閉孔泡沫鋁夾芯板動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)研究

本次實(shí)驗(yàn)所用分離式霍普金森壓桿裝置(Split Hopkinson Pressure Bar,簡(jiǎn)稱SHPB)。其中子彈長(zhǎng)度為800mm,輸入桿(入射桿)及輸出桿(透射桿)長(zhǎng)度均為2000mm。試件分為純閉孔泡沫鋁板、閉孔泡沫鋁單面板、閉孔泡沫鋁夾芯板。不同結(jié)構(gòu)的閉孔泡沫鋁試件在應(yīng)變率為103s1下分別測(cè)試，分析不同結(jié)構(gòu)的閉孔泡沫鋁試件吸能情況。另外還做幾組閉孔泡沫鋁夾芯板在不同應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)沖擊測(cè)試，分析閉孔泡沫鋁夾芯板的動(dòng)態(tài)應(yīng)變率效應(yīng)。

為了準(zhǔn)確測(cè)量閉孔泡沫鋁夾芯板動(dòng)態(tài)防護(hù)特性，應(yīng)用SHPB實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究時(shí)需要解決以下幾個(gè)問題：

(1)由于泡沫材料內(nèi)部主要由胞孔構(gòu)成，為了能得到較為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以使得到的結(jié)果能代表真實(shí)材料的宏觀特性，一般要求試件直徑上分布的胞孔個(gè)數(shù)應(yīng)大于10,而實(shí)際工程中的泡沫鋁的胞孔孔徑有時(shí)相對(duì)較大，因此所采用的SHPB裝置的壓桿直徑也應(yīng)相應(yīng)變大。隨著SHPB裝置壓桿直徑的變大。桿的橫向慣性效應(yīng)以及彌散效應(yīng)也相應(yīng)地增加。仍采用一維應(yīng)力波理論處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將造成不可忽略的誤差。

(2)泡沫金屬材料的相對(duì)密度大多在30%左右，從而使得其波阻抗遠(yuǎn)低于輸入桿材料的波阻抗，因此輸入應(yīng)力脈沖透過試件傳到透射桿上的應(yīng)力脈沖幅值很小，導(dǎo)致反射波形很大，與入射波形持平，而透射波形很小，與外界干擾信號(hào)的幅值處于同一數(shù)量級(jí)，幾乎被干擾信號(hào)淹沒，從而導(dǎo)致所測(cè)信號(hào)的嚴(yán)重失真。

(3)這類材料的低波速(較壓桿材料低1~2個(gè)量級(jí))會(huì)引起試件內(nèi)部應(yīng)力長(zhǎng)時(shí)間的不均勻性。

(4)這類材料需要相當(dāng)寬的應(yīng)變范圍(彈性階段、屈服階段和密實(shí)階段)。

(5)在理想的霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)中，試件應(yīng)處于應(yīng)力均勻狀態(tài)并在實(shí)驗(yàn)的大部分時(shí)間內(nèi)以近似恒應(yīng)變率變形。然而，在常規(guī)霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)中這兩項(xiàng)要求并不能自動(dòng)達(dá)到恒定。

為了解決以上問題，我們采取了以下措施或改進(jìn)方法：

(1)采用純鋁壓桿，其波傳播的速度只有鋼制壓桿的1/6。

(2)在輸出桿上采用半導(dǎo)體應(yīng)變片。由于半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)遠(yuǎn)大于電阻應(yīng)變片，可將所測(cè)信號(hào)的信噪比提高約50倍，從而可獲得準(zhǔn)確可靠的透射波形。

(3)對(duì)常規(guī)的數(shù)據(jù)處理方法作了較大的修改，采用“不均勻時(shí)間平移法”,以解決反射波形太大而導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理困難以及試件內(nèi)應(yīng)力長(zhǎng)時(shí)間的不均勻性。

(4)必須很好地設(shè)計(jì)入射脈沖的加載率以保證在試件中盡可能早地達(dá)到應(yīng)力均勻。此外，還需要整形器以使試件能以近似恒應(yīng)變率變形。

(5)選用大尺寸SHPB裝置，壓桿直徑為37mm(遠(yuǎn)大于泡沫的孔徑),以減少數(shù)據(jù)的分散性；子彈長(zhǎng)度為800mm,輸入桿(入射桿)及輸出桿(透射桿)長(zhǎng)度均為2000mm,以保證足夠長(zhǎng)的加載時(shí)間，增加試件的變形量。首先分別測(cè)試了泡沫鋁夾芯板、單面粘貼鋼板的泡沫鋁及單純泡沫鋁在1000s1的應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，然后對(duì)泡沫鋁夾芯板在550s1、750s1和1000 s1的應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過分析，對(duì)泡沫鋁夾芯板的防護(hù)吸能進(jìn)行進(jìn)一步的研究。