基于数字图像的分离式霍普金森压杆实验的同步测量方法

摘要

本发明公开了基于数字图像的分离式霍普金森压杆实验的同步测量方法，包括实验前，在入射杆与被测试件接触一端的外表面及在透射杆与被测试件接触一端的外表面制作标记区域；实验过程中，通过高速摄像机获取冲击实验过程中包括被测试件及标记区域的运动图像；通过跟踪分析标记区域的变形，进一步得到被测试件及入射杆、透射杆在被测试件两端的应变；根据霍普金森压杆实验的原理，由两杆的应变，计算得到被测试件两端的应力。本发明所提出的基于数字图像的新实验技术能同步得到试件的应变及其两端的应力。

说明书

技术领域

本发明涉及分离式霍普金森压杆实验，具体涉及一种基于数字图像的分离 式霍普金森压杆实验的同步测量方法。

背景技术

分离式霍普金森压杆技术是一种测试材料动态力学性能的实验方法，发展 至今已经普遍应用于工程材料在高应变率下的力学性能测试。传统的分离式霍 普金森压杆实验技术首先在入射杆和透射杆上贴上应变片，然后根据实验过程 中应变片所采集的信号换算得到试件的应力-应变数据。由于记录入射波、反射 波和透射波的时间往往不相同，所以在数据处理中这三个波形的时间起点是人 为选择的，如果选取的时间起点不一致就会导致应力-应变数据的误差，尤其是 在测试某些所需达到应力均匀时间很长的材料(如软材料等)时，选取透射波 和反射波的时间起点变得较为困难，无法保证波形的同步性，也就无法真正实 现对试件应变及其两端应力的同步测量。也有学者提出在入射、透射杆端部嵌 入石英压电晶片来获取试件两端应力，这样虽然实现了两端应力的同步测量， 但是应变数据仍由应变片来采集，其同步性未得到改善。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供基于数字图像的分离式 霍普金森压杆实验的同步测量方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于数字图像的分离式霍普金森压杆实验的同步测量方法，包括

实验前，在入射杆与被测试件接触一端的外表面及在透射杆与被测试件接 触一端的外表面制作标记区域；

实验过程中，通过高速摄像机获取冲击实验过程中包括被测试件及标记区 域的运动图像；

通过跟踪分析标记区域的变形，进一步得到被测试件及入射杆、透射杆在 被测试件两端的应变；

根据霍普金森压杆实验的原理，由两杆的应变，计算得到被测试件两端的 应力。

所述根据图像分析获得标记区域的变形，进一步得到被测试件及入射杆、 透射杆在被测试件两端的应变，具体为：

在入射杆的标记区域，选择A、B两点，在透射杆的标记区域选择C、D两 点，其中B、C为接近被测试件的两个点，其中A、D之间为远离被测试件的两 个点；

通过分析透射杆的标记区域运动图像得到C、D两点距离的增量，然后用增 量除以C、D两点之间的初始距离得到透射杆与被测试件接触一端的应变；

通过分析入射杆标记区域的运动图像得到A、B两点距离的增量，然后用这 个增量除以A、B两点之间的初始距离得到入射杆与被测试件接触一端的应变；

由于B、C点均离试件很近，图像分析得到这两点距离的增量近似看作试件 沿冲击方向的长度增量，用它除以试件原始长度就推出试件的应变。

根据霍普金森压杆实验的原理，由两杆的应变，计算得到被测试件两端的 应力，具体为：

利用一维应力假设，将透射杆或入射杆的应变乘以透射杆或入射杆的弹性 模量得到透射杆或入射杆标记区域的应力，再将它们与透射杆或入射杆的横截 面积的乘积除以试件的横截面积得到被测试件两端的应力。

所述标记区域包括标记点或散斑。

本发明的有益效果：

与传统的分离式霍普金森压杆实验技术相比，本发明所提出的基于数字图 像的新实验技术能同步得到试件的应变及其两端的应力。

附图说明

图1是本发明一种基于数字图像的分离式霍普金森压杆试验的同步测量方 法的示意图；

图2是本发明实施例中的高速摄像机拍摄区域示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施 方式不限于此。

实施例

本实施例选用入射杆1的长度为320cm，透射杆2的长度为200cm,入射杆 及透射杆的截面为圆形，其直径均为74mm,均是钢杆，高速摄像机采用Phantom v1610系统，被测试件3是经受过多次冲击的圆柱型钢纤维混凝土，其直径为 70.2mm，高度为31.6mm，图1中的4表示高速摄影机的拍摄区域。

一种基于数字图像的分离式霍普金森压杆实验的同步测量方法，包括

如图1所示，实验前，预先在入射杆1与被测试件3接触一端的外表面， 及在透射杆2与被测试件3接触一端的外表面制作标记区域，标记区域由散斑 构成，散斑颗粒大小由图像分析精度而定。具体设定标记区域的过程为：实验 前在入射杆及透射杆上离端面约5cm远处做好标记线，然后将从标记线到端面 部分的杆件表面清洁干净，喷涂哑光黑油漆作为散斑，散斑区域的高度约2cm。

散斑区域的具体宽度不能太大或太小，太大会导致对该区域分析得到的应 变不能近似看做杆端局部区域的应变，太小则可能导致误差过大。如果分析的 是标记点，每根杆上至少有两个标记点，其中至少有一个是与试件非常接近， 另一个也是离试件不能太近或太远，太远会导致对该区域分析得到的应变不能 近似看做杆端局部区域的应变，太近则可能导致误差过大。

实验过程中，子弹以13m/s的速度冲击入射杆，通过高速摄像机获取冲击实 验过程中，包括被测试件及标记区域的运动图像，所述高速摄像机安装在正对 试件的正前方，可以清楚拍摄到被测试件及标记区域即可，图1中高速摄像机 的拍摄区域4。

通过跟踪分析标记区域的变形，进一步得到被测试件及入射杆、透射杆在 被测试件两端的应变；

如图2所示，在入射杆的标记区域，选择A、B两点，在透射杆的标记区域 选择C、D两点，其中B、C为接近被测试件的两个点，而A、D则是离被测试件 较远的两个点，本实施例中，AB距离约为2cm，CD距离约为1.3cm，B点和C点 分别距离试件端面约2mm。

通过分析透射杆的标记区域运动图像得到C、D两点距离的增量，然后用增 量除以C、D两点之间的初始距离得到透射杆与被测试件接触一端的应变；

通过分析入射杆标记区域的运动图像得到A、B两点距离的增量，然后用这 个增量除以A、B两点之间的初始距离得到入射杆与被测试件接触一端的应变；

由于B、C点均离试件很近，图像分析得到这两点距离的增量近似看作试件 沿冲击方向的长度增量，用它除以试件原始长度就推出试件的应变。

利用一维应力假设，将靠近试件一端的应变乘以透射杆或入射杆的弹性模 量得到透射杆或入射杆标记区域的应力，再将它们与透射杆或入射杆的横截面 积的乘积除以试件的横截面积得到被测试件两端的应力。

由于试件应变及两端的应力都是从同一张高速摄影的图像上分析得到的， 因此它们是同步的。

实验结果表明，基于数字图像的分离式霍普金森压杆实验中试件应变及两 端应力的同步测量技术能较好地获得试件及透射杆、入射杆靠近试件区域的应 变波形，与基于应变片信号的传统SHPB实验方法相比，主要的优点在于无需在 应变片信号的后处理中考虑时间的同步性，并且能实现试件两端应力平衡状况 的评估。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实 施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、 替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。