一种基于霍普金森原理的一维层裂拉伸试验方法

专利名称：一种基于霍普金森原理的一维层裂拉伸试验方法
技术领域：
本发明涉及一种材料力学特性的试验方法，尤其涉及一种基于霍普金森原理的一维 层裂拉伸试验方法。
背景技术：
非均质、多相脆性材料(如混凝土、岩石和工程陶瓷复合材料等)及其细观结构和 损伤演化的动态本构特性的研究，己成为当前力学、材料学界和工程界共同注目的跨学 科前沿性研究热点。以工程界最广泛应用的混凝土为代表，在其工作过程中，除了承受 静荷载的作用外，还要承受动荷载的作用，如地震、风荷载和爆炸对建筑的作用、海浪 对海岸和海上采油平台的冲击、驳船对码头的撞击、车辆对道路设施的碰撞等，均会使 混凝土以高于静态许多量级的应变速率变形，并表现出与静态受载时不同的力学性能， 因此，这类非均质、多相脆性材料在动荷载作用下的性能测试研究成为一项十分重要的 工作。并且混凝土等多相脆性材料的另一个重要特性表现在拉、压强度的严重不对称性， 例如静态抗拉强度比抗压强度低大约一个量级。因此，混凝土在工程上虽然主要用于承 受压载荷，但在冲击载荷下，由于应力波反射卸载作用，混凝土结构的卸载拉伸失效(如 层裂)可能上升为主要矛盾，这样，与静态下主要关注混凝土压縮特性不同，动态下还 必须特别关注其动态抗拉特性。混凝土的动态拉伸强度以及相关的应变率效应等已成为 现代混凝土结构抗冲击动态数值计算破坏模型中的关键参量。
众所周知，对混凝土等多相脆性材料冲击特性的实验研究，不论在国外或国内，首 选都采用霍普金森压杆试验技术，然而，混凝土是细观上含有不同大小骨料的非均质材 料，在研究其宏观本构特性时，就要求试件尺寸至少比骨料尺寸大一个量级，以保证试 验结果在宏观意义上的有效性，近年来，虽然许多研究者利用长试件中的应力波反射所 致的层裂拉伸断裂或圆盘劈裂试验方法对混凝土动态拉伸强度进行实验研究，但受霍普 金森压杆尺寸的限制，仅限于骨料尺寸《12mm的情况，对于更符合工程实际的含大尺寸骨料的大混凝土，却无法进行相应的动态实验研究，从而也无法保证试验结果在宏观意义上的有效性。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能对大尺寸混凝土进行相应的动态实验研究，以保证试验结果在宏观意义上的有效性的基于霍普金森原理的一维层裂拉伸试验方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为 一种基于霍普金森原理的一维层裂拉伸试验方法，它包括以下步骤
(1) 、取入射杆和由多相脆性材料制成的杆状试件，同时取与入射杆的直径相等的撞击杆；
(2) 、将入射杆一端的垂直端面与杆状试件一端的垂直端面紧密贴合；
(3) 、当入射杆与杆状试件两者完全满足阻抗匹配的条件时，即P bCbAb=P sCsAs其中Pb表示入射杆的材料密度，Cb表示入射杆的材料波速，Ab表示入射杆的横截面积，Ps表示杆状试件的材料密度，Cs表示杆状试件的材料波速，As表示杆状试件的横截面积，取足够多的相同材料和规格的杆状试件，每个杆状试件试验一次，试验开始时，气枪施以撞击杆足够大的撞击速度撞击入射杆，以产生较大的冲击波使杆状试件发生层裂拉伸断裂，此后逐渐减小撞击速度，直至达到能使杆状试件发生层裂拉伸断裂的最小撞击速度，在该临界冲击速度下重复多次，此时该临界拉伸应力即近似为杆状试件的一维层裂拉伸破坏强度，根据c^i^PbCbV。/2得到杆状试件的一维层裂拉伸破坏强度，其中Pb为入射杆的材料密度，Cb为入射杆的材料波速，V。为发生层裂时撞击杆的最小撞击速度。
(4) 、当入射杆与杆状试件两者近似满足阻抗匹配的条件时，即P bOAb" P sCsAs，在入射杆上设置应变片，将应变片与超动态应变仪连接；
(5) 、用撞击杆撞击入射杆的端部，通过设置在入射杆上的应变片测得入射杆的入
射应变波Si (t)和反射应变波Sr (t)，根据CTi (t) =E。XSi (t)和 (t) = E。X& (t)得到入射杆上的入射应力波CTi(t)和反射应力波(Tr(t)，其中E。表示入射杆材料的弹性模量，并根据一维应力波条件(di(t)+CTr(t)) Ab= (CTt(t)) As得到传入杆状试件的透射压縮波CTt(t);
(6) 、传入杆状试件的透射压縮波CI+(t)(即(Tt(t))在杆状试件的自由端发生反射，产生反射拉伸波CT—(t)，并在杆状试件的Ze位置发生断裂，根据透射压縮波CT+(t)和反射拉伸波CJ—(t)得到 (Zc,。^+(ZO+CT—(Zc。，其中"表示杆状试件的层裂拉伸断裂时刻，Zc表示杆状试件的层裂拉伸断裂位置， (Zc,")表示杆状试件的材料层裂动态拉伸强度，CT+(Zc,^)表示在杆状试件断裂时刻的透射压縮波，CT—(Zc,^)表示在杆状试件断裂时刻的反射拉伸波。
所述的杆状试件的长度满足条件L^2L撞蹄Ca击杆/Cs，其中L撞蹄表示撞击杆的长度，C^杆表示撞击杆的材料波速，Cs表示杆状试件的材料波速，以保证层裂拉伸的断裂位置位于所述的杆状试件的中间。
与现有技术相比，本发明的优点是由于入射杆和杆状试件完全或近似满足阻抗匹配的条件，可以利用霍普金森压杆开展大尺寸试件的一维层裂动态拉伸试验，在混凝土等多相脆性材料冲击特性的实验研究领域，采用该技术方法可对符合工程实际的含大尺寸骨料的混凝土进行相应的动态实验研究，使其试验结果在宏观意义上具有有效性；且杆状试件的长度满足条件LS=2L a蹄C撞击杆/Cs，使层裂拉伸断裂近似发生在试件的中部位置，从而保证试件截面上的应力均匀化。


图1为本发明中的入射杆和试件的试验安装示意图；图2为本发明试件中的应力波传播示意图；图3为本发明入射杆中的加载波波形图4为本发明试件中的透射波与入射杆上的(入射波+反射波)的波形比较图；图5 (a)为本发明试件的截面上沿径向不同位置的应力分布图之一；图5 (b)为本发明试件的截面上沿径向不同位置的应力分布图之二；图5 (c)为本发明试件的截面上沿径向不同位置的应力分布图之三；图6为本发明试件中应力波沿轴向传播时的应力时程曲线比较图。
具体实施例方式
以下结合附图实施例对本发明做进一步详细描述。
如图所示， 一种基于霍普金森原理的一维层裂拉伸试验方法，它包括以下步骤
6(1) 、取入射杆2和由多相脆性材料制成的杆状试件1，当两者近似满足阻抗匹配的条件时，即p bCbAb^ p sCsAs，其中Pb表示入射杆2的材料密度，Cb表示入射杆2的材料波速，Ab表示入射杆2的横截面积，Ps表示杆状试件l的材料密度，Cs表示杆状试件1的材料波速，As表示杆状试件1的横截面积，杆状试件1的长度满足条件Lp2L撞击杆C撞击杆/Cs ，其中L撞击杆表示撞击杆3的长度，C航杆表示撞击杆3的材料波速，Cs表示杆状试件1的材料波速，同时取与入射杆的直径相等的撞击杆；
(2) 、将入射杆2 —端的垂直端面与杆状试件1 一端的垂直端面紧密贴合；
(3) 、在入射杆2上设置应变片4，将应变片4与超动态应变仪(图中未显示)连
接；
(4) 、用撞击杆3撞击入射杆2的端部，通过设置在入射杆2上的应变片4测得入射杆2的入射应变波Si(t)和反射应变波&(t)，根据(Ti(t)-E。xsi(t)和 (t^E。x&(t)得到入射杆上的入射应力波CTi(t)和反射应力波C7r(t),其中E。表示入射杆材料的弹性模量，并
根据一维应力波条件(di(t)+CJr(t)) Ab= ((Tt(t)) As得到传入杆状试件l的透射压縮波CTt(t);
(5) 、传入杆状试件1的透射压縮波a+(t)(即CTt(t))在杆状试件1的自由端11发生
反射，产生反射拉伸波d—(0 ，并在杆状试件1的Ze位置发生断裂，根据透射压縮波(T+(t)和反射拉伸波CT—(t)得到(Ts (Zc, r*)=(7+ (ZC. 。 +CT— (Zc,。，其中P表示杆状试件1的层裂拉伸断裂时刻，Ze表示杆状试件1的层裂拉伸断裂位置， (Zc,")表示杆状试件l的
材料层裂动态拉伸强度，a+(Zc.r-)表示在杆状试件l断裂时刻的透射压縮波，ci—(Zc,r-)
表示在杆状试件1断裂时刻的反射拉伸波。
以下是对上述方法的实验可行性验证
取直径为52mm的入射杆2，直径为52mm、长度为300 mm的撞击杆3，根据阻抗匹配的条件，设计材料为混凝土的杆状试件1的直径为100mm，长为620mm。(1)、加载波的测试
设定撞击杆3撞击入射杆2的速度为3m/s，得到入射杆2上的入射波(Ji(t)和反射
波CTr(t)应力-时间曲线如图3所示，根据一维应力波条件，即(CJi(t)+CTr(t) ) Ab= (CJt(t))
As其中Ab为入射杆2的截面面积，As为杆状试件1的截面面积，并满足杆状试件1与入射杆2界面力相等条件，测量杆状试件l中的透射应力波时程曲线(该透射应力波时程曲线即为对杆状试件1的动态加载载荷)，杆状试件1上的透射波CTt(t)和入射杆2上
7的入射波cii(t)+反射波ar(t)的时程曲线的比较如图4所示，从图4中可知两者符合较好，
也就是说符合理论上的一维应力波条件(CTi(t)+CTr(t)) Ab= (C7t(t)) As，因此，实际试验中，只要通过测量入射杆2上的入射应变波Si(t)和反射应变波Sr(t)，就可通过
a w=t, (o+^ w)五。^ / 4方便的得到传入杆状试件i中的透射压縮波仏a)。
(2) 、杆状试件截面应力均匀性的测试
在杆状试件1距加载端面4cm、 8cm、 12cm处的截面上分别测试不同位置的应力时程，图5 (a)表示距加载端面4cm处截面上的沿径向不同位置的应力分布比较、5 (b)表示距加载端面8cm处截面上的沿径向不同位置的应力分布比较、5 (c)表示距加载端面12cm处截面上的沿径向不同位置的应力分布比较，从图中可^:出在距加载端面较近位置，由于受加载端面边界的影响，杆状试件1截面上的压应力不满足沿试件径向均匀条件，但随应力波的传播，横截面上应力分布逐步趋向均匀。因此，对于大尺寸的混凝土杆状试件的层裂试验，只要距离试样端部足够远， 一般大于试样直径尺寸即可，基本上可以近似地认为杆状试件1横截面上的应力是均匀的。而本发明中设定杆状试件1的长度满足条件L试^2L撞蹄C触杆/C试件，使一维拉伸层裂近似发生在试样中部，因此可认定杆状试件1截面应力均匀。
(3) 、沿试件长度方向应力波传播特性的测试
分别测量杆状试件1上距加载端面12cm、 20cm、 28cm处截面表面的压应力时程曲线，如图6所示，从图中可知直径为lOOmm的杆状试件1的应力波沿轴向传播无明显衰减，因此可近似认为应力波沿轴向传播不发生衰减，但是，在28cm处的应力波形出现二维弥散引起的震荡，由于混凝土抗拉强度很小，因此对于更大尺寸的混凝土试样，二维弥散效应须加以考虑。采用本发明的一维层裂试验方法，由于只需施加较小的冲击速度，传入杆状试件l的加载透射压縮波较小，考虑混凝土材料的拉压不对称性，其抗拉强度较抗压强度低许多，因此只要在一维层裂拉伸试验中将加载压力脉冲很好地控制在一定范围内，则可以忽略应力波传播传播的衰减影响。
通过该实验验证，可得出上述的试验方法可行。
当入射杆与杆状试件两者完全满足阻抗匹配的条件时，即PbCbA^PsCsAs，杆状试件l的长度满足条件L^2L撞蹄C撞蹄/Cs，并设定撞击杆3的直径与入射杆2的直径相等，取足够多的相同材料和规格的杆状试件，每个杆状试件试验一次，试验开始时，气枪施以撞击杆足够大的撞击速度撞击入射杆，以产生较大的冲击波使杆状试件发生层裂拉伸 断裂，此后逐渐减小撞击速度，直至达到能使杆状试件发生层裂拉伸断裂的最小撞击速 度，在该临界冲击速度下重复多次，此时该临界拉伸应力即近似为杆状试件的一维层裂 拉伸破坏强度，根据cTft^PbCbV。/2得到杆状试件的一维层裂拉伸破坏强度，其中Pb为 入射杆的材料密度，Cb为入射杆的材料波速，V。为发生层裂时撞击杆的最小撞击速度。
权利要求
1、一种基于霍普金森原理的一维层裂拉伸试验方法，其特征在于它包括以下步骤(1)、取入射杆和由多相脆性材料制成的杆状试件，同时取与入射杆的直径相等的撞击杆；(2)、将入射杆一端的垂直端面与杆状试件一端的垂直端面紧密贴合；(3)、当入射杆与杆状试件两者完全满足阻抗匹配的条件时，即ρbCbAb＝ρSCSAS其中ρb表示入射杆的材料密度，Cb表示入射杆的材料波速，Ab表示入射杆的横截面积，ρs表示杆状试件的材料密度，CS表示杆状试件的材料波速，AS表示杆状试件的横截面积，取足够多的相同材料和规格的杆状试件，每个杆状试件试验一次，试验开始时，气枪施以撞击杆足够大的撞击速度撞击入射杆，以产生较大的冲击波使杆状试件发生层裂拉伸断裂，此后逐渐减小撞击速度，直至达到能使杆状试件发生层裂拉伸断裂的最小撞击速度，在该临界冲击速度下重复多次，此时该临界拉伸应力即近似为杆状试件的一维层裂拉伸破坏强度，根据σ抗拉＝ρbCbV0/2得到杆状试件的一维层裂拉伸破坏强度，其中ρb为入射杆的材料密度，Cb为入射杆的材料波速，V0为发生层裂时撞击杆的最小撞击速度。(4)、当入射杆与杆状试件两者近似满足阻抗匹配的条件时，即ρbCbAb≈ρSCSAS，在入射杆上设置应变片，将应变片与超动态应变仪连接；(5)、用撞击杆撞击入射杆的端部，通过设置在入射杆上的应变片测得入射杆的入射应变波εi(t)和反射应变波εr(t)，根据σi(t)＝E0×εi(t)和σr(t)＝E0×εr(t)得到入射杆上的入射应力波σi(t)和反射应力波σr(t)，其中E0表示入射杆材料的弹性模量，并根据一维应力波条件(σi(t)+σr(t))Ab＝(σt(t))AS得到传入杆状试件的透射压缩波σt(t)；(6)、传入杆状试件的透射压缩波σ+(t)(即σt(t))在杆状试件的自由端发生反射，产生反射拉伸波σ-(t)，并在杆状试件的ZC位置发生断裂，根据透射压缩波σ+(t)和反射拉伸波σ-(t)得到σs(ZC，t*)＝σ+(ZC，t*)+σ-(ZC，t*)，其中t*表示杆状试件的层裂拉伸断裂时刻，ZC表示杆状试件的层裂拉伸断裂位置，σs(ZC，t*)表示杆状试件的材料层裂动态拉伸强度，σ+(ZC，t*)表示在杆状试件断裂时刻的透射压缩波，σ-(ZC，t*)表示在杆状试件断裂时刻的反射拉伸波。
2、 如权利要求1所述的一种基于霍普金森原理的一维层裂拉伸试验方法，其特征 在于所述的杆状试件的长度满足条件.'！^2L航杆C撞她/Cs，其中L撞細表示撞击杆的长度，Cs蹄表示撞击杆的材料波速，Cs表示杆状试件的材料波速，以保证层裂拉伸的断裂 位置位于所述的杆状试件的中间。
全文摘要
本发明公开了一种基于霍普金森原理的一维层裂拉伸试验方法，优点是由于入射杆和杆状试件完全或近似满足阻抗匹配的条件，可以利用霍普金森压杆开展大尺寸试件的一维层裂动态拉伸试验，在混凝土等多相脆性材料冲击特性的实验研究领域，采用该技术方法可对符合工程实际的含大尺寸骨料的混凝土进行相应的动态实验研究，使其试验结果在宏观意义上具有有效性；且杆状试件的长度满足条件L_s＝2L_撞击杆C_撞击杆/C_s，使层裂拉伸断裂近似发生在试件的中部位置，从而保证试件截面上的应力均匀化。
文档编号G01N3/307GK101482472SQ20091009600
公开日2009年7月15日 申请日期2009年1月21日 优先权日2009年1月21日
发明者周刚毅, 圆 张, 董新龙 申请人:宁波大学