大变形霍普金森拉杆实验技术

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霍普金森杆实验技术目前已相当成熟,可以在应变率102-104s-1的范围内得到材料的动态力学性能,但其难以在较低应变率下(102s-1量级)实现材料的大变形。本文提出了基于传统霍普金森拉杆的大变形拉伸实验技术方案,在有限长杆的前提下,完成材料的长时加载,以克服材料无法在该应变率范围完成大变形冲击拉伸实验的困难。基于一维应力波理论,实验使用比加载杆稍长的撞击杆,实现长时加载,并使用二次加载技术,再次反射拉伸应力波,完成对试件的二次加载,产生了4L/C的加载时长,实现材料的大变形。通过ABAQUS的仿真模拟以验证实验装置的合理性。系统总长约3.3m情况下,得到的应变率曲线的持续时长可达1.2ms且能保证恒定加载,确定该实验技术的可行性。通过对多个不同模型的仿真对比,进一步优化实验装置,其中包括质量块和法兰盘尺寸的优化。使得实验中的二次反射加载效果更加理想,并且减小应变率的震荡。基于一维应力波理论和仿真模拟结果,给出设计模型,并根据模型搭建实物装置。针对加载杆与撞击杆共轴对心问题,低速加载稳定性问题,提出设计方案,建造出竖直立式实物装置,实现了实验中低速的稳定加载。实验还设计了应变片粘贴装置,将应变片贴于加载杆内部,实现对信号的测量。在低速实验中,长撞击杆采用铜制材料可适当减小其长度,解决了无法观察试件的问题。实验中加载时长达1.2ms,不可避免地导致应力波在加载杆中的叠加问题。本文引入了基于传递函数的应力波反演技术,针对质量块反射波形不确定的情况,将叠加的左行与右行应力波较分离,得到较好的单脉冲信号,并分析确认了噪声对应力波反演的影响较小。通过对45#钢和6061铝合金材料板状和棒状试件的初步试验,测得不同应变率下的完整测试信号,分析得到工程应力应变曲线和工程应变率曲线。结果发现实验实现了长时加载,并完成材料在较低应变率下的大变形实验。由于未采用整体质量块作二次加载,应变率有所下降,仍有改进的空间,但此实验技术基本完成预期目标,值得进一步研究。
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