基于SHPB的颗粒物质一维应力波衰减效应测定方法

摘要

本发明公开一种基于SHPB的颗粒物质一维应力波衰减效应测定方法，包括如下步骤：(10)应力波加载：将待测颗粒物质试件置于分离式霍普金森压杆，记录射波、反射波、透射波；(20)前端峰值应力计算：计算得到试件前端峰值应力；(30)界面系数获取：拟合得到反射系数由试件所受应力表达的函数式，和透射系数由试件所受应力表达的函数式；(40)尾端峰值应力计算：根据透射波峰值应力和透射系数，计算得到试件尾端峰值应力；(50)消波率获取：根据试件尾端峰值应力和试件前端峰值应力，计算得到待测颗粒物质试件的消波率。本发明的颗粒物质一维应力波衰减效应测定方法，试验结果准确、试件长度可调、试验效率高。

说明书

技术领域

本发明属于材料动态力学性能试验技术领域，特别是一种试验结果准确、试件长度可调、试验效率高的基于SHPB(分离式霍普金森压杆，Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)的颗粒物质一维应力波衰减效应测定方法。

背景技术

得益于颗粒介质的松散、多孔、易压缩的特性，应力波在颗粒介质中传播时，会表现出显著的衰减特性。作为消波材料，颗粒介质常常被用于构筑防护工程的消波分配层，用以吸收、耗散爆炸波的巨大能量。因此，定量地量测爆炸应力波在颗粒介质中传播衰减规律，为防护工程选型和设计施工提供理论依据，显得至关重要。

现有的研究颗粒介质中一维应力波衰减的实验加载方法多种多样，如激波管、落锤、摆锤等。这些方法一般通过在砂土中埋置应力计来获取试件中的应力波信号，但由于波阻抗的差异，应力计很难准确反应砂土中的实际应力状态，且应力计的存在，必然会对试件中波的传播造成影响。有结果表明，埋置应力计的方法对峰值应力的测试误差甚至高达20％。

分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)是一种测量材料动态力学性质的装置，它能够通过测量两弹性长杆中的应力波，通过时域平移，间接而准确的反映试件两端面的应力状态，如中国发明专利“高温条件下SHPB自动对杆冲击加载实验装置”(申请号：201310684780.1，公开日：2014.3.26，授权公告日：2015.12.30)。如果将SHPB应用于量测颗粒介质中应力波的衰减，将避免埋置应力计方法所带来的不良影响，如中国发明专利“颗粒物质一维应力波衰减效应试验装置”(申请号： 201720131888.1，公开日：2017.2.14，授权公告日：2017.9.1)。然而，不同于传统 SHPB材料实验，为探究应力波的在试件中单程的传播规律，在所试时间内，不允许应力波在试件内部的多次反射，试件两端不存在应力平衡。并且，砂土试样的波阻抗并非恒值，无法直接通过透射杆中的透射波精确且直接的计算得到试件尾部的应力状态。

总之，现有技术存在的问题是：对颗粒物质一维应力波衰减效应的测定试验结果不准确、试件长度不可调、试验效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于SHPB的颗粒物质一维应力波衰减效应测定方法，试验结果准确、试件长度可调、试验效率高。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于SHPB的颗粒物质一维应力波衰减效应测定方法，包括如下步骤：

(10)应力波加载：将待测颗粒物质试件置于分离式霍普金森压杆的试验位置，发射子弹，记录入射杆中的入射波、反射波和透射杆中的透射波；

(20)前端峰值应力计算：根据由入射波、反射波得到的入射波峰值应力和反射波峰值应力，计算得到试件前端峰值应力；

(30)界面系数获取：利用入射波和反射波，拟合得到入射杆-试件界面处的反射系数由试件所受应力表达的函数式，并根据反射系数与试件-透射杆界面处的透射系数的相互关系，得到试件-透射杆界面的透射系数由试件所受应力表达的函数式；

(40)尾端峰值应力计算：由透射波得到透射波峰值应力，根据透射波峰值应力和透射系数，计算得到试件尾端峰值应力；

(50)消波率获取：根据试件尾端峰值应力和试件前端峰值应力，计算得到待测颗粒物质试件的消波率。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1、实验装置新应用：开拓了基于SHPB装置进行实验研究的新思路，以往SHPB 仅用于量测材料在高应变率下的力学性能，而本方法提供了一种将其应用于量测颗粒介质中应力波衰减的新思路；

2、适用于颗粒物质：适用于各种材料受侧向限制时的应力波衰减试验，尤其对于颗粒物质最为适用；

3、对试件两端峰值应力的计算结果准确，较之于以往常用的在试件中埋置应力计测量颗粒物质中应力波衰减的方法，本方法不存在应力计与试件波阻抗不匹配、应力计对试件中的应力波传播产生干扰等问题。本方法应用于量测颗粒介质中应力波的衰减效应时，能够得到定量准确的结果；

4、试件长度可调：通过改变试件长度，可以获取应力波在传播至不同距离时，在试件中的衰减率，从而得到应力波的衰减率随传播距离变化的关系式；

5、效率高：仅通过杆中记录的三波(入射杆中的入射波σ_BI、反射波σ_BR和透射杆中的透射波σ_BT)计算得到试件两端部的峰值应力，简单直接、方便可靠，能大大提高试验效率。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明基于SHPB的颗粒物质一维应力波衰减效应测定方法的主流程图。

图2为颗粒物质试件放置于分离式霍普金森压杆(SHPB)的示意图。

图中，1子弹，2入射杆，3透射杆，4吸收杆，5套筒，51颗粒物质，52、53 垫块，61第一应变片，62第二应变片，71第一惠通斯电桥，72第二惠通斯电桥，8 放大器，9示波器。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于SHPB的颗粒物质一维应力波衰减效应测定方法，包括如下步骤：

(10)应力波加载：将待测颗粒物质试件置于分离式霍普金森压杆的试验位置，发射子弹，记录入射杆中的入射波、反射波和透射杆中的透射波；

待测颗粒物质试件为由套筒和垫块装配的颗粒介质长试件。

所测试的颗粒介质需满足材料的均匀性假定。本方法的目的是研究颗粒介质中应力波的衰减，将它宏观上当作一种材料研究，但由于颗粒介质本身的细观上的颗粒大小不均匀性，这就需要将试件在各维度上的尺寸设计得足够大(一般为最大颗粒10倍)，以保证试件各轴向截面的应力均匀性。

所述套筒需要有一定的刚度及厚度，使得试件满足一维应变状态假定。

所述颗粒介质试件需满足长试件假定。试件长度L应足够长，以保证在实验时间t内，应力波在试件内无反射叠加，如试件中波速为C，则这一假定可表示为t<2L/C，即应力波在试件中传播一个来回的时间大于实验有效量测时间。

(20)前端峰值应力计算：根据由入射波、反射波得到的入射波峰值应力和反射波峰值应力，计算得到试件前端峰值应力；

所述(20)前端峰值应力计算步骤中，试件前端峰值应力由下式计算获得：

σ_SI-peak＝σ_BI-peak+σ_BR-peak，

式中，σ_SI-peak为试件在入射杆-试件界面处的试件前端峰值应力，σ_BI-peak为入射波峰值应力，其值由入射波σ_BI而得，σ_BR-peak为反射波峰值应力，其值由反射波σ_BR而得。

(30)界面系数获取：利用入射波和反射波，拟合得到入射杆-试件界面处的反射系数由试件所受应力表达的函数式，并根据反射系数与试件-透射杆界面处的透射系数的相互关系，得到试件-透射杆界面的透射系数由试件所受应力表达的函数式；

所述(30)界面系数获取步骤包括：

(31)反射系数获取：入射杆-试件界面处的反射系数F₁(σ)可表示为试件端部所受轴向应力σ的函数，故按下式进行数据拟合F₁(σ)函数

F₁(σ)＝σ_BR/σ_BI，

其中，在入射杆-试件界面上，σ的值等于试件前端入射波σ_SI，σ_SI由式σ_SI＝σ_BI+σ_BR获得。

(32)透射系数获取：按下式得到试件-透射杆界面处的透射系数T₂(σ)，

F₁(σ)+T₂(σ)＝1。

(40)尾端峰值应力计算：由透射波得到透射波峰值应力，根据透射波峰值应力和透射系数，计算得到试件尾端峰值应力；

试件-透射杆界面处的透射系数T₂(σ)可表示为试件端部所受轴向应力σ的函数，在这一界面上，σ的值等于透射波σ_BT。

故所述(40)尾端峰值应力计算步骤中，试件尾端峰值应力由下式计算获得：

σ_ST-peak＝σ_BT-peak/T₂(σ_BT-peak)，

式中，σ_ST-peak为试件尾端峰值应力，σ_BT-peak为透射波峰值应力，由透射波σ_BT而得，T₂(σ_BT-peak)为透射波峰值应力σ_BT-peak对应的透射系数。

(50)消波率获取：根据试件尾端峰值应力和试件前端峰值应力，计算得到待测颗粒物质试件的消波率。

所述(50)消波率获取步骤具体为：

k＝σ_ST-peak/σ_SI-peak×100％，

式中，k为消波率，反映一维应力波衰减效应。

如图2所示，本方法所采用的SHPB装置，包括沿子弹1出射方向依次同轴设置的入射杆2、透射杆3和吸收杆4，还包括套筒5，所述套筒5内装颗粒物质51，所述套筒5一端松配合套装在入射杆2上，另一端松配合套装在透射杆3上。

所述入射杆2上贴有第一应变片61，其输出端通过第一惠通斯电桥71与放大器8电连接；所述透射杆3上贴有第二应变片62，其输出端通过第二惠通斯电桥72与放大器8电连接；所述放大器8与示波器9电连接。

所述入射杆中的入射波σ_BI、反射波σ_BR和透射杆中的透射波σ_BT通过示波器9记录。

实验操作步骤为：

1、采用套筒、垫片装配待测颗粒介质试样，并将装配好的试件置于分离式霍普金森压杆的试验位置，处于试验等待状态；

2、发射子弹1，试验开始，在示波器9上记录入射杆中的入射波σ_BI、反射波σ_BR和透射杆中的透射波σ_BT；

3、由式σ_SI-peak＝σ_BI-peak+σ_BR-peak计算得到试件在入射杆-试件界面的峰值应力σ_SI-peak；

4、将σ_BI和σ_BR按式F₁(σ)＝σ_BR/σ_BI的关系进行数据拟合，得到F₁(σ)表达式；

5、由关系式F₁(σ)+T₂(σ)＝1得到T₂(σ)的表达式；

6、将透射波的峰值应力σ_BT-peak带入式σ_ST-peak＝σ_BT-peak/T₂(σ_BT-peak)，得到试件在试件>ST-peak；

7、利用计算得到的σ_SI-peak与σ_ST-peak，带入公式k＝σ_ST-peak/σ_SI-peak×100％，获得颗粒介质试件的消波率。