[发明专利]基于分离式霍普金森杆动态力学性能测试装置的数据处理系统

说明书

技术领域

本发明涉及材料动态力学测试领域，具体地，涉及一种基于分离式霍普金森动态力学测试装置的数据处理系统。

背景技术

应变率是材料变形速率的一种度量，是应变对时间的导数。当应变率超过10^-2s^-1时，材料变形时表现出的力学行为被称为材料的动态力学行为。材料在石油钻探、航空航天尤其是兵器等领域应用时经常发生高应变率(10²s^-1-10⁴s^-1)甚至是超高应变率(10⁴s^-1-10⁶s^-1)的变形。此时，材料的失效形式不同于静载荷条件，而且很多材料的强度和塑性会随着应变率的变化发生变化。因此，材料动态力学性能的研究具有十分重要的意义。

目前，在材料科学领域中测量材料在高应变率下的力学性能时使用最广泛的就是分离式霍普金森杆(SHPB)测试装置。SHPB测试装置主要由三部分组成：SHPB、应变仪和数据采集系统，如图1。其中，SHPB的主要组成部分包括：子弹1、测速仪2、入射杆3、透射杆4、吸收杆和应变片5。应变片5贴到入射杆3和透射杆4上，并通过电缆线连接到动态应变仪6上，同时动态应变仪6与数据采集系统7连接。

进行SHPB测试时，待测试样夹在入射杆和透射杆之间。子弹以一定速度撞击入射杆，使入射杆中产生一定长度的应力波。当应力波传播到入射杆与试样接触端时，一部分应力波反射回入射杆，另一部分发生透射，透射波传递给试样后对试样实施冲击加载。入射波、反射波和透射波由应变片和应变仪转化后被数据采集系统记录并保存为数据文件。

数据采集系统记录的数据文件是电压-时间数据点。由于应变片阻值变化很微弱，为了便于显示或控制，这些电压-时间数据点为超动态应变仪放大后的值。计算过程中，数据需要进行还原，同时转化为应变片的阻值变化。应变片发生应变时，其电阻值会发生变化，所以通过阻值变化可以计算出其应变，计算公式与应变片的类型及参数有关。

对于电阻应变片和半导体应变片，应变的计算公式分别为其中，K_S为电阻应变片的灵敏系数，π为半导体应变片的压阻系数，E为杆的弹性模量，ΔR为应变片阻值变化，R为应变片原始阻值。

因为应变片贴到杆上，所以应变片的应变即为计算入射杆与反射杆的应变。通过入射杆和透射杆的应变可以计算出入射杆、透射杆与试样接触位置质点的位移和力，进一步可以计算试样的应变ε_s和应力σ_s。

设0时刻试样开始加载，则t时刻，试样的应变和应力分别为σs=F‾As=(σ1+σ2)A2As=AAsEϵT,]]>其中u₁，u₂，σ₁，σ₂分别为是入射杆、透射杆与试样接触位置质点的位移和应力，l_s为试样的长度，A和A_s分别为杆和试件的横截面积，C₀，E是两个杆的波速和弹性模量，ε_R是反射波引起入射杆的应变，ε_T是透射波引起反射杆的应变。

应变对于时间求导即为试样发生变形时的应变率。