Бар давления Сплит-Хопкинсона
Разъемный стержень Хопкинсона ( SHPB ), названный в честь Бертрама Хопкинсона , иногда также называемый стержнем Кольского , представляет собой аппарат для испытаний на динамическое напряжение - деформацию материалов.
История
[ редактировать ]Нажимная планка Хопкинсона была впервые предложена Бертрамом Хопкинсоном в 1914 году. [1] как способ измерения распространения импульса напряжения в металлическом стержне. Позже, в 1949 году Герберт Кольский [2] усовершенствовал метод Хопкинсона, используя два последовательно соединенных стержня Хопкинсона, теперь известные как разделенный стержень Хопкинсона, для измерения напряжения и деформации, используя достижения электронно- лучевого осциллографа в сочетании с электрическими конденсаторными блоками для регистрации распространения волны давления в стержнях давления как впервые был предложен Ризиартом Морганом Дэвисом годом ранее, в 1948 году. [3]
Более поздние модификации позволили проводить испытания на растяжение, сжатие и кручение.
Операция
[ редактировать ]Несмотря на то, что в настоящее время для раздельного стержня давления Хопкинсона используются различные конструкции и методы, основные принципы испытаний и измерений одни и те же. Образец помещается между концами двух прямых стержней, называемых падающим стержнем и проходящим стержнем . [4] В конце падающего стержня (на некотором расстоянии от образца, обычно на дальнем конце) волна напряжения создается , которая распространяется через стержень к образцу. Эта волна называется падающей волной и, достигнув образца, разделяется на две меньшие волны. Одна из них, передаваемая волна , проходит через образец в передаваемый стержень, вызывая пластическую деформацию образца. Другая волна, называемая отраженной волной , отражается от образца и распространяется обратно вниз по падающему стержню. [5]
В большинстве современных установок на стержнях используются тензодатчики для измерения деформаций, вызванных волнами. Предполагая, что деформация образца однородна, напряжение и деформацию можно рассчитать по амплитудам падающей, прошедшей и отраженной волн. [6]
Испытание на сжатие
[ редактировать ]Для испытания на сжатие два симметричных стержня располагаются последовательно, между которыми находится образец. Во время испытаний ударная планка ударяется о ударную планку. Стрельба по ударной планке осуществляется из газового пистолета. Передаваемый стержень сталкивается с ловушкой импульса (обычно блоком из мягкого металла). Тензорезисторы устанавливаются как на падающем, так и на проходящем стержнях. [6]
Испытание на растяжение
[ редактировать ]Испытание на растяжение в стержне давления Сплит-Хопкинсона (SHPB) является более сложным из-за различий в методах нагружения и крепления образца к падающему и передающему стержню. [7] Первый натяжной стержень был разработан и испытан Хардингом и др. в 1960 году; В конструкции использовался полый весовой стержень, который был соединен с ярмом и резьбовым образцом внутри весового стержня. Волна растяжения создавалась путем воздействия на штангу ударником и отражения начальной волны сжатия от свободного конца в виде волны растяжения. [8] Еще один прорыв в конструкции SHPB был сделан Николсом, который использовал типичную компрессионную установку и нарезал металлические образцы с резьбой как на входном, так и на передающем конце, поместив при этом на образец композитную манжету. Образец имел плотное прилегание на падающей и передающей стороне, чтобы обойти начальную волну сжатия. Установка Николса создавала первоначальную волну сжатия за счет удара бойка по падающему концу, но когда волна сжатия достигала образца, нити не нагружались. Волна сжатия в идеале должна пройти через композитный воротник, а затем отразиться от свободного конца, находящегося под напряжением. Тогда растягивающая волна будет тянуть образец. [7] Следующий метод нагружения был революционизирован Огавой в 1984 году. Полый ударник использовался для удара по фланцу, который имеет резьбу и заканчивается на стержне. Этот ударник приводился в движение либо газовой пушкой, либо вращающимся диском. Образец снова был прикреплен к падающему и передающему стержню с помощью резьбы. [9]
Тестирование на кручение
[ редактировать ]Как и в случае испытаний на растяжение, существует множество методов крепления и нагружения образцов при кручении материалов на SHPB.
Один из способов приложения нагрузки, называемый методом накопленного крутящего момента, заключается в зажиме средней части стержня, при этом крутящий момент прикладывается к свободному концу. Падающая волна создается путем внезапного отпускания зажима, который направляет торсионную волну к образцу. [5]
Другой метод загрузки, известный как взрывная нагрузка, использует заряды взрывчатого вещества на свободном конце падающей планки для создания падающей волны. Этот метод особенно чувствителен к ошибкам, поскольку каждый заряд должен прикладывать равный импульс к падающему стержню (чтобы создать чистое скручивание без изгиба) и оба заряда должны взорваться одновременно. Взрывная нагрузка также вряд ли приведет к появлению чистых падающих волн, что может привести к неравномерной скорости деформации на протяжении всего испытания. Однако этот метод имеет то преимущество, что имеет очень малое время нарастания по сравнению с методом накопленного крутящего момента. [10]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Б. Хопкинсон, «Метод измерения давления, возникающего при детонации взрывчатых веществ или при попадании пуль», Philos. Пер. Р. Сок. (Лондон) А, 213, стр. 437–456, 1914.
- ^ Кольский, Х. (1949). «Исследование механических свойств материалов при очень высоких скоростях нагружения». Учеб. Физ. Соц. Б. 62 (11): 676. Бибкод : 1949ППСБ...62..676К . дои : 10.1088/0370-1301/62/11/302 .
- ^ Р. М. Дэвис, «Критическое исследование стержня давления Хопкинсона», Philos. Пер. Р. Сок. (Лондон) А, 240, стр. 375–457, 1948.
- ^ GT Grey, «Классическая техника разделения давления Хопкинсона» Механические испытания ASM V8 (1999) 17–20
- ^ Перейти обратно: а б А. Гилат, Ю. Х. Пао , «Испытание на высокоскоростную декрементную скорость деформации», Exp. Мех. 28 (1988) 322–325
- ^ Перейти обратно: а б Алиреза Багер Шемирани, Р. Нагдабади, М. Ашрафи, «Экспериментальное и численное исследование по выбору подходящих формирователей импульсов для испытаний бетонных образцов с помощью аппарата разделенного давления Хопкинсона», Constr. Строить. Матер. 125, (2016), 326–336, doi : 10.1016/j.conbuildmat.2016.08.045
- ^ Перейти обратно: а б Т. Николас, «Испытание материалов на растяжение при высоких скоростях деформации», Exp. Мех. 21 (1981) 177–188
- ^ Дж. Хардинг, Э.О. Вуд и Дж.Д. Кэмпбелл, «Испытание материалов на растяжение при скорости ударной деформации», Journal of Mechanical Engineering Science 2 (1960) 88–96
- ^ К. Огава, «Испытание на сжатие при ударном растяжении с использованием стержня Хопкинсона», Exp. Мех. 24 (1984) 81–86
- ^ А. Гилат, «Испытание стержня Кольского на кручение», Справочник ASM 8 (2000) 505–515