本发明专利技术公开了一种基于霍普金森原理的一维层裂拉伸试验方法，优点是由于入射杆和杆状试件完全或近似满足阻抗匹配的条件，可以利用霍普金森压杆开展大尺寸试件的一维层裂动态拉伸试验，在混凝土等多相脆性材料冲击特性的实验研究领域，采用该技术方法可对符合工程实际的含大尺寸骨料的混凝土进行相应的动态实验研究，使其试验结果在宏观意义上具有有效性；且杆状试件的长度满足条件Ｌ↓［ｓ］＝２Ｌ↓［撞击杆］Ｃ↓［撞击杆］／Ｃ↓［ｓ］，使层裂拉伸断裂近似发生在试件的中部位置，从而保证试件截面上的应力均匀化。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种材料力学特性的试验方法，尤其涉及一种基于霍普金森原理的一维 层裂拉伸试验方法。
技术介绍
非均质、多相脆性材料(如混凝土、岩石和工程陶瓷复合材料等)及其细观结构和 损伤演化的动态本构特性的研究，己成为当前力学、材料学界和工程界共同注目的跨学 科前沿性研究热点。以工程界最广泛应用的混凝土为代表，在其工作过程中，除了承受 静荷载的作用外，还要承受动荷载的作用，如地震、风荷载和爆炸对建筑的作用、海浪 对海岸和海上采油平台的冲击、驳船对码头的撞击、车辆对道路设施的碰撞等，均会使 混凝土以高于静态许多量级的应变速率变形，并表现出与静态受载时不同的力学性能， 因此，这类非均质、多相脆性材料在动荷载作用下的性能测试研究成为一项十分重要的 工作。并且混凝土等多相脆性材料的另一个重要特性表现在拉、压强度的严重不对称性， 例如静态抗拉强度比抗压强度低大约一个量级。因此，混凝土在工程上虽然主要用于承 受压载荷，但在冲击载荷下，由于应力波反射卸载作用，混凝土结构的卸载拉伸失效(如 层裂)可能上升为主要矛盾，这样，与静态下主要关注混凝土压縮特性不同，动态下还 必须特别关注其动态抗拉特性。混凝土的动态拉伸强度以及相关的应变率效应等已成为 现代混凝土结构抗冲击动态数值计算破坏模型中的关键参量。众所周知，对混凝土等多相脆性材料冲击特性的实验研究，不论在国外或国内，首 选都采用霍普金森压杆试验技术，然而，混凝土是细观上含有不同大小骨料的非均质材 料，在研究其宏观本构特性时，就要求试件尺寸至少比骨料尺寸大一个量级，以保证试 验结果在宏观意义上的有效性，近年来，虽然许多研究者利用长试件中的应力波反射所 致的层裂拉伸断裂或圆盘劈裂试验方法对混凝土动态拉伸强度进行实验研究，但受霍普 金森压杆尺寸的限制，仅限于骨料尺寸《12mm的情况，对于更符合工程实际的含大尺寸骨料的大混凝土，却无法进行相应的动态实验研究，从而也无法保证试验结果在宏观意义上的有效性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种能对大尺寸混凝土进行相应的动态实验研究，以保证试验结果在宏观意义上的有效性的基于霍普金森原理的一维层裂拉伸试验方法。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为 ，它包括以下步骤(1) 、取入射杆和由多相脆性材料制成的杆状试件，同时取与入射杆的直径相等的撞击杆；(2) 、将入射杆一端的垂直端面与杆状试件一端的垂直端面紧密贴合；(3) 、当入射杆与杆状试件两者完全满足阻抗匹配的条件时，即P bCbAb=P sCsAs其中Pb表示入射杆的材料密度，Cb表示入射杆的材料波速，Ab表示入射杆的横截面积，Ps表示杆状试件的材料密度，Cs表示杆状试件的材料波速，As表示杆状试件的横截面积，取足够多的相同材料和规格的杆状试件，每个杆状试件试验一次，试验开始时，气枪施以撞击杆足够大的撞击速度撞击入射杆，以产生较大的冲击波使杆状试件发生层裂拉伸断裂，此后逐渐减小撞击速度，直至达到能使杆状试件发生层裂拉伸断裂的最小撞击速度，在该临界冲击速度下重复多次，此时该临界拉伸应力即近似为杆状试件的一维层裂拉伸破坏强度，根据c^i^PbCbV。/2得到杆状试件的一维层裂拉伸破坏强度，其中Pb为入射杆的材料密度，Cb为入射杆的材料波速，V。为发生层裂时撞击杆的最小撞击速度。(4) 、当入射杆与杆状试件两者近似满足阻抗匹配的条件时，即P bOAb" P sCsAs，在入射杆上设置应变片，将应变片与超动态应变仪连接；(5) 、用撞击杆撞击入射杆的端部，通过设置在入射杆上的应变片测得入射杆的入射应变波Si (t)和反射应变波Sr (t)，根据CTi (t) =E。XSi (t)和 (t) = E。X& (t)得到入射杆上的入射应力波CTi(t)和反射应力波(Tr(t)，其中E。表示入射杆材料的弹性模量，并根据一维应力波条件(di(t)+CTr(t)) Ab= (CTt(t)) As得到传入杆状试件的透射压縮波CTt(t);(6) 、传入杆状试件的透射压縮波CI+(t)(即(Tt(t))在杆状试件的自由端发生反射，产生反射拉伸波CT—(t)，并在杆状试件的Ze位置发生断裂，根据透射压縮波CT+(t)和反射拉伸波CJ—(t)得到 (Zc,。^+(ZO+CT—(Zc。，其中"表示杆状试件的层裂拉伸断裂时刻，Zc表示杆状试件的层裂拉伸断裂位置， (Zc,")表示杆状试件的材料层裂动态拉伸强度，CT+(Zc,^)表示在杆状试件断裂时刻的透射压縮波，CT—(Zc,^)表示在杆状试件断裂时刻的反射拉伸波。所述的杆状试件的长度满足条件L^2L撞蹄Ca击杆/Cs，其中L撞蹄表示撞击杆的长度，C^杆表示撞击杆的材料波速，Cs表示杆状试件的材料波速，以保证层裂拉伸的断裂位置位于所述的杆状试件的中间。与现有技术相比，本专利技术的优点是由于入射杆和杆状试件完全或近似满足阻抗匹配的条件，可以利用霍普金森压杆开展大尺寸试件的一维层裂动态拉伸试验，在混凝土等多相脆性材料冲击特性的实验研究领域，采用该技术方法可对符合工程实际的含大尺寸骨料的混凝土进行相应的动态实验研究，使其试验结果在宏观意义上具有有效性；且杆状试件的长度满足条件LS=2L a蹄C撞击杆/Cs，使层裂拉伸断裂近似发生在试件的中部位置，从而保证试件截面上的应力均匀化。附图说明图1为本专利技术中的入射杆和试件的试验安装示意图；图2为本专利技术试件中的应力波传播示意图；图3为本专利技术入射杆中的加载波波形图4为本专利技术试件中的透射波与入射杆上的(入射波+反射波)的波形比较图；图5 (a)为本专利技术试件的截面上沿径向不同位置的应力分布图之一；图5 (b)为本专利技术试件的截面上沿径向不同位置的应力分布图之二；图5 (c)为本专利技术试件的截面上沿径向不同位置的应力分布图之三；图6为本专利技术试件中应力波沿轴向传播时的应力时程曲线比较图。具体实施例方式以下结合附图实施例对本专利技术做进一步详细描述。如图所示， ，它包括以下步骤6(1) 、取入射杆2和由多相脆性材料制成的杆状试件1，当两者近似满足阻抗匹配的条件时，即p bCbAb^ p sCsAs，其中Pb表示入射杆2的材料密度，Cb表示入射杆2的材料波速，Ab表示入射杆2的横截面积，Ps表示杆状试件l的材料密度，Cs表示杆状试件1的材料波速，As表示杆状试件1的横截面积，杆状试件1的长度满足条件Lp2L撞击杆C撞击杆/Cs ，其中L撞击杆表示撞击杆3的长度，C航杆表示撞击杆3的材料波速，Cs表示杆状试件1的材料波速，同时取与入射杆的直径相等的撞击杆；(2) 、将入射杆2 —端的垂直端面与杆状试件1 一端的垂直端面紧密贴合；(3) 、在入射杆2上设置应变片4，将应变片4与超动态应变仪(图中未显示)连接；(4) 、用撞击杆3撞击入射杆2的端部，通过设置在入射杆2上的应变片4测得入射杆2的入射应变波Si(t)和反射应变波&(t)，根据(Ti(t)-E。xsi(t)和 (t^E。x&(t)得到入射杆上的入射应力波CTi(t)和反射应力波C7r(t),其中E。表示入射杆材料的弹性模量，并根据一维应力波条件(di(t)+CJr(t)) Ab= ((Tt(t)) As得到传入杆状试件l的透射压縮波CTt(t);(5)本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于霍普金森原理的一维层裂拉伸试验方法，其特征在于它包括以下步骤： （１）、取入射杆和由多相脆性材料制成的杆状试件，同时取与入射杆的直径相等的撞击杆； （２）、将入射杆一端的垂直端面与杆状试件一端的垂直端面紧密贴合； （３）、当入射杆与杆状试件两者完全满足阻抗匹配的条件时，即ρ↓［ｂ］Ｃ↓［ｂ］Ａ↓［ｂ］＝ρ↓［Ｓ］Ｃ↓［Ｓ］Ａ↓［Ｓ］其中：ρ↓［ｂ］表示入射杆的材料密度，Ｃ↓［ｂ］表示入射杆的材料波速，Ａ↓［ｂ］表示入射杆的横截面积，ρ↓［ｓ］表示杆状试件的材料密度，Ｃ↓［Ｓ］表示杆状试件的材料波速，Ａ↓［Ｓ］表示杆状试件的横截面积，取足够多的相同材料和规格的杆状试件，每个杆状试件试验一次，试验开始时，气枪施以撞击杆足够大的撞击速度撞击入射杆，以产生较大的冲击波使杆状试件发生层裂拉伸断裂，此后逐渐减小撞击速度，直至达到能使杆状试件发生层裂拉伸断裂的最小撞击速度，在该临界冲击速度下重复多次，此时该临界拉伸应力即近似为杆状试件的一维层裂拉伸破坏强度，根据σ↓［抗拉］＝ρ↓［ｂ］Ｃ↓［ｂ］Ｖ↓［０］／２得到杆状试件的一维层裂拉伸破坏强度，其中ρ↓［ｂ］为入射杆的材料密度，Ｃ↓［ｂ］为入射杆的材料波速，Ｖ↓［０］为发生层裂时撞击杆的最小撞击速度。 （４）、当入射杆与杆状试件两者近似满足阻抗匹配的条件时，即ρ↓［ｂ］Ｃ↓［ｂ］Ａ↓［ｂ］≈ρ↓［Ｓ］Ｃ↓［Ｓ］Ａ↓ ［Ｓ］，在入射杆上设置应变片，将应变片与超动态应变仪连接； （５）、用撞击杆撞击入射杆的端部，通过设置在入射杆上的应变片测得入射杆的入射应变波ε↓［ｉ］（ｔ）和反射应变波ε↓［ｒ］（ｔ），根据σ↓［ｉ］（ｔ）＝Ｅ↓［０］×ε↓［ｉ］（ ｔ）和σ↓［ｒ］（ｔ）＝Ｅ↓［０］×ε↓［ｒ］（ｔ）得到入射杆上的入射应力波σ↓［ｉ］（ｔ）和反射应力波σ↓［ｒ］（ｔ），其中Ｅ↓［０］表示入射杆材料的弹性模量，并根据一维应力波条件（σ↓［ｉ］（ｔ）＋σ↓［ｒ］（ｔ））Ａ↓［ｂ］＝（σ↓［ｔ］（ｔ））Ａ↓［Ｓ］得到传入杆状试件的透射压缩波σ↓［ｔ］（ｔ）； （６）、传入杆状试件的透射压缩波σ↑［＋］（ｔ）（即σｔ（ｔ））在杆状试件的自由端发生反射，产生反射拉伸波σ↑［－］（ｔ），并在杆状试件的Ｚ↓［Ｃ］位置发生断裂，根 据透射压缩波σ↑［＋］（ｔ）和反射拉伸波σ↑［－］（ｔ）得到σ↓［ｓ］（Ｚ↓［Ｃ］，ｔ↑［＊］）＝σ↑［＋］（Ｚ↓［Ｃ］，ｔ↑...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：董新龙，张圆，周刚毅，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：97[中国|宁波]
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