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1、机械工程学院研究生研究型课程考试答卷课程名称：材料动态特性实验（SHPB实验）考试形式：专题研究报告论文 丿大作业 综合考试评阅人：时 间： 年 月 日材料动态特性实验实验目的：1、了解霍普金森杆的实验原理和实验步骤； 2、会用霍普金森杆测试材料动态力学性能。1.SHPB 组成：Kolsky 在 Hopkinson 压杆技术的基础上提出采用分离式 Hop-kinson 压杆 SHPB )技术来测定材料在一定应变率范围的动态应力 应变行为，该实验 的理论基础是一维应力波理论, 它通过测定压杆上的应变来推导试样材料的应 力一应变关系，是研究材料动态力学性能最基本的实验方法之一。为了测出 A3钢(又
2、称Q235钢)的屈服极限、弹性模量以及其他性能参数。用SHPB实 验就行数据测量。 SHPB 的实现装置如下图：分离式 Hopkinson 压杆装置示意图它由压缩气枪、撞击杆、测时仪、输入杆(入射杆)、超动态应变仪、试件 透射杆、吸收杆、阻尼器和数据处理系统组成。2. 实验原理：SHPB 技术建立在两个基本假定的前提上：(1) 杆中应力波是一维波；(2) 试件应力/应变沿其长度均匀分布。根据垂直入射应力波在界面出的反射、透射原理和上述假定由应力相等： (t) +c (t) =c (t)(1)IRT应变相等：81 (t)+ sR (t) = 8T (t)(2)式中O (t)和o (t)分别为入射
3、杆的入射应力和反射应力，o (t)为透射杆的透射I R T应力，81(t)和8r(t)为入射杆的入射应变和反射应变，8 (t)为透射杆的透射应T变。图 1 输入杆-试件-输出杆相对位置如图 2所示，在满足一维应力波假定的条件下，一旦测得试件与输入杆的界 面X处的应力，可理论推导得：3)4)5)o (t) =o (X , t) + o (X , t) + o (X , t)S2 AI 1R 1T 2S(八v(X , t) - v(X , t) v (X , t) - v (X , t) - v (X , t)8(t) = 21 =211R1sLLS8(t)=f18dt = ft lv(X, t)
4、- v(X, t) - v(X, t) LtSo s L o T 2I 1R 1S式中：A为压杆的横截面积，A为试件的横截面积，L为试件的长度。O (t)、sSS8 (t)和8 (t)为试件的平均应力、应变和应变率，V (X , t)、V (X , t)分别为入射SSI 1R 1应力波在界面X处的入射质点速度和反射质点速度，v (X ,t)为透射应力波在1 T 2X 处的透射质点速度。2在弹性压杆的情况下，由一维应力波分析可知，应变与应力和质点速度之间 存在如下线性关系：o =o(X ,t)=o(X ,t)+o(X ,t)= EL (X ,t) + 8 (X ,t)1/11( 1 R 1I 1
5、R 1o2 =o&2,t)=vX ,t)= E(X?,t)(6) 丨=F 如 jfc. jifa； Ji 窗 * Mi_ UNTHTLED *-* J FolderlLona MammUni1图2然后点击File，在下拉菜单中选择export，将数据输出保存，以同样的方式 将 Ch3 通道的数据也取反，并输出保存。之后以记事本的格式将两组数据打开 复制到excel将数据与起初的时间相对应，然后全部复制，保存在记事本中，形 成一个三列的矩阵。如图 3;轴衢 褊5旧 倔口 査M 誓血H)a=-2Q胆-网-2.Q2E-04-2.02E-04-2.02E-04 P.D2E-04 -ZKOZE-04 -
6、2.01E-04 -2.01E-04 -2.01E-04-2.Q1E-04 -2.01E-04 -2.01E-04 -2.01E-04 -.OlE-04 -2-O1E-04 -2.01E-04 -2.00E-04H2. OOE-04 -2-00E-Q4 -2.00E-04 -2.00E-04 -2.OOE-04 -Z-OOE-04 -2.QOE-04 -2.00E-04 i -2. OOE-04 | -L99E-04I-1.9SB-04 I-L99E-04-1.99E-04 J-LE-(I4 I-1.99E-04-l.W-04no s S S3 勺 8 G- 6 O 6 E 8 d- 8 8
7、6 s S 0 6 6 6 6 c G 4 E D 1 1 D O 2 0 0 loo 111 1 s ISO o d o-(0.J11QBo 00o-clBotd Deo.oD o o 7LIQBo.o d T-oob图32)数据处理：编写MATLAB程序，将此矩阵a数据复制到程序中，如下图4所示:图4需要指出的是矩阵a数据没有全部采用，只是采用了中间数据段的1470行， 这是因为前期的 2019 行的数据是还没有计时时采集的数据，亦即外界的杂波由 记录仪形成的数据，需要剔除，之后的数据是波在A3钢内形成的弹塑性波进过 反射和透射后两个应变片记录的数据，而在后期结果并非是单纯试件在弹塑性阶
8、段形成的波，而是进过多次的反射和折射后叠加而形成的波形数据，故也要剔除。然后运行图标后出现三个图如下：图5该图中包含两个图，上图是数据记录仪中未经过处理的入射和透射波随时间 变化的波形，下图为经过滤波后的入射和透射波随时间变化的波形，从图中可以 入射波和透射波波形是对称的，这表明没有反射波的出现。图六该图是应力-应变曲线图，从图形可以看出，该曲线图比较符合实际 A3 钢的 应力应变曲线图。只是在强化结果出现的较为大幅度的波动，这可能是有一定的 干扰存在。另外可以看出在应变为 40（这里的横轴不是真正的应变，而是经过 放大后的应变）时为屈服极限（这里取下屈服极限为屈服极限）。具体的数据可 由 M
9、ATLAB 中 workspace 内进行查找。图7该图是应变率波形图，该图和应力应变图很相似。 （3）相关参数的求解：屈服极限：在应力应变曲线图六中，屈服极限应是应力上升在下降后的最低点，在workspace中双击trueos1477*ldouble查找符合该特性的数据如图8回34.213 Oe+04-.2147r+0430& 4.22171+&421D 4.2&tie+ 11430fi 4.22&2fr+LKl325 d .239 2+04326 4.2430+041專2 IMo valid plocc for! tiru. *nle Edie Vlev ijraphlcs D&bug D
10、esktop Window Help晶 Uj Gi |*Eacfi-丁EH true-os 1771 double图8可以看出最低点为4.2125e+04单位为MPA,这里的应力是经过放大200倍后 的值，所以用该值除以200,最终得到屈服强度：210.626mpa。弹性模量：按照弹性模量的定义：o=E。这里只限制在弹性阶段阶段，所 以弹性模量也为图六比例阶段的斜率，为了求解出这个斜率，可以截取比例阶段 部分的应力应变值进行一次线性拟合。如图 9：File Edit Debug Parallel Des-ktop Window Help；Q t3能龍勺PC:UsersclI 口固Shortcuts j?_| How to Add 史Whats New48000. 4155145569. 0075249104. 39586 p=polyf it (ij yj 1)P =1. Oe-i-OC4 +0.81531.7572 plot (xj y)Al-gtar
