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摘 要:利用SHPB设备可以方便地记录混凝土加载脉冲的应力—应变、应力—时间、应变—时间、应变率—时间的动态曲线,用来研究材料的动态特性和应变率历史等。本文指出本试验存在着应力应变均匀性、大直径杆的弥散效应等相关问题,并提出了解决方案。
关键词:SHPB设备;问题;解决方案
SHPB压杆本质上是一种弹性杆,在杆的一段施加未知的压力—时间荷载,产生一个弹性波在杆中传播,弹性波通过试件时,使试件发生变形。通过测试技术,应用弹性波理论可以在杆的输入、输出端记下扰动波的参量。目前利用SHPB设备可以方便地记录加载脉冲的应力—应变、应力—时间、应变—时间、应变率—时间的动态曲线,用来研究材料的动态特性和应变率历史等。
一、应力应变均匀性问题
试验过程中试件应力应变是否均匀(或近似均匀)是SHPB试验是否有效的关键条件之—。但是事实上常规的SHPB试验以矩形波形式加载,试件在初始的几个来回反射内是无法达到应力应变均匀,因为梯形波上升段陡峭,应力梯度高,试件内的应力应变也会随之发生梯度变化的,从而难以达到均匀。故初始信号导出的应力—应变曲线的初始段不是正确的,而想要达到应变率恒定也是不可能的。对于混凝土这类的脆性材料,材质不是很均匀,材料波速亦不是很大,试验过程中,试件内的应力应变均匀性过程不是很快,所以混凝土材料的SHPB技术的均匀性问题显得尤为重要。为解决均匀性问题,大致有以下三种解决方案:
1、减小试件的长径比:尽可能减小长度,采用薄片状试件,减少加载脉冲来回反射时间,以快速实现试件应力、应变的均匀化。不过这样做就会使试件的横向惯性效应和试件与杆端部的摩擦效应显著起来。
2、增加加载脉冲长度:对于波速较小的材料,必须加长入射脉冲的长度,以保证有足够的加载时间使得试件获得足够的反射次数达到应力应变的均匀。但加载脉冲的长度受到子弹长度的限制(脉冲长度等于两倍子弹长度),而子弹长度又受限于入射杆的长度(子弹长度最大取入射杆的半长,也就是脉冲最大长度为入射杆长)。
3、脉冲整形技术:就是将入射脉冲的陡峭上升沿通过物理滤波的手段改造成缓慢上升的斜坡波形,使得试件在受力过程中应力应变保持动态均匀。这种方法不仅能改善均匀性问题,同时也能改善杆的二维弥散问题,是混凝土等脆性材料冲击压缩实验主要甚至不可或缺的技术。
二、大直径杆的弥散效应问题
在SHPB试验技术中,一切分析都是以一维假定为基础的。根据一维假定,任意—个应力脉冲在压杆中的传播速度为定值,仅与材料性质有关。但这一假定忽略了压杆中质点的横向惯性运动,即忽略了压杆的横向收缩或膨胀对动能的贡献。这就造成频率高的应力脉冲传播得慢,频率低的传播得快,因此在压杆中传播的任一应力脉冲将发生弥散,也即压杆中质点横向惯性运动会引起弥散效应。也就是说,杆中质点横向惯性运动会造成应力波在传播过程中会产生波形拉长、上升沿变缓且出现高频震荡的现象。Rayleigh通过能量法得到了圆柱弹性杆中谐波传播速度CP与频率之间的关系:
CP=C[1-π 2μ2(rλ+……)]
式中,μ和r分别为弹性杆的泊松比和半径,λ为组成应力脉冲某个谐波的波长。公式表明,组成应力波脉冲的各谐波是以各自的相速CP传播,频率高(波长短)的传的慢,频率低(波长长)的传的快,因此任一应力脉冲在杆中传播将发生弥散,这就是由于杆中质点横向惯性所引起的弥散效应。该效应直接导致了电阻应变片测得的应变波形中波峰上迭加的高频振荡。由此而求得的应力—应变曲线中上下振荡常常掩盖了材料本身特性,造成数据处理上的困难。目前主要通过以下手段来减小弥散效应对试验的影响:
1、预留间隙法。预留间隙法是在入射杆和试件间预留一定的间隙,在入射杆撞击试件前将应力脉冲的上升沿和高频分量反射掉,以加载波较平坦的中后部作用在试件上,避开了上升沿和高频震荡对试验结果的影响,也提高了试什的应变率。
2、减小压杆直径。由式(2—9)可以看出,压杆直径越大,弥散效应越大。所以在试验中尽量用小直径压杆。当压杆半径r与脉冲宽度λ之比小于0.1时,压杆中的弥散就可以忽略不记。
3、波形整形。在入射杆的打击端加设波形整形器,将入射脉冲改造成三角形波形,消除波头的过冲和波形震荡,并将上升沿拉长。上升沿拉长使应力脉冲在脆性材料破坏前有足够的时间来回反射以获得试件内应力的均匀分布。这种方法的缺点是牺牲了应变率。
三、端面摩擦效应问题
在应力脉冲的作用下,压杆和试件的界面处的横向运动并不一致,由此产生的摩擦破坏了试件的一维应力状态,使SHPB试验中存在端面摩擦效应问题。当试件的长径比较大或试什端面平整度不够时,端面摩擦效应对试验结果有很大的影响。在SHPB试验中一般通过在试件端面涂抹凡士林等润滑剂来减少端面摩擦对试验结果的影响。
四、试件与杆端非平面接触问题
像混凝土一类的脆性材料在冲击压缩过程中的应变非常小,对试件的加工精度要求很高,同时在试验时,必须要求试件与杆的界面完全接触,使试件在试验过程中两面都均匀受力。但在大直径杆中,要做到这样比较困难。因此,在SHPB试验中存在试件与杆端非平面接触的问题。非平面接触是指由于试件平面度或平直度不好,或者由于安放试件时实验系统的准直度不好而造成的试件与杆的点、线或部分面接触,而不能完全面面接触。在小直径SHPB压杆试验中虽然也存在非平面接触的问题,但杆径和试件直径不大,平面度和平直度容易保证,系统准直度容易调试,由非平面接触引起的变形误差很小,一般情况下可以忽略。但在大尺寸SHPB试验中,大尺寸试件的制备、加工增加了满足试验在平面度及平直度精度要求的难度,从而增加了试件与杆端面全接触的难度;且大直径压杆移动困难,系统淮直度的调试难度增大;像混凝土一类的脆性材料的破坏应变较小,只要存在非平面接触,使试件受力不均匀,就可能导致实验的结果差异较大。
为了彻底消除接触不平对实验结果的影响,实验中,我们在试件与入射杆之间放置了万向头,外用钢套筒对其进行固定。万向头是一段材质、直径与杆完全相同的圆柱,中间以球弧面截开,形成一个球座铰,这样,在放置试件时,随着杆对试件的挤压,万向头自然随之微调,以达到入射杆与试件均匀接触的效果。
参考文献:
[1]中华人民共和国建设部.GB/T50081-2002.普通混凝土力学性能试验方法标准.北京:中国建筑工业出版社,2003-1-10。
[2]刘锋,潘东平等.橡胶混凝土应力和强度的细观数值分析.建筑材料学报,2008,2:144~151。
关键词:SHPB设备;问题;解决方案
SHPB压杆本质上是一种弹性杆,在杆的一段施加未知的压力—时间荷载,产生一个弹性波在杆中传播,弹性波通过试件时,使试件发生变形。通过测试技术,应用弹性波理论可以在杆的输入、输出端记下扰动波的参量。目前利用SHPB设备可以方便地记录加载脉冲的应力—应变、应力—时间、应变—时间、应变率—时间的动态曲线,用来研究材料的动态特性和应变率历史等。
一、应力应变均匀性问题
试验过程中试件应力应变是否均匀(或近似均匀)是SHPB试验是否有效的关键条件之—。但是事实上常规的SHPB试验以矩形波形式加载,试件在初始的几个来回反射内是无法达到应力应变均匀,因为梯形波上升段陡峭,应力梯度高,试件内的应力应变也会随之发生梯度变化的,从而难以达到均匀。故初始信号导出的应力—应变曲线的初始段不是正确的,而想要达到应变率恒定也是不可能的。对于混凝土这类的脆性材料,材质不是很均匀,材料波速亦不是很大,试验过程中,试件内的应力应变均匀性过程不是很快,所以混凝土材料的SHPB技术的均匀性问题显得尤为重要。为解决均匀性问题,大致有以下三种解决方案:
1、减小试件的长径比:尽可能减小长度,采用薄片状试件,减少加载脉冲来回反射时间,以快速实现试件应力、应变的均匀化。不过这样做就会使试件的横向惯性效应和试件与杆端部的摩擦效应显著起来。
2、增加加载脉冲长度:对于波速较小的材料,必须加长入射脉冲的长度,以保证有足够的加载时间使得试件获得足够的反射次数达到应力应变的均匀。但加载脉冲的长度受到子弹长度的限制(脉冲长度等于两倍子弹长度),而子弹长度又受限于入射杆的长度(子弹长度最大取入射杆的半长,也就是脉冲最大长度为入射杆长)。
3、脉冲整形技术:就是将入射脉冲的陡峭上升沿通过物理滤波的手段改造成缓慢上升的斜坡波形,使得试件在受力过程中应力应变保持动态均匀。这种方法不仅能改善均匀性问题,同时也能改善杆的二维弥散问题,是混凝土等脆性材料冲击压缩实验主要甚至不可或缺的技术。
二、大直径杆的弥散效应问题
在SHPB试验技术中,一切分析都是以一维假定为基础的。根据一维假定,任意—个应力脉冲在压杆中的传播速度为定值,仅与材料性质有关。但这一假定忽略了压杆中质点的横向惯性运动,即忽略了压杆的横向收缩或膨胀对动能的贡献。这就造成频率高的应力脉冲传播得慢,频率低的传播得快,因此在压杆中传播的任一应力脉冲将发生弥散,也即压杆中质点横向惯性运动会引起弥散效应。也就是说,杆中质点横向惯性运动会造成应力波在传播过程中会产生波形拉长、上升沿变缓且出现高频震荡的现象。Rayleigh通过能量法得到了圆柱弹性杆中谐波传播速度CP与频率之间的关系:
CP=C[1-π 2μ2(rλ+……)]
式中,μ和r分别为弹性杆的泊松比和半径,λ为组成应力脉冲某个谐波的波长。公式表明,组成应力波脉冲的各谐波是以各自的相速CP传播,频率高(波长短)的传的慢,频率低(波长长)的传的快,因此任一应力脉冲在杆中传播将发生弥散,这就是由于杆中质点横向惯性所引起的弥散效应。该效应直接导致了电阻应变片测得的应变波形中波峰上迭加的高频振荡。由此而求得的应力—应变曲线中上下振荡常常掩盖了材料本身特性,造成数据处理上的困难。目前主要通过以下手段来减小弥散效应对试验的影响:
1、预留间隙法。预留间隙法是在入射杆和试件间预留一定的间隙,在入射杆撞击试件前将应力脉冲的上升沿和高频分量反射掉,以加载波较平坦的中后部作用在试件上,避开了上升沿和高频震荡对试验结果的影响,也提高了试什的应变率。
2、减小压杆直径。由式(2—9)可以看出,压杆直径越大,弥散效应越大。所以在试验中尽量用小直径压杆。当压杆半径r与脉冲宽度λ之比小于0.1时,压杆中的弥散就可以忽略不记。
3、波形整形。在入射杆的打击端加设波形整形器,将入射脉冲改造成三角形波形,消除波头的过冲和波形震荡,并将上升沿拉长。上升沿拉长使应力脉冲在脆性材料破坏前有足够的时间来回反射以获得试件内应力的均匀分布。这种方法的缺点是牺牲了应变率。
三、端面摩擦效应问题
在应力脉冲的作用下,压杆和试件的界面处的横向运动并不一致,由此产生的摩擦破坏了试件的一维应力状态,使SHPB试验中存在端面摩擦效应问题。当试件的长径比较大或试什端面平整度不够时,端面摩擦效应对试验结果有很大的影响。在SHPB试验中一般通过在试件端面涂抹凡士林等润滑剂来减少端面摩擦对试验结果的影响。
四、试件与杆端非平面接触问题
像混凝土一类的脆性材料在冲击压缩过程中的应变非常小,对试件的加工精度要求很高,同时在试验时,必须要求试件与杆的界面完全接触,使试件在试验过程中两面都均匀受力。但在大直径杆中,要做到这样比较困难。因此,在SHPB试验中存在试件与杆端非平面接触的问题。非平面接触是指由于试件平面度或平直度不好,或者由于安放试件时实验系统的准直度不好而造成的试件与杆的点、线或部分面接触,而不能完全面面接触。在小直径SHPB压杆试验中虽然也存在非平面接触的问题,但杆径和试件直径不大,平面度和平直度容易保证,系统准直度容易调试,由非平面接触引起的变形误差很小,一般情况下可以忽略。但在大尺寸SHPB试验中,大尺寸试件的制备、加工增加了满足试验在平面度及平直度精度要求的难度,从而增加了试件与杆端面全接触的难度;且大直径压杆移动困难,系统淮直度的调试难度增大;像混凝土一类的脆性材料的破坏应变较小,只要存在非平面接触,使试件受力不均匀,就可能导致实验的结果差异较大。
为了彻底消除接触不平对实验结果的影响,实验中,我们在试件与入射杆之间放置了万向头,外用钢套筒对其进行固定。万向头是一段材质、直径与杆完全相同的圆柱,中间以球弧面截开,形成一个球座铰,这样,在放置试件时,随着杆对试件的挤压,万向头自然随之微调,以达到入射杆与试件均匀接触的效果。
参考文献:
[1]中华人民共和国建设部.GB/T50081-2002.普通混凝土力学性能试验方法标准.北京:中国建筑工业出版社,2003-1-10。
[2]刘锋,潘东平等.橡胶混凝土应力和强度的细观数值分析.建筑材料学报,2008,2:144~151。