霍普金森拉桿壓桿

喬峰

2024年7月26日 16:30

一、霍普金森桿介紹

霍普金森桿裝置，英文簡(jiǎn)稱(chēng) SHP(T)B, Split Hopkinson Pressure(Tensile) Bar，主要用于材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的測(cè)試，應(yīng)變率范圍 10^2～10^4。SHP(T)B 實(shí)驗(yàn)裝置的基本原型是 Hopkinson 在 1914 年提出的用于測(cè)量沖擊載荷的脈沖波形的壓桿裝置。1949 年Kolsky 將壓桿分成兩段，通過(guò)加速的質(zhì)量塊、短桿撞擊或炸藥爆轟產(chǎn)生加速脈沖，試件置于輸入桿和輸出桿中間，利用這一裝置可測(cè)量材料在沖擊載荷作用下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。Kolsky 的工作是一項(xiàng)革命性改進(jìn)，現(xiàn)代的 SHPB 都是在其基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，所以 SHP(T)B 桿也稱(chēng)之為 Kolsky 桿。典型的SHPB裝置及其數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)如圖1所示，當(dāng)槍膛中的打擊桿(子彈)以一定的速度撞擊彈性輸入桿時(shí)，在輸入桿中產(chǎn)生一個(gè)入射脈沖I（應(yīng)力波），應(yīng)力波通過(guò)彈性輸入桿到達(dá)試件，試件在應(yīng)力脈沖的作用下產(chǎn)生高速變形，而應(yīng)力波在通過(guò)較短試件的同時(shí)產(chǎn)生反射脈沖進(jìn)入彈性輸入桿和透射脈沖進(jìn)入輸出桿。利用測(cè)速器可以獲得子彈的打擊速度，粘貼在彈性桿上的應(yīng)變片所記錄下的應(yīng)變脈沖可以用來(lái)計(jì)算材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變參數(shù)。

霍普金森拉桿壓桿的圖1

圖 1 霍普金森桿示意圖

SHPB實(shí)驗(yàn)的基本原理建立在二個(gè)基本假定的基礎(chǔ)上，即一維假定(又稱(chēng)平面假定)和應(yīng)力均勻假定。一維假定認(rèn)為應(yīng)力波在細(xì)長(zhǎng)桿的傳播過(guò)程中，彈性桿中的每個(gè)橫截面始終保持為平面狀態(tài)；應(yīng)力均勻假定認(rèn)為應(yīng)力波在試件中反復(fù) 2～3個(gè)來(lái)回，試件中的應(yīng)力處處相等。由此可利用一維應(yīng)力個(gè)來(lái)回，試件中的應(yīng)力處處相等。由此可利用一維應(yīng)力理論確定試件材料的應(yīng)變率、應(yīng)變和應(yīng)力。

二、設(shè)備主要部件組成

霍普金森多功能拉、壓桿設(shè)備主要由儲(chǔ)氣裝置、發(fā)射與控制操縱系統(tǒng)、桿系與子彈、量測(cè)與分析系統(tǒng)、中心支撐部件、組合基礎(chǔ)導(dǎo)軌、主動(dòng)圍壓部分、單次加載裝置、緩沖裝置和輔助設(shè)備等組成。霍普金森多功能拉、壓桿設(shè)備是建立在統(tǒng)一高精度基準(zhǔn)之下的一套專(zhuān)用試驗(yàn)設(shè)備。其中主要不同于其它設(shè)備的特殊部分分述如下：

1. 發(fā)射系統(tǒng)

由儲(chǔ)氣室、發(fā)射體、操控模塊、活塞、聯(lián)接法蘭、可快換變徑炮管、支承座、反后座支架等組成。

2. 桿件桿徑

壓桿：φ10mm，20mm,30mm,40mm,50mm,80mm,100mm

拉桿：φ20mm，φ14.28mm,φ10mm

3. 操作臺(tái)

操控模塊為獨(dú)有結(jié)構(gòu)，在發(fā)射體上安裝，具有進(jìn)氣閥、儲(chǔ)氣室微調(diào)閥、減壓閥、壓力表、炮管底部排氣閥、自動(dòng)快速放（氣）炮開(kāi)關(guān)。可以自動(dòng)操作子彈就位，子彈發(fā)射，采集沖擊信號(hào)，導(dǎo)出沖擊方波，得出應(yīng)變率和應(yīng)力等測(cè)試結(jié)果

4. 桿系與子彈

材料18Ni；金屬材料均進(jìn)行過(guò)熱處理，所有桿件端面垂直度均可達(dá)到0.02mm 以?xún)?nèi)，桿徑和端面粗糙度達(dá)到 Ra0.8 以上。

5. 中心支撐部件

由基座、開(kāi)合上座、三向移動(dòng)調(diào)整定位機(jī)構(gòu)、高精度軸承、壓蓋、手動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。主要特點(diǎn)在統(tǒng)一基準(zhǔn)導(dǎo)軌下可使不同直徑桿系沿軸向運(yùn)動(dòng)為滾動(dòng)摩擦，滑動(dòng)輕快，自調(diào)整極其方便，最大優(yōu)點(diǎn)受力合理使桿系工作壽命大大延長(zhǎng)。

6. 組合基準(zhǔn)導(dǎo)軌

由型材導(dǎo)軌、地腳調(diào)節(jié)裝置等拼合組成的一整體導(dǎo)軌。使用專(zhuān)用技術(shù)，使導(dǎo)軌在安裝好后，形成兩個(gè)基準(zhǔn)：一個(gè)是側(cè)基準(zhǔn)，一個(gè)是水平基準(zhǔn)，可使發(fā)射裝置、桿系、支撐部件等在同一基準(zhǔn)下工作，大大提高調(diào)試工作效率。

7. 激光測(cè)速系統(tǒng)

測(cè)速儀可用于霍普金森桿實(shí)驗(yàn)中測(cè)量空氣炮的彈丸速度，也可用于其它類(lèi)型火炮彈丸速度的測(cè)試及相關(guān)領(lǐng)域，主要特點(diǎn)如下：

? LCD顯示界面簡(jiǎn)潔，操作提示明確，可同時(shí)顯示測(cè)試時(shí)間值及速度值；可手動(dòng)設(shè)置測(cè)速段距離，設(shè)置范圍為1~999 mm，分辨率為1 mm；

? 時(shí)間測(cè)試范圍為0.1~99999.9 us（0.1s），精度為±0.1 us，速度測(cè)試精度為±0.01 m/s；

? 具有串行通信接口，可根據(jù)用戶(hù)需求設(shè)計(jì)上位機(jī)控制軟件控制測(cè)試過(guò)程；

? 供電電源為AC220V，工作溫度-10~40 ℃，也可改為電池供電，便于野外使用。

? 核心部件采用大規(guī)模可編程邏輯器件，根據(jù)用戶(hù)需求修改功能，可在線編程、調(diào)試。

8. 高低溫控制系統(tǒng)（可選）

8.1 高溫系統(tǒng)

高溫爐采用目前世界上最先進(jìn)的全纖維真空壓制爐膛，具有節(jié)能、美觀、使壽命長(zhǎng)和安裝維修方便的特點(diǎn)；溫度控制系統(tǒng)采用人工智能控制、具有控溫精度高，性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。爐體及爐蓋采用雙層不銹鋼的堅(jiān)固結(jié)構(gòu)，中空通流動(dòng)水，降溫效果良好，外殼溫度 25°C 恒溫，以保護(hù)操作者安全。高溫爐采用高性能內(nèi)置式加熱體，升溫速度快、調(diào)節(jié)靈敏、精度高，溫度穩(wěn)定，溫度工作上線有較大擴(kuò)展，采用 PID 溫度控制儀，性能可靠、使用方便。溫度可任意編程升降調(diào)節(jié)。高溫爐采用高性能內(nèi)置式加熱體，升溫速度快、調(diào)節(jié)靈敏、精度高，溫度穩(wěn)定，溫度工作上線有較大擴(kuò)展，采用 PID 溫度控制儀，性能可靠、使用方便。溫度可在50-1000 度之間任意編程升降調(diào)節(jié)。具體參數(shù)如表1所示

表 1 高溫系統(tǒng)參數(shù)

霍普金森拉桿壓桿的圖2

8.2 低溫系統(tǒng)

采用液氮作為制冷介質(zhì)，采用智能儀表控制溫度，PID 調(diào)節(jié)，溫度范圍：

-196℃～室溫；控溫精度：≤±5℃。

9. ALT1000型超動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

ALT1000 型超動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)專(zhuān)用于霍布金森桿實(shí)驗(yàn)的測(cè)試和分析。系統(tǒng)瞬態(tài)最高采樣速率 1MHz，每通道獨(dú)立 A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，外掛應(yīng)變調(diào)理器完成1/4 橋、半橋、全橋狀態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試和分析，對(duì)被測(cè)信號(hào)實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)顯示、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)分析，具備自動(dòng)測(cè)試控制和數(shù)據(jù)波形分析處理功能。具有以下優(yōu)點(diǎn)：

? 12 Bits A/D 分辨率、10KSPS-40MSPS 采樣率、4 個(gè)并行采集通道、每通道 8MSa 緩沖存儲(chǔ)器

? 豐富的觸發(fā)功能

? 驅(qū)動(dòng)程序支持 Windows10

? 它具有高精度，低噪聲，低失真和測(cè)試信號(hào)范圍寬的特點(diǎn)。

n ALT1000 超動(dòng)態(tài)數(shù)采系統(tǒng)提供 8 路模擬信號(hào)輸入并行采集測(cè)試通道，所有

通道同時(shí)采樣保持，各自進(jìn)行獨(dú)立的 A/D 轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)采集測(cè)量達(dá) 12 位

? A/D 轉(zhuǎn)換分辨率和最高 40MSPS 數(shù)據(jù)采樣率。其高阻抗差分輸入的每通道

? 有獨(dú)立的增益 1-1600 倍，可直接連接大多數(shù)傳感器電壓輸出。

n ALT1000 超動(dòng)態(tài)數(shù)采系統(tǒng)有八個(gè)量程檔±10V，±6V，±4V，±2V，±1V，

? ±500mV，±250mV，±125mV,有一系統(tǒng)觸發(fā)線和系統(tǒng)時(shí)鐘線，可在多個(gè)

? 采集器同時(shí)工作時(shí)選擇系統(tǒng)觸發(fā)和系統(tǒng)時(shí)鐘之用，以便整個(gè)系統(tǒng)觸發(fā)同步

? 和以同一時(shí)鐘進(jìn)行采樣，保持系統(tǒng)同步。

n ALT1000 超動(dòng)態(tài)數(shù)采系統(tǒng)具有軟件觸發(fā)、內(nèi)觸發(fā)、外觸發(fā)和正負(fù)延遲多種

? 觸發(fā)功能。A/D 轉(zhuǎn)換率最高為 40MSPS，向下按 1、2、5 分頻；信號(hào)輸入

? 用 BNC 同軸電纜(可選用差分連接器)連接器輸入。每通道采樣的最大存貯

? 深度為 8MSa，可用軟件隨意設(shè)置采樣長(zhǎng)度。該系統(tǒng)配有系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制程

? 序軟件，在 WindowsXP/7 版本的操作平臺(tái)下運(yùn)行，控制面板完全是虛擬

? 儀器軟面板，圖形化界面十分友好

9. 3 ALT1000 應(yīng)變適調(diào)器技術(shù)指標(biāo)：

（1）可實(shí)現(xiàn)橋路的程控切換和自檢功能：

（2）適用電阻應(yīng)變片阻值：

50Ω～10000Ω；

（3）供橋電壓：2V、5V、10V（可選）

（4）程控橋路方式：

1/4 橋（標(biāo)配 120Ω）、半橋、全橋；

（5）增益：

100 倍（30，50，100，500，100 可選）；

（6）最大帶寬：

DC～300kHz（+0.5dB～-3dB）；

（7）輸出特性：

A．輸出電壓：7VRMS；

B．輸出電流：5mA；

C．輸出電阻：小于 1Ω；

（8）尺寸：

30mm（寬）×20mm（高）×80mm（長(zhǎng)）（單通道）；

10. 霍普金森拉桿 ALT1500 軟件簡(jiǎn)介

10.1. 操作界面(可自動(dòng)識(shí)別計(jì)算波形）

霍普金森桿數(shù)據(jù)分析軟件由阿基米德工業(yè)科技公司開(kāi)發(fā)，功能非常強(qiáng)大，可以同時(shí)計(jì)算得到動(dòng)態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變速率、應(yīng)變能、入射能、透射能、反射能、質(zhì)點(diǎn)速度、加速度（高 g 值）、試樣升溫、斷裂韌性，位移量、沖擊力、軸壓變化、圍壓變化、孔隙壓力變化、入射應(yīng)力應(yīng)變、透射應(yīng)力應(yīng)變、反射應(yīng)力應(yīng)變、巴西劈裂強(qiáng)度等數(shù)據(jù)。

霍普金森(Hopkinson)桿實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)主要包括時(shí)間、入射電壓和透射電壓。數(shù)據(jù)分析程序?qū)υ紨?shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要功能有：

1. 根據(jù)圖像中的曲線圖手動(dòng)抓取入射波/透射波的起始位置，并分離出所需時(shí)間區(qū)間的所有數(shù)據(jù)。

2. 根據(jù)特定的計(jì)算方法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并自動(dòng)識(shí)別入射波/透射波的起始位置，并分離出所需時(shí)間區(qū)間的所有數(shù)據(jù)。

3. 可實(shí)現(xiàn)移波操作，即當(dāng)入射波和透射波的起始位置有偏差時(shí)，可對(duì)入射波或透射波的數(shù)據(jù)進(jìn)行移動(dòng)，以使兩者的起始位置對(duì)齊。

4. 針對(duì)有效時(shí)間區(qū)間的入射電壓和透射電壓，依據(jù)給定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算相應(yīng)的應(yīng)變率、應(yīng)力、應(yīng)變能和高 G 值等參數(shù)。

5. 針對(duì)給定的數(shù)據(jù)列表，可按平面曲線的方式顯示指定的映射關(guān)系。默認(rèn)條件下，以時(shí)間數(shù)據(jù)表示橫坐標(biāo)值，其他數(shù)據(jù)列作為縱坐標(biāo)值。

6. 可對(duì)映射曲線的顯示風(fēng)格進(jìn)行編輯，包括線型、線寬、顏色、顯示間隔，節(jié)點(diǎn)符號(hào)的形狀、大小、顏色、顯示間隔等等。

7. 可對(duì)坐標(biāo)軸、注釋框、圖形邊框等元素的風(fēng)格進(jìn)行編輯，包括坐標(biāo)軸的名稱(chēng)、顯示范圍的數(shù)據(jù)區(qū)間，注釋框的顯示位置、是否隱藏邊框，圖形邊框是否隱藏、網(wǎng)格輔助線是否顯示等屬性。

8. 可實(shí)現(xiàn)圖形/圖像的縮放、移動(dòng)、抓取、位圖轉(zhuǎn)換等功能。縮放和平移即改變曲線的顯示范圍，抓取即可以將點(diǎn)擊圖像獲得對(duì)應(yīng)的數(shù)值，位圖轉(zhuǎn)換即將變換為 BMP 格式的位圖并輸出。

三、設(shè)備優(yōu)越性能

ALT1500 采取柜體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，直接將發(fā)射及壓桿系統(tǒng)安裝在兩個(gè)操作臺(tái)

之間，所有零配件都安裝在工作臺(tái)內(nèi)部，整齊美觀，實(shí)用性很強(qiáng)。發(fā)射及控制系統(tǒng)安裝在前操作臺(tái)，操作人員在電腦前即可完成子彈發(fā)射，子彈回收數(shù)據(jù)處理等操作，非常方便。高溫加熱系統(tǒng)及同步氣缸安裝在后操作臺(tái)，可以通過(guò)PID控制系統(tǒng)隨意調(diào)整目標(biāo)溫度，高溫爐外部帶水冷系統(tǒng)，可以保證操作的安全。各個(gè)桿系通過(guò)不同直徑的帶軸承桿套可以安裝在同一規(guī)格的支撐臺(tái)上，可以隨意更換壓桿。同一系統(tǒng)也可以安裝兩套基座以適應(yīng)不同直徑的桿徑，通過(guò)對(duì)桿及發(fā)射系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)整，該設(shè)備可以沖擊出經(jīng)典的規(guī)則方波。具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. 可快速變換不同桿徑：采用斜口壓桿支座，在一臺(tái)霍設(shè)上只需更換炮管就可方便實(shí)現(xiàn)各種霍桿試驗(yàn)，達(dá)到各種實(shí)驗(yàn)?zāi)康模蔀橛脩?hù)節(jié)錢(qián)。

2. 主體采用柜式結(jié)構(gòu)加型鋼軌道設(shè)計(jì)，實(shí)用性強(qiáng)，操作方便，外觀符合現(xiàn)代工業(yè)美學(xué)理念。

3. 可以拉桿和壓桿共用一個(gè)主體，共用采集系統(tǒng)和氣室發(fā)射系統(tǒng)，拉桿支架采用軸承支架，方便安裝與滑動(dòng)。

4. 操作面板集成到炮管后的柜體上以保證操作安全，撞擊桿可以自動(dòng)發(fā)射，自動(dòng)回位，采用雙開(kāi)關(guān)以避免誤發(fā)射。

5. 排除外部電磁干擾，同時(shí)防止采集系統(tǒng)誤觸發(fā)，發(fā)射控制系統(tǒng)采用氣動(dòng)控制系統(tǒng)。

6. 數(shù)據(jù)采集軟件可以隨意選擇波形的起點(diǎn)及終點(diǎn)，可以選取任意波段數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

7. 數(shù)據(jù)處理軟件自動(dòng)識(shí)別透射波和反射波的起跳點(diǎn)，自動(dòng)計(jì)算應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率、應(yīng)變能、入射能、透射能、反射能、質(zhì)點(diǎn)沖擊速度，自動(dòng)生成應(yīng)力應(yīng)變曲線，以及時(shí)間與上面各種參數(shù)的曲線，可以計(jì)算方形試樣，以上功能可以現(xiàn)場(chǎng)演示。

8. 統(tǒng)一基準(zhǔn)：由專(zhuān)有技術(shù)拼合成的分段組合式導(dǎo)軌，可任意接長(zhǎng)或縮短，具有側(cè)向和平面高精度統(tǒng)一基準(zhǔn)，可使發(fā)射系統(tǒng)（包括各種炮管）、桿系（各種桿徑）在同一基準(zhǔn)下任一位置調(diào)試安裝，極大節(jié)約調(diào)試時(shí)間，操作方便，提高試驗(yàn)精度。

9. 標(biāo)準(zhǔn)模塊化：無(wú)論發(fā)射系統(tǒng)、中心支撐裝置，還是導(dǎo)軌，全部采用標(biāo)準(zhǔn)模塊化結(jié)構(gòu)。無(wú)論你需要什么樣的拉桿試驗(yàn)設(shè)備，都可通過(guò)數(shù)量增減而達(dá)到試驗(yàn)要求，易于推廣。

10. 擴(kuò)展性：系統(tǒng)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。可以加測(cè)速，高溫，圍壓，三點(diǎn)彎，剪切等各種不同條件下的測(cè)試，可以在在導(dǎo)軌上增加一臺(tái)輔助設(shè)備（高精度磨頭變頻動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、短直線導(dǎo)軌副、桿件旋轉(zhuǎn)動(dòng)力機(jī)構(gòu)等），即可解決長(zhǎng)桿磨削問(wèn)題；增加各種直徑桿件的單次加載裝置等試驗(yàn)項(xiàng)目不加什么就很容易實(shí)現(xiàn)；緩沖裝置可移位等。