分类号 O354.5 学号 08029003 密级 公 开 工学博士学位论文 分离式霍普金森压剪杆实验技术分离式霍普金森压剪杆实验技术 及其应用研究及其应用研究 博士生姓名 赵 鹏 铎 学 科 专 业 工程力学 研 究 方 向 材料动态力学性能 指 导 教 师 卢 芳 云 教授 国防科学技术大学研究生院 二一一年九月 国防科学技术大学研究生院 二一一年九月 论文书脊 论文书脊 分离式霍普金森压剪杆实验技术及其应用研究 国防科学技术大学研究生院 Study on Split Hopkinson Pressure Shear Bar Technique and its Applications Candidate：Pengduo Zhao Supervisor：Prof. Fangyun Lu A dissertation Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Engineering in Mechanics Graduate School of National University of Defense Technology Changsha，Hunan，P.R.China September，2011 独独 创创 性性 声声 明明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 分离式霍普金森压剪杆实验技术及其应用研究 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密学位论文在解密后适用本授权书。 ） 学位论文题目：分离式霍普金森压剪杆实验技术及其应用研究 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 作者指导教师签名： 日期： 年 月 日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 I 页 目目 录录 摘 要 . i Abstract v 第一章 绪论 1 1.1 研究背景. 1 1.2 国内外研究现状. 2 1.2.1 加载方式 2 1.2.2 测试技术 6 1.2.3 应用研究 7 1.3 本文主要研究内容. 9 第二章 压-剪复合应力波的传播规律. 11 2.1 一维压-剪复合应力波 11 2.1.1 薄壁管内的压-剪复合应力波. 11 2.1.2 半无限空间中压-剪复合应力波. 15 2.1.3 应力加载路径 17 2.2 弯曲应力波. 20 2.2.1 波动方程 20 2.2.2 方程求解 22 2.2.3 算例分析 26 2.3 纵波-弯曲波复合应力波 27 2.3.1 波动方程 27 2.3.2 模拟验证 29 2.4 小结. 31 第三章 分离式霍普金森压剪杆基本思想. 33 3.1 实验装置. 33 3.2 试样受载分析. 34 3.3 实验装置的应力分析. 36 3.3.1 入射杆应力状态 36 3.3.2 试样应力状态 39 3.3.3 透射杆应力状态 41 3.4 小结. 43 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 II 页 第四章 分离式霍普金森压剪杆测试技术及其验证. 45 4.1 压缩应力测试方法及有效性分析. 45 4.1.1 压缩应力测试方法 45 4.1.2 压缩应力测试方法的有效性分析 46 4.2 压缩应变测试方法及有效性分析. 47 4.2.1 压缩应变测试方法 47 4.2.2 压缩应变测试方法的有效性分析 48 4.3 剪切应力测试方法及有效性分析. 51 4.3.1 剪切应力测试方法 51 4.3.2 剪切应力测试方法的有效性分析 57 4.4 剪切应变测试方法及有效性分析. 61 4.4.1 剪切应变测试方法 61 4.4.2 剪切应变测试方法的有效性分析 73 4.5 SHPSB 误差分析 75 4.5.1 压缩应力测试的误差分析 75 4.5.2 压缩应变测试的误差分析 78 4.5.3 剪切应力测试的误差分析 79 4.5.4 剪切应变测试的误差分析 80 4.6 小结. 81 第五章 SHPSB 试样构型优化 83 5.1 试样构型 I. 83 5.1.1 试样设计 83 5.1.2 模拟验证 84 5.1.3 实验验证 88 5.2 试样构型 II . 90 5.2.1 试样设计 90 5.2.2 模拟验证 91 5.2.3 实验验证 95 5.3 小结. 96 第六章 某含铝 PBX 炸药动态压剪性能的实验研究. 99 6.1 某 PBX 炸药试样的 SHPSB 实验. 100 6.1.1 实验准备 100 6.1.2 实验结果 100 6.1.3 结果讨论 103 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 III 页 6.2 损伤本构模型. 105 6.2.1 模型描述 105 6.2.2 参数标定 109 6.3 模型应用. 112 6.3.1 LS-DYNA 有限元程序二次开发 112 6.3.2 实验与模拟结果对比 114 6.4 小结. 118 第七章 SHPSB 在动态摩擦研究中的应用. 121 7.1 基于霍普金森扭杆的动态摩擦实验研究. 121 7.1.1 透射杆旋转型动态摩擦装置 121 7.1.2 刚性壁型动态摩擦装置 122 7.1.3 “压-扭”型动态摩擦装置. 123 7.2 SHPSB 动态摩擦实验研究 124 7.2.1 实验原理 124 7.2.2 单脉冲加载 125 7.2.3 摩擦副 128 7.2.4 实验结果及讨论 128 7.3 动态内摩擦实验研究. 134 7.3.1 实验原理 134 7.3.2 实验结果及分析 135 7.4 小结. 138 第八章 结论与展望. 139 8.1 总结. 139 8.2 本文的主要创新点. 140 8.3 展望. 141 致 谢 143 参考文献. 145 作者在学期间取得的学术成果. 155 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 IV 页 表 目 录 表 2. 1 弹性杆的参数表. 30 表 3. 1 SHPSB 的模型参数. 36 表 4. 1 新旧坐标轴之间的夹角. 54 表 4. 2 纯模旋转方向及相对应的压电系数值. 55 表 4. 3 旋转 Y 切 17.705晶体的误差分析 56 表 4. 4 标定结果. 57 表 4. 5 自模拟解有效性验证算例的模型参数表. 67 表 5. 1 SHPSB（试样构型 I）模拟的材料模型参数 84 表 5. 2 SHPSB（试样构型 II）模拟的材料模型参数 91 表 6. 1 损伤模型参数及其意义. 109 表 6. 2 损伤本构模型的参数值. 112 表 6. 3 用户材料子程序数组含义. 113 表 7. 1 表面轮廓仪测试结果. 128 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 V 页 图 目 录 图 1. 1 压剪炮装置示意图. 3 图 1. 2 晶体各向异性压-剪复合加载示意图 3 图 1. 3 斜面反射式压-剪复合加载示意图 4 图 1. 4 Couquez7, 8试样示意图 4 图 1. 5 SCS 试样实物图12 5 图 1. 6 改进的 SCS 试样实物图25 5 图 1. 7 Huang28, 29的实验装置示意图. 5 图 1. 8 Zhao32, 33的实验装置示意图 . 5 图 2. 1 薄壁管受载示意图. 12 图 2. 2 半无限介质受载示意图. 16 图 2. 3 在(，)应力平面上的加载路径方向. 18 图 2. 4 弹性情况的加载路径. 19 图 2. 5 塑形情况 1 的加载路径. 19 图 2. 6 塑形情况 2 的加载路径. 19 图 2. 7 细长杆中弯曲波的传播(a) 变形示意图；(b) 微元体受力分析 21 图 2. 8 =10s-1情况下不同时刻杆的横向位移(a) 0.15s；(b) 0.25s. 26 图 2. 9 =1s-1情况下不同时刻杆的横向位移(a) 0.15s；(b) 0.25s 27 图 2. 10 杆微元示意图. 28 图 2. 11 计算模型及加载速度值. 30 图 2. 12 轴向压缩应力对比. 30 图 2. 13 剪切应力对比. 30 图 3. 1 装置实物图. 34 图 3. 2 装置加载部位近观图. 34 图 3. 3 分离式霍普金森压剪杆装置加载、测试示意图. 34 图 3. 4 试样端面速度示意图. 35 图 3. 5 计算模型示意图及局部放大图. 36 图 3. 6 入射杆上同一截面内单元的 xx . 37 图 3. 7 入射杆上同一截面内单元的 yy . 37 图 3. 8 入射杆上同一截面内单元的 xy . 38 图 3. 9 等效应力及合速度云图. 38 图 3. 10 入射杆斜截面各单元横向及轴向速度历史. 39 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 VI 页 图 3. 11 试样受载示意图. 39 图 3. 12 试样 x 方向平均正应力 . 40 图 3. 13 试样 xy 方向平均剪应力 40 图 3. 14 试样 y 方向平均正应力 . 40 图 3. 15 试样 z 方向平均正应力 40 图 3. 16 试样 yz 方向平均剪应力 40 图 3. 17 试样 zx 方向平均剪应力 40 图 3. 18 试样及透射杆的轴向压力. 41 图 3. 19 试样及透射杆端的剪力. 41 图 3. 20 距试样 100mm 处所选单元的(a)轴向压缩应力；(b)xy 剪应力时程曲线. 42 图 3. 21 距试样 250mm 处所选单元的(a)轴向压缩应力；(b)xy 剪应力时程曲线. 42 图 3. 22 距试样 350m 处所选单元的(a)轴向压缩应力；(b)xy 剪应力时程曲线 42 图 3. 23 距试样 500mm 处所选单元的(a)轴向压缩应力；(b)xy 剪应力时程曲线. 43 图 3. 24 不同位置所选单元的(a)平均轴向压缩应力；(b)平均 xy 剪应力时程曲线43 图 3. 25 透射杆上距试样不同位置处截面的平均剪切应力. 43 图 4. 1 应变仪电路示意图. 46 图 4. 2 应变片 1、2 所测轴向应力及平均值. 47 图 4. 3 轴向压缩应力历史曲线. 47 图 4. 4 试样变形示意图. 47 图 4. 5 为 45(a)与 60(b)时的 v1p和利用(4.5)、(4.6)式计算的速度曲线 . 49 图 4. 6 透射杆的压缩应力曲线. 49 图 4. 7 实验装置示意图. 49 图 4. 8 实验照片的(a)局部放大图；(b)压缩应变计算示意图 50 图 4. 9 实验对比结果. 51 图 4. 10 Y 切型石英晶体剪切项压电系数随旋转角度变化曲线 55 图 4. 11 标定实验示意图. 56 图 4. 12 剪应力测试方法示意图. 57 图 4. 13 剪切应力峰值相对前一值的衰减规律. 59 图 4. 14 剪切应力峰值相对初