材料动力性质的试验的研究及其霍普金森杆技术.pdfVIP

材料动力性质的试验研究 ～—，，一…～～／’， 及霍普金森杆技术 曲建波何翔张守宝 (总参工程兵科研三所．河南洛阳，471023) 摘 要 本篇论文升绍了研究材料动力性质的主要内容和方珐 罗列了当前用于材料动力性质试验研jE的主要设备 着重介绍丁HOPKINSON装置的原理与应厢。 一、前言 力学的基本定律如质量守恒、动量守恒及能量守恒方程等对任何类型的连续介质不 论其内部本构如何都是成立的。但当承受同样的外部作用时，具有同样质量和同样几何 形状的物体却有不同的响应，物体内部的本构是造成不同响应的原因。从数学上分析， 质量、动量、能量等守恒方程所提供的微分：亨程的数目总是少于未知量的数目，为了使 问题有确定解，必须补充附加的方程，这个方程就是指从物理上描述材料性质的所谓的 “本构关系”，本构关系是材料性质从经验加以抽象化的数学表现。大部分材料的力学 性质(如岩土材料、复合材料等)是十分复杂的，它依赖于许多因素，不仅与其内部构 造有关，而且与外部加载条件如加载速率、加载的大小有关，同时还受加载时的环境因 索如温度、围压等等的影响。所以，对同一种材料，在不同条件下其力学性质是不相同 的，即其数学化的本构关系亦是不同的。如对不同的加载速率，国内外大量的试验结果 发现，大部分金属材料的屈服强度、弹性模量在应变率超出100／s时，比静态时有明显 的提高。而对于岩石、混凝土材料，平面波试验表明，当应变率达到i00／s左右时，屈 服强度比静态下提高1．5倍左右，弹性模量比静态下提高3．5倍左右。由此可见，一般 情况下，材料性质在静、动载下迥然不同。 二、材料动力性质研究的主要内容和方法 材料动力性质研究包括以下内容：动荷载下弹塑性变形阶段材料的本构模型，动高 压下材料的高压状态方程，材料的动态破坏准则，材料的破坏后效模型等，当前基于细 观力学和损伤：匀学而建立的描述材料从变形到破坏的微观统计本构模型的研究已成为材 料动力性质研究的热门话题。研究材料动态性质的方法主要有半经验半理论方法和试验 方法两种。 1．半经验半理论方法 长期以来，该方法在材料动力学研究中占据主导地位，它是人们根据经典力学或微 观的物理机理，依据种种假设，预先提出本构模型的形式，然后通过试验确定模型由的 特定函数和系数，有时要通过数值计算与试验结果的对比来确定这些未知参数，或者用 迭代法建立本构模型。如描述岩土材料的动力帽盖模型、基于细观力学和损伤力学描述 材料动态破坏的统计宏观积累损伤本构模型、统计细观积累损伤本构理论等，这些模型 都含有不少的参数，通过试验确定这些参数时往往要花费巨大代价。比方说，要确定椭 园形动力帽盖模型的所有参数需要做平面波实验、静水压缩实验、动三轴实验和比例加 载实验，而且这些试验相互间的匹配也是不可忽视的问题。有些模型由于含有目前的试 验技术无法测定的参数而被人们搁置一边。即使模型中参数全部获知，但模型在实际应 用时还受到很多限制，如很复杂的材料动态模型在嵌入大型计算机程序时难度很大。 2．试验方法 六十年代末以来，直接由试验确定材料动态本构方程的试验方法日益受到人们重视。 这种方法的优势在于不依赖种种假定，直接由实测的数据建立材料的动态力学特性。 如Hopkinson实验技术直接由实测的应变得到材料的动态应力应变关系，我们曾经开展 过的高压岩石状态方程研究中，也是直接由测试数据确定高压状态方程；而低动压岩性 研究中，用Lagrange分析技术直接由实测应力得到一维应变条件下材料的动态本构方程。 试验方法还可在现场进行，美国和前苏联利用平面装药爆轰试验分别获得了现场土 壤和岩体的动态本构方程，试验方法的第二个优势在于所得到的本构关系形式简单，适 于工程界应用。在以上两种方法中，要想获得材料的动态本构关系，都离不开试验，结 果的可靠程度取决于所采用的试验技术和试验设备。 三、材料动力性质试验研究设备及技术 由于材料在动荷载作用下受力范围和应变率范围很广，在不同强度的荷载作用下，其 动态响应不一样，即同一材料其力学性质在不同的加载方式下力学特征不一致