專利名稱：一種基于霍普金森原理的一維層裂拉伸試驗方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種材料力學(xué)特性的試驗方法，尤其涉及一種基于霍普金森原理的一維 層裂拉伸試驗方法。
背景技術(shù)：
非均質(zhì)、多相脆性材料(如混凝土、巖石和工程陶瓷復(fù)合材料等)及其細(xì)觀結(jié)構(gòu)和 損傷演化的動態(tài)本構(gòu)特性的研究，己成為當(dāng)前力學(xué)、材料學(xué)界和工程界共同注目的跨學(xué) 科前沿性研究熱點。以工程界最廣泛應(yīng)用的混凝土為代表，在其工作過程中，除了承受 靜荷載的作用外，還要承受動荷載的作用，如地震、風(fēng)荷載和爆炸對建筑的作用、海浪 對海岸和海上采油平臺的沖擊、駁船對碼頭的撞擊、車輛對道路設(shè)施的碰撞等，均會使 混凝土以高于靜態(tài)許多量級的應(yīng)變速率變形，并表現(xiàn)出與靜態(tài)受載時不同的力學(xué)性能， 因此，這類非均質(zhì)、多相脆性材料在動荷載作用下的性能測試研究成為一項十分重要的 工作。并且混凝土等多相脆性材料的另一個重要特性表現(xiàn)在拉、壓強度的嚴(yán)重不對稱性， 例如靜態(tài)抗拉強度比抗壓強度低大約一個量級。因此，混凝土在工程上雖然主要用于承 受壓載荷，但在沖擊載荷下，由于應(yīng)力波反射卸載作用，混凝土結(jié)構(gòu)的卸載拉伸失效(如 層裂)可能上升為主要矛盾，這樣，與靜態(tài)下主要關(guān)注混凝土壓縮特性不同，動態(tài)下還 必須特別關(guān)注其動態(tài)抗拉特性?；炷恋膭討B(tài)拉伸強度以及相關(guān)的應(yīng)變率效應(yīng)等已成為 現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)抗沖擊動態(tài)數(shù)值計算破壞模型中的關(guān)鍵參量。
眾所周知，對混凝土等多相脆性材料沖擊特性的實驗研究，不論在國外或國內(nèi)，首 選都采用霍普金森壓桿試驗技術(shù)，然而，混凝土是細(xì)觀上含有不同大小骨料的非均質(zhì)材 料，在研究其宏觀本構(gòu)特性時，就要求試件尺寸至少比骨料尺寸大一個量級，以保證試 驗結(jié)果在宏觀意義上的有效性，近年來，雖然許多研究者利用長試件中的應(yīng)力波反射所 致的層裂拉伸斷裂或圓盤劈裂試驗方法對混凝土動態(tài)拉伸強度進行實驗研究，但受霍普 金森壓桿尺寸的限制，僅限于骨料尺寸《12mm的情況，對于更符合工程實際的含大尺寸骨料的大混凝土，卻無法進行相應(yīng)的動態(tài)實驗研究，從而也無法保證試驗結(jié)果在宏觀意義上的有效性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能對大尺寸混凝土進行相應(yīng)的動態(tài)實驗研究，以保證試驗結(jié)果在宏觀意義上的有效性的基于霍普金森原理的一維層裂拉伸試驗方法。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為 一種基于霍普金森原理的一維層裂拉伸試驗方法，它包括以下步驟
(1) 、取入射桿和由多相脆性材料制成的桿狀試件，同時取與入射桿的直徑相等的撞擊桿；
(2) 、將入射桿一端的垂直端面與桿狀試件一端的垂直端面緊密貼合；
(3) 、當(dāng)入射桿與桿狀試件兩者完全滿足阻抗匹配的條件時，即P bCbAb=P sCsAs其中Pb表示入射桿的材料密度，Cb表示入射桿的材料波速，Ab表示入射桿的橫截面積，Ps表示桿狀試件的材料密度，Cs表示桿狀試件的材料波速，As表示桿狀試件的橫截面積，取足夠多的相同材料和規(guī)格的桿狀試件，每個桿狀試件試驗一次，試驗開始時，氣槍施以撞擊桿足夠大的撞擊速度撞擊入射桿，以產(chǎn)生較大的沖擊波使桿狀試件發(fā)生層裂拉伸斷裂，此后逐漸減小撞擊速度，直至達到能使桿狀試件發(fā)生層裂拉伸斷裂的最小撞擊速度，在該臨界沖擊速度下重復(fù)多次，此時該臨界拉伸應(yīng)力即近似為桿狀試件的一維層裂拉伸破壞強度，根據(jù)c^i^PbCbV。/2得到桿狀試件的一維層裂拉伸破壞強度，其中Pb為入射桿的材料密度，Cb為入射桿的材料波速，V。為發(fā)生層裂時撞擊桿的最小撞擊速度。
(4) 、當(dāng)入射桿與桿狀試件兩者近似滿足阻抗匹配的條件時，即P bOAb" P sCsAs，在入射桿上設(shè)置應(yīng)變片，將應(yīng)變片與超動態(tài)應(yīng)變儀連接；
(5) 、用撞擊桿撞擊入射桿的端部，通過設(shè)置在入射桿上的應(yīng)變片測得入射桿的入
射應(yīng)變波Si (t)和反射應(yīng)變波Sr (t)，根據(jù)CTi (t) =E。XSi (t)和 (t) = E。X& (t)得到入射桿上的入射應(yīng)力波CTi(t)和反射應(yīng)力波(Tr(t)，其中E。表示入射桿材料的彈性模量，并根據(jù)一維應(yīng)力波條件(di(t)+CTr(t)) Ab= (CTt(t)) As得到傳入桿狀試件的透射壓縮波CTt(t);
(6) 、傳入桿狀試件的透射壓縮波CI+(t)(即(Tt(t))在桿狀試件的自由端發(fā)生反射，產(chǎn)生反射拉伸波CT—(t)，并在桿狀試件的Ze位置發(fā)生斷裂，根據(jù)透射壓縮波CT+(t)和反射拉伸波CJ—(t)得到 (Zc,。^+(ZO+CT—(Zc。，其中"表示桿狀試件的層裂拉伸斷裂時刻，Zc表示桿狀試件的層裂拉伸斷裂位置， (Zc,")表示桿狀試件的材料層裂動態(tài)拉伸強度，CT+(Zc,^)表示在桿狀試件斷裂時刻的透射壓縮波，CT—(Zc,^)表示在桿狀試件斷裂時刻的反射拉伸波。
所述的桿狀試件的長度滿足條件L^2L撞蹄Ca擊桿/Cs，其中L撞蹄表示撞擊桿的長度，C^桿表示撞擊桿的材料波速，Cs表示桿狀試件的材料波速，以保證層裂拉伸的斷裂位置位于所述的桿狀試件的中間。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點是由于入射桿和桿狀試件完全或近似滿足阻抗匹配的條件，可以利用霍普金森壓桿開展大尺寸試件的一維層裂動態(tài)拉伸試驗，在混凝土等多相脆性材料沖擊特性的實驗研究領(lǐng)域，采用該技術(shù)方法可對符合工程實際的含大尺寸骨料的混凝土進行相應(yīng)的動態(tài)實驗研究，使其試驗結(jié)果在宏觀意義上具有有效性；且桿狀試件的長度滿足條件LS=2L a蹄C撞擊桿/Cs，使層裂拉伸斷裂近似發(fā)生在試件的中部位置，從而保證試件截面上的應(yīng)力均勻化。


圖1為本發(fā)明中的入射桿和試件的試驗安裝示意圖；圖2為本發(fā)明試件中的應(yīng)力波傳播示意圖；圖3為本發(fā)明入射桿中的加載波波形圖4為本發(fā)明試件中的透射波與入射桿上的(入射波+反射波)的波形比較圖；圖5 (a)為本發(fā)明試件的截面上沿徑向不同位置的應(yīng)力分布圖之一；圖5 (b)為本發(fā)明試件的截面上沿徑向不同位置的應(yīng)力分布圖之二；圖5 (c)為本發(fā)明試件的截面上沿徑向不同位置的應(yīng)力分布圖之三；圖6為本發(fā)明試件中應(yīng)力波沿軸向傳播時的應(yīng)力時程曲線比較圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明做進一步詳細(xì)描述。
如圖所示， 一種基于霍普金森原理的一維層裂拉伸試驗方法，它包括以下步驟
6(1) 、取入射桿2和由多相脆性材料制成的桿狀試件1，當(dāng)兩者近似滿足阻抗匹配的條件時，即p bCbAb^ p sCsAs，其中Pb表示入射桿2的材料密度，Cb表示入射桿2的材料波速，Ab表示入射桿2的橫截面積，Ps表示桿狀試件l的材料密度，Cs表示桿狀試件1的材料波速，As表示桿狀試件1的橫截面積，桿狀試件1的長度滿足條件Lp2L撞擊桿C撞擊桿/Cs ，其中L撞擊桿表示撞擊桿3的長度，C航桿表示撞擊桿3的材料波速，Cs表示桿狀試件1的材料波速，同時取與入射桿的直徑相等的撞擊桿；
(2) 、將入射桿2 —端的垂直端面與桿狀試件1 一端的垂直端面緊密貼合；
(3) 、在入射桿2上設(shè)置應(yīng)變片4，將應(yīng)變片4與超動態(tài)應(yīng)變儀(圖中未顯示)連
接；
(4) 、用撞擊桿3撞擊入射桿2的端部，通過設(shè)置在入射桿2上的應(yīng)變片4測得入射桿2的入射應(yīng)變波Si(t)和反射應(yīng)變波&(t)，根據(jù)(Ti(t)-E。xsi(t)和 (t^E。x&(t)得到入射桿上的入射應(yīng)力波CTi(t)和反射應(yīng)力波C7r(t),其中E。表示入射桿材料的彈性模量，并
根據(jù)一維應(yīng)力波條件(di(t)+CJr(t)) Ab= ((Tt(t)) As得到傳入桿狀試件l的透射壓縮波CTt(t);
(5) 、傳入桿狀試件1的透射壓縮波a+(t)(即CTt(t))在桿狀試件1的自由端11發(fā)生
反射，產(chǎn)生反射拉伸波d—(0 ，并在桿狀試件1的Ze位置發(fā)生斷裂，根據(jù)透射壓縮波(T+(t)和反射拉伸波CT—(t)得到(Ts (Zc, r*)=(7+ (ZC. 。 +CT— (Zc,。，其中P表示桿狀試件1的層裂拉伸斷裂時刻，Ze表示桿狀試件1的層裂拉伸斷裂位置， (Zc,")表示桿狀試件l的
材料層裂動態(tài)拉伸強度，a+(Zc.r-)表示在桿狀試件l斷裂時刻的透射壓縮波，ci—(Zc,r-)
表示在桿狀試件1斷裂時刻的反射拉伸波。
以下是對上述方法的實驗可行性驗證
取直徑為52mm的入射桿2，直徑為52mm、長度為300 mm的撞擊桿3，根據(jù)阻抗匹配的條件，設(shè)計材料為混凝土的桿狀試件1的直徑為100mm，長為620mm。(1)、加載波的測試
設(shè)定撞擊桿3撞擊入射桿2的速度為3m/s，得到入射桿2上的入射波(Ji(t)和反射
波CTr(t)應(yīng)力-時間曲線如圖3所示，根據(jù)一維應(yīng)力波條件，即(CJi(t)+CTr(t) ) Ab= (CJt(t))
As其中Ab為入射桿2的截面面積，As為桿狀試件1的截面面積，并滿足桿狀試件1與入射桿2界面力相等條件，測量桿狀試件l中的透射應(yīng)力波時程曲線(該透射應(yīng)力波時程曲線即為對桿狀試件1的動態(tài)加載載荷)，桿狀試件1上的透射波CTt(t)和入射桿2上
7的入射波cii(t)+反射波ar(t)的時程曲線的比較如圖4所示，從圖4中可知兩者符合較好，
也就是說符合理論上的一維應(yīng)力波條件(CTi(t)+CTr(t)) Ab= (C7t(t)) As，因此，實際試驗中，只要通過測量入射桿2上的入射應(yīng)變波Si(t)和反射應(yīng)變波Sr(t)，就可通過
a w=t, (o+^ w)五。^ / 4方便的得到傳入桿狀試件i中的透射壓縮波仏a)。
(2) 、桿狀試件截面應(yīng)力均勻性的測試
在桿狀試件1距加載端面4cm、 8cm、 12cm處的截面上分別測試不同位置的應(yīng)力時程，圖5 (a)表示距加載端面4cm處截面上的沿徑向不同位置的應(yīng)力分布比較、5 (b)表示距加載端面8cm處截面上的沿徑向不同位置的應(yīng)力分布比較、5 (c)表示距加載端面12cm處截面上的沿徑向不同位置的應(yīng)力分布比較，從圖中可^:出在距加載端面較近位置，由于受加載端面邊界的影響，桿狀試件1截面上的壓應(yīng)力不滿足沿試件徑向均勻條件，但隨應(yīng)力波的傳播，橫截面上應(yīng)力分布逐步趨向均勻。因此，對于大尺寸的混凝土桿狀試件的層裂試驗，只要距離試樣端部足夠遠， 一般大于試樣直徑尺寸即可，基本上可以近似地認(rèn)為桿狀試件1橫截面上的應(yīng)力是均勻的。而本發(fā)明中設(shè)定桿狀試件1的長度滿足條件L試^2L撞蹄C觸桿/C試件，使一維拉伸層裂近似發(fā)生在試樣中部，因此可認(rèn)定桿狀試件1截面應(yīng)力均勻。
(3) 、沿試件長度方向應(yīng)力波傳播特性的測試
分別測量桿狀試件1上距加載端面12cm、 20cm、 28cm處截面表面的壓應(yīng)力時程曲線，如圖6所示，從圖中可知直徑為lOOmm的桿狀試件1的應(yīng)力波沿軸向傳播無明顯衰減，因此可近似認(rèn)為應(yīng)力波沿軸向傳播不發(fā)生衰減，但是，在28cm處的應(yīng)力波形出現(xiàn)二維彌散引起的震蕩，由于混凝土抗拉強度很小，因此對于更大尺寸的混凝土試樣，二維彌散效應(yīng)須加以考慮。采用本發(fā)明的一維層裂試驗方法，由于只需施加較小的沖擊速度，傳入桿狀試件l的加載透射壓縮波較小，考慮混凝土材料的拉壓不對稱性，其抗拉強度較抗壓強度低許多，因此只要在一維層裂拉伸試驗中將加載壓力脈沖很好地控制在一定范圍內(nèi)，則可以忽略應(yīng)力波傳播傳播的衰減影響。
通過該實驗驗證，可得出上述的試驗方法可行。
當(dāng)入射桿與桿狀試件兩者完全滿足阻抗匹配的條件時，即PbCbA^PsCsAs，桿狀試件l的長度滿足條件L^2L撞蹄C撞蹄/Cs，并設(shè)定撞擊桿3的直徑與入射桿2的直徑相等，取足夠多的相同材料和規(guī)格的桿狀試件，每個桿狀試件試驗一次，試驗開始時，氣槍施以撞擊桿足夠大的撞擊速度撞擊入射桿，以產(chǎn)生較大的沖擊波使桿狀試件發(fā)生層裂拉伸 斷裂，此后逐漸減小撞擊速度，直至達到能使桿狀試件發(fā)生層裂拉伸斷裂的最小撞擊速 度，在該臨界沖擊速度下重復(fù)多次，此時該臨界拉伸應(yīng)力即近似為桿狀試件的一維層裂 拉伸破壞強度，根據(jù)cTft^PbCbV。/2得到桿狀試件的一維層裂拉伸破壞強度，其中Pb為 入射桿的材料密度，Cb為入射桿的材料波速，V。為發(fā)生層裂時撞擊桿的最小撞擊速度。
權(quán)利要求
1、一種基于霍普金森原理的一維層裂拉伸試驗方法，其特征在于它包括以下步驟(1)、取入射桿和由多相脆性材料制成的桿狀試件，同時取與入射桿的直徑相等的撞擊桿；(2)、將入射桿一端的垂直端面與桿狀試件一端的垂直端面緊密貼合；(3)、當(dāng)入射桿與桿狀試件兩者完全滿足阻抗匹配的條件時，即ρbCbAb＝ρSCSAS其中ρb表示入射桿的材料密度，Cb表示入射桿的材料波速，Ab表示入射桿的橫截面積，ρs表示桿狀試件的材料密度，CS表示桿狀試件的材料波速，AS表示桿狀試件的橫截面積，取足夠多的相同材料和規(guī)格的桿狀試件，每個桿狀試件試驗一次，試驗開始時，氣槍施以撞擊桿足夠大的撞擊速度撞擊入射桿，以產(chǎn)生較大的沖擊波使桿狀試件發(fā)生層裂拉伸斷裂，此后逐漸減小撞擊速度，直至達到能使桿狀試件發(fā)生層裂拉伸斷裂的最小撞擊速度，在該臨界沖擊速度下重復(fù)多次，此時該臨界拉伸應(yīng)力即近似為桿狀試件的一維層裂拉伸破壞強度，根據(jù)σ抗拉＝ρbCbV0/2得到桿狀試件的一維層裂拉伸破壞強度，其中ρb為入射桿的材料密度，Cb為入射桿的材料波速，V0為發(fā)生層裂時撞擊桿的最小撞擊速度。(4)、當(dāng)入射桿與桿狀試件兩者近似滿足阻抗匹配的條件時，即ρbCbAb≈ρSCSAS，在入射桿上設(shè)置應(yīng)變片，將應(yīng)變片與超動態(tài)應(yīng)變儀連接；(5)、用撞擊桿撞擊入射桿的端部，通過設(shè)置在入射桿上的應(yīng)變片測得入射桿的入射應(yīng)變波εi(t)和反射應(yīng)變波εr(t)，根據(jù)σi(t)＝E0×εi(t)和σr(t)＝E0×εr(t)得到入射桿上的入射應(yīng)力波σi(t)和反射應(yīng)力波σr(t)，其中E0表示入射桿材料的彈性模量，并根據(jù)一維應(yīng)力波條件(σi(t)+σr(t))Ab＝(σt(t))AS得到傳入桿狀試件的透射壓縮波σt(t)；(6)、傳入桿狀試件的透射壓縮波σ+(t)(即σt(t))在桿狀試件的自由端發(fā)生反射，產(chǎn)生反射拉伸波σ-(t)，并在桿狀試件的ZC位置發(fā)生斷裂，根據(jù)透射壓縮波σ+(t)和反射拉伸波σ-(t)得到σs(ZC，t*)＝σ+(ZC，t*)+σ-(ZC，t*)，其中t*表示桿狀試件的層裂拉伸斷裂時刻，ZC表示桿狀試件的層裂拉伸斷裂位置，σs(ZC，t*)表示桿狀試件的材料層裂動態(tài)拉伸強度，σ+(ZC，t*)表示在桿狀試件斷裂時刻的透射壓縮波，σ-(ZC，t*)表示在桿狀試件斷裂時刻的反射拉伸波。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種基于霍普金森原理的一維層裂拉伸試驗方法，其特征 在于所述的桿狀試件的長度滿足條件.'！^2L航桿C撞她/Cs，其中L撞細(xì)表示撞擊桿的長度，Cs蹄表示撞擊桿的材料波速，Cs表示桿狀試件的材料波速，以保證層裂拉伸的斷裂 位置位于所述的桿狀試件的中間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于霍普金森原理的一維層裂拉伸試驗方法，優(yōu)點是由于入射桿和桿狀試件完全或近似滿足阻抗匹配的條件，可以利用霍普金森壓桿開展大尺寸試件的一維層裂動態(tài)拉伸試驗，在混凝土等多相脆性材料沖擊特性的實驗研究領(lǐng)域，采用該技術(shù)方法可對符合工程實際的含大尺寸骨料的混凝土進行相應(yīng)的動態(tài)實驗研究，使其試驗結(jié)果在宏觀意義上具有有效性；且桿狀試件的長度滿足條件L_s＝2L_撞擊桿C_撞擊桿/C_s，使層裂拉伸斷裂近似發(fā)生在試件的中部位置，從而保證試件截面上的應(yīng)力均勻化。
文檔編號G01N3/307GK101482472SQ20091009600
公開日2009年7月15日 申請日期2009年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月21日
發(fā)明者周剛毅, 圓 張, 董新龍 申請人:寧波大學(xué)