[发明专利]一种基于霍普金森原理的一维层裂拉伸试验方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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，已成为当前力学、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缩特性不同，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。

发明内容

本发明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。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于霍普金森原理的一维层裂拉伸试验方法，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_bC_bA_b＝ρ_SC_SA_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_bC_bV₀/2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，V₀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_bC_bA_b≈ρ_SC_SA_S，在入射杆上设置应变片，将应变片与超动态应变仪连接；