耦合阻抗匹配原理的Hugoniot状态方程测定方法技术

本发明专利技术提供了一种耦合阻抗匹配原理的Hugoniot状态方程测定方法，其先使用PDV系统对平板撞击实验中自由面粒子速度曲线进行测量，然后读取由平板撞击实验得到的自由面粒子速度时程曲线，接着读取自由面粒子速度时程曲线实测的粒子速度，再计算平板撞击实验中自由面粒子的冲击波速度，接着采集冲击波速度和粒子速度，最后预测出被试材料的Hugoniot状态方程。本发明专利技术能够快速、准确、低成本地测量材料的Hugoniot状态方程参数，并基于Hugoniot状态方程预测材料的动态力学行为。程预测材料的动态力学行为。程预测材料的动态力学行为。

【技术实现步骤摘要】
耦合阻抗匹配原理的Hugoniot状态方程测定方法


[0001]本专利技术属于材料力学行为状态方程模拟
，具体涉及一种耦合阻抗匹配原理的Hugoniot状态方程测定方法。

技术介绍

[0002]高速冲击下材料动态力学行为研究对材料在冲击环境下的应用具有重要的意义。材料的力学行为与准静态载荷下的变形行为有显著不同，在高应变率下其力学性能受到应变硬化效应、应变率硬化效应和热软化作用的共同作用。因此，准确认识材料在高应变率加载条件下的动态力学行为可以为材料及其构件的制备和设计提供实验和理论依据。
[0003]料在承受峰值应力很高的冲击载荷时，例如6
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8倍的冲击弹性极限，此时反映固体材料抗剪强度性质的偏量应力相对于球量应力来说可以忽略，可以将固体材料当作可压缩流体处理，在数值模拟中加入高压状态方程能够更加准确地描述材料在高压条件下的冲击变形行为。开展动态压缩试验，建立符合材料实际力学响应的本构方程以及高压状态方程，不仅是研究材料动态力学性能的重要内容，也是准确模拟材料在航空航天等环境下变形和破坏过程的基础与前提。
[0004]在冲击波物理中，存在着描述材料中的冲击波速度和粒子速度之间关系的基本关系式，即Hugoniot状态方程，该状态方程的表达式为：
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（1）式(1)中，为材料在零压时的冲击波速度，s为Hugoniot参数。式中，冲击波速度和粒子速度为平板撞击实验实测值，和s为两个待测参数。
[0005]传统的冲击波测量方法为使用多组电探针，通过电子学测试技术测量样品前后界面电探针响应时间，测量样品中的冲击波速度。但是传统的测量方法中，电探针的安装以及测量中均存在较大的误差，无法准确测量出冲击波的速度，且平板撞击中众多探针的布置，探针的动态标定需要大量的时间精力。

技术实现思路

[0006]针对上述
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提出了一种耦合阻抗匹配原理的Hugoniot状态方程测定方法，其能够快速、准确、低成本地测量材料的Hugoniot状态方程参数，并基于Hugoniot状态方程预测材料的动态力学行为。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提供的一种耦合阻抗匹配原理的Hugoniot状态方程测定方法，先使用PDV系统对平板撞击实验中自由面粒子速度曲线进行测量，然后读取由平板撞击实验得到的自由面粒子速度时程曲线，接着读取自由面粒子速度时程曲线实测的粒子速度，再计算平板撞击实验中自由面粒子的冲击波速度，接着采集冲击波速度和粒子速度，最后预测出被试材料的Hugoniot状态方程。
[0008]所述耦合阻抗匹配原理的Hugoniot状态方程测定方法，其中：所述平板撞击实验
中的碰撞应力均大于飞板材料与靶板材料的冲击弹性极限HEL，所以在飞板和靶板内都存在双波结构，即传播较快的弹性前驱波和传播相对较慢的塑性冲击波，弹性前驱波的应力幅值对应着材料的冲击弹性极限，塑性冲击波的应力幅值则对应着碰撞应力。
[0009]所述耦合阻抗匹配原理的Hugoniot状态方程测定方法，其中：所述塑性冲击波的波阵面上的动力学相容条件为：
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（2）；上式(2)中为应力，为材料的密度，为塑性冲击波速度，是指粒子速度值。
[0010]所述耦合阻抗匹配原理的Hugoniot状态方程测定方法，其中：所述塑性冲击波是在如图4所示的应力状态(1)和应力状态(2)之间产生的，故塑性冲击波的计算公式为：
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（3）；由自由面速度倍增定律，可得，，为如图4所示的应力状态(1)下的实际粒子速度,为如图4所示的应力状态(2)下的实际粒子速度,表示PDV给出的自由面速度中的第一个平台高度，表示PDV给出的自由面速度的峰值速度，所以如图4所示的应力状态(1)的应力状态为：
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（4）；由飞板与靶板界面应力连续性条件，所以靶板内的应力可以通过计算飞板材料内的应力计算得到：
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（5）；其中上式（5）中各字符下标中的f表示飞板材料，t表示实验靶板材料，表示飞板材料的冲击弹性极限，表示由于冲击弹性极限HEL引起的粒子速度增量，计算值为，所以靶板材料的塑性冲击波速度为 ：
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（6）；最后根据多组实验中实测的粒子速度和计算得到的塑性冲击波速度数据点，通过最小二乘法拟合给出实验材料的Hugoniot状态方程：
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（7）；上式（7）中，为塑性冲击波速度，粒子速度，与为待确定的Hugoniot状态方程参数。
[0011]采用上述技术方案，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术耦合阻抗匹配原理的Hugoniot状态方程测定方法构思合理，采用先进的PDV测速系统，对自由面粒子速度进行直接且精切的测量，结合应力波基本原理中的波
阵面上的守恒条件，采用理论计算得到冲击波速度，能够避免冲击波测速试验中的探针布置，探针标定等费时费力的工作，并且能够提供比传统的冲击波测量实验更高的精确度。利用本专利技术能够方便、准确、低成本地测定可靠的Hugoniot状态方程参数，并基于Hugoniot状态方程预测材料的冲击动力学行为。
附图说明
[0012]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0013]图1为传统的冲击波测速实验示意图；图2为本专利技术所使用的实验设置示意图；图3为本专利技术波阻抗匹配法物理平面及自由面质点速度变化历程图；图4为本专利技术波阻抗匹配法状态平面图；图5为本专利技术PDV测量的OFHC标定实验实测自由面粒子速度曲线；图6为OFHC标定实验状态方程与给定状态方程曲线对比图像；图7为PDV系统采集的Ti6Al4V平板撞击实验中自由面质点速度历程；图8为使用本技术方案给出的Ti6Al4V合金Hugoniot拟合结果。
具体实施方式
[0014]下面将结合附图对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0015]下面结合具体的实施方式对本专利技术做进一步的解释说明。
[0016]如图1所示，本实施例提供的一种耦合阻抗匹配原理的Hugoniot状态方程测定方法，是先使用PDV系统对平板撞击实验中自由面粒子速度曲线进行测量，然后读取由实验得到的自由面粒子速度时程曲线，再读取自由面粒子速度时程曲线实测的粒子速度，接着计算出实验的冲击波速度，接着采集冲击波速度和粒子速度，最后根据最小二乘法拟合给出被试材料的Hugoniot状态方程。
[0017]采用PDV系统对粒子速度进行直接测定，如图2所示，冲击波速度则借助应力波基本原本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耦合阻抗匹配原理的Hugoniot状态方程测定方法，其特征在于：先使用PDV系统对平板撞击实验中自由面粒子速度曲线进行测量，然后读取由平板撞击实验得到的自由面粒子速度时程曲线，接着读取自由面粒子速度时程曲线实测的粒子速度，再计算平板撞击实验中自由面粒子的冲击波速度，接着采集冲击波速度和粒子速度，最后预测出被试材料的Hugoniot状态方程。2.如权利要求1所述的耦合阻抗匹配原理的Hugoniot状态方程测定方法，其特征在于：所述平板撞击实验中的碰撞应力均大于飞板材料与靶板材料的冲击弹性极限HEL，所以在飞板和靶板内都存在双波结构，即传播较快的弹性前驱波和传播相对较慢的塑性冲击波，弹性前驱波的应力幅值对应着材料的冲击弹性极限 ，塑性冲击波的应力幅值则对应着碰撞应力。3.如权利要求2所述的耦合阻抗匹配原理的Hugoniot状态方程测定方法，其特征在于：所述塑性冲击波的波阵面上的动力学相容条件为：
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（2）；上式(2)中为应力，为材料的密度，为塑性冲击波速度，是指粒子速度值。4.如权利要求2所述的耦合阻抗匹配原理的Hugoniot状态方程测定方法，其特征在于：所述塑性冲击波是在如图4所示的应力状态平面(1)和应力状态平面(2)之间产生的，故塑性冲击波的计算公式为：
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【专利技术属性】
技术研发人员：戴兰宏，牛洋洋，汪海英，周文博，鄢阿敏，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：