1 問題介紹

  霍普金森拉桿（Split-Hopkinson Tension Bar, SHTB）相比于與傳統的霍普金森壓桿（Split-Hopkinson Pressure Bar, SHPB），兩者的加載方式、應用場景及技術難點存在顯著差異。許多實際工況（如碰撞、爆炸）中材料可能承受高速拉伸載荷（如撕裂、韌性斷裂），直接施加動態拉伸載荷能更真實地模擬材料在高速拉伸狀態下的失效行為，彌補壓桿試驗的局限性。

  本案例將介紹韌性材料的直接式霍普金森拉桿原理及其Abaqus仿真方法。

2.1 SHTB原理

直接式霍普金森拉桿SHTB（仿真）結構

  直接式霍普金森拉桿（SHTB）一種結構形式如上圖所示。相比于常規壓縮試驗裝置結構，SHTB裝置入射桿的加載端通過螺栓連接傳遞法蘭，撞擊桿設計為套筒結構，套裝在入射桿上，套筒撞擊桿以一定速度撞擊傳遞法蘭，在入射桿加載端形成一個拉伸載荷脈沖。試樣與入射桿、透射桿通過連接結構固定，連接方式有螺紋連接、粘膠連接以及卡具連接等。

  實際SHTB裝置是套筒撞擊桿以一定速度撞擊傳遞法蘭，在入射桿加載端形成一個拉伸載荷脈沖。仿真時可采用兩種載荷加載方法：撞擊桿法是模擬試驗基于撞擊桿撞擊產生加載載荷，等效載荷法，顧名思義是直接對入射桿加載端面施加等效加載載荷。

  以下給出撞擊桿尺寸、速度與等效載荷脈寬、峰值換算關系：

（1）撞擊桿長度 L_st 與載荷脈寬τ_i：

（2）撞擊桿速度V₀與載荷峰值σ_i：

  其中， L_st 為撞擊桿長度， C_b 為桿件波速， ρ_b桿件密度。

2.2 仿真模型

直接式霍普金森拉桿SHTB仿真模型

   根據試樣形狀及連接方式、加載方式設置6個作業模型：

  仿真模型各部尺寸和參數如下：

三種試樣尺寸

  三種試樣尺寸如圖，片狀試樣厚度2mm。套筒撞擊桿內徑20.4mm，外徑28.28mm，長度778mm；傳遞法蘭直徑取30mm，長度取20mm；入射桿、透射桿直徑20mm，長度1800mm；桿件為鋼桿，波速是5172.2e3mm/s。

撞擊桿初始速度24.7e3mm/s。以下給出等效載荷脈寬、峰值：

（1）脈寬：

（2）峰值：

  材料設置：①桿件和傳遞法蘭：鋼桿密度 kg/m²，楊氏模量210e3MPa，泊松比0.29。②試樣：材料選擇1100-H14鋁合金，使用Johson-Cook本構模型，參數如下：

 表1

 2.3 仿真結果

 直接式SHTB的撞擊桿法難以使用整形片或者異形撞擊桿進行波形整形，可以利用等效載荷法進行波形設置，以減少彌散。從仿真結果看柱狀試樣螺紋連接方式與片狀粘膠連接方式結果近似，這是由于仿真中使用tie約束等效螺紋結構，實際上由于螺紋結構界面較為復雜，其結果離散性和波動性會更大，一般情況下粘膠連接方式結果更為精確。