石英晶体传感器在软材料霍普金森压杆实验中的应用研究

摘要

在软材料的霍普金森压杆(SHPB)实验中，采用石英晶体传感器放大透射信号并监测试样两端应力平衡的方法已经得到了广泛的应用。但是，目前的研究几乎都忽略了透射杆端部存在的端部效应对石英晶体传感器信号的影响。本文通过有限元仿真和实验相结合的方法，定量讨论了端部效应对石英晶体传感器信号的影响，总结了相关规律并给出了减小端部效应影响的实验设计方案。在此基础上，用透射杆端部石英晶体传感器测透射信号的方法完成了3种型号道砟垫动态力学性能的测试。
　　首先运用压电学理论及有限元仿真的知识，计算了单片X-切石英晶体传感器在受静力均布载荷作用下的电场强度和电压值，说明了石英晶体传感器仿真模型的正确性。然后，结合霍普金森压杆实验知识，用ABAQUS有限元软件建立了含石英晶体传感器的霍普金森压杆模型。调整石英晶体传感器在透射杆中的位置，计算不同位置测得的电压时程曲线，发现端部效应的影响范围为3倍杆径以内。在此基础上，采用控制变量法，分别改变子弹的撞击速度、试样的杨氏模量、试样的直径、试样的内外径比值等参数，计算了相应的电压时程曲线，确定了各参数对端部效应的影响情况。接着以EPDM为试样，实验验证了端部效应影响随子弹撞击速度、试样直径、试样内外径比值的变化情况。结合仿真和实验的结果，可以发现将试样设计成直径较大，内外径比值较大的环形可有效减小端部效应影响。
　　基于以上研究结果，设计了合理的试样尺寸，对3种型号道砟垫进行了霍普金森压杆实验，得到了材料在1000s-1，2200 s-1和3500 s-1应变率下的应力应变曲线及吸能率曲线，为道砟垫的数值模拟、选型及设计优化提供了实验依据。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 霍普金森压杆(SHPB)研究现状

1．2 SHPB在软材料测试中的应用

1．3 石英晶体传感器在SHPB中应用的研究现状

1．4 本文研究的主要内容

1．5 本文研究的创新点

1．6 论文结构

2 霍普金森压杆实验及石英晶体传感器的基本理论

2．1 SHPB实验的基本理论

2．2 石英晶体传感器的基本理论

2．2．1 石英晶体的压电性能

2．2．2 石英晶体的压电方程

2．2．3 石英晶体系数的坐标变换

2．3 X切石英晶体在SHPB中应用的基本理论

3 石英晶体静力加载有限元分析

3．1 引言

3．2 石英晶体静力加载理论计算

3．3 石英晶体静力加载有限元仿真

3．4 本章小结

4 考虑石英晶体传感器的霍普金森压杆有限元仿真分析

4．1 引言

4．2 考虑石英晶体传感器的霍普金森压杆有限元建模

4．2．1 模型的建立与材料的定义

4．2．2 网格划分

4．2．3 边界条件及载荷的设定

4．2．4 分析步的定义及任务的提交

4．2．5 霍普金森压杆有限元模型的校核

4．3 端部效应对石英晶体传感器信号影响的有限元分析

4．3．1 端部效应的影响范围

4．3．2 试样直径对端部效应的影响

4．3．3 试样杨氏模量对端部效应的影响

4．3．4 试样内外径比值对端部效应的影响

4．3．5 子弹速度对端部效应的影响

4．4 本章小结

5 端部效应对石英晶体传感器信号影响的实验验证

5．1 实验装置介绍

5．2 石英晶体动态标定

5．3 端部效应对石英晶体传感器信号影响的实验验证

5．3．1 子弹速度对端部效应影响的实验验证

5．3．2 试样直径对端部效应影响的实验验证

5．3．3 试样内外径比值对端部效应影响的实验验证

5．4 本章小结

6 道砟垫动态力学性能测试

6．1 引言

6．2 实验测试

6．2．1 试样尺寸设计

6．2．2 实验介绍

6．2．3 实验结果

6．3 应变率效应分析

6．4 吸能率分析

6．5 本章小结

7 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

作者简历

攻读硕士学位期间主要的研究成果