科技前沿 | 材料動態力學測試——霍普金森桿實驗
在航空、航天、汽車、運輸、包裝及其它軍事和民用領域中，工程材料可能會遇到像高速碰撞、爆炸這樣的沖擊加載情況，了解材料在沖擊加載下的力學響應，有助于各類材料的工程應用和工程設計。
對于材料來說，其在動載下的力學性能和在靜載下的力學性能是不同的。與準靜態實驗相比，進行高應變率下的動態實驗，依然是一個不小的挑戰。霍普金森拉伸實驗，對于有效并精確地獲取材料的應變率相關的應力-應變曲線，是非常好的動態實驗方式。
霍普金森桿（Hopkinson bar）是1993年公布的力學名詞。
是一種用于力學、工程與技術科學基礎學科、材料科學、機械工程領域的物理性能測試儀器。
01
動載下材料力學相應測試需求
大家都知道，常規靜態拉伸，研究的是處于靜力平衡狀態下的材料，以忽略材料的慣性作用為前提。爆炸/沖擊載荷以載荷作用的短歷時為其特征，在這種條件下，材料處于隨時間迅速變化著的動態過程。
霍普金森桿拉伸實驗，可測得材料在高應變率（102-104/s）下的應力-應變曲線。強沖擊載荷所具有的在短暫時間尺度上發生載荷顯著變化，同時也意味著高加載率或高應變率，所測得的可變形材料的應力-應變曲線，是研究該材料試件動態力學特性的重點。
02
霍普金森桿測試原理
該研究采用霍普金森桿裝置，用于材料動態力學性能的測試，應變率范圍102-104s-1。基本原理為：當qinag膛中的打擊桿（zidan）以一定速度彈入輸入桿時，在輸入桿中產生一個入射脈沖，應力波通過彈性輸入桿到達試件，試件在應力脈沖作用下產生高速變形。
應力波通過試件同時產生反射脈沖，進入彈性輸入桿和投射脈沖進入輸出桿。測速器可以獲得zidan的打擊速度，粘貼在彈性桿上的應變片，記錄應變脈沖計算材料的動態應力、應變參數。
根據粘貼在壓桿上的電阻應變片測得的入射波、反射波、透射波，以及一維應力波理論可得到如下的計算公式。 試樣的平均應變率為：（1） 試樣中的平均應變：（2） 試樣中的平均應力： （3）
式中，I、R和T分別表示測試記錄的入射、反射和透射波，是彈性縱波波速，為試樣的原始長度，為壓桿的彈性模量，為壓桿與試樣的截面積之比。 由應力平衡條件導出： （4） ；將式（4）代入（1）、（2）、（3）式可得 （5） （6） （7）
所以， 在應力平衡的條件下可采用式（5）、（6）、（7）來計算材料的動態壓縮的力學行為。
03
霍普金森桿的應用
霍普金森壓桿實驗主要用于研究材料在沖擊荷載下的應力-應變關系和破壞機理，包括：
巖石、混凝土、陶瓷材料試驗;
塑料、復合材料、泡沫材料、減震材料等材料試驗;
高聚物、炸藥、固體推動劑材料試驗等。
應用：采用霍普金森桿可獲得納米增強泡沫材料在不同沖擊速度下的吸能能力，如下圖所示。
04
動態荷載下應力-應變關系
靜態荷載下，材料應力σ=應變ε·楊氏模量E。
而在動態荷載下，材料力學性能會與加載率（應變率）顯著相關。高幅值短持續時間脈沖荷載所引起的材料力學性質的應變率效應，對于抗動載的結構設計與分析是非常重要的。這些動載來自常規武器爆炸、偶然爆炸和高速撞擊等許多軍事和民事事件。
當驅動撞擊桿撞擊入射桿時，通過采集入射桿和透射桿的應變脈沖-時間波形，就可得到作用于試件的沖擊荷載。而改變撞擊速度就可以改變作用于試件的沖擊荷載和試件的應變率。通過多次測試，就能得到試樣在不同應變率下表現出的不一樣的應力-應變關系。下圖是鋁在一個測試結果，在較高的應變率下，試件發生了較大的變形。
05
實驗總結
數值模擬，已在工程設計中發揮著重要作用，而進行數值模擬的前提，是要建立一個材料在各種應變率下的精確應力-應變曲線。
利用霍普金森桿拉伸實驗，該研究所成功采集到了材料試件在動態荷載下的應力-應變曲線，有助于材料的數值模擬，助力材料的工程應用和工程設計。
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