對(duì)入射桿中波形的影響、實(shí)驗(yàn)中的電磁干擾問題等.

圖2

圖3

圖4

李玉龍等 (2014a)利用電磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)研制了一套E-Hopkinson桿多軸動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置, 與電磁驅(qū)動(dòng)子彈方式不同, 該裝置由電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電磁力直接對(duì)入射桿進(jìn)行加載, 本質(zhì)上改變了應(yīng)力波的產(chǎn)生方式. 在研究多向沖擊載荷作用下的材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能時(shí), 這些沖擊載荷作用時(shí)間的同步性必須要保證, 此時(shí)傳統(tǒng)的霍普金森桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)已很難滿足多向沖擊載荷作用時(shí)間的同步性,E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)由于多組電容同步放電時(shí)電磁效應(yīng)在試件上產(chǎn)生的應(yīng)力與直接施加在試件上的應(yīng)力時(shí)差完全同步, 保證了作用于試件材料上的各向沖擊載荷的同步性. 因而可實(shí)現(xiàn)復(fù)合沖擊載荷加載條件下的材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試. 目前E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)已實(shí)現(xiàn)試樣的單軸雙向同步加載與雙軸四向同步加載, 本文將側(cè)重于該實(shí)驗(yàn)技術(shù)的基本原理及在不同領(lǐng)域的一些研究進(jìn)展進(jìn)行綜合評(píng)述, 并對(duì)E-Hopkinson桿技術(shù)在其他領(lǐng)域中值得繼續(xù)探索的方向做一展望.

2 E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)

2.1 基于電磁能量轉(zhuǎn)化原理的E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)際上, 應(yīng)用電磁能量轉(zhuǎn)化原理直接產(chǎn)生應(yīng)力波的技術(shù)早已發(fā)展成熟, 但一直未應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)力學(xué)領(lǐng)域. 電磁能量轉(zhuǎn)換原理早在20世紀(jì)60年代就被學(xué)者提出, 主要應(yīng)用在電磁鉚接技術(shù)領(lǐng)域(Deng et al. 2009), 電磁鉚接技術(shù)只關(guān)注鉚釘所產(chǎn)生的變形效果, 很少有對(duì)電磁鉚槍所產(chǎn)生的應(yīng)力波特征進(jìn)行研究. 理論上, 如果將鉚釘替換為分離式霍普金森壓桿, 電磁鉚槍所產(chǎn)生的應(yīng)力波會(huì)通過(guò)放大器傳入壓桿系統(tǒng), 成為霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)的入射波, 對(duì)試樣進(jìn)行加載. 李玉龍等(2014b)對(duì)電磁鉚槍中線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化, 采用銅質(zhì)錐形次級(jí)線圈代替了電磁鉚槍結(jié)構(gòu)中的次級(jí)線圈和應(yīng)力波放大器, 減小應(yīng)力波的脈寬, 同時(shí)結(jié)合電磁加載系統(tǒng)與加載桿研制了首套單軸EHopkinson桿實(shí)驗(yàn)裝置(圖5).

圖5

2.2 E-Hopkinson桿應(yīng)力波放電電路分析

E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)裝置包括充電電路、放電電路及壓桿系統(tǒng), 其中充電與放電電路的設(shè)計(jì)是E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)裝置中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié). 具體來(lái)講, 首先利用變壓器對(duì)交流電進(jìn)行升壓, 升壓后交流電在經(jīng)過(guò)整流電路后直接對(duì)電容進(jìn)行充電完成儲(chǔ)能過(guò)程, 最后通過(guò)觸發(fā)高頻電子開關(guān)控制電容放電, 放電瞬間電容存儲(chǔ)的電場(chǎng)能轉(zhuǎn)換為放電線圈中的磁場(chǎng)能, 放電線圈與次級(jí)線圈在電磁感應(yīng)的作用下產(chǎn)生電磁力傳遞到入射桿中完成應(yīng)力波的加載. 放電電路通過(guò)RLC電路零輸入響應(yīng)來(lái)進(jìn)行暫態(tài)分析(謝祖榮等 2002), 其等效電路如圖6所示, 圖中R為放電回路總電阻、K為放電回路開關(guān)、L為放電線圈等效電感, 該電路為典型RLC二階電路.

圖6

放電線圈與次級(jí)線圈的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖7(a)所示, 為簡(jiǎn)化電路模型, 將N匝放電線圈簡(jiǎn)化為單匝線圈, 簡(jiǎn)化后通過(guò)線圈電流為單匝線圈的N倍, 即

E-Hopkinson桿應(yīng)力波發(fā)生裝置中次級(jí)線圈為一銅板, 可將其等效為單匝電流環(huán), 放電線圈與次級(jí)線圈的簡(jiǎn)化模型如圖7(b)所示.

圖7

由式(1)可推導(dǎo)出次級(jí)線圈中感應(yīng)渦流i2(t)

E-Hopkinson桿應(yīng)力波發(fā)生裝置中放電線圈與次級(jí)線圈屬于共軸線圈, 其放電線圈與次級(jí)線圈之間的電磁斥力F與放電電流i(t)關(guān)系可表示為(Takatsu et al. 1988)

入射桿中的應(yīng)力

式中r0為 線圈導(dǎo)向軸半徑,r2為 次級(jí)線圈半徑,μ0為 真空磁導(dǎo)率,ω為放電回路振蕩頻率,α為放電線圈與次級(jí)線圈間距,S為入射桿橫截面積.

式(4)中應(yīng)力σ(t)幅 值主要由互感M、匝數(shù)N、間距α、 電阻R、 電感L及放電電流幅值決定.對(duì)于已加工成型的應(yīng)力波發(fā)生裝置其互感、匝數(shù)、電感等參數(shù)較難實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié), 而放電電流幅值受電容充電電壓影響, 因而應(yīng)力波幅值可通過(guò)調(diào)整充電電壓實(shí)現(xiàn)精確控制.

E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)中應(yīng)力波的加載在放電電流第一個(gè)半波周期內(nèi)完成, 根據(jù)RLC電路放電周期

式中T0為 應(yīng)力波脈寬,T為放電電流周期. 從式(5)可以看出應(yīng)力波脈寬受電容C、電阻R和電感L的影響, 對(duì)于結(jié)構(gòu)固定的應(yīng)力波發(fā)生裝置主要通過(guò)調(diào)整電容容量來(lái)控制應(yīng)力波脈寬.

2.3 E-Hopkinson桿與傳統(tǒng)霍普金森桿裝置的對(duì)比

E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展彌補(bǔ)了傳統(tǒng)霍普金森桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)上的一些不足, 促進(jìn)了材料動(dòng)態(tài)加載技術(shù)的發(fā)展, 現(xiàn)將兩種實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比, 希望為E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展和改進(jìn) 提供更多的參考意見.

2.3.1 應(yīng)力波加載方式

E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)與傳統(tǒng)霍普金森桿相比, 應(yīng)力波加載方式有著本質(zhì)的區(qū)別. E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)采用電磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)由次級(jí)線圈對(duì)入射桿直接進(jìn)行應(yīng)力波的加載, 而傳統(tǒng)霍普金 森桿大多采用壓縮氣體驅(qū)動(dòng)子彈撞擊入射桿的方式進(jìn)行應(yīng)力波加載.

2.3.2 應(yīng)力波脈寬與幅值調(diào)節(jié)

E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)中應(yīng)力波脈寬與幅值受電磁加載系統(tǒng)中電路參數(shù)的影響, 改變電容容量可調(diào)節(jié)應(yīng)力波脈寬, 控制電容充電電壓可實(shí)現(xiàn)不同幅值的應(yīng)力波. 目前E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)脈寬200 ~ 1100 μs的應(yīng)力波, 理論上改變電容容量還可實(shí)現(xiàn)200 μs以下及1100 μs以上脈寬的應(yīng)力波, 因此E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)未來(lái)還可以在中應(yīng)變率及高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)加載領(lǐng)域展開研究. 傳統(tǒng)霍普金森桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)中應(yīng)力波脈寬受限于子彈的長(zhǎng)度, 幅值取決于氣壓的高低, 由于氣槍氣壓的限制, 對(duì)于應(yīng)變率跨度過(guò)大的實(shí)驗(yàn)需要更換撞擊桿的長(zhǎng)度來(lái)得到不同的應(yīng)變率, 應(yīng)變率越高, 所需要的撞擊桿越短, 實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的應(yīng)力波脈寬也越窄, 這就限制了動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn) 的應(yīng)變范圍, 且操作繁瑣.

2.3.3 應(yīng)力波波形

E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)中應(yīng)力波是基于電磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)產(chǎn)生的, 即在電磁感應(yīng)定律中交變的磁場(chǎng)感應(yīng)出交變的電磁力, 由于RLC電路中電容放電電流波形接近半正弦波, 因而加載桿中應(yīng)力波也呈半正弦波形, 對(duì)于脆性材料與軟材料測(cè)試具有顯著的優(yōu)勢(shì). 根據(jù)傅里葉變換原理, 通過(guò)改變放電線圈中的放電電流形狀, 還可進(jìn)行入射桿中應(yīng)力波形的優(yōu)化, 傳統(tǒng)霍普金森桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)中 子彈撞擊產(chǎn)生的應(yīng)力波為梯形波.

2.3.4 多軸對(duì)稱加載同步性問題

E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)中, 從放電開關(guān)的吸合到應(yīng)力波的產(chǎn)生幾乎無(wú)時(shí)間延遲, 這是由于脈沖電流在放電線圈中傳播速度遠(yuǎn)大于固體應(yīng)力波的傳播速度, 可以認(rèn)為電磁感應(yīng)在試件上產(chǎn)生的應(yīng)力與直接施加在試件上的應(yīng)力時(shí)差是完全同步的, 因而將兩個(gè)參數(shù)一致的放電線圈并聯(lián),由同一電容放電, 兩放電線圈與各自對(duì)應(yīng)的感應(yīng)線圈上將同時(shí)產(chǎn)生幅值脈寬相同的應(yīng)力波, 所述應(yīng)力波同時(shí)輸入對(duì)稱加載裝置的兩個(gè)入射桿中, 同時(shí)到達(dá)試樣兩個(gè)端面, 實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣對(duì)稱加載.通過(guò)對(duì)E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)裝置的改造及電磁加載系統(tǒng)的優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)雙軸四向、三軸六向的對(duì)稱加載, 傳統(tǒng)霍普金森桿通過(guò)子彈撞擊入射桿機(jī)械撞擊的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)稱加載幾乎是不可能的,且現(xiàn)有的多軸動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)技術(shù)大多是基于拉剪或壓剪實(shí)驗(yàn).

3 E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用

E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)于2015年由本文作者團(tuán)隊(duì)首次提出, 對(duì)于完善與拓展材料動(dòng)態(tài)力學(xué) 行為的研究具有重要意義, 目前已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用.

3.1 單軸單向E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究

Nie等(2018a)首先開始了對(duì)單軸單向E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)的研究, 針對(duì)電容放電時(shí)脈沖磁場(chǎng)產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了理論推導(dǎo)與分析. 圖8為有限元分析軟件ANSYS中的多物理場(chǎng)耦合工具進(jìn)行電磁場(chǎng)模型的網(wǎng)絡(luò)劃分, 放電線圈置于空氣場(chǎng)中以使模擬環(huán)境更接近實(shí)際實(shí)驗(yàn)環(huán)境. RLC電路中的鏈圈元件與空氣場(chǎng)中的放電線圈上所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電路自由度的耦合, 從而由鏈圈元件來(lái)等效放電線圈模型.

圖8

次級(jí)線圈與入射桿結(jié)構(gòu)場(chǎng)模型的部分單元如圖9所示, 通過(guò)編程將電磁場(chǎng)中次級(jí)線圈每個(gè)節(jié)點(diǎn)的模擬結(jié)果作為結(jié)構(gòu)場(chǎng)中的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的初始加載條件導(dǎo)入結(jié)構(gòu)場(chǎng), 完成電磁場(chǎng)與結(jié)構(gòu)場(chǎng)的間接耦合. 在應(yīng)力波的傳播過(guò)程中, 整個(gè)結(jié)構(gòu)并無(wú)部件的剛體位移及宏觀的結(jié)構(gòu)變化, 因此這種間接耦合的方式可以得到較為準(zhǔn)確的模擬結(jié)果. 通過(guò)2 mF與4 mF電容在500 V及1kV電壓下的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比(圖10), 驗(yàn)證了E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)的可行性, 也證實(shí)了EHopkinson桿中應(yīng)力波脈寬與幅值分別受電容容量和充電電壓的影響.

圖9

圖10

圖11為2 mF電容在1 kV放電時(shí)的數(shù)值模擬結(jié)果, 從磁場(chǎng)強(qiáng)度分布(圖11(a))可以觀察到磁場(chǎng)集中分布在次級(jí)線圈靠近放電線圈的一端, 磁場(chǎng)在次級(jí)線圈表面的方向基本上沿次級(jí)線圈的徑向. 作用在次級(jí)線圈的磁場(chǎng)力分布如圖11(b)所示, 磁場(chǎng)力沿次級(jí)線圈的軸向分量占主要部分, 而徑向分量非常微弱. 磁場(chǎng)力軸向分量在次級(jí)線圈上分布并不均勻, 最大分量分布在靠近次級(jí)線圈外邊沿的地方. 次級(jí)線圈感應(yīng)出的渦流集中分布在次級(jí)線圈靠近放電線圈的底面上, 因此電磁力幅值沿著底面向頂面方向迅速衰減. 由于洛倫茲力主要作用在次級(jí)線圈靠近放電線圈的底端, 在此端面將直接產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力波, 該應(yīng)力波在次級(jí)線圈錐面與底面之間來(lái)回反射多次后被疊加放大, 最后從次級(jí)線圈的頂端傳入壓桿. 以2 mF電容在1 kV電壓放電時(shí)次級(jí)線圈端面與壓桿中的應(yīng)力波為例(圖12), 壓桿中的應(yīng)力波幅值遠(yuǎn)高于次級(jí)線圈底端的應(yīng)力波幅值, 波長(zhǎng)也大于次級(jí)線圈底端的波長(zhǎng), 這正是應(yīng)力波在次級(jí)線圈中來(lái)回反射疊加的結(jié)果.

圖11

圖12

本文作者利用單軸單向E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)黃銅和2024鋁合金試樣分別進(jìn)行了動(dòng)態(tài)壓縮與動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn). E-Hopkinson 桿的動(dòng)態(tài)壓縮與拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果與傳統(tǒng)霍普金森桿實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比 如圖13、圖14所示, 可以觀察到E-Hopkinson桿與傳統(tǒng)霍普金森桿實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好.

圖13

圖14

3.2 單軸雙向E-Hopkinson桿及其典型應(yīng)用

利用E-Hopkinson桿放電同步性可控精度高的優(yōu)點(diǎn), 將兩組應(yīng)力波發(fā)生裝置中放電線圈采用并聯(lián)形式, 試樣置于相同的兩入射桿中間, 控制電容同步放電即可實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的單軸雙向動(dòng)態(tài)加載. 單軸雙向E-Hopkinson桿壓縮加載裝置(圖15)中兩根壓桿長(zhǎng)度相同, 同步放電時(shí)兩列入射波可同時(shí)到達(dá)試樣, 對(duì)試樣進(jìn)行對(duì)稱加載.

圖15

單軸單向E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理與傳統(tǒng)霍普金森桿實(shí)驗(yàn)類似, 但單軸雙向加載實(shí)驗(yàn)時(shí)需要在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理上進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整. 單軸雙向E-Hopkinson桿壓縮實(shí)驗(yàn)中傳統(tǒng)的透射桿成為另一根入射桿, 左側(cè)入射波和右側(cè)入射波分別同時(shí)從兩根相同的入射桿端面輸入(圖16),以圖中左側(cè)的入射桿為例, 右行入射波達(dá)到界面1時(shí), 一部分波被反射為左行的拉伸波, 另一部分通過(guò)試樣進(jìn)入右側(cè)的入射桿; 對(duì)于右側(cè)的入射桿, 應(yīng)力波的傳播過(guò)程左側(cè)入射波類似. 值得注意的是, 左側(cè)入射桿中形成反射波的同時(shí)與右側(cè)入射桿經(jīng)過(guò)試樣傳來(lái)的透射波疊加(忽略波在試樣中傳播的時(shí)間), 這里我們定義兩列波疊加后左側(cè)的反射波為左側(cè)反射波. 同理, 右側(cè)入射桿中的反射波也由兩部分構(gòu)成, 稱之為右側(cè)反射波.

圖16

在進(jìn)行動(dòng)態(tài)雙向加載實(shí)驗(yàn)時(shí), 假設(shè)試樣內(nèi)部處于應(yīng)力均勻狀態(tài), 試樣內(nèi)部的應(yīng)力可以表示為試樣兩端面的應(yīng)力平均值, 則此時(shí)應(yīng)變、應(yīng)變率、應(yīng)力的公式可修改為(Nie et al. 2018b)

式(6) ~ 式(8)中C0為 桿中彈性波速;Sb為 桿中彈性波速;Eb為 桿中楊氏模量;Ls為試樣測(cè)試端長(zhǎng)度;Ss為試樣測(cè)試端橫截面積.

理想情況下兩列入射波完全對(duì)稱, 則有

此時(shí)式(6) ~ 式(8)可簡(jiǎn)化為

式(6) ~ 式(8)適用于對(duì)稱加載實(shí)驗(yàn)一般情況, 式(10) ~ 式(12)適用于兩列入射波完全對(duì)稱的情況. 需要注意的是兩套應(yīng)力波發(fā)生器的放電線圈必須精確加工以保證電感量足夠相近, 此外兩個(gè)次級(jí)線圈及兩根入射桿也必須保證相同的幾何參數(shù), 以保證兩列入射波的一致性.

江斌等 (2020)利用單軸雙向E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)鈉鈣硅酸鹽玻璃進(jìn)行了動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試, 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行, 動(dòng)態(tài)單向與動(dòng)態(tài)雙向壓縮實(shí)驗(yàn)均在E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)裝置上完成. 圖17(a)所示為動(dòng)態(tài)單向壓縮實(shí)驗(yàn)的原始波形, 圖中入射波本身具有一個(gè)近似線性上升沿, 無(wú)需使用整形技術(shù)即可使試樣以近似恒定的應(yīng)變率變形; 圖17(b)所示為動(dòng)態(tài)單向壓縮實(shí)驗(yàn)時(shí)試樣應(yīng)力、應(yīng)變率及應(yīng)力平衡系數(shù)R(t)-時(shí)間曲線, 圖中試樣加載至125 μs后進(jìn)入應(yīng)力平衡狀態(tài), 并且在約100 μs后實(shí)現(xiàn)近似恒應(yīng)變率加載, 此時(shí)應(yīng)變率約為300 s?1.圖18(a)所示為動(dòng)態(tài)雙向壓縮實(shí)驗(yàn)的原始波形, 圖中兩列應(yīng)力波除峰值存在微小差異外幾乎同時(shí)到達(dá)試樣, 脆性材料一般在入射波上升沿時(shí)間段試樣就已破壞, 因此峰值差異對(duì)實(shí)驗(yàn)影響不大;圖18(b)所示為動(dòng)態(tài)雙向壓縮實(shí)驗(yàn)時(shí)試樣兩端應(yīng)力、應(yīng)變率及應(yīng)力平衡系數(shù)R(t)-時(shí)間曲線, 圖中試樣加載至30 μs后達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài), 約80 μs后達(dá)到近似恒應(yīng)變率加載, 此時(shí)應(yīng)變率約300 s?1.

圖17

圖18

與動(dòng)態(tài)單向壓縮實(shí)驗(yàn)相比, 動(dòng)態(tài)雙向壓縮實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚴共Ａг嚇痈斓貙?shí)現(xiàn)應(yīng)力平衡和恒應(yīng)變率變形, 從而獲得更為精確有效的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能數(shù)據(jù). 此外, 兩列相同的應(yīng)力波對(duì)試樣進(jìn)行對(duì)稱加載, 可大幅減少應(yīng)力平衡所需時(shí)間, 通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值分析, 對(duì)稱加載中試樣達(dá)到應(yīng)力均勻狀態(tài)的時(shí)間為傳統(tǒng)霍普金森桿加載時(shí)間的1/3.

除了對(duì)稱壓縮實(shí)驗(yàn), 單軸雙向E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)裝置還可實(shí)現(xiàn)對(duì)稱拉伸實(shí)驗(yàn), 動(dòng)態(tài)對(duì)稱拉伸數(shù)據(jù)處理過(guò)程與對(duì)稱壓縮基本一致. Liu等(2018)利用單軸雙向E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料T700/MTM28-1層合板進(jìn)行了層間斷裂特性的研究. 動(dòng)態(tài)斷裂實(shí)驗(yàn)需要選取可靠的動(dòng)態(tài)加載形式、準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)分析方法. 層間斷裂韌性的測(cè)量采用的試樣類型為梁試樣, 通過(guò)組合梁加載得到不同復(fù)合度的層間斷裂. 在準(zhǔn)靜態(tài)方面, 已有學(xué)者利用雙向加載產(chǎn)生不同復(fù)合度的層間斷裂(圖19), 試驗(yàn)機(jī)有兩套液壓驅(qū)動(dòng)裝置以及兩個(gè)力傳感器, 通過(guò)控制不同比例的拉伸或者壓縮位移即可實(shí)現(xiàn)不同復(fù)合度的層間斷裂(Chaves et al.2014). 動(dòng)態(tài)斷裂實(shí)驗(yàn)方面, 由于傳統(tǒng)霍普金森桿裝置利用子彈撞擊產(chǎn)生應(yīng)力波, 以剛體碰撞的方式產(chǎn)生兩列同步應(yīng)力脈沖是不可能的, 子彈的速度與撞擊無(wú)法精確的控制很容易出現(xiàn)應(yīng)力波加載時(shí)的不同步現(xiàn)象, 繼而出現(xiàn)斷裂類型不再為純I型斷裂. 利用單軸雙向E-Hopkinson桿加載裝置對(duì)雙懸臂梁試樣進(jìn)行對(duì)稱加載, 保證了試樣從起始到擴(kuò)展過(guò)程均為純I型動(dòng)態(tài)斷裂, 成功解決了復(fù)合型動(dòng)態(tài)斷裂的實(shí)驗(yàn)難題.

圖19

由高速攝像機(jī)拍攝的DCB試樣對(duì)稱加載與單邊加載變形過(guò)程對(duì)比可知(圖20), 對(duì)稱加載過(guò)程中試樣的中心線幾乎保持不變, 而單邊加載試樣的中心線在加載過(guò)程中由于加載力的不對(duì)稱性而產(chǎn)生偏移, 整個(gè)試樣出現(xiàn)傾斜, 這種變形的不對(duì)稱性將引入II型動(dòng)態(tài)層間斷裂.

圖20

圖21(a)為一次對(duì)稱加載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)移波后的入射波和反射波, 可以觀察到加載桿1與加載桿2上應(yīng)力波的起始點(diǎn)存在微小差異, 加載桿1早于加載桿2約 10us, 而兩加載桿上應(yīng)力波的下降沿完全一致, 分析可能是由于入射桿桿端的法蘭與次級(jí)線圈的接觸不良導(dǎo)致. 圖21(b)為試樣對(duì)稱加載過(guò)程中I型和II型能量釋放率的變化曲線, 圖中可以看出II型能量釋放率幾乎為0, 這也印證了對(duì)稱動(dòng)態(tài)加載能夠保證純I型的動(dòng)態(tài)斷裂.

圖21

3.3 金屬動(dòng)態(tài)包辛格效應(yīng)

包辛格效應(yīng)是指金屬材料屈服強(qiáng)度受材料變形歷史影響的特性(Bauschinger 1881). 眾所周知, 大多數(shù)金屬都有應(yīng)變率效應(yīng), 這與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及其他障礙的相互作用有關(guān)(Hidayetoglu et al.1985). 此外, 材料的包辛格效應(yīng)可能會(huì)受到加載速率的影響(Moan et al. 1979). 準(zhǔn)靜態(tài)包辛格效應(yīng)試驗(yàn)可以用標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行, Thakur等(1996)采用傳統(tǒng)霍普金森桿先對(duì)材料進(jìn)行單次拉伸加載至一定塑性, 再截取試樣的部分標(biāo)距段進(jìn)行單次壓縮加載得到了材料的動(dòng)態(tài)包辛格效應(yīng)響應(yīng), 但該方法由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程復(fù)雜且不連續(xù), 難以記錄連續(xù)沖擊過(guò)程中熱的影響. 單軸雙向E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)具有較好的同步性與可控性, 可以很好地解決這一問題. 圖22所示為利用E-Hopkinson 桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)單軸雙向非同步加載實(shí)驗(yàn)裝置, 此裝置可用來(lái)測(cè)定材料在高應(yīng)變率下的包辛格效應(yīng).

圖22

實(shí)驗(yàn)裝置包括兩套應(yīng)力波發(fā)生裝置、E-Hopkinson桿加載系統(tǒng)、波導(dǎo)桿、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等.裝置特點(diǎn)在于兩套應(yīng)力波發(fā)生裝置分別產(chǎn)生壓縮波與拉伸波, 兩套應(yīng)力波發(fā)生裝置由于放電參數(shù)完全相同因而保證了波形的一致性. 利用一維應(yīng)力波理論, 計(jì)算并設(shè)計(jì)兩根波導(dǎo)桿的長(zhǎng)度使試樣能夠先后受到壓縮波與拉伸波的非同步加載, 從而完成對(duì)材料動(dòng)態(tài)包辛格效應(yīng)的測(cè)試. 圖23(a)為壓縮?拉伸動(dòng)態(tài)循環(huán)試驗(yàn)的入射壓縮波與拉伸波, 圖23(b)表明這兩列波一致性較好. 圖24是6061鋁合金的預(yù)壓縮?拉伸試驗(yàn)結(jié)果, 實(shí)驗(yàn)的平均應(yīng)變率為350 s?1, 壓縮最大流動(dòng)應(yīng)力為390 MPa,反向加載時(shí)拉伸屈服應(yīng)力為253 MPa, 試樣在反向拉伸加載過(guò)程中屈服應(yīng)力下降明顯, 說(shuō)明該材料具有明顯的包辛格效應(yīng).

圖23

圖24

3.4 動(dòng)態(tài)雙軸沖擊實(shí)驗(yàn)

考慮到大部分結(jié)構(gòu)實(shí)際中所受的載荷通常為多軸復(fù)雜應(yīng)力, 因此研究材料在多軸應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性能對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用更具有指導(dǎo)意義. 為實(shí)現(xiàn)多軸動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者研制了多種加載裝置, 現(xiàn)有的多軸動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)技術(shù)大多是拉剪或壓剪實(shí)驗(yàn), 且主要基于落錘實(shí)驗(yàn)、直接撞擊實(shí)驗(yàn)及高速飛片沖擊實(shí)驗(yàn)等. 由于加載設(shè)備的限制, 現(xiàn)有的壓剪復(fù)合加載都是利用單軸霍普金森壓桿對(duì)特殊設(shè)計(jì)的試樣進(jìn)行加載, 使試樣局部承受壓剪復(fù)合載荷, 或者對(duì)霍普金森壓桿加以改造, 以實(shí)現(xiàn)壓剪復(fù)合加載(Rittle et al. 2002). 對(duì)于傳統(tǒng)氣炮式加載方式的霍普金森桿裝置, 其雙向加載時(shí)氣炮難以將同步時(shí)間精度控制在微秒量級(jí), E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)由于電磁感應(yīng)在試件上產(chǎn)生的應(yīng)力與直接施加在試件上的應(yīng)力時(shí)差完全同步, 因而通過(guò)單軸向雙軸的擴(kuò)展還可實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的動(dòng)態(tài)雙軸加載. 圖25、圖26分別為動(dòng)態(tài)雙軸實(shí)驗(yàn)裝置布局圖與實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖.

圖25

圖26

圖27為動(dòng)態(tài)雙軸實(shí)驗(yàn)裝置雙軸四向同步加載時(shí), 黏貼在四根入射桿的應(yīng)變片采集到的應(yīng)力波信號(hào), 從圖中可以觀察到四列應(yīng)力波信號(hào)同步性基本一致.

圖27

E-Hopkinson桿動(dòng)態(tài)雙軸加載實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)難點(diǎn)是試樣的設(shè)計(jì), 多軸加載時(shí)試樣可以是扁平的十字型, 也可以是用于膨脹實(shí)驗(yàn)的圓管型, 十字型試樣的設(shè)計(jì)問題是限制十字型雙軸拉伸試驗(yàn)的主要難題(Yu et al. 2002). 為了得到完整的應(yīng)力?應(yīng)變曲線, 試樣的中央?yún)^(qū)域必須經(jīng)歷彈性變形與塑性變形, 因此在試樣設(shè)計(jì)過(guò)程中, 最重要的是使試樣大部分變形發(fā)生在中央測(cè)試區(qū), 避免其他區(qū)域出現(xiàn)過(guò)于嚴(yán)重的應(yīng)力集中(Demmerle et al. 1993). 圖28為十字型試樣的夾持臂經(jīng)常出現(xiàn)斷裂失效而提出了三種解決方案: 切除部分區(qū)域、減小測(cè)試區(qū)厚度、試樣臂上加工狹縫. 在試樣臂交叉處切去弧形區(qū)域能減小此處應(yīng)力集中, 并增大中央測(cè)試區(qū)的變形, 而測(cè)試區(qū)的厚度減薄直接減小了測(cè)試區(qū)橫截面積, 有效地增大了該區(qū)域的應(yīng)變, 狹槽的引入則能減小加載過(guò)程中試樣臂對(duì)試樣上載荷分布的影響.

圖28

盡管十字型試樣廣泛用于實(shí)驗(yàn)研究, 但一直未有標(biāo)準(zhǔn)的幾何形狀(Lin et al. 1993). 缺少試樣標(biāo)準(zhǔn), 使得不同實(shí)驗(yàn)人員得到的結(jié)果難以相互比較. 目前對(duì)于十字型試樣的相關(guān)理論仍未十分成熟, 但對(duì)于本文作者團(tuán)隊(duì)在雙軸電磁桿試樣的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重大指導(dǎo)意義.

4 結(jié) 論

E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)利用了電場(chǎng)能轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)能的方式來(lái)產(chǎn)生應(yīng)力波, 這是對(duì)傳統(tǒng)霍普金森桿中應(yīng)力波加載技術(shù)的創(chuàng)新與擴(kuò)展. 近幾年來(lái)本文作者團(tuán)隊(duì)針對(duì)E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)開展了大量工作并取得了一定的成果, 對(duì)于未來(lái)進(jìn)一步可探究的問題, 其相關(guān)研究仍處于起步或者探究階段. 本文綜述了E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)在單軸單向及動(dòng)態(tài)雙軸對(duì)稱壓縮/拉伸、復(fù)合材料的層間斷裂、金屬動(dòng)態(tài)包辛格效應(yīng)等領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀, 涵蓋了實(shí)驗(yàn)研究, 理論分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)與有限元仿真的對(duì)比. 通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研, 針對(duì)E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)的研究, 本文作者認(rèn)為未來(lái)可在以下方面開展工作.

4.1 應(yīng)力波整形

目前E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)裝置產(chǎn)生的應(yīng)力波為半正弦波形, 對(duì)于脆性材料來(lái)說(shuō), 可以使材料發(fā)生近似恒應(yīng)變率變形, 但對(duì)金屬材料來(lái)說(shuō)需要梯形應(yīng)力波來(lái)實(shí)現(xiàn)恒應(yīng)變率加載, 這就需要對(duì)應(yīng)力波進(jìn)行整形. 如前所述, E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)裝置產(chǎn)生的應(yīng)力波脈寬與幅值與放電回路中電氣元件參數(shù)有關(guān), 通過(guò)對(duì)E-Hopkinson桿加載系統(tǒng)中放電電路進(jìn)行優(yōu)化, 將原來(lái)的RLC電路調(diào)整為多級(jí)RLC鏈?zhǔn)诫娐? 根據(jù)傅里葉變換, 任意形狀的波形都可分解為若干個(gè)正弦波的時(shí)序疊加(Yu et al. 2009), 通過(guò)高頻電子開關(guān)控制鏈?zhǔn)诫娐分懈鱎LC電路依次放電, 使依次放電產(chǎn)生的應(yīng)力波相互疊加, 最終加載到入射桿中的應(yīng)力波即為所需要的波形.

4.2 同步加載及拉扭/壓扭多種應(yīng)力波同步加載

按介質(zhì)受力狀態(tài)應(yīng)力波可分為拉伸波、壓縮波、扭轉(zhuǎn)波、彎曲波等, 對(duì)試樣進(jìn)行壓縮波與扭轉(zhuǎn)波同步加載時(shí)材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的測(cè)量目前未有文獻(xiàn)報(bào)道. 考慮到扭轉(zhuǎn)波與壓縮波在桿中的傳播速度存在差異, 首先計(jì)算出兩列波到達(dá)試樣端面的時(shí)間差, 然后控制扭轉(zhuǎn)波優(yōu)先在桿中傳播, 通過(guò)高頻電子開關(guān)控制電容放電回路對(duì)壓縮波釋放時(shí)間進(jìn)行延遲觸發(fā), 實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)波與壓縮波同時(shí)到達(dá)試樣, 該方法同樣適用于拉伸?扭轉(zhuǎn)等加載實(shí)驗(yàn).

4.3 動(dòng)態(tài)三軸沖擊實(shí)驗(yàn)

在巖土、混凝土研究領(lǐng)域中, 其三軸受壓力學(xué)性能是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析的重要依據(jù). 國(guó)外很多研究機(jī)構(gòu)都自行研制了三軸試驗(yàn)裝置, 完成了大量的混凝土多軸受壓試驗(yàn)研究, 建立了多種強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則(Park et al. 2005). 國(guó)內(nèi)清華大學(xué)研制成功了首臺(tái)真三軸壓?拉試驗(yàn)裝置, 隨后相繼完成了混凝土在各種壓拉應(yīng)力組合下的雙軸與三軸力學(xué)性能試驗(yàn)(王傳志等1987), 大連理工大學(xué)也擁有了自主設(shè)計(jì)制造的三軸試驗(yàn)裝置(宋玉普和趙國(guó)藩 1990, 1994). 受實(shí)驗(yàn)裝置的限制, 按應(yīng)力路徑加載的試驗(yàn)很多, 而按應(yīng)變或應(yīng)力應(yīng)變復(fù)合路徑加載的試驗(yàn)還比較少, 目前還未有文獻(xiàn)報(bào)道在巖土和混凝土研究領(lǐng)域進(jìn)行高應(yīng)變率下三軸同步動(dòng)態(tài)加載實(shí)驗(yàn). 本文作者團(tuán)隊(duì)與深圳大學(xué)謝和平院士團(tuán)隊(duì)正合作研制適用于三維巖石動(dòng)力學(xué)測(cè)試的E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)裝置(Xie et al.2020), 三軸動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置的布局與雙軸試驗(yàn)裝置相比需要六套應(yīng)力波發(fā)生裝置及六根加載桿進(jìn)行組裝, 圖29所示為三軸動(dòng)態(tài)加載裝置構(gòu)想圖, 該實(shí)驗(yàn)裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石的多種動(dòng)態(tài)加載方式(單軸、雙軸與三軸同步), 從而研究巖石在受到?jīng)_擊擾動(dòng)下的力學(xué)行為, 損傷演化、斷裂形態(tài)及破壞機(jī)理.

圖29

4.4 中應(yīng)變率下動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)

傳統(tǒng)霍普金森桿一般適用于高應(yīng)變率范圍(102~ 104s?1)內(nèi)的力學(xué)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn), 應(yīng)變率范圍在(10 ~ 102s?1)為中應(yīng)變率, 此時(shí)建立材料本構(gòu)關(guān)系時(shí)就需要開始考慮慣性力與應(yīng)變率對(duì)材料性能的影響. 比如戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)低溫點(diǎn)火時(shí), 推進(jìn)劑面臨低溫與中應(yīng)變率(1 ~ 100 s?1)的雙重作用(Jeremic 1999); 中應(yīng)變率加載條件下, 飽水砂巖動(dòng)態(tài)強(qiáng)度與風(fēng)干砂巖的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度相近(王斌等 2010), 因此研究材料在中應(yīng)變率下的力學(xué)特性測(cè)試具有重要的工程研究意義. 中應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)在于受應(yīng)力波脈寬的限制, 在一定應(yīng)變條件下, 降低應(yīng)變率意味著增大應(yīng)力波脈寬, 這就需要大幅拉長(zhǎng)子彈的長(zhǎng)度, 對(duì)于傳統(tǒng)霍普金森桿實(shí)驗(yàn)裝置不太現(xiàn)實(shí). E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)裝置無(wú)需考慮子彈長(zhǎng)度, 應(yīng)力波脈寬取決于E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)裝置中電路參數(shù)的調(diào)整, 增大電容容量的同時(shí)調(diào)整電容充電電壓即可滿足中應(yīng)變率范圍內(nèi)應(yīng)力波脈寬與幅值要求. 目前E-Hopkinson桿在中應(yīng)變率領(lǐng)域的研究還處于數(shù)值仿真與理論分析階段, 一旦實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的中應(yīng)變率實(shí)驗(yàn), 將意味著中應(yīng)變率研究領(lǐng)域的新突破.

4.5 應(yīng)力波發(fā)生裝置中放電線圈與次級(jí)線圈的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

應(yīng)力波發(fā)生裝置中放電線圈結(jié)構(gòu)為銅帶纏繞成的扁平狀環(huán)形線圈, 次級(jí)線圈為黃銅或紫銅加工成中心帶孔的圓盤狀, 放電線圈與次級(jí)線圈由電磁感應(yīng)定律在放電時(shí)可產(chǎn)生電磁力. 電磁加載中設(shè)計(jì)充電電壓最高幅值3 kV, 最高脈沖電流幅值達(dá)到20 kA, 現(xiàn)有的放電回路雖然滿足其放電瞬間的電壓幅值與電流幅值, 但電容放電時(shí)除了用于感應(yīng)電磁力需要的磁場(chǎng)區(qū)域外, 放電瞬間其空間中存在大量的漏磁場(chǎng), 漏磁場(chǎng)不僅未得到有效利用, 且對(duì)信號(hào)采集電路產(chǎn)生電磁干擾, 因此對(duì)于應(yīng)力波發(fā)生裝置還需要結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化, 在不降低電磁力幅值的條件下改變放電線圈與次級(jí)線圈的結(jié)構(gòu), 目的在于將放電瞬間放電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以大部分集中在線圈附近, 這樣不僅提高了電磁能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的效率, 還降低電容充電電壓與放電電流幅值, 對(duì)于高電壓大電流的硬件電路也將降低其設(shè)計(jì)難度.

4.6 抑制E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)中電磁干擾

E-Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)中應(yīng)變信號(hào)的測(cè)量普遍采用電阻應(yīng)變片法, 這就需要考慮信號(hào)采集電路中電磁效應(yīng)所帶來(lái)的電磁干擾. 一方面瞬態(tài)磁場(chǎng)在空間以輻射方式耦合到應(yīng)變片信號(hào)采集回路中, 造成電磁輻射干擾; 另一方面數(shù)據(jù)采集回路與電容放電回路共地, 接地不可靠或未接地都會(huì)對(duì)應(yīng)變片采樣電路產(chǎn)生電磁傳導(dǎo)干擾. 當(dāng)電容取4 mF及更大容量時(shí), 由于應(yīng)力波脈寬增大導(dǎo)致電磁干擾信號(hào)與采樣信號(hào)出現(xiàn)信號(hào)耦合現(xiàn)象, 從而對(duì)應(yīng)變信號(hào)帶來(lái)干擾, 因此從實(shí)驗(yàn)技術(shù)及實(shí)驗(yàn)效果來(lái)講是必須要解決的重要問題.

致 謝 高等學(xué)校創(chuàng)新引智計(jì)劃資助(BP0719007); 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11527803,11922211, 12172304, 12025205).