以质量求生存 以创新求发展
Survival by quality, development by innovation
在各类工程技术、军事技术和科学研究等广泛领域的一系列实际问题中,甚至就在日常生活中,人们都会遇到各种各样的爆炸/冲击载荷问题,并且可以观察到,物体在爆炸/冲击载荷下的力学响应往往与静载荷下的有显著不同。
19世纪开始,人们才逐步认识到了材料在动载下的力学性能与其在静载下的力学性能不同。
Thomas Young是分析弹性冲击效应的先驱,他(1807)提出了弹性波的概念,指出杆受轴向冲击力以及梁受横向冲击力时可从能量进行分析而得出定量的结果。J. Hopkinson 1872完成了第一个动态演示实验,观察到铁丝受冲击而被拉断的位置不是冲击端,而是固定端;并且冲击拉断的控制因素是落重的高度,即取决于撞击速度,而与落重质量的大小基本无关。Pochhammer,1876;Chree,1886;Rayleigh,Lord 1887分别研究了一维杆中的横向惯性运动。1897年Dunn 设计了第一台高应变率试验。1914年B.Hopkinson想出了一个巧妙的方法,用以测定和研究炸药爆炸或子弹射击杆端时的压力~时间关系。所采用的装置被称为Hopkinson压杆(Pressure Bar),有时缩写为HPB。
二战之前,很少有人研究动态压缩加载问题,只是G..I.Taylor 在三十年代末想出了一个方法来测量材料的动态压缩强度。Taylor方法主要是假设材料是刚性——理想塑性,运用一维波传播的基本概念,用一个圆柱撞击刚性靶,然后测出其变形,最后得到材料动态压缩屈服应力。
目前,已能对材料进行不同应变率下的力学性能实验研究。常规的实验设备只能实现应变率在0.1/s以下;凸轮塑性机和落锤实验装置可以实现应变率到500/s;轻气炮和平面波发生器可以获得10000/s 以上的超高应变率加载,核爆炸产生的应变率比108/s 大;分离式Hopkinson压杆装置被认为是获得材料在100/s- 10000/s高应变率范围内应力应变关系的最主要实验手段。分离式Hopkinson实验技术填补了准静态加载与超高应变率加载之间的部分空缺应变率范围,这个范围恰好包括了流动应力随应变率变化发生转折的应变率,所以对它的实验技术和应用情况研究也最多。
Kolsky证实了试样的应力和应变与压杆位移之间的关系。利用超动态应变放大器+数字示波器,记录存储入射杆和透射杆的应变-时间波形。
该技术的理论基础是一维应力波理论,通过测定压杆上的应变来推导试样材料的应力-应变关系。SHPB技术之所以能受到人们的重视,主要原因是该测试技术的优点十分突出,主要表现在:
1.测量方法巧妙,成功的避开了要在试样同一位置上同时测量随时间变化的应力和应变的难题;
2.SHPB试验所涉及的应变率范围包括了流动应力随应变率变化发生转折的应变率(100~10000/s);
3.入射波形易于控制,改变子弹(撞击杆)的撞击速度及形状,即可调节入射脉冲波形,从而也调节了作用于试样上的波形。