两杆法应力波加载平面应变断裂韧性测试技术中若干关键问题研究

本项目针对Hopkinson 杆加载平面应变断裂韧性实验技术进行研究，拟通过以下研究内容：(1)大直径空心杆应力波的传播行为分析；(2)试样动载荷平衡研究；(3)试样接触状态分析等，解决两杆法大直径空心杆加载动态断裂实验中丞待解决的若干关键问题。利用波形整形和空心杆加载的综合作用，减小大直径杆中应力波的弥散效应；优化加载脉冲，满足试样准静态平衡的条件。最终目的是采用先进的两杆法应力波加载技术，建立动态平面应变断裂韧性的测试方法。本项目的研究不仅可以解决大直径空心杆加载技术中应力波传播行为、加载波特征与试样的动载荷平衡以及接触状态之间的关系，还可揭示波形整形对应力波传播行为、动载荷平衡和试样接触状态以及其他一些重要的断裂参数的影响，对两杆法应力波加载测试材料的平面应变断裂韧性和采用空心杆加载技术研究材料的高应变率力学行为都具有重要的理论意义和工程意义。

两杆法加载测试材料动态断裂韧性是Hopkinson杆实验技术的重大改进，具有很多优点。但是由于受加载杆直径的限制，三点弯曲试样的尺寸较小，在传统的两杆法加载测试动态断裂韧性实验中动态断裂试样几何尺寸难以满足平面应变的条件。本项目提出用空心杆代替实心杆，与实心杆相比，在相同横截面积的条件下，空心杆的直径变大，可以增大透射杆上两支撑点的距离，即增大了三点弯曲试样的跨距，从而可采用大尺寸的三点弯曲试样测试平面应变条件下的动态断裂韧性。通过采用数值模拟和试验相结合的方法，研究了应力波在空心杆中的传播行为、波形整形技术在Hopkinson杆动态断裂试验中的应用以及动态断裂试样受载过程中的动载荷平衡和试样的受力状态等方面的内容。结果表明，在保证空心杆不发生塑性变形的情况下，应力波在空心杆中的传播满足一维应力波的要求；在撞击杆和加载杆的内外径分别为60mm、80mm时，获得的波形形状是最佳的；与无波形整形器条件下测试的结果相比，整形器的使用，延长了加载波形的上升沿时间，降低了波形的高频振荡，从而使加载波形趋于光滑，获得了铝合金圆片波形整形器最佳的几何尺寸：圆片直径为76mm-78mm，厚度为0.3mm；当撞击管和入射管的处于斜碰撞时，获得的入射波上升沿时间增长，并且波形相当光滑，具有波形整形的效果；为了进一步研究这种实验现象，采用有限元方法开展了正撞击和斜撞击的数值模拟，发现当斜撞角度小于2.5°时，大直径空心Hopkinson杆中波形具有自整形的效果；试样达到动态应力平衡的时间主要受波形整形器厚度的影响，且存在最佳的整形器厚度为0.3mm；通过有限元的计算表明，在内外径分别为60mm、80mm条件下，三点弯曲试样不存在脱离支座的现象，也就是说动态断裂试样在受载过程中始终保持与支座的接触状态；并通过对线弹性和弹塑性材料的动态断裂试验的测试，验证了建造的大直径空心Hopkinson杆的有效性，为今后的研究材料高加载速率下的力学行为提供了可靠有效的设备。